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、亮度高、單色性好等許多優(yōu)點。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。

    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。由于激光測距傳感器售價太高，一般在幾千美元，高昂的價格一直是阻礙其廣泛應(yīng)用的主要原因。然而最近，激光測距傳感器由于技術(shù)上取得了重大進展，使其價格已降到幾百美元，從而使它今后有可能成為許多長距離檢測場合最經(jīng)濟有效的檢測手段。 

    造成這樣大幅度降價的主要原因是最近兩種消費產(chǎn)品的急劇增長。 

    其一是蜂窩電話。蜂；移動通信自70年代出現(xiàn)以來，發(fā)展異常迅速，用戶幾乎年年翻番，尤其是近年來發(fā)展更為驚人。蜂窩電話的發(fā)展促使電信工業(yè)提供出性能極佳的低噪聲放大器。這種放大器的核心部件就是傳輸時間計時器。 

    其二是DVD播放機。DVD播放機的發(fā)展推動了低成本可見光二極管激光器的發(fā)展。這種二極管激光器發(fā)出的激光具有更好的聚焦特性，能實現(xiàn)超高密度數(shù)字存儲。與僅僅幾年前為CD機研制的紅外激光二極管相比，其聚焦特性要好許多倍。 

    正是這些新器件的出現(xiàn)再加上表面安裝電路板技術(shù)和清潔廉價的電源等，才使傳輸時間激光距離傳感器的發(fā)展躍上新臺階。 

    實際上，所有工業(yè)用戶都在尋找一種能在較遠距離實現(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，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。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，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遠時直徑為0.76cm。 
    ③需要可見光斑進行位置校準(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。 

    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保護高架起重機免于碰撞。 
    ⑥無誤差檢查場合。

五、幾個應(yīng)用實例 

    1、測量傳送帶上箱子的寬度 

    使用兩個發(fā)散型傳輸時間激光傳感器，在傳送帶的兩側(cè)面對面安裝。因為尺寸變化的箱子落到傳送帶上的位置是不固定的，這樣，每個傳感器都測量出自己與箱子的距離，設(shè)一個距離為L1，另一個為L2。此信息送給PLC，PLC將兩個傳感器間總的距離減去L1和L2，從而可計算出箱子的寬度W。 

    2、保護液壓成型沖模 

    機械手把一根預(yù)成型的管材放進液壓成型機的下部沖模中，操作者必須保證每次放的位置準(zhǔn)確。在上部沖模落下之前，一個發(fā)散型傳感器測量出距離管子臨界段的距離，這樣可保證沖模閉合前處于正確位置。 

    3、二軸起重機定位 

    用兩個反射型傳感器面對反射器安裝，反射器安裝在橋式起重機的兩個移動單元上。一個單元前后運動，另一個左右運動。當(dāng)起重機驅(qū)動板架輥時，兩個傳感器監(jiān)測各自到反射器的距離，通過PLC能連續(xù)跟蹤起重機的精確位置。 

    有了這種新式廉價傳輸時間激光測距傳感器，反射性或多顏色的目標(biāo)長距離位置檢測即使在檢測角度變化的情況下也沒問題了。