Aktuální vydání

celé číslo

12

2020

Systémy DCS pro kontinuální a dávkové výrobní procesy

Provozní analytická technika

celé číslo

Optoelektrické snímače vzdálenosti a polohy

číslo 3/2003

Optoelektrické snímače vzdálenosti a polohy

Světelné paprsky jako nástroj měřicí techniky jsou velmi pozoruhodné: dovolují vykonávat bezdotyková měření v rychlém sledu, mají dlouhý dosah při zachování velkého rozlišení a vedle toho jsou téměř imunní vůči rušení. Obr. 1. Proto nelze ani náznakem srovnávat schopnosti jiné měřicí techniky se škálou možností, která se otevírá při použití optoelektrických snímačů. Při jejich spojení s účinnými číslicovými procesory pak lze, za použití různých druhů zařízení, ekonomicky výhodně řešit nejrůznější měřicí, detekční i bezpečnostní úlohy.

Principy optoelektrických snímačů vzdálenosti

Využití světla k měření vzdálenosti, detekci předmětů i ochraně osob a strojů během provozu je vždy podmíněno odrazem určitého světelného paprsku od předmětu. Optoelektrickým snímačům se tak otevírají velké možnosti aplikací v měřicí a detekční technice. V závislosti na oblasti použití se využívají tři zcela odlišné fyzikální principy:

  • měření s použitím triangulace,
  • měření založené na fázovém posuvu,
  • technika šíření impulsů.

Uvedené tři základní principy optického měření vzdálenosti se neliší pouze svou fyzikální podstatou, ale také dosažitelným rozlišením, opakovatelností, absolutní přesností měření aj. Jejich základní vlastnosti a aplikační možnosti jsou porovnány v tab. 1. V dalším textu jsou popsány některé konstrukce snímačů vytvořené s použitím uvedených principů firmou Leuze.

Tab. 1. Porovnání technik optického měření vzdálenosti

  Triangulace Měření fázového posuvu Šíření impulsů
Dosah až 10 m až 200 m v řádu kilometrů
Přesnost (závisí na době měření a výkonu vysílače) asi 0,1 % při malém dosahu v řádech milimetrů nebo přesnější v řádech milimetrů
Aplikace v průmyslu určování průměru systémy nastavování polohy laserové snímače
Přednosti jednoduchá a levná instalace, rozlišování několika předmětů jednoduchá instalace, velká přesnost velký dosah při zachování velké přesnosti: možnost rozlišit několik předmětů

Triangulace s technikou CCD

Vynikající kvality měření se dosahuje spojením techniky triangulace s progresivní technikou prvků CCD (Charge-Coupled Device), převádějících světlo na elektronické impulsy. Příkladem takového zařízení je optoelektronický snímač vzdálenosti ODS8 od firmy Leuze (obr. 1).

Obr. 2.

Snímač ODS8 je vybaven řadou prvků CCD s velkým rozlišením. Jako zdroj světla je použita laserová dioda. Měřicí rozsah je 20 až 400 mm. V celém měřicím rozsahu lze měřit vzdálenost předmětů s povrchy s odrazivostí od 6 do 90 %, takže v praxi je měření na této vlastnosti těles téměř nezávislé. Naměřené hodnoty je možné odečítat jak v analogové, tak číslicové formě. Zařízení dovoluje pohodlné ruční „zaučení“ nebo jednoduchou parametrizaci prostřednictvím PC a sériového rozhraní RS-232.

Snímače ODS8 jsou nabízeny pro širokou paletu aplikací, např.:

  • nastavování polohy stohů v tiskařském průmyslu,
  • regulaci výšky hladiny kapalin a sypkých materiálů,
  • určování tvaru a výpočet objemu,
  • třídírny a balírny,
  • měření tloušťky řeziva v dřevozpracujícím průmyslu.

Milimetrová přesnost při použití fázového posuvu

Na milimetr přesného nastavení polohy lze docílit s optoelektronickými snímači využívajícími metodu měření fázového posuvu. Zástupcem této kategorie je snímač Leuze OMS1, který pokytuje absolutní hodnoty vzdálenosti v rozmezí od 0,2 až do 170 m. Rozlišení je možné nastavovat plynule a rozptyl dosahovaný při opakování měření je ±2 mm. Snímač OMS1 počítá nově naměřenou hodnotu každou jednu milisekundu a tudíž je velmi vhodný pro použití v rychlých regulačních smyčkách polohy. Instalovaný laser s červeným světlem významně zjednodušuje instalaci, seřízení a nastavení polohy OMS1.

Díky celé škále svých schopností je snímač OMS1 ideálním nástrojem k měření vzdálenosti při zjišťování a nastavování polohy:

  • paletových vozíků a zdvihacích zařízení používaných v logistických aplikacích,
  • jeřábových systémů,
  • seřazovacích a průmyslových vozíků.

Laserový snímací systém pro měření a zabezpečení

Ke splnění velmi přísných požadavků týkajících se bezpečnosti osob a strojů je nutné zajistit spolehlivou ochranu kritických oblastí. Obr. 3. Proto byl vyvinut laserový bezpečnostní skener Leuze RS4-4, pracující na principu šíření impulsů, díky němuž může nabídnout mnoho výhod především z pohledu bezpečnosti.

Principem techniky šíření impulsů je rozmítání světelných impulsů vysílaných laserovou diodou pomocí otočného zrcadla do celé pracovní oblasti. Princip měření je nejen vhodný pro aplikace v oblasti bezpečnosti, ale často se uplatní také při měření. Na základě tohoto principu byla vyvinuta verze snímače rotoScan ROD-4 (obr. 3) pro určování povrchů a objemů, polohy a tvaru, pro kontrolu výčnělků a navigaci v systémech pro automaticky naváděná vozidla (Automatic Guided Vehicle Systems – AGVS). Pro aplikace v prostředích s nízkou okolní teplotou lze zařízení opatřit vyhříváním.

RotoScan ROD-4 střeží oblast v úhlu 190°, rozdělenou na 528 výsečí, což odpovídá úhlu přibližně 0,36° na jednu výseč. V závislosti na době šíření vyslaného a odraženého světla a poloze předmětu ve výseči systém spočítá přesnou vzdálenost, velikost předmětu a souřadnice polohy. Zároveň zkontroluje, zda se zjištěný předmět nachází uvnitř či vně stanovené a dovolené oblasti detekce. Proces detekce probíhá téměř nezávisle na odrazivosti povrchu detekovaného předmětu.

Obr. 4.

Lze nadefinovat až čtyři různé dvojice ochranných oblastí a popř. každou dvojici zvlášť aktivovat a deaktivovat. Uživatelské programové vybavení nabízí množství individuálních konfigurací pro různé konkrétní situace. Oblasti detekce pro tyto účely lze vymezit buď jako obdélníky, nebo volitelně ve tvaru graficky ztvárněných mnohoúhelníků. Snímač rotoScan ROD-4 je vybaven prostředky pro „zaučení“, které umožňují uložit do paměti tvar oblasti detekce, získaný na základě simulace oblasti detekce před zařízením. Oblasti detekce lze vymezovat až do vzdálenosti 50 m.

Komplexní manipulační aplikace

Ukázkou komplexní aplikace popsaných snímačů např. v servisní robotice je vozík s automatickým naváděním, který je určen k přepravě prádla a rozvozu jídla v nemocnici. Bezpečnou navigaci vozíku, např. po chodbách, zajišťuje integrovaný snímač rotoScan ROD-4 (obr. 4).

Obdobně je dálkoměr ODS8, využívající techniku triangulace ve spojení s progresivními prvky CCD, díky svým minimálním rozměrům velmi vhodný pro přesné měřicí aplikace v manipulačních systémech.

Robert Tesař,
vedoucí oddělení senzorika – automatizace,
Schmachtl CZ s. r. o.

Schmachtl CZ s. r. o.
Vídeňská 185
252 42 Vestec u Prahy
tel.: 244 001 500
fax: 244 910 700
e-mail: office@schmachtl.cz
http://www.schmachtl.cz

Inzerce zpět