Clasificat în funcție de modul de măsurare, senzorul laser poate fi împărțit în următoarele tipuri de bază, diferite tipuri de principii tehnice, scenarii de aplicare și caracteristici diferă semnificativ, următoarele sunt analizate în detaliu:

Senzori laser cu şi fără contact

1. senzori laser fără contact (tipul mainstream)

Utilizarea caracteristicilor optice ale laserului pentru măsurarea la distanțe lungi, fără a fi necesar contactul fizic cu obiectul, pentru a evita deteriorarea obiectului testat, este aplicabilă în scenarii dinamice, la temperaturi ridicate, vulnerabile și altele.

Aplicații tipice: detectarea dimensiunilor pieselor industriale, radarul cu laser cu conducere automată, monitorizarea poluanților atmosferici și altele.

Senzori laser de contact (rare)

Măsurarea este realizată prin sonde mecanice asistate cu laser (cum ar fi capul de declanșare cu laser), dar esența depinde încă de contactul fizic și este aplicată în prezent mai puțin și este utilizată în principal în scenarii speciale de prelucrare de precizie.

Clasificarea metodelor de măsurare bazate pe principii optice

Tipul de măsurare a timpului de zbor (ToF)

Principiul: Emiterea unui impuls laser, măsurarea diferenței de timp (Δt) dintre emisia luminii și reflecția senzorului, calculând distanța prin formula d = 2c × Δt (c este viteza luminii).

Caracteristici:

Gama largă de măsurare (de la câțiva centimetri la câțiva kilometri), cum ar fi radarul laser de la mașină, de până la 200 de metri;

Precizia este influențată de precizia măsurării timpului, rezoluția timpului senzorului ToF de înaltă calitate ajunge la picosecondă (precizie corespunzătoare distanței ± 0,15 mm);

Suscepibil la interferențele luminii mediului (cum ar fi lumina solară), este necesar să fie echipat cu filtre sau tehnologie de codificare a pulsurilor.

Aplicații: evitarea barierelor cu roboți de scufundare a pământului, cartografierea topografiei, măsurarea volumului pachetelor logistice.

Triangulometrie (Triangulometrie optică)

Principiul: Emitentul laser vizează obiectivul într-un unghi fix, reflectând lumina prin lentile care se concentrează asupra detectorului fotoelectric (cum ar fi CCD / CMOS) și calculând distanța prin schimbarea poziției petei optice (pe baza principiului similarității triunghiului).

Caracteristici:

Precizie ridicată la distanțe scurte (interval tipic 0,1 mm ~ 10 m, precizie ± 0,1 μm ~ ± 1 mm);

Intervalul de măsurare este invers proporțional cu precizia (cu cât distanța este mai aproape, cu atât mai mare este precizia);

Sensibil la reflectivitatea suprafeței obiectului testat (suprafețele întunecate pot duce la slăbirea semnalului).

Aplicații: Detectarea grosimei wafer-ului semiconductor, monitorizarea grosimei stratului de imprimare 3D, focalizarea automată a camerei telefonice mobile.

Măsurarea interferenței (interferență laser)

Principiul: Folosind coerența laserului, suprapunerea luminii emise și a luminii reflectate generează dungi de interferență și calculează deplasarea prin schimbarea dungii (cum ar fi principiul interferometrului Michelson).

Caracteristici:

Precizia ultra-înaltă la scară nanometrică (de exemplu ± 0,1 nm) este cea mai mare metodă de măsurare cu laser în prezent;

Gama de măsurare este de obicei mai mică (de la milimetri la zeci de centimetri);

Sensibil la vibrațiile mediului și la schimbările de temperatură, trebuie utilizat în mediu izolat de vibrații.

Aplicații: poziționarea mesajului de lucru al mașinii de gravură, detectarea linialității ghidurilor mecanice de precizie, măsurarea pierderii de topire a fibrelor optice.

4. Măsurarea difrației (difrația laser)

Principiul: fenomenul de difrație este produs atunci când laserul este expus la marginea sau la ruperea obiectului testat și dimensiunile sunt calculate prin analiza modelelor de difrație (de exemplu, benzile de difrație a frumentului).

Caracteristici:

Măsurarea fără contact, potrivită pentru detectarea dimensiunilor mici (de exemplu, 0,1 μm ~ 1 mm);

Precizie de până la ± 0,1 μm, potrivită pentru măsurarea firurilor fine, lățimea șuciturilor etc.;

Cerințe ridicate pentru forma marginii obiectului testat (conturi geometrice regulate sunt necesare).

Aplicații: Detectarea distanței dintre pin-urile componentelor electronice, măsurarea diametrului fibrelor textile, monitorizarea uzurii marginilor lamelor.

Măsurarea efectului Doppler (Doppler laser)

Principiul: atunci când laserul vizează un obiect în mișcare, frecvența luminii reflectate este deplasată de efectul Doppler (f d = λ2vcosθ, v pentru viteză, θ pentru unghiul de intrare, λ pentru lungimea de undă), viteza este calculată prin diferența de frecvență.

Caracteristici:

Viteza dinamică de măsurare fără contact, timp de răspuns <1ms;

Precizie de până la ± 0,1% (de exemplu, eroarea de ± 0,01 m/s la măsurarea vitezei de 10 m/s);

Obiectul țintă trebuie să aibă o anumită reflectivitate, iar direcția mișcării trebuie să fie înconjurată cu fasciculul laser.

Aplicații: radar de măsurare a vitezei traficului, monitorizarea vitezei curelei transportatoare industriale, testarea vitezei fluxului sanguin (domeniul medical).

Clasificarea metodelor de măsurare bazate pe analiza spectrală

Spectrometrie de absorbţie cu laser (de exemplu, TDLAS)

Principiul: Utilizând caracteristicile absorbției selective a unui laser cu lungimi de undă specifice de către moleculele de gaz țintă (de exemplu, vârful de absorbție a CO2 la 1572 nm), concentrația de gaz este calculată prin legea lui Lambert-Biel (I = I 0 e − αCL, α pentru coeficientul de absorbție, C pentru concentrație și L pentru distanța fotologică).

Caracteristici:

Precizie de înaltă calitate ppm ~ ppb, care poate detecta urme de gaze (cum ar fi CH4, NO₂);

Timp de răspuns rapid (<1 secundă) pentru monitorizarea în timp real;

Laserul corespunzător trebuie selectat în funcție de lungimea de undă a gazului țintă (de exemplu, 1653nm pentru detectarea H2O).

Aplicații: monitorizarea calității aerului de mediu, detectarea emisiilor industriale, avertizarea timpurie a scurgerilor de conducte de gaze naturale.

Fluorescenţa indusă cu laser (LIF)

Principiul: luminarea cu laser a substanței testate pentru a stimula și emite fluorescență, pentru a determina componența sau concentrația substanței prin analiza proprietăților spectrale ale fluorescenței (cum ar fi lungimea de undă, intensitatea).

Caracteristici:

Sensibilitate ridicată (limită de detectare până la nivelul μg / L), potrivită pentru detectarea urmelor de poluanți;

Proprietățile fluorescente ale diferitelor substanțe pot fi distinse (cum ar fi distincția dintre fluorescența petrolului și cea a algelor);

Interferența luminii de fundal este mare și necesită un filtru de bandă îngustă.

Aplicații: monitorizarea poluării cu ulei din apă, detectarea markerilor biofluorescente, screening rapid al reziduurilor de pesticide din alimente.

Scanarea 3D și măsurarea norilor de puncte (radar laser / LiDAR)

Principiul: prin emiterea de mai multe fascicule laser (cum ar fi 16, 64, 128) și prin primirea de semnale de reflecție, se construiește un model tridimensional de nor de puncte al obiectului țintă și se calculează spațiul de ședere (X, Y, Z) în combinație cu unghiul de scanare.

Caracteristici:

Poate genera în timp real o hartă 3D a mediului, cu o rezoluție unghiulară de până la 0,1 ° ~ 1 °;

Intervalul de măsurare este de la câțiva metri la sute de metri (de exemplu, un interval tipic de 200 de metri pentru LiDAR-urile de la bord);

Radarele laser în stare solidă (cum ar fi MEMS, OPA) nu au componente rotative mecanice și sunt mai fiabile.

Aplicații: percepția mediului de conducere automată, modelarea 3D a orașelor inteligente, monitorizarea acoperirii vegetative forestiere, scanarea topografică a siturilor arheologice.

Metoda de măsurare compusă (fuziune multiprincipială)

Tip: cum ar fi combinația "ToF + Triangularizare", care conciliază distanțele lungi și precizia ridicată (Triangularizare aproape, Comutare ToF la distanțe lungi); Fuziunea "radar laser + camera vizuală" îmbunătățește percepția mediului înconjurător.

Aplicații: roboți de servicii de înaltă calitate (cum ar fi AGV-urile de depozitare), care evită defectele unui singur senzor prin măsurare compusă (cum ar fi greșelile radarului laser în fața pereților de sticlă, care pot fi compensate vizual).

Rezumat și sugestii de selecție

Diferitele metode de măsurare ale senzorilor laser au avantaje și dezavantaje în ceea ce privește precizia, gama, costul și adaptabilitatea mediului, iar selecția trebuie să aibă ca prioritate cerințele de bază:

Pentru măsurări dinamice la distanţe lungi (cum ar fi conducerea autonomă), alegeţi radarul laser ToF;

Pentru precizie statică la nivel nanometric (cum ar fi fabricarea de semiconductori), alegeți interferometrul laser;

Pentru analiza compoziției gazelor, alegeți senzorul TDLAS sau LIF;

Metodele de măsurare compuse pot fi luate în considerare în medii complexe pentru a îmbunătăți fiabilitatea prin intermediul unei fuziuni cu mai multe principii.

În plus, este necesară luarea de decizii integrate care să integreze caracteristicile obiectului testat (reflectivitate, starea de mișcare), interferențele mediului (lumină, vibrații, temperatură) și bugetul costurilor.