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激光测距传感器的技术

激光测距传感器以非接触方式用激光测量位置和距离。这种传感器十分精确，可在远距离和近距离范围内使用。这种传感器非常适合进行精确定位和测距，或者用于检测任何颜色和表面的物体。

激光测距传感器如何工作？

激光传感器属于光电传感器，采用非接触式测量原理，测量精度高，适合用于物体识别以及位移、位置和距离测量。wenglor 的激光测距传感器采用光传播时间测量原理和激光三角测量法。这两种方法都使用激光测量距离，并输出距离值。

什么情况下使用三角测量传感器？什么情况下使用光传播时间传感器？

适合近距离范围的三角测量传感器

可在最大 1 米的近距离内精确测量距离

可识别非常微小的物体或距离差异

线性偏差 < 1 毫米

测量速度极快

可测量不同的形状和表面

精密度极高，达到微米级

适合远距离的光传播时间传感器

使用反射器可测量最远 100 米的距离

工作范围距离物体最大 10 米

线性偏差 > 10 毫米

不易受干扰因素的影响

对外来光线具有极高的耐抗性

远距离测量具有可重复性

激光测距传感器的应用

存在性检测

厚度测量

直径检查

边角测量

定位

机器人定位

堆叠高度监测

零件测量

差值测量

对比度检测

双位检测

激光测距传感器适用的领域和行业

三角测量传感器

木材加工业

加工镶木地板时，必须将木板铣成适当的宽度。木材表面从浅色到深色，从光亮到哑光，各不相同。为了能将木板铺设整齐，必须保持额定宽度。

铁路行业

必须对铁路网的架空线进行定期维护。为此使用带有升降台的专用维修车。为了防止在工作平台伸出时过度倾斜或意外倾斜，每辆车上配备的四个三角测量用激光测距传感器精确测量车辆与轨头之间的距离，精度达到几微米。

电池行业

生产电池时使用有涂层的高光薄膜。为了测量卷绕装置上的料位，可使用激光三角测距传感器测量精确距离，不受形状、颜色或表面的影响。

机械制造

在乘用车车身制造中，使用自动焊接于板件上的焊接螺母固定组件。为此，会将焊接螺母放置在焊接夹具的心轴上，然后由机器人将车身部件放置到位并定心。

电子行业

在电子行业，电路板固定在运输模块侧面并输送，这可能导致电路板挠曲。为了使焊接机器人能够补偿这种挠曲，并在电路板和焊头之间保持理想的距离，必须测量电路板的挠曲。

汽车行业

当机器人从储料装置中自动取出平整的金属板时，由于存在磁性电荷，多个金属板可能相互吸附。为了每个装配过程仅抓取一块板材，必须检测板材的厚度。

光传播时间传感器

物流

在物流中心，穿梭系统必须自动将货物从仓库送到加工车间。每个穿梭车正面安装的 wintec飞行时间法激光测距传感器可以提前 10 米检测到穿梭车的最终位置或在视野范围中前移的穿梭车，以使穿梭车减速或停止。

饮料业

在饮料行业的自动化灌装和包装过程中，必须用夹钳臂来取放各个瓶子以及瓶箱。

食品加工业

生产硬奶酪时，必须确保形成块状的干酪块准确放在输送机上。wintec 的飞行时间激光测距传感器可以检测到新鲜光亮的奶酪块，不受倾斜状态的影响。

包装业

灌装和密封透明的食品托盘时，必须可靠检测托盘在多辊道输送带上的位置和存在性。

金属加工业

在钢铁行业中，赤热钢管经过铸造炉加工后，被输送到输送段冷却。为了对其进行控制，必须可靠检测 700 °C 至 1,000 °C 的灼热毛坯的存在性。

建材行业

生产后，烧结并涂上涂层的粘土砖临时存放在料库以进行冷却和干燥。然后从那里取出砖块，并在运到包装设备前检查质量。

三角测量原理

三角测量原理是一种利用三角形关系的几何测量方法。这个方法是将一个光点投射到测量对象上。物体反射回来的光以一定的角度射到传感器中的 CMOS 光敏受光元件上。由于物体距离不同，CMOS 行上的光斑位置会发生变化。通过这种方法，即使距离很短，也能准确确定与测量对象之间的距离。

采用这项技术，距离传感器可以识别非常微小的细节。测距传感器CP、OCP、YP、P3 系列和 PNBC 都采用三角测量原理。

三角测量传感器有盲区吗？

采用三角测量原理的传感器有所谓的盲区。该区域取决于反射光到达受光元件（CMOS 行）的距离。如果反射光未到达 CMOS 行，就无法测量。盲区位于工作范围下方，位于该区域内的物体无法被识别，传感器也无法输出测量值。

例如 CP24MHT80 激光三角测距传感器：
工作范围：40…160 mm
盲区：0…40 mm

CMOS 受光行

CMOS 行是一个光敏受光元件，有很多像素。通过这些像素可以分析激光照射到这一行上的哪个位置。CMOS（互补金属氧化物半导体）传感器像素中的电荷被转换为电压。通过 CMOS 行上的光分布就可以确定物体的位置。

通过 CMOS 行可进行高度精确的距离测量，通常用在基于三角测量法的激光测距传感器上。

红色和蓝色激光的用途

wenglor 的激光三角测距传感器采用红色或蓝色激光。采用红光还是蓝光取决于具体应用。红色激光的波长为 650 纳米。蓝色激光的波长较短，为 405 纳米。因此蓝光透入测量对象不那么深，可提供精确、稳定的结果。特别是蓝色激光不会对炽热表面产生影响。带蓝色激光二极管的激光测距传感器非常适合用于有机表面、表面抛光的金属、光亮的塑料表面或深色油漆。

安装三角测量传感器时的注意事项

为确保尽可能稳定地识别和测量物体，在校准传感器时必须注意以下提示。

圆形、光亮、反光的物体

如果测量光亮或圆形的表面，安装传感器时应注意，不能有光线直接反射到受光元件上。

提示：调整传感器方向，使其与圆形物体位于同一条轴上。

台阶、棱边、凹陷

所有的测距传感器都应注意确保能够直接获得接收光束，不会被棱边、台阶、孔洞或缝隙等障碍物遮挡。

提示：将传感器正交对准缝隙走向！

移动的物体

例如，输送带是移动的测量对象。重要的是，物体移动方向应与传感器正交。这样可以避免直接反射到接收器。

提示：将传感器与物体正交安装！

颜色边缘

测量颜色发生变化的物体时，也就是存在颜色边缘时，必须确保颜色边缘与传感器正交。这样可以避免颜色识别错误。

提示：将传感器与物体正交安装！

球面与非球面透镜之间的区别

球面透镜

透镜具有球状表面
入射光在边缘处的折射度比中心区域的更大
聚集光束会导致精密度下降

非球面透镜

透镜的弯曲度不均匀
光束在整个表面上均匀折射
这种透镜形状可减少成像错误
焦点精确位于受光元件上
测量精度极高

光传播时间原理（飞行时间）

ToF（飞行时间）激光测距传感器不仅能提供可重复的测量结果、十分可靠，而且测量范围广泛。因此，这种传感器适合距离物体最远 10 米的各种应用，使用反射器的情况下可测量最远 100 米的物体。

飞行时间测量原理，也称为光传播时间测量原理，使用光脉冲确定与物体的距离 L。传感器中的二极管发射激光脉冲，然后被物体反射回来。传感器测量从光脉冲发射到被物体反射回来之间的时间间隔。然后通过这个时间 T 和光速 C 计算得到与物体之间的距离。

计算距离时使用以下物理公式：

L = ½ × C × T

距离传感器P1PY、P2PY、P1KY 和 OY 都采用飞行时间测量原理。

关于光速的重要信息概览

光速是一个基本物理常数。真空中的光速为 299,792,458 米/秒。没有任何东西的速度比光速更快。

飞行时间法激传感器有盲区吗？

光传播时间传感器没有盲区。传感器可以识别设置范围下方区域中的物体，传感器会切换，但无法提供测量结果。

光传递时间和三角测量的工作范围对比

图像顶部的传感器是一种光传递时间传感器，其下方的传感器则根据三角测量原理工作。

红色区域
图例：空白区域（无法可靠识别物体）
绿色区域：工作区域（可以可靠识别物体）
黄色区域：设置范围 / 测量范围（设置切换点 / 输出测量值）

输出距离值

数字开关量输出

通过数字开关量输出端可以使用示教功能为传感器示教距离。只要达到示教的距离，传感器就会在输出端输出一个开关信号。这样就可以识别物体和测量位置。

模拟输出

通过模拟输出端将距离值输出为线性比例电流（4…20 mA）或电压值（0…10 V）。可在整个测量范围内通过示教功能设置特征曲线。

IO-Link

IO-Link 技术被用于全球的传感器和执行器标准化通信。这是一种点到点通信。

工业以太网

工业以太网是控制系统与传感器之间实时数据传输的所有以太网标准的总称。工业以太网协议包括 EtherCAT、以太网/IP 或 PROFINET。

什么是测量精度？

测量精度高意味着达到预期的测量结果。这个概念仅用于定性陈述。因此它并非技术性概念。测量精度由精密度和正确度两者组成。一般来说，测量精度取决于所采用的测量原理。

精密度	精密度也称为重复精度，在相同的条件下连续进行若干次测量可确定精密度。因此，一个精密度很高的值几乎可以确保始终一致的测量。传感器的精密度通过可重复性量化。
正确度	正确度是一个定性值。它通过线性偏差、温度漂移、接通偏移和开关距离偏差定义。

该图明确展示了正确度、精密度和测量精度之间的关系。红点表示传感器连续几次的测量，靶子表示正确的值。如果测量值彼此分散并且距离靶心较远，就表示精密度低，正确度低。理想情况下，测量值应该正确而且准确，也就是它们应该紧密聚集在靶心范围内。

可重复性与线性的比较：什么时候使用哪个值？

绝对测量值

线性和可重复性值对于绝对测量非常重要，例如：确定物体的实际距离或直径。良好的可重复性值提供可重复的准确值。高的线性度可确保测量值的正确性。总体而言，线性度和可重复性是绝对测量中获得正确和精确测量值的重要因素。

定位作业

在进行重复测量时，传感器提供可重复的测量值。在此过程中，传感器总是碰到同一个点或同一个位置，也就是说，它重复精度高。这对于确保物体的准确和可靠定位至关重要。其主要目的是将物体始终定位在同一位置。重复精度非常重要，而线性度在定位任务中则不太重要。在这里，高精度至关重要，而正确性可以忽略。

P1PY101 飞行时间激光测距传感器的测量精度计算示例

初始状态
需要测量距离并确定最大可能偏差。每次测量同一个物体，以免出现颜色偏差。环境温度可能有 10 °C 的偏差。

数据表中的值：

可重复性：3 mm
线性偏差：10 mm
温度漂移：0.4 mm/K

计算
精密度（可重复性）+ 正确度（线性偏差、温度漂移）= 测量精度
3 mm + 10 mm + (0.4 mm * 10 °C) = 17 mm

测量结果的精度取决于什么？

飞行时间激光测距传感器的测量范围最大可以达到 10 米外的物体，使用反射器的情况下可达到 100 米。而激光三角测距传感器则非常准确。但最大测量范围只有 1,000 毫米。为了优化测距传感器的精度，可以根据不同的应用情况进行不同的设置。例如可以通过过滤器功能进一步提高测量精度。

激光等级及其作用方式

激光等级表示激光对人体的潜在危险。根据 EN 60825-1 标准，使用激光的传感器根据危险程度分为不同的激光等级。常见的激光等级有 1、2、2M、3R 和 3B。wenglor 的激光测距传感器仅使用对人眼无害的 1 级和 2 级激光。

	描述
1 级激光	1 级激光设备对人眼完全无害，无需采取任何防护措施。
2 级激光	2 级激光设备具有更高的功率，但是在短时间辐射下也能保证安全。但是必须放置警告提示。
2M 级激光	在短时间辐射下，采用 2M 级激光的设备同样无危险。与 2 级激光的不同之处在于，使用光学设备，例如放大镜，可能会引发危险。
3R 级激光	在直视激光束的情况下，3R 级激光设备可能有危险。因此需要采取防护措施。
3B 级激光	3B 级激光设备对眼睛和皮肤都有害。因此必须采取适当的防护措施。

1 级激光
描述 1 级激光设备对人眼完全无害，无需采取任何防护措施。
2 级激光
描述 2 级激光设备具有更高的功率，但是在短时间辐射下也能保证安全。但是必须放置警告提示。
2M 级激光
描述在短时间辐射下，采用 2M 级激光的设备同样无危险。与 2 级激光的不同之处在于，使用光学设备，例如放大镜，可能会引发危险。
3R 级激光
描述在直视激光束的情况下，3R 级激光设备可能有危险。因此需要采取防护措施。
3B 级激光
描述 3B 级激光设备对眼睛和皮肤都有害。因此必须采取适当的防护措施。

普通光线与激光之间的区别是什么？

普通光线

传播方向	光波在所有方向上分散
波长	由多种不同的波长组成
同相位	光波振动相位不同

光束发散，光斑直径大

激光

光波方向高度一致

由一个波长组成（单色性）

光波同步振动

-> 光束高度聚集，能够在远距离外形成小光斑直径。

为什么会有红色和蓝色激光？

光谱由不同的波长组成。每个波长都有不同的颜色。在色谱中，每个波长都对应一种颜色。红光与蓝光具有不同的波长和能量密度。

蓝光波长：380 – 500 nm
红光波长：640 – 675 nm

光

光是电磁辐射中人眼可以看见的部分。当光源（例如灯泡）发光时，光束以不同的波长范围传播。波长范围介于紫外（短波长）与红外（长波长）辐射之间。

颜色

物体的颜色是一种主观印象，是因物体吸收不同的波长并反射其他波长而形成。这些波长表示为不同的颜色。人眼可以感知到物体反射的颜色。

激光

“Laser”（激光）是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”（通过受激辐射将光放大）的缩写。激光束可以在很宽的光谱范围内产生。简单来说，就是将大量的同向光波聚集成一个光束。

激光测距传感器和超声波传感器之间的区别

测距传感器和超声波传感器的检测范围不一样
超声波传感器工作时使用较宽的声波束
激光测距传感器使用较窄的激光束

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