測距傳感器的工作原理

超聲波測距傳感器原理：

超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質

24GHZ雷達傳感器RFbeam

或分界面會產生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學等方面以超聲波作為檢測手段，必須產生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器，習慣上稱為超聲換能器，或者超聲探頭。

激光測距傳感器工作原理：

激光傳感器工作時，先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經目標反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器，被光學系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經歷的時間，即可測定目標距離。激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間，因為光速太快。

紅外線測距傳感器工作原理：

紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理，進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物時，紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機器人主機，機器人即可利用紅外的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化

24GHZ雷達測距傳感器原理：

FSK測運動物體

FMCW測靜止和運動物體

測距傳感器的分類

超聲波測距傳感器

激光測距傳感器

紅外線測距傳感器

24GHZ雷達傳感器

測距傳感器的應用

激光測距傳感器的優(yōu)勢: 　激光測距傳感器LDM301 核心技術指標

1、 激光測距傳感器

2、 測量距離范圍0.5-300米，3000米（要使用反光板）

3、 全程精度誤差20毫米

4、 激光連續(xù)使用壽命超過5萬個小時（5年）

5、 具備標準的RS232、RS422的通訊串口和以太網(wǎng)接口

6、 同時具備數(shù)字信號和4-20MA模擬型號輸出。模擬信號對應距離最大值可自行設定

7、 激光測距傳感器可以和以太網(wǎng)標準ASC2碼

8、 簡潔實用的通訊軟件保證了現(xiàn)場工作的準確方便

行業(yè)領域

1、應用于出租車計價器檢測系統(tǒng)

為了更加節(jié)能減排，解決電動汽車產業(yè)發(fā)展的計量需求，移動式電動出租車計價器檢測系統(tǒng)正式啟用。檢測裝置大體分為兩部分，一個是類似密碼箱大小的主機，放在車的后座上，另一個是測距傳感器，吸附在車身上。據(jù)介紹，裝置采用的是行車測距法，司機開著車行駛一定距離，檢測裝置和計價器會同步采樣。整個檢測過程預計七八分鐘就能完成。[2] 

一、傳輸時間激光距離傳感器的發(fā)展激光在檢測領域中的應用十分廣泛，技術含量十分豐富，對社會生產和生活的影響也十分明顯。激光測距是激光最早的應用之一。這是由于激光具有方向性強、亮度高、單色性好等許多優(yōu)點。1965年前蘇聯(lián)利用激光測地球和月球之間距離（380´103km）誤差只有250m。1969年美國人登月后置反射鏡于月面，也用激光測量地月之距，誤差只有15cm。利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離。即：傳輸時間激光測距雖然原理簡單、結構簡單，但以前主要用于軍事和科學研究方面，在工業(yè)自動化方面卻很少見。因為激光測距傳感器售價太高，一般在幾千美元。實際上，所有工業(yè)用戶都在尋找一種能在較遠距離實現(xiàn)精密距離檢測的傳感器。因為許多情況下近距離安裝傳感器會受物理位置及生產環(huán)境的限制，如今的傳輸時間激光測距傳感器將為這類場合的工程師排憂解難。

二、工作原理　傳輸時間激光傳感器工作時。傳輸時間激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間，因為光速太快。例如，光速約為3´108m/s，要想使分辨率達到1mm，則傳輸時間測距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時間：0.001m¸(3´108m/s)=3ps要分辨出3ps的時間，這是對電子技術提出的過高要求，實現(xiàn)起來造價太高。但是如今廉價的傳輸時間激光傳感器巧妙地避開了這一障礙，利用一種簡單的統(tǒng)計學原理，即平均法則實現(xiàn)了1mm的分辨率，并且能保證響應速度。

三、解決其它技術無法解決的問題　傳輸時間激光距離傳感器可用于其它技術無法應用的場合。例如，當目標很近時，計算來自目標反射光的普通光電傳感器也能完成大量的精密位置檢測任務。但是，當目標距離較遠內或目標顏色變化時，普通光電傳感器就難以應付了。雖然先進的背景噪聲抑制傳感器和三角測量傳感器在目標顏色變化的情況下能較好地工作，但是，在目標角度不固定或目標太亮時，其性能的可預測性變差。此外，三角測量傳感器一般量程只限于0.5m以內。超聲波傳感器雖然也經常用于檢測距離較遠的物體，而且由于它不是光學裝置，所以不受顏色變化的影響。但是，超聲波傳感器是依據(jù)聲速測量距離的，因此存在一些固有的缺點，不能用于以下場合。

①待測目標與傳感器的換能器不相垂直的場合。因為超聲波檢測的目標必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°角以內。

②需要光束直徑很小的場合。因為一般超聲波束在離開傳感器2m遠時直徑為0.76cm。

③需要可見光斑進行位置校準的場合。

④多風的場合。

⑤真空場合。

⑥溫度梯度較大的場合。因為這種情況下會造成聲速的變化。

⑦需要快速響應的場合。

⑧空氣密度變化較大的情況。密度變化會造成聲速變化。

而激光距離傳感器能解決上述所有場合的檢測。

四、在自動化領域的廣泛用途　如今，自動檢測和控制的方法中，除了超聲波傳感器和普通光電傳感器外，又增加了一個能解決長距離測量和檢驗的新方法—傳輸時間激光距離傳感器。它為各種不同場合提供了應用的靈活性，這些場合可包括如下：

①設備定位。

②測量料包的料位。

③測量傳送帶上的物體距離和物體高度。

④測量原木直徑。

⑤保護高架起重機免于碰撞。

⑥無誤差檢查場合。

⑦飛機離地距離監(jiān)測。

激光測距傳感器的基本組成是激光器、成像物鏡、光電位敏接收器、信號處理機測量結果顯示系統(tǒng)。激光束在被測物體表面上形成一個亮的光斑，成像物鏡將該光斑成像到光敏接收器的光敏上，產生探測其敏感面上光斑位置的電信號。當被測物體移動時，其表面上光斑相對成像物鏡的位置發(fā)生改變，相應地成像點在光敏器件上的位置也要發(fā)生變化，由目標反射回來的光線通過接收鏡頭組并聚焦于CCD，傳感器使用CCD上的所有光點的光量分布來決定光點的中心，并以此作為目標物位置。CCD檢測出光點對每一像素的光量分布峰值并將其識別為目標物位置，不管光點的光量分布如何，CCD都能做穩(wěn)定的高精度位移測量。

激光參數(shù)

激光特性：紅色激光二極管；

波長：635nm；

激光等級：2級；

光斑類型：點狀；

光斑大小：直徑約2mm；

輸出功率：小于1mW；

型號 LMG3001P LMG5005P LMG8015P

量程 45—70mm 50—150mm 50—200mm

分辨率 20μm 50μm 100μm

采樣頻率 1.2KHz 1.2KHz 1.2KHz

非線性度 <0.1% <0.1% <0.1%

電氣參數(shù)

工作電壓：18—24V；

工作電流：最大140mA；

輸出格式：RS232、RS485、4—20mA、0—10V（數(shù)字量和模擬量任選其一）；

基于HOLLiAS-LEC G3 PLC的激光測距系統(tǒng)

隨著激光技術的發(fā)展，激光測距傳感器在檢測領域得到了越來越多的應用。本文所研究的基于HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC的激光測距系統(tǒng)，對多臺激光測距傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進行處理，并將數(shù)據(jù)傳送給上位機，實現(xiàn)了對多臺激光測距傳感器的監(jiān)控。

1. 激光測距傳感器的基本原理

激光測距傳感器的基本原理是，通過測量激光往返于被測目標之間所需的時間，來確定被測目標之間的距離。激光測距傳感器的原理和結構都很簡單，是長距離檢測最有效的手段。

激光測距傳感器工作時，首先由激光二極管對被測目標發(fā)射激光脈沖。經被測目標反射后，激光向各方向散射。部分散射的激光返回到傳感器的接收器，被光學系統(tǒng)接收后，成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器，能夠檢測極其微弱的光信號。記錄并處理激光脈沖從發(fā)射到返回所經歷的時間，即可得到被測目標的距離。

2. PLC控制系統(tǒng)硬件設計

基于HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC的激光測距系統(tǒng)的功能結構圖如圖1所示。系統(tǒng)通過PLC的自由口通信，接收多臺激光測距傳感器發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，根據(jù)傳感器提供的數(shù)據(jù)格式解析數(shù)據(jù)包，計算出測量的距離。系統(tǒng)的功能還包括顯示測量距離、在非正常情況下報警、與上位機進行數(shù)據(jù)交換等。

PLC的CPU模塊選用HOLLiAS-LEC G3系列的LM3108模塊，其性能價格比很高，廣泛應用于工業(yè)控制的各個領域。LM3108模塊的標準配置包括兩個串行通信接口PORT0和PORT1，其中PORT0為RS485接口，PORT1為RS232接口。采用RS232接口建立PLC與上位機的通信，實現(xiàn)PLC程序的下裝和監(jiān)控。采用RS485接口建立PLC與現(xiàn)場儀表的通信。

圖1 激光測距系統(tǒng)的功能結構圖

3. PLC控制系統(tǒng)軟件設計

       PLC采用自由口通信方式接收激光測距傳感器的數(shù)據(jù)，用[%]MB400~[%]MB411的12個字節(jié)作為通信接收寄存器，存放自由口通信方式下所接收的數(shù)據(jù)。所謂自由口通信，是指用戶可以通過設置通信模式來改變通信接口的參數(shù)，以適應不同的通信協(xié)議。在PLC程序中設定的激光測距傳感器的通信參數(shù)如表1所示。PLC控制程序采用和利時公司的編程軟件PowerPro完成，下面詳細介紹數(shù)據(jù)解析程序。其它應用程序從略。

表1 激光測距傳感器的通信參數(shù)

3.1 數(shù)據(jù)解析程序的變量定義

PROGRAM PLC[_]PRG

VAR

SetRS485: Set[_]COMM2[_]PRMT; (* RS485自由口通信參數(shù)設置 *)

SetRS485Q: BOOL; (* RS485自由口通信參數(shù)設置標志 *)

Receive: COMM2[_]RECEIVE; (* RS485自由口通信數(shù)據(jù)接收 *)

ReceiveQ: BOOL; (* RS485自由口通信數(shù)據(jù)接收標志 *)

ReceivedData: STRING; (* 存儲ASCII碼數(shù)據(jù)的字符串 *)

Position1: INT; (* 起始字符的位置 *)

Position2: INT; (* 結束字符的位置 *)

ReceivedData[_]STRING: STRING; (* ASCII碼形式的數(shù)據(jù) *)

ReceivedData[_]DWORD: DWORD; (* 十六進制形式的數(shù)據(jù) *)

END[_]VAR

3.2 數(shù)據(jù)解析程序的梯形圖

3.3 數(shù)據(jù)解析程序分析

PLC從激光測距傳感器接收到的數(shù)據(jù)是ASCII碼形式，所以需要將ACSII碼轉換成PLC能夠操作的十六進制數(shù)。

首先在存儲ASCII碼數(shù)據(jù)的字符串ReceivedData中找到數(shù)據(jù)的起始字符“+”，并將其位置存儲在變量Position1中。然后再找到數(shù)據(jù)的結束字符“$R”，并將其位置存儲在變量Position2中。將位置Position2與位置Position1之間的字符取出，存入變量ReceivedData[_]STRING中，此即為數(shù)據(jù)的ASCII碼形式。最后將該ASCII碼形式的數(shù)據(jù)ReceivedData[_]STRING轉換位十六進制形式的數(shù)據(jù)ReceivedData[_]DWORD，即完成了數(shù)據(jù)的解析。

4. 結論

       采用和利時HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC作為激光測距系統(tǒng)的控制核心，可以方便地與激光測距傳感器進行通信。實踐證明，該方案結構簡單，運行過程穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了激光測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理。