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2D/3D 轮廓传感器技术

2D/3D 轮廓传感器测量焊缝或胶线等对象，承担机器人的精确位置控制，并通过激光三角测量检查圆度或间隙尺寸。传感器与 uniVision 软件兼容，并可通过开放式传感器接口与第三方软件兼容。

什么是 2D/3D 轮廓传感器？

wenglor 的 2D/3D 轮廓传感器可在不同应用领域快速、精确地测量轮廓和表面。轮廓传感器根据激光三角测量原理工作，可生成详细的 2D 高度轮廓以及完整的 3D 点云。由于采用非接触式测量方法，传感器非常适用于工业制造中的质量保证、物体识别和机器人引导。

2D/3D 轮廓传感器有两种不同的性能等级：

MLSL：外壳设计紧凑，分辨率精确

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MLWL：高品质光学元件确保卓越的产品质量

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wenglor 为几乎所有应用提供适当的解决方案：从完整的 360 度测量、精确的焊缝引导和定位到精度达微米级的表面检测。多样化的产品系列包括测量范围、激光功率和激光波长不同的多功能传感器。

MLZL 2D/3D 轮廓传感器

MLZL 系列结构形式紧凑，非常适合用于焊接机器人。

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2D/3D 轮廓传感器不锈钢材质

带有不锈钢外壳的轮廓传感器用于强力冲洗区域。

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用于折弯机的 2D/3D 轮廓传感器

wenglor 产品系列提供预配置的 2D/3D 轮廓传感器，用于在折弯机上即插即用。

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三角测量原理

激光三角测量是一光学测量原理，在 2D/3D 轮廓传感器中用于精确检测表面轮廓和分析强度。激光将一条细线投射到物体表面。反射线由集成的摄像头以固定角度（即所谓的三角测量角度）检测。由于图像芯片（也称为图像传感器）由多个单独的像素组成，激光线在那里显示为一系列单独的像素点。每个点都对应于激光线在图像芯片中的一个精确位置。

创建 2D 高度轮廓线

在每次测量时，2D/3D 轮廓传感器生成一个 2D 高度轮廓，也称为横截面轮廓。它由多个测量点组成，这些测量点横向于物体的运动方向并排排列成一条线。每个点都精确描述了沿 x 轴和 z 轴的传感器与物体表面之间的精确距离。每个高度值都会补充一个强度值。它提供关于光反射强度和材料或表面特性的信息，例如颜色、对比度、光泽度或透明材料的变化。

2D/3D 传感器有盲区吗？

是的，2D/3D 轮廓传感器具有盲区。这原则上适用于所有根据三角测量原理工作的传感器。盲区是指传感器基准点与其工作范围起始点之间的区域。此时，反射光投射到接收元件（图像芯片）上的距离至关重要。因为只有当反射光照射到图像芯片上时，才能进行测量。不会识别到测量值在测量范围以下的物体，也不会输出测量值。

激光投射

盲区

测量范围

盲区

2D 高度轮廓的质量取决于激光、摄像头和分析模块的相互作用。只有当激光线被精确投射、摄像头精确对焦、分析模块可靠解译时，所生成的高度轮廓才能真实反映物体的几何形状 – 即使是复杂或要求苛刻的表面也是如此。

从 2D 高度轮廓到 3D 点云

如果物体相对于传感器移动，例如在输送带上，通过机器人导向装置或直线驱动装置，则会连续生成多个单独的 2D 高度轮廓。它们相互排列，从而形成整个物体几何形状的完整三维图像。3D 点云包含空间 x、y 和 z 坐标以及相应的强度值。

2D/3D 轮廓传感器的坐标系

为了正确解译和进一步处理由 2D/3D 轮廓传感器采集的测量数据，一个明确、固定定义的坐标系至关重要。它用作所有采集数据的空间参考，可以将传感器精确集成到机器人应用或轴系统等上级系统中。轴定义有助于在三维空间传感器的精确对准、调整和校准，并确保正确分配和进一步处理采集的测量数据。

传感器的坐标系与其视野相匹配。零点直接位于外壳外的激光器出口处。因此，测量值在实际位置上与检测到的物体完全一致。

轴概览

x 轴（宽度）

x 轴沿着激光线水平移动，定义采集轮廓的宽度。相应的 a 轴描述了围绕 x 轴的旋转，即传感器向前或向后倾斜。

y 轴（进给方向）

y 轴沿着物体或传感器的移动方向移动，通常沿着输送带或在扫描过程中。b 轴表示绕 y 轴旋转，表示传感器向左或向右倾斜。

z 轴（高度 / 距离）

z 轴从传感器垂直向下指向物体，表示传感器与表面之间的高度或距离。c 轴表示围绕 z 轴的旋转，即传感器的横向扭转。

2D/3D 轮廓传感器的正确对准

为了获得精确的测量结果，激光线必须尽可能与测量表面相垂直。传感器与物体表面之间的 90 度角可提供最佳的结果。在此位置，激光以最佳方式照射到物体上，反射线可以被摄像头均匀检测到。

正确对准

传感器倾斜

表面的反射行为起着核心作用。

直接的、定向的反射发生在光滑或光亮的材料上，如金属、玻璃或涂层表面。在这里，光线像镜子那样聚焦反射。在这种情况下，传感器的轻微倾斜可能有利于分散摄像头视野的反射并避免摄像头芯片的过度曝光。这时，对薄膜滑块的精确控制至关重要。

漫反射发生在哑光、粗糙或结构化的表面上。光线在多个方向均匀散射，通常会导致信号采集更稳定。然而，不准确的对准和漫射材料可能会影响强度分布或测量精度。

为了实现均匀的信号分布和最佳的轮廓质量，应尽可能避免倾斜。2D/3D 轮廓传感器凭借其大的动态范围，即使在轻微倾斜时也能提供可靠的测量值。

原则上以下情况适用：与理想角度的微小偏差可能会对信号质量和轮廓数据产生正面或负面影响，具体取决于表面的特性。因此，有意识地根据应用对准传感器至关重要：垂直放置，以确保稳定性，并有针对性地倾斜，以避免或控制反射。

阴影

阴影时，视野完全或部分被物体或相邻结构遮挡。因此，摄像头不再检测投射激光线的某些区域，从而产生不完整的轮廓。阴影通常出现在物体的边缘、陡峭的台阶或较大的凹陷处。即使是复杂的部件几何形状或高度差异很大，也会由于阴影而难以完全检测和分析物体表面。

如何避免阴影？

对传感器测量范围内的物体进行有针对性的调整，可以避免阴影。

避免边缘、陡峭的台阶和凹陷造成阴影

如果放置的物体使得边缘、陡峭的台阶或垂直表面直接伸入传感器的视野范围，这些区域可能会阻挡其他可能需要检测的特征。物体的轻微旋转或倾斜，可确保传感器能够捕捉所有相关表面，并且不会遮挡重要的测量数据。

即使是凹陷较深的部件，也可能会在物体的后部区域产生待检测特征的阴影。因此，在放置物体时应确保所有重要表面都位于传感器的视野范围内。

阴影不代表测量误差，而是几何形状引起的限制。良好的传感器设置可最大限度地减少这些限制，并可确保可靠、完整的检测物体的整个轮廓。

2D/3D 轮廓传感器的主要组件概览

激光模块

分析单元

集成的摄像头

1 激光模块
2 集成式摄像头
3 分析单元

激光模块 是 2D/3D 轮廓传感器的其中一个最重要的主要组件。它可产生高精度激光线，用于详细采集表面轮廓和高度测量。这是通过一系列光学元件将激光点扩展成一条线。借助这种精确的激光线，可以非常高的精度扫描物体，甚至可以识别最小的高度差异和表面结构。

与传统图像处理系统不同，2D/3D 轮廓传感器无需额外的照明。激光器可产生高强度的精确激光线。因此，即使在强烈的外来光线下，激光三角测量仍能保持稳定，并提供精确的测量结果。由于激光模块完全集成在传感器中并以机械方式固定，无需进行繁琐的调校或由外部光源引起的潜在干扰。

激光模块的功率主要由激光波长和激光类别决定。

激光波长

根据应用的不同，使用不同波长的激光器。这样可以最佳地适应不同的表面、材料或环境条件。

激光类别

传感器设有不同的激光类别。它们用于指示激光器的功率，并决定发射光的强度。

2D/3D 轮廓传感器的另一个重要组件是 集成式摄像头。它以最高的精度探测反射的激光线。该摄像头由高品质物镜和功能强大的摄像机芯片组成，可准确捕捉光信息并将其转换为数字测量数据。摄像头的分辨率，即每个轮廓线的像素数决定了细节精度。分辨率越高，轮廓、边缘和表面特征的图像越精细。

通过出厂校准和机械固定摄像头单元，可确保持续的测量稳定性，而无需进行繁琐的调校。激光光学系统和摄像头技术的相互作用能使三维空间的每个轮廓点得以精确的测量，从而为可再现的测量结果奠定可靠的基础。

分析模块 构成 2D/3D 轮廓传感器的计算中心。在此处，摄像头采集的原始数据转换为数字测量数据。通过图像采集、分析和接口通信的相互作用，它对于在线测量系统的性能至关重要。

为了实现最大的灵活性，2D/3D 轮廓传感器具有两种可选的运行模式，它们专为不同的要求而设计，从而实现了多样化的应用。两种运行模式都使用相同的高性能硬件平台。得益于集成的处理器和稳定的计算架构，即使轮廓速率很高并且数据量很大也能可靠地进行处理和传输。

运行模式：智能轮廓传感器

运行模式：轮廓生成器

在 “智能轮廓传感器” 模式下，整个轮廓分析直接在传感器上进行，无需额外的硬件。使用可配置的算法分析采集到的轮廓信息。结果是已解译和分析的信号，例如距离值、边缘位置或合格 / 不合格信号。这些经过处理的轮廓数据无需额外处理即可直接传输到控制器或机器人，并可无缝整合到现有流程中。

在 “轮廓生成器” 模式下，2D/3D 轮廓传感器提供完整的二维高度轮廓。原始测量数据作为点云或轮廓数据流传输，并由上级分析单元或基于 PC 的视觉系统进一步处理。该模式为复杂的应用或个性化的分析逻辑提供了最大的灵活性。

通过多种接口实现灵活性

根据不同的运行模式，提供不同的接口，以实现与各种生产环境的无缝集成。

“智能轮廓传感器”模式下的接口

工业以太网接口（包括 PROFINET、EtherNet/IP、EtherCAT 和 TCP）可实现与 PLC 系统、机器人和其他控制器的快速连接和可靠通信。

“轮廓生成器”模式下的接口

“轮廓生成器” 模式下的典型接口是 GigE Vision、GenICam 或软件开发工具包 (SDK) 。因此，数据可以轻松地集成到标准图像处理软件或定制应用中。

对主要组件的详细说明：了解更多信息！

有关激光模块、摄像头和分析模块的详细信息，请参见页面下方。

2D/3D 轮廓传感器的应用可能性

零件测量

检查高度

直径检查

检查圆度

厚度测量

定位

焊缝引导

焊缝检测

检查间隙尺寸

测量体积

角度测量

使用 2D/3D 传感器的领域和行业

工业自动化的要求多种多样。无论是不断变化的天气条件、强力清洁过程、爆炸危险区域还是焊接飞溅物 – 2D/3D 轮廓传感器产品系列都有不同的型号。我们的产品经过精心设计，即使在最恶劣的条件下也能可靠地工作，同时符合技术规程和质量标准。

汽车行业

生产乘用车汽车座椅时，必须确保每个座椅的侧垫和脊柱垫的位置相同并且符合规定。在测试台上，使用 2D/3D 轮廓传感器从上到下测量汽车座椅。此时会记录轮廓和填充率，分析对称性，检测接缝和座椅位置以及可能的损坏。

木材加工业

加工按压镶木地板时，在整个工作过程中必须持续保证地板几何形状的质量。然而，随着时间的推移，所用铣刀会磨损，从而造成废品。为了减少这种情况，在铣削后直接用两个 2D/3D 轮廓传感器精确测量实木复合地板的侧边，并通过控制单元借助软件对 2D 轮廓数据进行处理、可视化和分析。

食品加工业

在灌装冰淇淋甜筒后，必须检查盖上的纸盖是否存在和位置正确性。防护等级为 IP69K 的 2D/3D 轮廓传感器通过激光三角测量方式在生产线的整个辊道宽度内检测甜筒高度、所放纸盖的存在性和角度。基于网络的设备可视化系统报告结果状态。

物流

因此，物流专家必须确定最终包装所需的最少量，以降低仓储成本，节省灌装材料，并最终确定重新包装的适当尺寸。为此，在包装前使用 2D/3D 轮廓传感器确定物体的最高点。接着将纸箱单独缩小，然后密封。

轨道交通行业

在对轨道路基进行打磨或铣削等维护作业之前，不仅要在连续运行中检测轨道的位置而且还要检测石头等障碍物或道岔。为此，多台相邻安装的 2D/3D 轮廓传感器在一条线上测量轨道路基的轮廓。通过软件合并高度轮廓并进行分析。

金属加工业

在铸造厂或高炉中，必须以微米级精度测量钢水通过的钢管，便于检测其位置，以在高达 1,300°C 的温度下检验质量。为此，在机械手臂上安装一个 2D/3D 轮廓传感器，用于跟踪炽热的钢管。相应的冷却外壳可以实现精确的测量，即使在极端温度下也是如此。

焊接工业

在全自动机器人焊接单元中，在焊接前必须确定准确的对接位置。为此，将一个 2D/3D 轮廓传感器直接安装在机器人的焊炬前方，该传感器通过激光三角测量法识别碰撞。通过 uniVision 软件确定导向点并将其发送给控制器。这时，可凭这些信息修正轨迹并对焊缝进行定位。

激光模块的详细信息

稳定的激光线

精度高

通过集成的共用外壳实现高的 IP 防护等级

不受外部照明的影响

激光点如何变成激光线？

激光器发射出具有圆形横截面的聚焦点光束。为了由此产生一条线，使用由柱面镜或鲍威尔棱镜组成的特殊光学元件对光束进行扩束。由此形成了精确的光束线，并以轮廓清晰的激光线呈现在物体表面。

柱面镜和鲍威尔棱镜的工作原理是什么？

柱面镜

光束（1）由柱面镜（2）沿着一根轴线折射，从而从一个圆形激光点形成一条线。激光器最初发射的光束通常具有高斯型强度分布。这意味着强度在中间最高，在边缘处持续下降。如果使用柱面镜将此点光束转换为线光束（3），这种不均匀的强度分布仍会保留。线条中间明显比末端更亮。

鲍威尔棱镜

鲍威尔棱镜（2）是一种特殊形状的柱面镜。它的设计目的是从高斯激光点（1）生成具有均匀强度分布（3）的激光线。与简单的柱面镜不同，鲍威尔棱镜的光线偏转方式可使光束中心强度降低，从而让整条线的亮度均匀一致。这就形成了一条激光线，该激光线具有所谓的平顶轮廓，其照明均匀，并且沿线没有明暗点。

普通光线与激光的区别是什么？

普通光线

普通光，例如来自白炽灯泡的光，会向许多方向扩散，并且由许多不同的波长组成。由此产生光束，其光斑直径随着距离的增大变得越来越漫射。

激光

相反，激光是高度聚焦的，由一个波长组成。所有光波都聚焦在一个方向，因此即使在较远的距离也能实现较小的光斑直径。

2D/3D 轮廓传感器的光源类型

2D/3D 轮廓传感器通过激光器工作，因为它会产生精确的激光线。wenglor 产品系列提供三种不同光源类型的 2D/3D 轮廓传感器：红色、蓝色和紫外线。这些光源类型的波长不同，能够在不同的材料属性和表面上获得最佳的测量结果。

激光（红色）

红色激光的波长为 660 nm。采用红色激光的 2D/3D 轮廓传感器用途广泛，具有不同的激光类别。

激光（蓝色）

蓝色激光的波长为 405 nm 和 450 nm。这些传感器是检测半透明塑料物体、高光金属物体和有机物体的理想之选。

紫外线/红光激光

UV 激光器的波长为 375 nm。如果表面反射紫外线辐射，采用紫外线 / 红外线激光的传感器用于测量玻璃板或聚光照明等透明物体。

为什么存在不同的激光波长？

选择正确的激光波长对于 2D/3D 轮廓传感器的测量质量和适应不同表面、材料和应用的能力至关重要。在此，材料的穿入深度和摄像头芯片的灵敏度起着至关重要的作用。

材料穿入深度

波长影响激光在散射或反射之前穿入材料的深度。405 nm 的短波蓝光更多地保持在表面，因此在粘合剂、橡胶或塑料等透明、半透明或有机材料上可提供特别精确的测量结果。相比之下，较长的波长（如 660 nm 的红光或 785–850 nm 的红外光）穿入得更深，更适合深色、漫射或金属表面。

摄像头芯片的灵敏度

摄像头芯片（也称为图像传感器）根据其结构对特定波长具有不同的灵敏度。如果激光波长与摄像头芯片的灵敏度曲线达到最佳匹配，信号强度会明显改善。因此，在相同的激光功率下，可以使用更短的曝光时间，从而提高测量精度和降低测量不确定度。

该图显示了 2D/3D 轮廓传感器的 400 至 1,000 nm 之间标准化光谱曲线。

带通滤波器：对光进行有针对性的过滤可确保稳定的测量结果

带通滤波器是与所用激光波长精确匹配的光学滤光片。它们仅让光在这个狭窄的光谱范围内通过。其他所有光成分，例如环境光、外部照明或其他波长的激光束，都能可靠地被屏蔽掉。这大大提高了测量稳定性，确保了稳定的边缘识别和精确的轮廓探测 – 即使在光线变化很大或明亮的工业环境中也是如此。不需要额外的屏蔽或灯光控制。带通滤波器直接集成在摄像头的光学系统中。

避免多个传感器并联运行时的干扰

在现代化的测量系统中，经常使用多个采用不同激光颜色的 2D/3D 轮廓传感器。为防止传感器相互干扰，使用带通滤波器。带有红色激光的 2D/3D 轮廓传感器具有一个仅让此光通过的红色带通滤波器。相反，蓝色激光传感器装有蓝色带通滤波器，只能透过蓝色激光。这些滤光片可阻挡其他颜色传感器的激光束，从而防止信号交叉或干扰。

测量物体的颜色对激光的选择有什么影响？

选择适当的激光波长不仅取决于传感器的光学特性，而且很大程度上取决于待测量物体的反射特性。激光与材料表面之间的光谱相互作用直接影响轮廓质量、曝光时间和信号强度。

基本上，以下情况适用：物体颜色越接近所用激光的波长，反射的光越多，传感器接收到的反馈信号越强。红色物体反射红色激光的效率明显高于蓝光。这可缩短曝光时间、降低噪声并提高轮廓数据的稳定性。相反，蓝色激光的红色物体需要更长的曝光时间，因为它吸收了大部分蓝光。

除了颜色之外，材料表面也很重要。浅色、哑光或漫反射材料的表现与光亮、深色或透明物体不同。通过对激光颜色和物体材料的调整，可以显著优化 2D/3D 轮廓传感器的性能。即使是具有挑战性的表面，例如橡胶、玻璃、高光亮金属或有机物质，也能可靠、精确地检测。

红色激光对不同颜色物体的反射行为

红色物体

红色激光反射良好，反馈信号非常强

蓝色物体

红色激光反射较弱，反馈信号较弱

黑色物体

大部分红色激光被吸收，反馈信号强度中等

蓝色激光对不同颜色物体的反射行为

红色物体

蓝色激光反射弱，反馈信号弱

蓝色物体

蓝色激光反射良好，反馈信号非常强

黑色物体

大部分蓝色激光被吸收，返回信号强度一般

选择合适的 2D/3D 轮廓传感器激光类别

为实现 2D/3D 轮廓传感器的最佳测量性能，选择正确的激光类别至关重要 – 尤其是在表面特性、工作距离、测量速度和环境光线方面。wenglor 的 2D/3D 轮廓传感器设有不同的激光类别，因此可以精确可靠地适应不同的应用场合。

速度和曝光时间

较大的激光功率会产生较强的反射，从而缩短曝光时间。这尤其适用于快速过程或移动的物体。

物体属性

深色、吸收性强或散射性强的表面需要更多的光能来产生足够的反射，以确保测量稳定。在此，更高的激光类别通常是更好的选择。

与测量物体的距离

随着工作距离的增大，光的反射强度会降低。较高功率的激光类别可确保在更大距离下也能可靠地测量。

外部光线条件

在明亮的环境中或受到环境光干扰时，较大的激光功率可改善信噪比，尤其是对于反射或光亮的材料。

2D/3D 轮廓传感器的激光类别

对于 2D/3D 轮廓传感器，原则上适用：激光功率越大，激光类别越高。这会带来更大的风险，需要采取相应的防护措施。激光按照 DIN EN 60825-1“激光设备的安全” 进行分类。在此过程中，根据波长和输出功率评估潜在危险。

	描述	安全	应用
2 类激光	2 类激光的最大功率为 1 mW，波长范围为 400 至 700 nm。	在眼睛受到短暂照射的情况下，由于自然的眨眼反射能够起作用，激光辐射是安全的。	非常适合敏感表面、短距离和简便集成，无需采取防护措施。
3R 类激光	3R 类激光的功率范围为 1 至 5 mW，波长范围为 302.5 nm 至 700 µm。	激光辐射可能对眼睛有害。操作时需要进行风险评估。用户必须每年接受培训，并且必须任命一名激光防护专员。此外，必须对激光区域进行标识，并且仅限授权人员进入。根据风险评估的结果，可能需要采取额外的防护措施，例如佩戴激光护目镜。	适用于较大的工作距离或深色材料。
3B 类激光	3B 类激光器的功率为 5 至 500 mW，波长范围为 302.5 nm 至 1 µm。	激光辐射对眼睛和皮肤具有危害作用。操作时必须进行风险评估。此外，必须每年对用户进行培训，指派激光防护专员，标识激光区域并且仅限授权人员进入。风险评估的结果决定了其他防护措施，例如佩戴激光护目镜。	适用于具有挑战性表面或高环境亮度的极具挑战性的环境。

用于更高激光类别的安全功能

针对工业应用中的 3R 类和 3B 类激光，wenglor 提供高性能的 MLSL2xxS40 系列 2D/3D 轮廓传感器。这些传感器配有内置的安全激光关断功能，可在满足预定义的安全条件时关闭激光束。在此过程中，传感器继续工作。该技术符合安全标准 EN ISO 13849-1:2016 的要求，可确保在工业环境的最高安全性。结合 wenglor 适当的安全技术，可为您的机器和设备提供整体安全解决方案。

集成式摄像头的详细信息

集成在 2D/3D 轮廓传感器中的摄像头是光学三角测量原理的核心组件，可确保精确探测投射的激光线。摄像头主要由两个核心组件组成：物镜和摄像头芯片，也称为图像传感器。

摄像头芯片

摄像头芯片将入射的光线转换为电信号，然后由此生成数字图像信息。芯片的大小和分辨率会影响测量的细节精度和精度。

物镜

物镜聚焦光线并将其聚焦在摄像头芯片上。物镜的焦距对图像截面和焦深具有重大的影响。

光学元件和图像芯片 – 对测量范围和精度的影响

光学元件与图像芯片的组合对于传感器的精度和测量范围至关重要。根据焦距、传感器尺寸和分辨率的相互作用，2D/3D 轮廓传感器可以识别更小的细节或覆盖更大的面积。这两个组件对于传感器的精度和测量范围都至关重要。

通过与传感器外壳的机械耦合以及与激光模块的精确对准，无需额外的调校工作即可确保可靠的图像采集。

传感器视野

反射激光线投射到 CMOS 传感器（互补金属氧化物半导体）上的位置直接取决于物体距离。随着距离的增大，激光线在 CMOS 芯片（1）上的位置垂直变化，从而可以采集高度信息。

2D/3D 轮廓传感器的不同测量范围取决于机械结构形式、三角测量角度以及各自安装的光学元件。所使用的透镜系统通过其焦距确定传感器的视野，该视野因三角测量原理而呈梯形。

测量范围（2）分为三个区域 – 开始（3）、中间（4）和结束（5）– 其中横向分辨率（x）超过深度（z）时会发生变化。

在测量范围开始时，由于视野的光学延展较小，因此 x 轴分辨率达到最高。最后，由于 CMOS 传感器在像素数恒定的情况下会显示物体的较大区域，因此它会减小。因此，产生了可变的横向分辨率，该分辨率在数据表中指定为范围值。

从光学角度来看，测量体积的中部区域提供最佳的测量结果，因为在景深、焦点质量和几何成像之间达到了最佳平衡。因此，应对准 2D/3D 轮廓传感器，使待测量物体尽可能位于规定测量范围的中间区域。

摄像头图像

该摄像头使用光敏 CMOS 传感器，该传感器由像素矩阵组成。它们分为水平行 (x) 和垂直列 (y) 。如果激光线照射到一个物体上，它会通过摄像头光学系统投射到 CMOS 芯片上。每个列 (y) 中光强度的垂直位置提供沿轮廓轴线的相应(x)高度信息 (z)。这样就可以生成精确的 2D 高度轮廓和精确的 z 分辨率。

摄像头图像

带 CMOS 网格的摄像头图像，带行 (x) 和列 (y)

2D/3D 轮廓传感器的分辨率是多少？

2D/3D 轮廓传感器的分辨率由集成式 CMOS 传感器的视野范围和像素数决定。

传感器的 x 轴分辨率 由图像芯片上的水平像素数量决定，也就是每行分辨率。
传感器的 z 轴分辨率 由图像芯片上的垂直像素数量决定，也就是每列分辨率。
传感器的 y 轴分辨率 表示单位长度内的轮廓数量。它不直接取决于图像芯片，而是取决于 2D/3D 轮廓传感器和物体之间的相对运动以及传感器的测量频率。在运动速度保持不变的情况下，测量频率越高，沿运动方向的轮廓采集就越密集，从而获得更好的 y 轴分辨率。

通过亚像素技术提高精度

通过亚像素技术，2D/3D 轮廓传感器实现的 z 轴分辨率要比单个摄像头像素的尺寸细很多倍。这是因为激光线在一个像素内的位置是精确确定的。这条线不是简单地解释为一个像素，而是测量其在多个像素上的亮度变化。使用数学算法可以计算精确的中心点，其精度通常可达到亚像素级（即小于一个像素）。例如，可以测量出 237.42 这样的位置值，而不只是得到像素值 237。采用这种技术即使是最小的高度差异也能识别。

视野对分辨率具有什么影响？

视野广

视野较大时，现有像素会分布在更大的表面上。每个像素的空间分辨率降低，因此更小的细节更难以识别。

视野小

由于每个像素覆盖的传感器视野较小，因此视野较小会导致分辨率更高。可以捕捉到更精细的结构和细节。

如何将摄像头图像和像素转换为 2D 高度轮廓？

集成在 2D/3D 轮廓传感器中的 FPGA 处理器实时执行完整的轮廓计算。它分析 CMOS 传感器拍摄的激光线图像，提取相关像素并确定其精确位置。这些数据被转换为 2D 高度轮廓，其中包括横向 (x) 以及沿轮廓线绘制物体的垂直 (z) 结构。生成的轮廓数据可直接用于下游分析或在自动化和质量控制过程的进一步处理。

带 CMOS 网格的摄像头图像，带行 (x) 和列 (y)

2D 高度轮廓

从像素到毫米

为了将 CMOS 传感器记录的像素转换为精确的公制坐标，每个 2D/3D 轮廓传感器在出厂时都进行了线性化。在此过程中，传感器安装在高精度线性化工作台上，并与校准的参考物体精确对准。线性化在整个测量范围内进行，并确定实际检测到的像素坐标与公制数据之间的偏差（以毫米为单位）。

所得的修正数据作为线性化矩阵永久保存在传感器中。这种补偿可确保以毫米为单位可靠地输出绝对高度和位置值，确保每个传感器无需进一步校准即可直接用于恶劣的工业环境。

2D/3D 轮廓传感器的分辨率和精度

分辨率

分辨率定义了传感器能够明确检测到的最小物理差异，并将其作为测量值来区分。因此，它确定了用于检测测量信号变化的最小扫描值。

为了能够可靠地识别特征，理想情况下它应至少为传感器分辨率的五倍。这样可以确保有足够的像素来清晰可靠地捕捉特征。

精度

然而，测量精度并不仅仅取决于分辨率。此外，它还取决于各种外部影响因素，例如测量物体的光学和物理特性、反射行为、外来光线的影响、温度波动、机械振动、紧固方式以及使用的分析算法。精度是精度（在相同条件下的重复性）和准确度（测量值在实际参考值上的偏差）的组合，因此描述了传感器对真实物体的可靠性和正确性。

用于优化图像拍摄的参数

帧速

帧速表示每段时间内拍摄的单个图像数量。

关注区域 (ROI)

关注区域定义用于分析或测量的视野的哪个部分。

次级抽样

次级抽样可减少读取的像素数量，以减少数据量或提高速度。

帧速

2D/3D 轮廓传感器中的 CMOS 摄像头对于可达到的测量速度至关重要。帧速，也称为帧速，表示摄像头每秒可以捕获多少个单帧。它以帧数 / 秒 (fps) 或赫兹 (Hz) 为单位进行标注。

由于拍摄的每个图像都代表完整的高度轮廓，因此摄像头的帧速直接等于每秒测量轮廓的数量。因此，高帧速可实现相应高的轮廓频率。

CMOS 摄像头	2D/3D 轮廓传感器
帧数 / 秒 (fps)	每秒轮廓数 (Hz)
500 fps	500 个轮廓 / 秒，即 500 Hz

关注区域 (ROI)

在高速应用中，充分利用 2D/3D 轮廓传感器的最大视野可能会限制可达到的测量频率。为了抵消这种情况，可以有针对性地将要分析的图像区域限制在所谓的关注区域（ROI）。ROI 定义了用于三角测量分析的 CMOS 传感器的活动截面，并且可以在横向（x 轴）以及在深度方向（z 轴）自由设置参数。定义的 ROI 以外的图像区域不会被读取，也不会被纳入图像采集或轮廓计算中。

减少 ROI 不会改变光学分辨率，只会最大程度地减少要读取的像素行或列的数量。这将显著提高测量频率，因为需要处理的图像数据更少。有针对性地将 ROI 裁剪到与应用相关的物体区域，可实现优化的数据采集，同时实现最大的过程速度。在这种情况下：尽可能小，尽可能大。

在动画中，整个传感器视野由蓝色边框标识。绿色框显示 ROI，即受限的图像区域。特别是对于较小的物体，为了获得更好的测量频率，有必要限制视野。

次级抽样

次级抽样不会以全分辨率读取 CMOS 图像传感器，而是仅以定义的间隔（例如每隔一行或三行（垂直）或一列（水平））采集选定的像素。这种系统性减少要读取的像素可显著降低数据速率，从而加快图像采集速度并提高测量频率。通过次级抽样，可以有针对性地 (x 轴) 和 / 或降低高度分辨率 (z 轴) ，而不会影响采集轮廓的几何正确性。

如果不需要完整的细节深度或只需粗略的轮廓信息，例如快速预选或高速应用中的位置识别，则次级抽样尤其有利。

插图 1：不进行次级抽样
图 2：次级抽样

与 ROI 相结合，实现最佳性能

将次级抽样与有针对性的视野限制相结合，可实现最高的测量速度。通过将 ROI 限制在集成摄像头的相关部分区域，无论是 x 轴方向还是 z 轴方向，只采集和处理定义测量范围的像素。

ROI 与次级抽样的组合可实现极高的轮廓率，同时数据量较少。这对于速度和效率至关重要的时间关键型应用尤其有利。

关注区域和次级抽样设置的比较

模式	已读取的像素数量	测量范围	分辨率	测量速度	应用场景
全屏	所有像素（全部 ROI）	全范围	细节最高分辨率	低至中等	需要所有图像信息的精确测量
ROI	子区域（已定义）	已降低	在活动区域内保持不变	中等 - 高	聚焦于相关物体区域的测量
次级抽样	仅每第 n 个像素	全范围	分辨率降低	高	粗略测量、快速定位、预检查
ROI + 次级抽样	选择的像素数量少	已降低	分辨率降低	非常高	具有明确目标范围的高动态应用

分析模块的详细信息

2D/3D 轮廓传感器的分析模块沿着优化的信号处理链处理轮廓。通过 CMOS 图像芯片采集激光线并进行实时轮廓计算以及在 FPGA 中校准后，CPU 负责中央轮廓的分析。这可以在“智能轮廓传感器”或“轮廓生成器”两种运行模式下进行。

智能轮廓传感器

在智能模式下，直接在 2D/3D 轮廓传感器本身上进行全部分析。机器视觉软件在传感器上运行，处理采集的轮廓数据。这样可以计算与测量相关的结果，并直接由传感器提供。这些结果（例如高度偏差、物体轮廓、位置识别或公差比较）直接作为特定于应用的测量值在 PLC、上级控制器或其他执行器上输出。不需要额外的许可证。这降低了系统复杂性，并可直接在设备上进行分析。但是，由于智能模式下的计算能力有限，性能通常低于理论上可能达到的轮廓率。如果是这种情况，建议将“轮廓生成器”模式与外部分析结合使用，例如 uniVision。

轮廓生成器

在 “轮廓生成器”模式下，传感器仅传输 2D 轮廓（x 和 z 数据），而不进行直接解译。然后在外部进行分析，在 wenglor 生态系统内，例如使用机器视觉控制器上的 wenglor uniVision 图像处理软件或使用外部工业 PC 上的独立第三方软件。这种灵活性可在传感器之外进行复杂的分析、个性化算法或特定于应用的分析 - 尤其是在客户定制的解决方案或集成到现有软件环境中的工作流程中。

2D/3D 轮廓传感器运行模式的比较

运行模式	结果	进一步处理	特点
智能轮廓传感器	测量值	在 2D/3D 轮廓传感器上进行分析	降低系统复杂性运算能力较低
轮廓生成器	2D 轮廓线	使用外部软件进行处理	更高的灵活性和性能需要单独的分析

智能轮廓传感器
测量值	在 2D/3D 轮廓传感器上进行分析	降低系统复杂性运算能力较低
轮廓生成器
2D 轮廓线	使用外部软件进行处理	更高的灵活性和性能需要单独的分析

接口详细信息

什么是接口？

接口构成了传感器、控制器与软件之间通信的基础。它们包括物理连接（硬件接口）、传输规则（协议）和软件功能（软件接口），能够确保可靠灵活的集成到工业系统中。

1. 硬件接口 – 物理连接层

硬件接口在 2D/3D 轮廓传感器、控制器、网络和软件之间建立基本的物理连接。它们定义了数据和控制命令传输的电气和机械连接类型。这些物理接口（如以太网电缆、M12 连接器或数字 I/O）提供可靠通信所需的传输路径。

2. 协议 – 逻辑通信层

协议定义了通过硬件接口传输数据的规则和流程。它们用作通信的共同 “语言”，确保发送器和接收器能够正确解译数据。协议还规定了数据包的构建、寻址、发送和接收方式。根据对速度、可靠性和实时能力的要求，使用不同的传输方式。

3. 软件接口 – 应用层面

通过软件接口可以通过上级系统或单独的应用来控制、配置和分析传感器数据。它们定义了软件解决方案可以访问传感器数据或使用传感器功能的逻辑接入点和通信方法。其中包括 API、网络服务、配置协议和标准化接口，可灵活集成到不同的软件环境中。软件接口对复杂的数据通信进行抽象化处理，从而简化了集成到特定系统和软件解决方案的过程。

2D/3D 轮廓传感器具备哪些接口？

软件-接口

数字 I/O（数字输入 / 输出、编码器输入端）
以太网

协议

TCP/IP
UDP/IP
GigE Vision

软件-接口

GigE Vision / GenICam API
wenglor uniVision
软件开发工具包 (SDK)

三个接口层级的示例性协同工作

带有以太网接口的 2D/3D 轮廓传感器建立与网络或控制器的连接。然后 TCP/UDP 或 GigE Vision 协议控制轮廓数据或控制命令的传输方式。通过软件接口决定应用如何与传感器通信、解译结果或触发命令。

2D/3D 轮廓传感器的硬件接口

数字 I/O 接口

数字输入端和输出端可实现工业过程 2D/3D 轮廓传感器的直接控制和同步。

数字输入端（触发器）
数字输出端
编码器输入端（AB 相位）

数字输入端 可通过外部控制信号精确地触发测量。这对于基于传送带或定时的流程尤其重要。例如，一旦产品到达传送带上的某个特定位置，并且传感器接收到相应的信号，便可开始测量。

数字输出端用于输出同步信号，以精确触发多个 2D/3D 轮廓传感器，从而实现同步测量。通过数字输出端还可以将分析结果、状态消息或事件（如合格件或不合格件识别）转发给外部系统。

2D/3D 轮廓传感器的 编码器输入端 可实现精确测量，并能根据实际物体运动进行调整。使用硬件编码器信号将运动准确转换为轮廓位置。

编码器的优势在于，它可以自动考虑移动物体的速度，并相应地调整图像捕获。因此，即使在运动变化时也能产生均匀精确的高度轮廓。相比之下，固定触发器会在恒定的时间点触发图像捕获，而不受物体速度的影响。这会产生误差。

使用和不使用编码器的应用示例

如果没有编码器，传送带在启动或制动时，由于触发频率不再与物体运动保持一致，采集到的轮廓会出现明显失真。使用编码器时，即使在传送带速度变化时轮廓几何形状也会保持正确。

使用编码器的应用示例

使用编码器时，即使在传送带速度变化时轮廓几何形状也会保持正确。

以太网接口

以太网接口（例如通过 RJ45，千兆以太网）构成了传感器与外部系统的通信基础。通过它们，不仅能传输大量的高度轮廓数据，还能对传感器进行配置、可视化、控制和同步。根据运行模式和协议，可以传输轮廓或已分析的结果。

基于以太网连接的优势

高的数据速率用于轮廓的快速传输

兼容标准协议，如 TCP/IP、UDP、GigE Vision、GenICam 和 PROFINET

轻松集成到现有网络基础设施中

协议和软件接口概况

在 “智能轮廓传感器” 和 “轮廓生成器” 运行模式下，2D/3D 轮廓传感器可用。根据所选的运行模式，可以选择合适的通信接口。因此，传感器解决方案可以有针对性地适应各个应用的控制概念、数据流和实时要求。

智能轮廓传感器

在此模式下，可在传感器上进行完整的分析。与控制器的通信通常通过数字输出端或以太网 (TCP) 进行。由于采用嵌入式分析，这种模式特别节省空间和成本，但计算能力有限。在智能模式下，不能将多个传感器组合起来。分析始终按照传感器在各个测量范围内进行。多个传感器之间无法实现连续的、关联测量。

轮廓生成器

在此模式下，传感器充当强大的 “轮廓供应商”，并通过标准化接口或 SDK 将生成的 2D 轮廓传输到外部工业 PC。在那里，利用图像处理软件对轮廓进行进一步处理。该模式可提供最大的灵活性、扩展性和性能。例如，可以同步并集中分析多个传感器。

使用 VisionApp 360 进行整体轮廓识别

借助 VisionApp 360 软件可将多个 2D/3D 轮廓传感器组合起来，从而从各次测量中形成一个共同的 2D 高度轮廓。为此，在空间内对准和校准传感器，从而将它们的各个坐标系转换为一个统一的上级坐标系。在下一步中，将各传感器采集的单个轮廓组合成一个连续的完整轮廓。随后可以用于进一步的处理步骤。

典型接口及其使用取决于运行模式

接口/协议	智能轮廓传感器	轮廓生成器	传输速度
数字 I/O			触发器 / 结果
TCP/IP			轮廓数据 / 结果
GigE Vision			轮廓数据
GenICam			轮廓数据，控制器
SDK			轮廓数据，控制器

标准接口实现最高兼容性

集成不受制造商的影响

来自不同供应商的设备可以无缝集成到一个共享系统中。

软件兼容性

2D/3D 轮廓传感器可以直接与常见的软件解决方案连接。

保护您的投资

与成熟的图像处理库和硬件组件兼容，确保现有系统的长期使用。

可持续兼容

标准的持续完善有助于现有系统的扩展升级。

使用制造商专用 SDK 实现最大控制

通过原生连接实现最佳性能

通过直接编程设置，无需标准化的中间层级，可以更高效、更节省资源地实施流程。帧速高或数据量大时，这尤其有利。

可个性化集成到您自己的软件环境

SDK 提供适用于各种编程语言（如 C++、C# 或 Python）的 API，可完全集成到定制软件、图形用户界面 (GUI) 或控制环境中。

使用示例代码和工具进行快速开发

现代 SDK 包含贴近实际应用的代码示例、函数库和调试工具，可以加快开发进程并简化入门。

比较：标准接口与制造商专用 SDK/API

特征	标准接口	制造商专用 SDK / API
兼容性	高（跨设备，与制造商无关）	只能与同一制造商的设备配合使用
集成工作量	低 – 得益于标准化	更高，需要了解制造商特定的架构
灵活性 / 功能范围	仅限于标准化功能 *	非常高 – 可访问更深层的功能和参数化
可持续兼容 / 维护	通过标准化实现长期可用性	取决于制造商支持和软件维护

* 即使在标准化接口内，也可集成面向具体应用的专用功能。这样可以实现个性化定制，而不会影响与现有系统或协议的兼容性。

何时应当选择标准接口或制造商专用的 SDK/API？

标准接口非常适合简便的集成、高兼容性以及与现有第三方软件解决方案的连接。

SDK 是在需要最大控制、个性化或特殊功能（例如直接传感器控制或开发自定义软件解决方案）时的正确选择。

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