Laserowe pomiary wielkości geometrycznych. Część 1: Czujniki laserowe

Rys. 1. Odległość w czujnikach typu TOF jest wyznaczana na podstawie pomiaru czasu przelotu impulsów świetlnych między czujnikiem i obiektem

W pomiarach wielkości geometrycznych w przemyśle wykorzystywane są sensory kontaktowe oraz, w przypadku gdy zetknięcie się z wymiarowanym obiektem jest utrudnione, niemożliwe lub niepożądane - czujniki bezkontaktowe.

Te ostatnie są niezastąpione na przykład w pomiarach wymiarów części o małych rozmiarach lub łatwo ulegających uszkodzeniu - m.in. obiektów miękkich, odkształcających się pod wpływem dotyku, łamliwych lub o powierzchni podatnej na zarysowania.

Czujników kontaktowych nie stosuje się również, jeżeli w zetknięciu z detalem mogłyby zostać uszkodzone lub zabrudzone. Może tak się zdarzyć w przypadku wymiarowania obiektów gorących, mokrych, klejących się oraz świeżo pomalowanych lub polakierowanych.

BEZKONTAKTOWE SENSORY ODLEGŁOŚCI

Rys. 2. Czujnik triangulacyjny

W bezkontaktowych pomiarach odległości używane są czujniki wiroprądowe, pojemnościowe, ultradźwiękowe, rentgenowskie oraz optyczne. Elementem pomiarowym w tych pierwszych jest cewka, wokół której na skutek przepływu prądu powstaje pole magnetyczne.

Jeżeli w jego zasięgu znajdzie się obiekt przewodzący prąd elektryczny, są w nim indukowane prądy wirowe, które również stają się źródłem pola magnetycznego. W efekcie proporcjonalnie do odległości dzielącej sensor i metalowy detal zmienia się też natężenie prądu cewki czujnika, co jest analizowane w kontrolerze sensora.

Czujnik pojemnościowy stanowi z kolei para elektrod tworzących kondensator. Jeżeli między nimi pojawia się obiekt wykonany z przewodnika, powstaje układ dwóch szeregowo połączonych kondensatorów. Ich pojemność zależy od odległości dzielącej elektrody i detal.

W czujnikach ultradźwiękowych odległość ta wyznaczana jest natomiast na podstawie pomiaru czasu przelotu impulsów ultradźwiękowych między sensorem a detalem i po odbiciu od obiektu z powrotem do detektora. W czujnikach rentgenowskich wykorzystuje się w tym celu zjawisko tłumienia promieni X po przejściu przez mierzony obiekt.

Wymiar obiektu określa się w tym przypadku, porównując natężenie promieniowania źródła umieszczonego z jednej strony z natężeniem promieniowania zarejestrowanym w detektorze znajdującym się po przeciwnej stronie obiektu.

Do grupy sensorów optycznych zalicza się z kolei czujniki laserowe triangulacyjne i typu TOF (Time Of Flight) oraz czujniki konfokalne. W tych ostatnich odległość wyznacza się, analizując długość fali odbitego od obiektu światła polichromatycznego, wcześniej rozszczepionego w układzie optycznym czujnika.

CZUJNIKI LASEROWE

Rys. 3. Ognisko układu optycznego czujnika wyznacza środek zakresu pomiarowego

W sensorach typu TOF, podobnie jak w ultradźwiękowych, bezpośrednio mierzy się czas przelotu impulsu - w tym wypadku świetlnego - między czujnikiem i obiektem. Na tej podstawie z zależności: s = (c·t)/2, gdzie c - prędkość światła, a t to czas przelotu, oblicza się odległość s dzielącą sensor i wymiarowany detal.

Czujnik laserowy TOF (rys. 1) składa się z: lasera emitującego impulsy świetlne, detektora w postaci fotodiody PIN lub fotodiody lawinowej, wzmacniacza sygnału, układu pomiaru czasu oraz jednostki obliczeniowej. Odmianą czujników TOF są sensory fazowe (Phase-Shift TOF), w których wykorzystuje się wiązkę lasera modulowaną sygnałem o częstotliwości f.

Czas przelotu promienia świetlnego między detalem i detektorem oblicza się w tym typie sensorów na podstawie pomiaru przesunięcia fazowego Δφ wiązki odbitej, korzystając z formuły: t = Δφ / (2·π·f). Odległość dzielącą detal i czujnik wyraża wówczas wzór: s = (c·Δφ) / (4·π·f).

Główne komponenty sensorów triangulacyjnych to z kolei: źródło światła, układ optyczny i detektor (rys. 2). Promień lasera po przejściu przez układ soczewek w głowicy czujnika pada na wymiarowany detal. Obraz (A1) plamki świetlnej A wyświetlanej na powierzchni obiektu jest następnie rejestrowany w detektorze.

Na podstawie położenie punktu A1 wyznaczany jest kąt padania wiązki odbitej, co pozwala obliczyć odległość między czujnikiem i obiektem w oparciu o odpowiednie zależności trygonometryczne. Gdy dystans ten zmienia się, również obraz plamki świetlnej w detektorze ulega proporcjonalnemu przesunięciu (punkty B1 i B na rys. 2).