Sensori di distanza laser vs sensori di spostamento laser: qual è la differenza?
L'ascesa e le tendenze di sviluppo dei sensori di misurazione ottica
In settori quali produzione, strumenti di precisione, biomedicina e aerospaziale, la domanda di accuratezza ed efficienza delle misurazioni è in costante aumento. I sensori di misurazione ottica senza contatto, digitali, ad alta precisione e altamente sensibili, in particolare i sensori di distanza laser e i sensori di spostamento laser, stanno fornendo soluzioni di misurazione più precise, efficienti e intelligenti in vari settori.
Fondamenti e classificazione della tecnologia di misurazione della distanza laser
Sulla base dei principi fondamentali della misurazione laser, i metodi possono essere suddivisi nel metodo Time of Flight (ToF) e nel metodo di triangolazione. Tra questi, il metodo Time of Flight può essere ulteriormente categorizzato nel metodo Pulse (ToF) e nel metodo Phase-Shift.
Come mostrato nel diagramma sottostante.
Metodo a impulsi (ToF): la scelta ideale per misurazioni su lunga distanza e su larga scala
Principio:
Il metodo Pulse (ToF) si basa sulla misurazione del tempo impiegato da un impulso laser per viaggiare dall'emettitore al bersaglio e tornare al ricevitore. Un impulso laser viene emesso, riflesso dal bersaglio e viene registrata la differenza di tempo tra emissione e ricezione. Utilizzando la velocità della luce 𝑐 e la differenza di tempo 𝑡 , la distanza 𝑑 dal bersaglio può essere calcolata utilizzando la formula:
dove 𝑑 è la distanza dal bersaglio, 𝑐 è la velocità della luce (3 ×10^8 m/s) e 𝑡 è il tempo di andata e ritorno. La divisione per 2 tiene conto della natura di andata e ritorno della misurazione.
NOTA: La velocità della luce nel vuoto, comunemente indicata con c, è una costante fisica universale che è esattamente uguale a 299.792.458 metri al secondo (circa 300.000 chilometri al secondo; 186.000 miglia al secondo; 671 milioni di miglia all'ora).
Il metodo a impulsi (ToF) è particolarmente adatto per applicazioni che richiedono la misurazione di lunghe distanze o aree estese, come la mappatura tramite droni, la creazione di mappe 3D, il monitoraggio ambientale (ad esempio la distribuzione verticale degli inquinanti nell'atmosfera) e il rilevamento e l'elusione degli ostacoli nei veicoli autonomi.
LiDAR (Laser Detection and Ranging): in settori quali la guida autonoma, la navigazione robotica, la mappatura del territorio e la modellazione 3D degli edifici, i sistemi LiDAR utilizzano il metodo a impulsi (ToF) per ottenere informazioni spaziali 3D ad alta precisione, fornendo un supporto dati fondamentale per il processo decisionale.
Aerospaziale: il metodo a impulsi (ToF) viene utilizzato anche per la misurazione precisa della distanza tra la navicella spaziale e il suolo o gli oggetti bersaglio, garantendo l'esecuzione sicura di missioni come la navigazione del lander e l'esplorazione di Marte con il rover.
Metodo di spostamento di fase: tecnologia affidabile per misurazioni ad alta precisione a media e breve distanza
Principio:
Il metodo Phase-Shift prevede la modulazione del raggio laser e la misurazione della differenza di fase tra i segnali emessi e ricevuti per calcolare la distanza. Il raggio laser viene modulato come un'onda sinusoidale e viene misurato lo sfasamento Δ 𝜙 tra le onde trasmesse e riflesse. Questo sfasamento è direttamente correlato alla distanza dal bersaglio e la distanza 𝑑 può essere calcolata utilizzando la formula:
dove 𝑑 è la distanza dal bersaglio, 𝑐 è la velocità della luce (3 ×10^8 m/s), Δ 𝜙 è lo sfasamento e 𝑓 è la frequenza di modulazione.
Il metodo phase-shift fornisce una maggiore accuratezza di misurazione rispetto al metodo a impulsi (ToF) a medie e brevi distanze, rendendolo uno strumento indispensabile nell'automazione industriale. Ad esempio, i sensori laser phase-shift svolgono un ruolo cruciale nel posizionamento preciso dei bracci robotici, nell'allineamento delle parti sulle linee di assemblaggio automatizzate e nella lavorazione di precisione nelle macchine CNC.
Controllo qualità: nella produzione, i sensori laser a sfasamento vengono utilizzati per misurare la planarità della superficie, lo spessore e piccole variazioni dimensionali nei prodotti, facilitando il controllo qualità e il monitoraggio dei processi.
Ricerca scientifica: in campi come la fisica e la scienza dei materiali, il metodo dello sfasamento viene utilizzato per studiare la struttura microscopica e le proprietà dei materiali, ad esempio per misurare lo spessore di pellicole sottili e analizzare la rugosità superficiale.
Metodo di triangolazione: uno strumento di precisione per la misurazione di distanze ultra-brevi
Principio:
Il metodo di triangolazione si basa sulla triangolazione geometrica, in cui le posizioni note dell'emettitore e del ricevitore laser, insieme al raggio laser riflesso, formano un triangolo. Il raggio laser viene emesso verso il bersaglio e riflesso verso il ricevitore. Misurando la differenza angolare 𝜃 tra i raggi emessi e riflessi e utilizzando la distanza di base nota 𝐿 tra l'emettitore e il ricevitore, la distanza 𝑑 dal bersaglio può essere calcolata utilizzando la formula:
dove 𝐿 è la distanza nota della linea di base tra l'emettitore e il ricevitore e 𝜃 è l'angolo del raggio riflesso.
La triangolazione è un metodo di misurazione geometrica basato su relazioni triangolari. In questo metodo, un punto laser viene proiettato sull'oggetto da misurare e la luce riflessa dall'oggetto viene diretta a un certo angolo verso l'elemento sensore CMOS. La posizione del punto luminoso sulla linea CMOS cambia in base alla distanza dell'oggetto. In questo modo, anche a distanze molto piccole, la distanza dall'oggetto può essere determinata con precisione.
Misurazione ad alta precisione a distanza ultra-breve: il metodo di triangolazione, noto per la sua accuratezza e stabilità di misurazione estremamente elevate, è ampiamente utilizzato in settori quali l'elaborazione di componenti elettronici, la produzione di semiconduttori e la lavorazione di precisione. Può misurare con precisione piccole variazioni dimensionali, come larghezze di linea su chip e tolleranze dimensionali dei componenti.
Produzione automobilistica: nel processo di produzione automobilistica, i sensori laser a triangolazione vengono utilizzati per l'allineamento preciso nella saldatura della carrozzeria, per l'ispezione della qualità della superficie prima della verniciatura e per il controllo della precisione dell'assemblaggio dei componenti.
Robotica e automazione: nei sistemi di visione robotica, i sensori laser basati sul principio di triangolazione vengono utilizzati per la ricostruzione 3D, la stima della postura e la pianificazione del percorso, migliorando l'intelligenza dei robot.
Solare fotovoltaico: nel settore solare fotovoltaico, i sensori laser a triangolazione vengono utilizzati per rilevare planarità della superficie, crepe e macchie sui pannelli fotovoltaici, garantendo la qualità del prodotto e l'efficienza della produzione di energia.
Sensori di spostamento laser: misurazione ad alta precisione
I sensori di spostamento laser utilizzano in genere il metodo di triangolazione. Questo metodo di misurazione può raggiungere una precisione a livello nanometrico, rendendolo adatto per misurazioni ad alta precisione e a breve distanza. Nelle attuali applicazioni di robot industriali, la triangolazione è una delle tecniche comunemente utilizzate, con linearità che raggiunge fino a 1 micron e risoluzione fino a 0,1 micron. I sensori di spostamento laser sono comunemente utilizzati per rilevare grandezze geometriche come spostamento, planarità, spessore, vibrazione, distanza e diametro degli oggetti. Questi sensori svolgono un ruolo cruciale nella produzione industriale, nella lavorazione di precisione e nel controllo qualità.
Campo di misura: da 24 mm a 400 mm
Risoluzione: Min. 2 μm; Max. 75 μm
Grado di protezione: IP64
Interfacce supportate: RS485 / Uscita di commutazione / Corrente e tensione analogiche
Sensori di distanza laser: l'ampia applicazione nell'automazione industriale
I sensori di distanza laser solitamente adottano il metodo a impulsi (ToF) o il metodo a sfasamento e, grazie alla loro idoneità per una gamma più ampia di esigenze di misurazione della distanza, sono ampiamente utilizzati nell'automazione della produzione industriale. Questi sensori non solo soddisfano i requisiti per la misurazione a lunga distanza, ma sono anche caratterizzati da elevata precisione e tempi di risposta rapidi. Nel campo dell'automazione industriale, i sensori di distanza laser sono ampiamente utilizzati per il controllo della posizione e la navigazione, la misurazione dei contorni e l'ispezione delle superfici, la protezione di sicurezza, la logistica e la gestione del magazzino, nonché la saldatura e il taglio automatizzati. Forniscono dati di misurazione della distanza affidabili per i sistemi di automazione, contribuendo a migliorare l'efficienza della produzione, la precisione e la sicurezza. Dimostrano inoltre vantaggi unici in campi emergenti come il trasporto intelligente e la guida autonoma.
Campo di misura: da 0,1 m a 50 m
Principio di misurazione della distanza: metodo di spostamento di fase
Risoluzione: 1 mm
Grado di protezione: IP67
Interfacce supportate: RS485 / Uscita di commutazione / Corrente e tensione analogiche
Campo di misura: da 0,2 m a 100 m
Principio di misurazione della distanza: metodo di spostamento di fase
Risoluzione: 1 mm
Grado di protezione: IP67
Interfacce supportate: RS232 / RS485 / Uscita di commutazione / Corrente e tensione analogiche
