Czujniki odległości są niezbędnym elementem w bardzo wielu różnorodnych urządzeniach i aplikacjach. Ich podstawowym zadaniem jest naturalnie mierzenie odległości, ale mogą być wykorzystywane także do mierzenia rozmiaru różnych obiektów, wykrywania przeszkód, monitorowania poziomu napełnienia, pozycjonowania lub przemieszczania się różnych elementów, a także do mierzenia wysokości obiektów.

W praktyce przemysłowej stosuje się obecnie 3 różne technologie czujników odległości. Ultradźwiękowe czujniki odległości mierzą odległość za pomocą fal dźwiękowych o wysokiej częstotliwości, które odbijają się od obiektu i wracają do czujnika. Z kolei czujniki podczerwieni do pomiaru wykorzystują promieniowanie podczerwone. Trzecim rodzajem tego typu urządzeń pomiarowych są laserowe czujniki odległości, które wysyłają krótkie impulsy laserowe.

Każda z tych technologii ma oczywiście swoje zalety i wady oraz typowe zastosowania, w których ich użycie jest preferowane. Jeśli mówimy o najbardziej zaawansowanych projektach albo o najtrudniejszych warunkach pracy, to na pierwszy plan wysuwają się czujniki laserowe, które mają kilka istotnych przewag w porównaniu z pozostałymi dwoma technologiami pomiarów odległości.

Zasada działania laserowych czujników odległości

Laserowe czujniki odległości to nowoczesne urządzenia, które umożliwiają precyzyjne pomiary odległości za pomocą wiązki światła laserowego. Ogólna zasada działania opiera się na pomiarze czasu, który upływa od momentu wysłania wiązki światła przez czujnik do jej odbicia od powierzchni obiektu i powrotu do czujnika. Dzięki tej metodzie możliwe jest uzyskanie bardzo dokładnych wyników, nawet przy dużych odległościach. W zależności od technologii wykorzystywanej w czujniku istnieje kilka różnych metod pomiaru.

Metoda triangulacji laserowej, jako jedna z popularnych metod, jest wykorzystywana w czujnikach do pomiaru małych odległości, a jej główną zaletą jest precyzja. Czujnik emituje wiązkę światła, która odbija się od obiektu. Znając odległość między laserem a kamerą oraz kąt między wiązką lasera a płaszczyzną obrazu kamery, można określić odległość skanowanego obiektu od obiektywu czujnika. Do dokładnego wyliczenia odległości wykorzystuje się wbudowany mikroprocesor oraz odpowiednio zaprogramowane algorytmy. Triangulacja jest szczególnie skuteczna w przypadku pomiarów obiektów poruszających się lub wibrujących, ponieważ metoda ta nie jest wrażliwa na zmiany pozycji obiektu.

Technologia czasu przelotu (time of flight – ToF) to kolejna metoda, która pozwala na pomiar odległości. Jak wskazuje sama nazwa tej metody, pomiar polega na wysłaniu impulsu światła laserowego z nadajnika do przeszkody, które po odbiciu się od niej wraca do nadajnika. Na podstawie zmierzonego czasu, w którym wiązka przebywa drogę do obiektu i z powrotem, czujnik oblicza odległość, biorąc pod uwagę prędkość światła. W niektórych urządzeniach, aby uzyskać jeszcze dokładniejsze wyniki, dodatkowo mierzy się przesunięcie fazowe.

Inną technologią pomiarową jest przesunięcie fazowe, które znajduje swoje zastosowanie w pomiarach większych odległości. W tej metodzie dioda laserowa wysyła wiązkę świetlną o sinusoidalnym kształcie, która jest rozdzielana 2 strumienie: jeden służy do pomiaru, a drugi pełni funkcję referencyjną. Strumień odbity od obiektu powoduje przesunięcie fazowe względem strumienia referencyjnego, co pozwala na dokładne obliczenie odległości.

Jedną z zaawansowanych technologii pomiarowych jest również pomiar impulsów, w którym dioda laserowa emituje bardzo krótkie, intensywne impulsy świetlne. Po odbiciu się od powierzchni obiektu, impulsy są wykrywane przez odbiornik, a na podstawie opóźnienia w powrocie światła obliczana jest odległość. Technologia ta wyróżnia się wysoką odpornością na zmiany warunków atmosferycznych, w tym na światło zewnętrzne oraz zmiany temperatury, co sprawia, że jest niezwykle precyzyjna i niezawodna.

Każda z tych metod jest stosowana w zależności od wymaganej precyzji i odległości pomiaru. Wspólne dla wszystkich technologii jest jednak to, że czujniki laserowe zapewniają niezrównaną dokładność i niezawodność, co sprawia, że znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach przemysłu.

Szerokie zastosowanie laserowych czujników odległości

Duża popularność laserowych czujników odległości wynika z tego, że można je wykorzystywać do bardzo wielu różnych zastosowań, nie tylko związanych z pomiarem odległości z punktu A do punktu B. Ich zdolność do dokładnego pomiaru odległości, nawet w trudnych warunkach, sprawia, że są one niezastąpione w wielu aplikacjach. Wykorzystuje się je w różnych gałęziach przemysłu, w tym w automatyce, logistyce czy inżynierii precyzyjnej. Do najczęściej spotykanych zastosowań należą:

• Automatyzacja procesów przemysłowych – czujniki laserowe stosowane są m.in. na liniach montażowych, gdzie precyzyjne określenie odległości między komponentami jest bardzo istotne dla jakości procesu produkcyjnego i finalnego produktu. Pozwalają monitorować pozycję części w czasie rzeczywistym oraz kontrolować wymiary i tolerancję.
• Robotyka – czujniki odległości są podstawowym urządzeniem, które jest używane do nawigacji robota i unikania kontaktu z przeszkodami. Jest to szczególnie istotne w przypadku robotów mobilnych, ale również tradycyjne roboty przemysłowe stosują tego typu czujniki do kontrolowania swoich ruchów. Tylko dzięki bardzo precyzyjnym pomiarom roboty mogą poruszać się w złożonych środowiskach w bezpieczny sposób, omijając przeszkody i odpowiednio dostosowując swoją trajektorię ruchu.
• Systemy pomiarowe w logistyce – dzięki dokładności pomiaru czujniki laserowe są wykorzystywane w magazynach do zarządzania przestrzenią i monitorowania poziomu zapasów. Umożliwiają one pomiar wysokości stosów towarów czy kontrolę procesów składowania i transportu.
• Monitoring powierzchni – w branży budowlanej i inżynieryjnej czujniki te stosowane są np. do monitorowania odkształceń i przesunięć konstrukcji. Dzięki wysokiej rozdzielczości pomiarów możliwe jest wykrywanie nawet niewielkich zmian w ułożeniu obiektów. Czujniki laserowe w szczególności umożliwiają pomiar ugięcia materiałów, grubości czy wysokości poszczególnych elementów.
• Precyzyjne pomiary w nauce – w laboratoriach badawczych czujniki laserowe służą do wykonywania bardzo dokładnych pomiarów odległości w eksperymentach, które wymagają maksymalnej precyzji.

Wyżej wymienione przykłady nie wyczerpują naturalnie wszystkich możliwości zastosowania laserowych czujników odległości. Co bardzo istotne, pozwalają one na dokonanie pomiaru nie tylko nieruchomego obiektu, ale także ruchomych czy też wibrujących.

ifm electronic

Korzyści z zastosowania laserowych czujników odległości

Laserowe czujniki odległości zapewniają liczne korzyści, dzięki którym wyróżniają się na tle innych technologii pomiarowych, które które sprawiają, że są niezastąpione w wielu zastosowaniach technicznych oraz inżynieryjnych.

Przede wszystkim laserowe czujniki odległości charakteryzują się bardzo wysoką precyzją i dokładnością wykonywanych pomiarów oraz ich powtarzalnością. Dzięki temu są urządzeniami, które są optymalne do wszelkich zastosowań, w których wymagana jest bardzo duża precyzja. Naturalnie dokładność pomiaru zależy również od kilku czynników, w tym przede wszystkim od wybranego czujnika pomiarowego, ale też od warunków, w jakich wykonywane są pomiary, a także od odległości do mierzonego elementu. Odchylenia zmierzonej odległości mogą się wahać od mikrometrów do kilku milimetrów, a przy dużych odległościach – do nawet centymetrów. Natomiast wysoka powtarzalność czujników laserowych oznacza, że nawet przy wielokrotnych pomiarach tej samej wielkości otrzymane wyniki są takie same albo bardzo zbliżone. To bardzo istotna cecha w aplikacjach, które wymagają dużej precyzji.

Kolejną ważną zaletą tego typu czujników odległości jest szeroki zakres pomiarowy. Czujniki te mogą mierzyć odległości, które sięgają nawet do 100 m. Jednocześnie pozwalają na pomiar małych obiektów dzięki małemu rozmiarowi plamki. Są w stanie wykrywać obiekty o wielkości porównywalnej np. do ludzkiego włosa. Cecha ta sprawia, że czujniki laserowe są urządzenia bardzo uniwersalnymi i można je wykorzystywać do różnych celów.

Laserowe czujniki odległości są odporne na zmienne i niekorzystne warunki atmosferyczne, takie jak kurz, brud, wibracje, wysoka wilgotność czy wysokie bądź niskie temperatury. Wiązka laserowa nie jest bowiem podatna na zakłócenia, tak jak w przypadku w innych technologii pomiarowych. Tym samym można je także stosować w halach przemysłowych czy innych obiektach, w których panują utrudnione warunki, mogące wpływać na dokładność innych typów czujników.

Dzięki temu, że laserowe czujniki działają bezkontaktowo, nie ma ryzyka uszkodzenia mierzonych obiektów ani samego czujnika, co jest dużym atutem w wielu branżach. Ponadto czujniki laserowe umożliwiają uzyskanie wyniku pomiaru w bardzo krótkim czasie (nawet w ułamkach sekundy). To szczególnie ważne w tych urządzeniach czy maszynach, które wymagają szybkiej reakcji (przede wszystkim w różnego rodzaju pojazdach, systemach automatyki czy robotyki).

Dodatkowo dzięki zastosowaniu technologii laserowej można uzyskiwać bardzo dobrą liniowość i wysoką częstotliwość pomiarową. Przy zastosowaniu optycznych czujników laserowych można wykonywać pomiar błyszczących, metalowych i chropowatych powierzchni. Tym samym można przy użyciu tych czujników przeprowadzać pomiary elementów metalowych, wykonanych z tworzyw sztucznych czy drewna. Co równie ważne, laserowe czujniki nie zakłócają się wzajemnie. Cecha ta pozwala na wykonywanie pomiarów przez różne czujniki laserowe na ograniczonej przestrzeni.

Laserowe czujniki odległości mają kilka istotnych przewag w porównaniu z innymi typami czujników, np. z czujnikami ultradźwiękowymi. Przede wszystkim oferują one znacznie wyższą dokładność pomiarów, niezależnie od warunków atmosferycznych, i dużo większy zasięg. Czujniki ultradźwiękowe, choć również powszechnie stosowane, mają ograniczony zasięg i są bardziej podatne na zmienne warunki otoczenia, takie jak temperatura czy wilgotność.

Laserowe czujniki odległości – dodatkowe cechy charakterystyczne:

• bezbłędne wykrywanie nawet najmniejszych obiektów,
• proste i szybkie dopasowanie,
• możliwa regulacja czułości,
• wysoka rozdzielczość pomiaru,
• małe odchylenia liniowe,
• szybki czas odpowiedzi,
• łatwy montaż,
• możliwość wykorzystania do zadań specjalnych.

Dodatkowe wyposażenie i nowe funkcjonalności

Rozwój nowych technologii nie omija również urządzeń, jakimi są czujniki. Laserowe czujniki odległości zyskują tym samym nowe funkcje, które zwiększają ich wszechstronność i możliwości.

Nowoczesne czujniki laserowe często są wyposażone w technologię IO-Link, która umożliwia integrację z systemami internetu rzeczy (IoT). Dzięki połączeniu z IoT czujniki laserowe mogą gromadzić dane w czasie rzeczywistym i przesyłać je do centralnych systemów zarządzania, gdzie są przetwarzane. Dane te umożliwiają zdalne monitorowanie procesów, pracy maszyn czy linii produkcyjnej. Monitorowanie np. prędkości i przyspieszenia maszyny, w tym ich wartości historycznych, pozwala na przeprowadzenie szczegółowej analizy stanu maszyny. Następnie na podstawie tej analizy można wdrożyć optymalizację tych procesów czy przeprowadzić odpowiednie czynności konserwacyjne, które zapobiegną nieplanowanym przestojom. Czujniki z technologią IO-Link mogą mieć również funkcję autodiagnostyki, monitorując dodatkowe dane, np. temperaturę, czas pracy i inne parametry określające stan czujnika.

Coraz częściej też czujniki odległości są wyposażane w funkcje inteligentnej analizy danych, które pozwalają na wykrywanie wzorców i przewidywanie problemów, takich jak zużycie materiałów czy zbliżającą się awarię. Dzięki temu dane te nie muszą być przesyłane do jakiejś jednostki centralnej, a są przetwarzane na miejscu. Przyspiesza to proces analizy i ewentualnego wdrożenia odpowiednich działań.

W przypadku czujników odległości, tak jak większości komponentów automatyki przemysłowej, widoczny jest trend miniaturyzacji. Nowoczesne technologie pozwalają na miniaturyzację tych czujników, co umożliwia ich zastosowanie w coraz mniejszych urządzeniach czy też instalacjach z ograniczoną ilością miejsca na czujniki. Dzięki zaawansowanym algorytmom filtrującym czujniki mogą również działać w trudniejszych warunkach, takich jak obecność pyłów, dymu czy silne światło, co jeszcze bardziej poszerza ich zastosowanie w różnych branżach.

Laserowe czujniki odległości to urządzenia, które stale zyskują na popularności w wielu branżach. Oferują bowiem nieosiągalną dla innych rozwiązań precyzję, szybkość i niezawodność pomiarów. Dzięki swojej elastyczności i odporności na zmienne warunki znajdują też zastosowanie w szerokim zakresie aplikacji przemysłowych – od automatyki po robotykę i logistykę. Wraz z dalszym rozwojem technologii ich funkcjonalność staje się coraz bardziej zaawansowana, co zapowiada w najbliższej przyszłości jeszcze bardziej innowacyjne rozwiązania. Szczególnie, że na znaczeniu będą zyskiwać wszelkie technologie wykorzystywane w ramach idei Przemysłu 4.0.