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三角测量传感器 第 2 部分(发射端)


我们一起讨论系统的发射部分(光源)。


记住三角测量原理的概述




三角测量传感器使用一个光源,该光源在物体上反射并指向线性传感器。物体距离决定光的反射角度,因此改变物体距离会使光束到达传感器的不同位置。但是接收到的光束不是照亮线性传感器上单个像素的单个点,而是散布(取决于光源、物体表面和距离、使用的透镜等),形成一个图案,在良好条件下看起来更类似于以下图案




上述信号相当容易处理,但在实际应用中,有许多因素会影响信号曲线的形状。这些因素包括透镜缺陷、目标表面变化、振动、外部光源(例如环境照明)、光源的失真/畸变或不均匀等。下图显示了这些因素影响系统时实际信号的可能样子



这处理起来更具挑战性。目标物体改变的影响比较难避免,因为它是由应用决定的,因此一个好的传感器必须通过改进发射端和接收端来弥补这种影响。在本文中,我们将重点介绍如何提高光源的质量,以及抑制其他(不需要)的光源。


光学三角测量传感器主要使用 LED或激光二极管作为光源。每种方法都有各自的优缺点,我们将简要讨论。


对于精确的光束,例如用于高精度距离测量传感器和表面平面度测量的光束,激光二极管可以提供最佳结果。激光的优缺点一目了然:


+ 窄而精确的光束。
+ 特定波长。
+ 高功率:更容易达到更远的距离。
- 高成本。
- 安全问题:眼睛安全、激光等级、光功率控制电路等。
- 对 ESD 或其他能量浪涌敏感(更容易损坏)。


LED 通常是更简单的解决方案,尤其是在应用要求较低的情况下,例如物体存在传感器、自动门等。考虑使用 LED 作为光源的一些因素:


+ 低成本
+ 可达到高功率(取决于 LED)
+ 鲁棒
- 比较短距离
- 光线发散/扩散(更广的角度)
- 非均匀照明,沿更宽的波长范围发散。


如果您决定采用激光二极管的解决方案,激光功率和波长必须符合应用的要求:功率必须足够高,以达到所需的距离(并返回传感器),并且波长必须在目标物体上具有高度反射性。然后,在选择激光二极管之后,必须仔细选择合适的驱动器。需要考虑安全特性,精确控制激光电流/功率等。iC-Haus 提供多种激光二极管驱动器,具有不同的特性,适用于不同的应用。


一个简单的解决方案是我们的 iC-WK 系列,它适用于连续波 (CW) 激光操作(非脉冲操作)。它易于使用、具有成本效益,并提供内置的精确光功率控制。



对于更高级的解决方案,iC-NZN 是一款出色的全能型产品:它提供 CW 或脉冲操作、更高的最大电流、自动功率或电流控制、超电流限制等


如果您选择 LED 作为传感器的光源,这两种驱动器也可以用于驱动 LED。


市场上有许多不同的 LED。很容易找到非常便宜的 LED,但它们通常适用于照明目的。用于传感器的 LED 应具有良好的特性、稳定的性能和较低的可变性。否则,在批量生产期间,每个传感器将产生不同的结果。


LED 有不同的制造技术:成本较低的传统 LED 是体积光发射 LED,略胜一筹的是表面光发射 LED,而较新的高端替代品是点光源 LED。


对照表如下



iC-TL6 是我们的掩膜点光源 LED,具有优异的性能,适用于多种应用包括三角测量传感器:照明均匀,没有来自键合线和触点的阴影,圆形光束(更好地匹配传感器中的圆形光学透镜),没有来自横向/侧面发射的杂散光和反射。它可以达到高达 1A 的脉冲电流,工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。这大大提高了传感器接收到的光的质量和均匀性,所有这些都在紧凑的 SMD 1206 封装中



那么,除了选择合适的光源外,还有哪些其他的技术可以在发射端实现来提高传感器的性能呢


提示 1) 脉冲光源,尤其是在较高频率下。脉冲光源有两个主要好处:


  • 较低的平均功率(与脉冲占空比成正比)。如果平均功率降低,则散热更少,通常这允许激光器/LED达到更高的电流(脉冲期间的光强度可能比 CW 操作时更强)。更高的脉冲功率意味着可测量的距离增加。


  • 抑制其他光源。如果您以特定频率(例如50 kHz)对激光/LED 进行脉冲处理,则接收端可以实施带通滤波器,从而消除其他频率的光的影响。因此,来自太阳(直流) 的光以及大多数环境照明(通常为 50/60 Hz,有时高达 1 kHz)将从结果中被过滤掉,从而使传感器仅处理来自其自身光源的信号。


提示 2) 仔细选择光源的波长。许多因素会影响适合的波长。有些应用要求测量点可见,因此可以使用红光或绿光。激光应用有时必须考虑眼睛安全,这使得红外线更适合。而待测的物体也起到一定的作用:如果目标颜色已知,选择具有较高反射率的波长将产生更强的反射光。如果目标是黑色的,可见光反射就很弱,所以红外线更合适


提示 3) 考虑温度影响。LED 和激光二极管都受到温度的强烈影响。改善散热会带来更稳定的结果,脉冲光也可以降低功率和发热。激光二极管往往会根据温度改变波长(跳模),这也会影响结果。LED 和激光二极管的效率与温度成反比。因此,如果温度升高,LED / 激光的光功率会降低。这可以通过自动功率控制进行补偿,这是我们许多驱动芯片都包含的一项功能。但在这种情况下,如果没有温度控制,就存在很大的风险,必须加以预防:效率降低会引起自动功率控制提高电流,而电流高会进一步提升温度,进入循环后最终导致器件损坏。



最后,结果取决于系统的所有部分:


→ 良好的结果来自良好的信号处理算法,但这些算法需要接收精确的信号,就需要一个良好的光学传感器。

→ 光学传感器需要合适的分辨率和精度,以满足所设计产品的要求。


→ 传感器只有在接收到合适的光的情况下才会产生良好的输出信号,这在很大程度上取决于光源的质量和所使用的光学透镜。  


→ 必须仔细选择和定位光学透镜,以收集足够的光,并将其汇聚到传感器的合适位置,而不会出现明显的失真。


→ 必须针对特定应用以优化的方式选择和操作光源。光源的选择和操作必须针对特定应用进行优化。波长必须根据目标的反射率来选择,功率必须根据测量距离选择,必要时应使用脉冲,而安全性影响所有这些参数。


从我们关于三角测量传感器的两篇文章中可以看出,在开发此类产品时必须考虑很多因素。它们影响最终产品的性能、成本、功能和安全性。


上传时间 : 2022-05-24