测距传感器

激光原理

　　传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。

激光应用

　　激光测距传感器的优势: 　　激光测距传感器INSIGHT-60 　　核心技术指标

　　1、 激光测距传感器

　　2、 测量距离范围0.-60米，200米，要使用反光板

　　3、 全程精度误差1.5毫米

　　4、 激光连续使用寿命超过5万个小时（5年）

　　5、 具备标准的RS232、RS422的通讯串口

　　6、 同时具备数字信号和4-20MA模拟型号输出。模拟信号对应距离值可自行设定

　　7、 激光测距传感器可以和以太网标准ASC2码

　　8、 简洁实用的通讯软件保证了现场工作的准确方便

　　一、传输时间激光距离传感器的发展

　　激光在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，对社会生产和生活的影响也十分明显。激光测距是激光最早的应用之一。这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（380´103km）误差只有250m。1969年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月之距，误差只有15cm。

　　利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。即： 。

　　传输时间激光测距虽然原理简单、结构简单，但以前主要用于军事和科学研究方面，在工业自动化方面却很少见。因为激光测距传感器售价太高，一般在几千美元。实际上，所有工业用户都在寻找一种能在较远距离实现精密距离检测的传感器。因为许多情况下近距离安装传感器会受物理位置及生产环境的限制，如今的传输时间激光测距传感器将为这类场合的工程师排忧解难。

　　二、工作原理

　　传输时间激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。

　　例如，光速约为3´108m/s，要想使分辨率达到1mm，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间： 　　0.001m¸(3´108m/s)=3ps 　　要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今廉价的传输时间激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。

　　三、解决其它技术无法解决的问题

　　传输时间激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合。例如，当目标很近时，计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是，当目标距离较远内或目标颜色变化时，普通光电传感器就难以应付了。

　　虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差。此外，三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内。

　　超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体，而且由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响。但是，超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合。

　　①待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内。

　　②需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm。

　　③需要可见光斑进行位置校准的场合。

　　④多风的场合。

　　⑤真空场合。

　　⑥温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。

　　⑦需要快速响应的场合。

　　而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测。

　　四、在自动化领域的广泛用途

　　如今，自动检测和控制的方法中，除了超声波传感器和普通光电传感器外，又增加了一个能解决长距离测量和检验的新方法—传输时间激光距离传感器。它为各种不同场合提供了应用的灵活性，这些场合可包括如下：

　　①设备定位。

　　②测量料包的料位。

　　③测量传送带上的物体距离和物体高度。

　　④测量原木直径。

　　⑤保护高架起重机免于碰撞。

　　⑥无误差检查场合。

超声波原理

　　为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生器

　　超声波传感器通常采用度越时间法,即利用s=vt/2计算被测物体的距离。式中s为收发头与被测物体之间的距离, v为超声波在介质中的传播速度(v = 331. 41+T/273m/s),t为超声波的往返时间间隔。工作原理为:发射头发出的超声波以速度v在空气中传播,在到达被测物体时被其表面反射返回,由接收头接收,其往返时间为t,由s算出被测物体的距离。T为环境温度,在量精度要求高的场合必须考虑此影响,但在一般情况下,可舍去此法,由软件进行调整补偿。

　　由于超声波也是一种声波，其声速c与温度有关，附表1列出了几种不同温度下的声速。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往返的时间，就可以求出距离。这就是超声波测距原理。

HOLLiAS-LEC G3 PLC激光测距系统

　　随着激光技术的发展，激光测距传感器在检测领域得到了越来越多的应用。本文所研究的基于HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC的激光测距系统，对多台激光测距传感器所采集到的数据进行处理，并将数据传送给上位机，实现了对多台激光测距传感器的监控。
　　1.激光测距传感器的基本原理
　　激光测距传感器的基本原理是，通过测量激光往返于被测目标之间所需的时间，来确定被测目标之间的距离。激光测距传感器的原理和结构都很简单，是长距离检测最有效的手段。
　　激光测距传感器工作时，首先由激光二极管对被测目标发射激光脉冲。经被测目标反射后，激光向各方向散射。部分散射的激光返回到传感器的接收器，被光学系统接收后，成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，能够检测极其微弱的光信号。记录并处理激光脉冲从发射到返回所经历的时间，即可得到被测目标的距离。
　　2.PLC控制系统硬件设计
　　基于HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC的激光测距系统的功能结构图如图1所示。系统通过PLC的自由口通信，接收多台激光测距传感器发送过来的数据，根据传感器提供的数据格式解析数据包，计算出测量的距离。系统的功能还包括显示测量距离、在非正常情况下报警、与上位机进行数据交换等。
　　PLC的CPU模块选用HOLLiAS-LECG3系列的LM3108模块，其性能价格比很高，广泛应用于工业控制的各个领域。LM3108模块的标准配置包括两个串行通信接口PORT0和PORT1，其中PORT0为RS485接口，PORT1为RS232接口。采用RS232接口建立PLC与上位机的通信，实现PLC程序的下装和监控。采用RS485接口建立PLC与现场仪表的通信。
　　图1激光测距系统的功能结构图
　　3.PLC控制系统软件设计
　　PLC采用自由口通信方式接收激光测距传感器的数据，用[%]MB400~[%]MB411的12个字节作为通信接收寄存器，存放自由口通信方式下所接收的数据。所谓自由口通信，是指用户可以通过设置通信模式来改变通信接口的参数，以适应不同的通信协议。在PLC程序中设定的激光测距传感器的通信参数如表1所示。PLC控制程序采用和利时公司的编程软件PowerPro完成，下面详细介绍数据解析程序。其它应用程序从略。
　　表1激光测距传感器的通信参数
　　3.1数据解析程序的变量定义
　　PROGRAMPLC[_]PRG
　　VAR
　　SetRS485:Set[_]COMM2[_]PRMT;(*RS485自由口通信参数设置*)
　　SetRS485Q:BOOL;(*RS485自由口通信参数设置标志*)
　　Receive:COMM2[_]RECEIVE;(*RS485自由口通信数据接收*)
　　ReceiveQ:BOOL;(*RS485自由口通信数据接收标志*)
　　ReceivedData:STRING;(*存储ASCII码数据的字符串*)
　　Position1:INT;(*起始字符的位置*)
　　Position2:INT;(*结束字符的位置*)
　　ReceivedData[_]STRING:STRING;(*ASCII码形式的数据*)
　　ReceivedData[_]DWORD:DWORD;(*十六进制形式的数据*)
　　END[_]VAR
　　3.2数据解析程序的梯形图
　　3.3数据解析程序分析
　　PLC从激光测距传感器接收到的数据是ASCII码形式，所以需要将ACSII码转换成PLC能够操作的十六进制数。
　　首先在存储ASCII码数据的字符串ReceivedData中找到数据的起始字符“+”，并将其位置存储在变量Position1中。然后再找到数据的结束字符“$R”，并将其位置存储在变量Position2中。将位置Position2与位置Position1之间的字符取出，存入变量ReceivedData[_]STRING中，此即为数据的ASCII码形式。将该ASCII码形式的数据ReceivedData[_]STRING转换位十六进制形式的数据ReceivedData[_]DWORD，即完成了数据的解析。
　　4.结论
　　采用和利时HOLLiAS-LECG3小型一体化PLC作为激光测距系统的控制核心，可以方便地与激光测距传感器进行通信。实践证明，该方案结构简单，运行过程稳定可靠，实现了激光测距系统的数据采集与处理。