Лазерни сензори в индустрията

Измервателна техникаСп. Инженеринг ревю - брой 4/2020 • 10.06.2020

Приложенията за инспекция в производството, които в миналото изискваха просто отчитане на наличие или липса на даден обект, сега се нуждаят от сензори, които да решават задачи, свързани с измерване и контрол на качеството. Получаването на точни и надеждни данни е изключително важно за осигуряване на постоянно качество на продукта и непрекъснатост на производството.

Лазерната сензорна технология може да предостави бързи и точни резултати при подобни приложения за инспекция. Тя е подходяща за множество материали, отразяващи повърхности и цветове, което осигурява възможност производителите да получават непрекъснати измервания в редица индустриални сектори, включително при приложения с движещи се процеси, щамповани или обработени детайли и меки или лепкави компоненти.

Съвременните лазерни сензори са изградени от здрав, самостоятелен корпус, точков лазерен източник, компонент за разчитане на изображения и конфигурируеми изходи. Лазерните сензори не изискват външен контролер за настройки. Операторите могат просто да поставят лазерния сензор където и да е, включително в недостъпни зони на машината или в среда с тежки работни условия, и да направят всички необходими настройки и конфигурации чрез различни софтуерни инструменти.

Съществува голямо разнообразие от възможности за приложение на оптичните сензори от типа на лазерните. Те се използват в много индустриални сектори и в научноизследователската дейност за измерване на разстояние. Безконтактните сензорни системи са особено подходящи за затворени пространства. Лазерните сензори за разстояние са отлично решение при инженеринг за контрол на качеството и мониторинг на технологичните процеси. Подходящи са и при автоматизация, в химическата промишленост, медицинските технологии и конструирането на специализирани машини.

 

Принципи при измерване на разстояние

Методът, използван за измерване на разстоянието до дадени обекти, се определя от изискваните от сензора нива на точност и обхват. Принципите на измерване включват триангулация, time-of-flight технология, импулсни time-of-flight системи и такива с модулиран лъч.

Една от техниките за прецизно измерване на разстоянието до целевите обекти е чрез използването на лазерни сензори, работещи на база триангулация. Специфичното при тях е, че сензорният корпус, лазерният излъчвател и отразената лазерна светлина образуват триъгълник. Лазерният лъч се проектира от инструмента и се отразява от повърхността на целевия обект към събирателна леща. Обикновено този обектив е разположен в съседство с лазерния излъчвател.

Обективът фокусира изображение на точката върху камера с CMOS матрица. В зависимост от конкретния модел камерата следи измерваното разстояние от ъгъл, който варира от 45 до 65° в средата на измервателния обхват. След това позицията на точковото изображение върху пикселите на камерата се обработва, за да се определи разстоянието до целта. Камерата поглъща падащата върху нея светлина, така че по-дългите времена на експозиция позволяват по-голяма чувствителност към слаби отражения. Лъчът се наблюдава от едната страна, така че видимото местоположение на точката се променя заедно с разстоянието до целта. Триангулационните устройства са идеални за измерване на разстояния от няколко сантиметра с висока точност. Те могат да бъдат във всякакъв мащаб, но трябва да се има предвид, че точността пада бързо с разширяване на обхвата. Дълбочината на полето (от минимално до максимално измеримо разстояние) обикновено е ограничена, тъй като сензорите, използващи триангулация, не могат да правят измервания спрямо базовата им линия – разстоянието между излъчвателя и детектора.

Системите с модулиран лъч също използват времето, което е нужно на светлината, за да премине разстоянието до целта и обратно, но то не се измерва директно.

Вместо това, силата на лазера се променя бързо, за да се генерира сигнал, който се изменя във времето. Времезакъснението се измерва индиректно чрез сравняване на сигнала от лазера със забавения сигнал, който се връща от целевия обект. Един разпространен пример за този подход е т. нар. фазово измерване, при което изходният сигнал на лазера е обикновено синусоидален и фазата му се сравнява с тази на отразената светлина.

Фазовото измерване е ограничено по отношение на точност от честотата на модулация и способността за определяне на фазовата разлика между сигналите. Някои устройства за измерване на разстояние работят на принципа на преобразуване към честотен диапазон, който предлага няколко предимства пред фазовото измерване. В тези случаи отразената от целевия обект лазерна светлина се събира от леща и се фокусира върху фотодиод, разположен в инструмента. Полученият сигнал се усилва до ограничено ниво, преобразува се и се използва директно за модулиране на лазерен диод. Светлината от лазера преминава през колиматор и се излъчва от центъра на предната част на сензора. Тази конфигурация формира осцилатор, като лазерът сам се включва и изключва, използвайки собствения си сигнал. Времето, за което светлината преминава до целта и обратно, плюс времето, необходимо за усилване на сигнала, определя периода на трептене или скоростта, с която лазерът се включва и изключва. След това този сигнал се разделя и синхронизира с помощта на вътрешен часовник, за да се получи измерване на обхвата. Измерването е донякъде нелинейно и зависи от силата на сигнала и температурата, така че за да се отстранят тези ефекти, би могло да направи калибровка на сензора.

Сензори с модулиран лъч обикновено се използват в приложения със среден обхват, за разстояния от няколко сантиметра до няколко десетки сантиметра за неизлъчващи целеви обекти. При излъчващи целеви обекти, например такива с отразяваща повърхност, обхватът може да достигне до няколкостотин метра.

За разлика от time-of-flight и триангулационните сензори, които включват лазери, конфокалните хроматични сензори използват източник на бяла светлина за прецизно измерване на разстоянието до повърхността на целевия обект. Някои модели са с точност до 20 нанометра. В допълнение, тази технология позволява измерване и анализиране на прозрачни материали като стъкло, лещи, течности и др.

Същността на принципа за конфокално хроматично изображение е точното разпознаване на цветове от светлината, която се отразява от повърхността на целевия обект. Бялата светлина се фокусира върху целевата повърхност чрез многообективна оптична система. Тези лещи разлагат светлината на монохроматични фази (цветове) по оста на измерване. Специфично разстояние до целта се присвоява на дължината на вълната на всеки цвят при фабричното калибриране. За измерването се използва само дължината на вълната, която е точно фокусирана върху целевия обект. Тази светлина, отразена от повърхността на целта, се предава от сондата през конфокална бленда върху спектрометър, който разпознава и обработва спектралните промени и изчислява разстоянията. Тези измервания на разстоянието се предават с висока скорост чрез Ethernet комуникационен протокол.

 

Предимства на технологията

Лазерната сензорна технология предлага много предимства в сравнение с традиционните механични измервателни устройства, включително безконтактно измерване, малка измервателна площ, високоскоростно събиране на данни, стабилна конструкция и гъвкавост при експлоатация.

При безконтактно измерване лазерните сензори не са подложени на механично износване и не влизат в контакт с целевия обект. Освен това целевият обект може да се движи по време на инспекцията като например при определяне на износване на автомобилна гума или измерване на детайли на високооборотна асемблираща линия. Безконтактното измерване също позволява използването на сензори за по-голямо разнообразие от материали. Тъй като сензорът не влияе на обекта, операторите могат лесно да получат точни стойности на отклонение или дебелина на меки или лесно деформиращи се материали, включително гума, пластмаса или дърво, без да се уврежда детайлът или да се изменя точността на измерването.

Съвременните лазерни сензори разполагат с точен излъчвател за измерване дори на най-малките характеристики или целеви обекти. В допълнение, лазерният излъчвател може лесно да се насочи към дадена характеристика на целевия обект, позволявайки бързо предоставяне на необходимите измервания в областта на интерес.

В сравнение с механичните измервателни устройства като контактна сонда или шублер, лазерните сензори имат възможност за извършване на високоскоростни измервания – предлагат се устройства с капацитет от над 4000 измервания/сек. Механичните измервателни устройства често са много по-бавни и изискват внимателно разполагане от страна на оператор, за да се получат точни отчитания. Лазерните сензори осигуряват повторяеми резултати, без риск от преместване на обекта и влошаване на крайния резултат. Възможностите за високоскоростен поток от данни също позволяват датчикът да се използва за измерване на изменящи се във времето разстояния. Например лазерен сензор може да измерва вибрациите на въртящ се вал в реално време, за да се определят експлоатационните му характеристики или необходимостта от поддръжка.

Лазерните сензори са изградени със здрав корпус, осигуряващ висока устойчивост и възможност за експлоатация в индустриални среди с тежки работни условия.

Липсата на механични сонди, използвани при алтернативни измервателни устройства, свежда риска от повреда на сензора до минимум.

Лазерните сензори предлагат отлични параметри и възможност за бързо регулиране на лазерния интензитет спрямо целевия цвят и повърхностната обработка на обекта. Например лазерен сензор, монтиран на високоскоростна производствена линия, може да измерва дебелината на пакети хартия с цветовете на дъгата, гарантирайки, че е опаковано точното количество листа от всеки цвят. Тези сензори могат да се използват и за измерване на щамповани метални детайли, без да се влияят от цветовите разлики, дължащи се на процеса на термична повърхностна обработка. Автоматичното управление на мощността на лазера и на скоростта на измерване гарантират надеждно отчитане при изменящи се или проблемни характеристики на целевия обект условия. В допълнение, за да се отговори на изискванията на дадено приложение, когато е необходима постоянна скорост на измерване, то тя може да бъде фиксирана.

ЕКСКЛУЗИВНО

Top