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(lǐng)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(zhì)

24GHZ雷達(dá)傳感器RFbeam

或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段，必須產(chǎn)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(xí)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(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)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(xué)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(nèi)部具有放大功能的光學(xué)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(jīng)歷的時間，即可測定目標(biāo)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(qiáng)度也不同的原理，進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)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(dāng)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(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機(jī)器人主機(jī)，機(jī)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(dá)測距傳感器原理：

FSK測運(yùn)動物體

FMCW測靜止和運(yùn)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(dá)傳感器

測距傳感器的應(yīng)用

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

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(biāo)準(zhǔn)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(yīng)距離最大值可自行設(shè)定

7、 激光測距傳感器可以和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)ASC2碼

8、 簡潔實(shí)用的通訊軟件保證了現(xiàn)場工作的準(zhǔn)確方便

行業(yè)領(lǐng)域

1、應(yīng)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(chǎn)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(jī)，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(jī)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(yù)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(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)含量十分豐富，對社會生產(chǎn)和生活的影響也十分明顯。激光測距是激光最早的應(yīng)用之一。這是由于激光具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好等許多優(yōu)點(diǎn)。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(biāo)所需時間來確定目標(biāo)距離。即：傳輸時間激光測距雖然原理簡單、結(jié)構(gòu)簡單，但以前主要用于軍事和科學(xué)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(shí)際上，所有工業(yè)用戶都在尋找一種能在較遠(yuǎn)距離實(shí)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(chǎn)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(dá)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(shù)提出的過高要求，實(shí)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(xué)原理，即平均法則實(shí)現(xiàn)了1mm的分辨率，并且能保證響應(yīng)速度。

三、解決其它技術(shù)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(shù)無法應(yīng)用的場合。例如，當(dāng)目標(biāo)很近時，計算來自目標(biāo)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(wù)。但是，當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)內(nèi)或目標(biāo)顏色變化時，普通光電傳感器就難以應(yīng)付了。雖然先進(jìn)的背景噪聲抑制傳感器和三角測量傳感器在目標(biāo)顏色變化的情況下能較好地工作，但是，在目標(biāo)角度不固定或目標(biāo)太亮?xí)r，其性能的可預(yù)測性變差。此外，三角測量傳感器一般量程只限于0.5m以內(nèi)。超聲波傳感器雖然也經(jīng)常用于檢測距離較遠(yuǎn)的物體，而且由于它不是光學(xué)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(diǎn)，不能用于以下場合。

①待測目標(biāo)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(biāo)必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°角以內(nèi)。

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(yuǎn)時直徑為0.76cm。

③需要可見光斑進(jìn)行位置校準(zhǔn)的場合。

④多風(fēng)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(yīng)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(lǐng)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(yīng)用的靈活性，這些場合可包括如下：

①設(shè)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(hù)高架起重機(jī)免于碰撞。

⑥無誤差檢查場合。

⑦飛機(jī)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(jī)測量結(jié)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(chǎn)生探測其敏感面上光斑位置的電信號。當(dāng)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(yīng)地成像點(diǎn)在光敏器件上的位置也要發(fā)生變化，由目標(biāo)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(diǎn)的光量分布來決定光點(diǎn)的中心，并以此作為目標(biāo)物位置。CCD檢測出光點(diǎn)對每一像素的光量分布峰值并將其識別為目標(biāo)物位置，不管光點(diǎn)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(diǎn)狀；

光斑大?。褐睆郊s2mm；

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(shù)的發(fā)展，激光測距傳感器在檢測領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)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(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，實(shí)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(biāo)之間所需的時間，來確定被測目標(biāo)之間的距離。激光測距傳感器的原理和結(jié)構(gòu)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(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)被測目標(biāo)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(xué)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(nèi)部具有放大功能的光學(xué)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(jīng)歷的時間，即可得到被測目標(biāo)的距離。

2. PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC的激光測距系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)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(jī)進(jìn)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(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。LM3108模塊的標(biāo)準(zhǔn)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(jī)的通信，實(shí)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(jié)構(gòu)圖

3. PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)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(shè)置通信模式來改變通信接口的參數(shù)，以適應(yīng)不同的通信協(xié)議。在PLC程序中設(shè)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(xì)介紹數(shù)據(jù)解析程序。其它應(yīng)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(shè)置 *)

SetRS485Q: BOOL; (* RS485自由口通信參數(shù)設(shè)置標(biāo)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(biāo)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(jié)束字符的位置 *)

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

ReceivedData[_]DWORD: DWORD; (* 十六進(jìn)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(zhuǎn)換成PLC能夠操作的十六進(jìn)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(jié)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(zhuǎn)換位十六進(jìn)制形式的數(shù)據(jù)ReceivedData[_]DWORD，即完成了數(shù)據(jù)的解析。

4. 結(jié)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(jìn)行通信。實(shí)踐證明，該方案結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行過程穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了激光測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理。