Laser-Entfernungssensoren, auch Laser-Entfernungsmesser genannt, sind optische Entfernungsmessgeräte. Sie können die Entfernung zu einem bestimmten Objekt mit einem nicht-invasiven Laserstrahl messen.
Laser-Entfernungsmesser können auch als Näherungssensoren arbeiten, um Objekte in einem bestimmten Bereich zu erkennen.
In diesem Artikel diskutieren wir über Laser-Distanzsensoren, ihr Arbeitsprinzip und überprüfen Sie einige Modelle einiger der beliebtesten Hersteller.
Was ist ein Laser-Distanzsensor und wie funktioniert er?
Laser-Distanzsensor ist ein Gerät, das mit einem Laserstrahl die Entfernung zu einem Objekt bestimmt. Sie sind auch bekannt als Laser-Entfernungsmesser, Laser-Entfernungsmesser und Laser-Telemeter.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Entfernung zu messen, wie zum Beispiel:
- Time-of-Flight-Prinzip
- Triangulation und ähnliche Techniken
Das Time-of-Flight-Prinzip ist die gebräuchlichste Betriebsform. Bei dieser Betriebsart wird ein Laserstrahlimpuls auf das Messobjekt gerichtet. Dieser Strahl wird mit einem Linsensystem eingeengt.
Wenn der Strahl auf das Objekt trifft, wird er von der Oberfläche zurück zum Sensor reflektiert. Der Sensor misst die Zeit, die der Strahl benötigt, um zum Ziel zu gelangen und zurückzukehren.
In vielen Fällen enthält der Sensor selbst einen dedizierten Signalprozessor, um das Timing zu berechnen und den Abstand zwischen Objekt und Sensor zu bestimmen.
Die Triangulationsmethode verwendet den Winkel des reflektierten Strahls, um die Entfernung des Objekts zu bestimmen. Dies ist auch bekannt als Verdrängungstechnik. Diese Arten von Sensoren verwenden einen kontinuierlichen Strahl anstelle von Impulsen. Der Winkel des reflektierten Strahls ändert sich wie in der Abbildung unten gezeigt:
Die Winkeländerung des reflektierten Strahls ist proportional zur Entfernung zum Objekt. Das Lichtempfangselement besteht aus einer Anordnung von Lichtsensoren, die die Position des empfangenen Strahls bestimmen können.
Distanzsensoren vs. Näherungssensoren
Der Hauptunterschied zwischen Distanz- und Näherungssensoren besteht darin, dass die Näherungssensoren die Entfernung zu einem Objekt nicht direkt berechnen können. Näherungssensoren aktivieren ihren Ausgang, wenn sie ein Objekt in ihrer Reichweite wahrnehmen.
Damit kann auch der Randabstand zum Objekt bestimmt werden, ist aber nicht genau.
Distanzsensoren berechnen die tatsächliche Distanz zum Ziel mithilfe verschiedener Prinzipien wie Laufzeit und Triangulation. Abstandssensoren können gewissermaßen auch als Näherungssensoren fungieren, aber nicht umgekehrt.
Distanzsensoren haben tendenziell auch einen viel höheren Erfassungsbereich (wenige Zentimeter bis einige hundert Meter) als Näherungssensoren.
Wie genau sind Laser-Distanzsensoren?
Laser-Distanzsensoren haben eine typische Genauigkeit von +/- 1 mm und können Distanzen von 0.5 bis 150 m messen. Die Genauigkeit wird als 'genau +/- x,xx% Prozent der Messspanne des Sensors'.
Aufgrund der extrem hohen Lichtgeschwindigkeit können Laser-Distanzsensoren Entfernungen von wenigen Millimetern bis hin zu Hunderten oder sogar Tausenden von Metern genau messen.
Dies wird jedoch auch bei der Messung von Submillimeter-Abständen (weniger als einem Millimeter) von Nachteil, da die Signalprozessoren möglicherweise nicht schnell genug sind, um die Informationen zu verarbeiten.
Wofür werden Laser-Distanzsensoren verwendet?
Laser-Distanzsensoren werden verwendet, um Distanzen zu Objekten ohne physischen Kontakt zu messen. Sie finden sich in Anwendungen wie Fertigung, Qualitätskontrolle und Prozessüberwachung.
In der Automobilindustrie werden Lasersensoren verwendet, um Bauteile präzise in einer Baugruppe zu platzieren. Sie werden auch verwendet, um die Toleranzen in Komponenten zu messen, um sicherzustellen, dass sie innerhalb des akzeptablen Bereichs liegen.
In Prozessüberwachungsanwendungen werden Lasersensoren zur Überwachung des Materialfüllstands verwendet. Lasersensoren erkennen problemlos undurchsichtige und ruhende Flüssigkeiten und feste Materialien, die den Laserstrahl nicht ablenken.
Dies ist besonders in der Lebensmittel- und Chemieindustrie nützlich, da hier berührungslose Messtechniken verwendet werden müssen.
Welche Reichweite haben Lasersensoren?
Je nach Art und Emissionsintensität des Strahls können Lasersensoren eine Reichweite von 50cm bis 300m haben. Es gibt auch leistungsfähigere Lasersensoren, die Entfernungen bis zu Tausenden von Metern messen können. Zum Beispiel kann der ILR-RF250 von Micro-epsilon Entfernungen bis zu 3000m messen.
Infrarot-Distanzsensoren: Grundwissen und Funktionsweise
Infrarot-Distanzsensoren sind ebenfalls eine Art optischer Distanzsensoren. Der Unterschied zwischen den Laserdistanzsensoren und den Infrarotsensoren besteht darin, dass der Lasersensor die Laufzeitmethode oder Triangulationsmethode verwendet, während der Infrarotsensor die Intensität des reflektierten Lichts nutzt.
Ähnlich wie andere optische Sensoren verfügen auch Infrarotsensoren über ein Lichtsenderelement (eine IR-LED) und ein Empfangselement (Infrarot-Photodiode) am Sensor.
Der Sender sendet kontinuierlich einen IR-Strahl in Richtung des Objekts. Je nach Objektoberfläche reflektiert es den IR-Strahl ganz oder teilweise.
Der IR-Empfänger misst dann die Intensität des reflektierten Strahls und ändert seinen Widerstand proportional. Diese Ausgabe des Sensors ist dieser Widerstand, der in ein Spannungs-/Stromsignal umgewandelt wird.
IR-Distanzsensoren werden von Infrarotquellen wie Glühbirnen oder sogar Sonnenlicht beeinflusst. Sie neigen auch dazu, lauter zu sein als Laser-Distanzsensoren.
Aufgrund ihrer geringen Implementierungskosten werden IR-Abstandssensoren jedoch häufig als Näherungssensoren und für kleine, ungefähre Entfernungsmessungen verwendet, bei denen die Genauigkeit nicht im Vordergrund steht.
Bewertung auf Baumer: Laser-Distanzsensoren – Hochgenaue Distanzsensoren
Baumer bietet eine breite Palette optischer Laser-Entfernungsmesssensoren, die jeder Anforderung gewachsen sind. Ihre Hochleistungs-Distanzsensoren verfügen über eine Reihe hochpräziser Nahbereichssensoren: die OM70-P/L Serie Laser-Distanzsensoren.
Diese Reihe hochgenauer Sensoren hat einen linearen Fehler von nur 0.06% und funktioniert gut im Standardmessbereich von 30-70.
Ihre Genauigkeit von 0.7 bis 1 µm und das Ansprechverhalten von 0.8 ms machen sie ideal für hochpräzise Messaufgaben wie Maßhaltigkeitsprüfung und Toleranzmessungen.
Die Sensoren sind mit Standardoptionen wie analogen und einstellbaren Hysterese-Digital-Push-Pull-Schaltausgängen, einem breiteren Betriebsspannungsbereich (15-28 VDC) und Verpolungsschutz sowie Schutzart (IP) ausgestattet.
Abgesehen von den digitalen und analogen Ausgängen unterstützen einige Modelle auch digitale Industriestandard-Kommunikationsprotokolle wie Profinet (Klasse B), Modbus TCP, OPC UA, UDP-Streaming über die TCP/IP-Schnittstelle.
Test auf ifm: Laser-Distanzsensoren – Short Range
Ifm verfügt über 3 Familien von Lasersensoren mit kurzer Reichweite: OPD, OGD und O6. Die Sensoren der OPD- und OGD-Serie haben einen Bereich von 0-300 mm, während die O6-Serie einen kürzeren Bereich von 100 mm hat.
OPD und OGD sind die Mainstream-Laser-Distanzsensoren und O6 ist ein diffuse Reflexion Typ Objekterkennungssensorfamilie mit zusätzlicher Distanzmessungsoption.
Das OPD-Serie Sensoren sind dedizierte Profilsensoren, die in der Qualitätskontrolle der Inline-Montage eingesetzt werden können. Über den eingebauten Teach-In-Mechanismus sind sie ohne zusätzliche Software einfach konfigurierbar.
Sie verwenden eine IO-Link-Kommunikationsschnittstelle zusammen mit konfigurierbaren PNP/NPN-Ausgängen, um Signalausgänge und Messungen bereitzustellen. Sensoren der OPD-Serie sind auch immun gegen Fremdlicht. Sie haben einen Bereich von 150-300 mm mit einer Genauigkeit von 0.5 mm
Das OGD-Serie verwenden das Time-of-Flight-Prinzip und haben eine Reichweite von 25-300mm mit einer Abtastrate von 33Hz.
Diese Serie hat eine Genauigkeit von 1-2 mm und liefert Distanzinformationen über die IO-Link-Schnittstelle. Einige Modelle verfügen außerdem über ein eingebautes 2-Farben-LCD-Display, das die Entfernungswerte anzeigt.
Alle Familien verfügen über IO-Link-Kommunikationsschnittstellenunterstützung und digitale/analoge Ausgänge. Die OPD- und OGD-Familien verfügen über optionale LCD-Anzeigefunktionen für einfaches Einlernen und Messwertanzeige.
Diese Sensoren arbeiten mit 10-30 V DC und verfügen bei ausgewählten Modellen über einen Verpolungsschutz und die Schutzart IP 65/67.
Testbericht zu Micro-Epsilon: Laser-Distanzsensoren – Long Range
Mikroepsilon hat ihre optoNCDT ILR Reihe von Sensoren mit extrem hohen Messabständen. Ihre Sensoren vom Laser-Gauge-Typ messen bis zu 10 Meter, während der Laser-Distanz-Typ Entfernungen von 0.5 m bis zu 3000 m messen kann.
Diese Sensoren verwenden die Time-of-flight Prinzip und haben bei den Sensoren der Serie ILR103/118/1191 folgende Hauptmerkmale:
- 2kHz Abtastrate
- 5-3000m Messbereich (ILR-RF250)
- Konfigurierbare Ausgänge vom Typ PNP/NPN
- Einstellbare Schaltpunkte und Hysterese
- Serielle Schnittstelle RS232, 422
- RS485 ProfiBus-Unterstützung
- 10-30VDC Betrieb
- IP67 Feuchtigkeits-/Staubschutz
- Mehrere Operationstypen: einzeln, kontinuierlich, extern getriggert, Geschwindigkeitsmessung
Review keyence: Laser-Wegsensoren
Laser-Wegsensoren sind eine fortschrittlichere, verbesserte Version von Laser-Entfernungssensoren.
Sie spüren die Verschiebung eines Objekts mithilfe einer Technik namens Triangulation. Anders als das einzelne Empfängerelement in Flugzeitsensoren verwenden sie ein positionsempfindliches Gerät (PSD), um die Ablenkung des empfangenen Strahls zu erkennen.
Keyence verfügt über eine Vielzahl von Laser-Wegsensoren, die für Anwendungen mit hoher Geschwindigkeit und hoher Genauigkeit geeignet sind. Die konfokalen Wegsensoren der CL-3000-Serie sind ideal für kompakte Anwendungen.
Ihre Signalverarbeitungselektronik ist von den Sensor-/Emissionselementen getrennt, was eine einfachere Installation an entfernten Orten mit beengten Platzverhältnissen ermöglicht.
In der Ultra-High-Speed-, Hochgenauigkeits-Kategorie hat Keyence seine Triangulations-Wegsensoren der Serie LK-G5000 mit nur 0.02% Linearitätsfehler und 0.005 µm Wiederholgenauigkeit. Diese Sensoren verfügen über eine maximale Abtastrate von 393 kHz, um selbst kleinste Vibrationen und Hochgeschwindigkeitsziele zu erkennen.
Die Sensoren der LT-9000-Serie bieten Oberflächenscanfunktionen mit einem sehr schmalen Strahlfleck von 2 µm. Diese Sensoren sind ideal zum Scannen von Objektoberflächen auf Unvollkommenheiten und andere Anomalien.
Sie verfügen über eine eingebaute Kamera zur Aufnahme von Bildern der Oberfläche, um den Messort zu identifizieren und einfache Ausrichtungsoptionen bereitzustellen.
Zusammenfassung
Laser-Distanzsensoren sind berührungslose optische Sensoren, mit denen Abstände millimetergenau gemessen werden. Aufgrund der konstanten Geschwindigkeit des Laserstrahls liefern Laser-Entfernungssensoren äußerst genaue und wiederholbare Messungen.
Ein Laser-Distanzsensor in Industriequalität kann je nach den verfügbaren Funktionen zwischen 30 und 2000 US-Dollar kosten.
