测距传感器的工作原理

超声波测距传感器原理：

超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质

24GHZ雷达传感器RFbeam

或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声换能器，或者超声探头。

激光测距传感器工作原理：

激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。

红外线测距传感器工作原理：

红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理，进行障碍物远近的检测。红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化

24GHZ雷达测距传感器原理：

FSK测运动物体

FMCW测静止和运动物体

测距传感器的分类

超声波测距传感器

激光测距传感器

红外线测距传感器

24GHZ雷达传感器

测距传感器的应用

激光测距传感器的优势: 　激光测距传感器LDM301 核心技术指标

1、 激光测距传感器

2、 测量距离范围0.5-300米，3000米（要使用反光板）

3、 全程精度误差20毫米

4、 激光连续使用寿命超过5万个小时（5年）

5、 具备标准的RS232、RS422的通讯串口和以太网接口

6、 同时具备数字信号和4-20MA模拟型号输出。模拟信号对应距离最大值可自行设定

7、 激光测距传感器可以和以太网标准ASC2码

8、 简洁实用的通讯软件保证了现场工作的准确方便

行业领域

1、应用于出租车计价器检测系统

为了更加节能减排，解决电动汽车产业发展的计量需求，移动式电动出租车计价器检测系统正式启用。检测装置大体分为两部分，一个是类似密码箱大小的主机，放在车的后座上，另一个是测距传感器，吸附在车身上。据介绍，装置采用的是行车测距法，司机开着车行驶一定距离，检测装置和计价器会同步采样。整个检测过程预计七八分钟就能完成。[2] 

一、传输时间激光距离传感器的发展激光在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，对社会生产和生活的影响也十分明显。激光测距是激光最早的应用之一。这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（380´103km）误差只有250m。1969年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月之距，误差只有15cm。利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。即：传输时间激光测距虽然原理简单、结构简单，但以前主要用于军事和科学研究方面，在工业自动化方面却很少见。因为激光测距传感器售价太高，一般在几千美元。实际上，所有工业用户都在寻找一种能在较远距离实现精密距离检测的传感器。因为许多情况下近距离安装传感器会受物理位置及生产环境的限制，如今的传输时间激光测距传感器将为这类场合的工程师排忧解难。

二、工作原理　传输时间激光传感器工作时。传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。例如，光速约为3´108m/s，要想使分辨率达到1mm，则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：0.001m¸(3´108m/s)=3ps要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今廉价的传输时间激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。

三、解决其它技术无法解决的问题　传输时间激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合。例如，当目标很近时，计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是，当目标距离较远内或目标颜色变化时，普通光电传感器就难以应付了。虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差。此外，三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内。超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体，而且由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响。但是，超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合。

①待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内。

②需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm。

③需要可见光斑进行位置校准的场合。

④多风的场合。

⑤真空场合。

⑥温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。

⑦需要快速响应的场合。

⑧空气密度变化较大的情况。密度变化会造成声速变化。

而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测。

四、在自动化领域的广泛用途　如今，自动检测和控制的方法中，除了超声波传感器和普通光电传感器外，又增加了一个能解决长距离测量和检验的新方法—传输时间激光距离传感器。它为各种不同场合提供了应用的灵活性，这些场合可包括如下：

①设备定位。

②测量料包的料位。

③测量传送带上的物体距离和物体高度。

④测量原木直径。

⑤保护高架起重机免于碰撞。

⑥无误差检查场合。

⑦飞机离地距离监测。

激光测距传感器的基本组成是激光器、成像物镜、光电位敏接收器、信号处理机测量结果显示系统。激光束在被测物体表面上形成一个亮的光斑，成像物镜将该光斑成像到光敏接收器的光敏上，产生探测其敏感面上光斑位置的电信号。当被测物体移动时，其表面上光斑相对成像物镜的位置发生改变，相应地成像点在光敏器件上的位置也要发生变化，由目标反射回来的光线通过接收镜头组并聚焦于CCD，传感器使用CCD上的所有光点的光量分布来决定光点的中心，并以此作为目标物位置。CCD检测出光点对每一像素的光量分布峰值并将其识别为目标物位置，不管光点的光量分布如何，CCD都能做稳定的高精度位移测量。

激光参数

激光特性：红色激光二极管；

波长：635nm；

激光等级：2级；

光斑类型：点状；

光斑大小：直径约2mm；

输出功率：小于1mW；

型号 LMG3001P LMG5005P LMG8015P

量程 45—70mm 50—150mm 50—200mm

分辨率 20μm 50μm 100μm

采样频率 1.2KHz 1.2KHz 1.2KHz

非线性度 <0.1% <0.1% <0.1%

电气参数

工作电压：18—24V；

工作电流：最大140mA；

输出格式：RS232、RS485、4—20mA、0—10V（数字量和模拟量任选其一）；

基于HOLLiAS-LEC G3 PLC的激光测距系统

随着激光技术的发展，激光测距传感器在检测领域得到了越来越多的应用。本文所研究的基于HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC的激光测距系统，对多台激光测距传感器所采集到的数据进行处理，并将数据传送给上位机，实现了对多台激光测距传感器的监控。

1. 激光测距传感器的基本原理

激光测距传感器的基本原理是，通过测量激光往返于被测目标之间所需的时间，来确定被测目标之间的距离。激光测距传感器的原理和结构都很简单，是长距离检测最有效的手段。

激光测距传感器工作时，首先由激光二极管对被测目标发射激光脉冲。经被测目标反射后，激光向各方向散射。部分散射的激光返回到传感器的接收器，被光学系统接收后，成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，能够检测极其微弱的光信号。记录并处理激光脉冲从发射到返回所经历的时间，即可得到被测目标的距离。

2. PLC控制系统硬件设计

基于HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC的激光测距系统的功能结构图如图1所示。系统通过PLC的自由口通信，接收多台激光测距传感器发送过来的数据，根据传感器提供的数据格式解析数据包，计算出测量的距离。系统的功能还包括显示测量距离、在非正常情况下报警、与上位机进行数据交换等。

PLC的CPU模块选用HOLLiAS-LEC G3系列的LM3108模块，其性能价格比很高，广泛应用于工业控制的各个领域。LM3108模块的标准配置包括两个串行通信接口PORT0和PORT1，其中PORT0为RS485接口，PORT1为RS232接口。采用RS232接口建立PLC与上位机的通信，实现PLC程序的下装和监控。采用RS485接口建立PLC与现场仪表的通信。

图1 激光测距系统的功能结构图

3. PLC控制系统软件设计

       PLC采用自由口通信方式接收激光测距传感器的数据，用[%]MB400~[%]MB411的12个字节作为通信接收寄存器，存放自由口通信方式下所接收的数据。所谓自由口通信，是指用户可以通过设置通信模式来改变通信接口的参数，以适应不同的通信协议。在PLC程序中设定的激光测距传感器的通信参数如表1所示。PLC控制程序采用和利时公司的编程软件PowerPro完成，下面详细介绍数据解析程序。其它应用程序从略。

表1 激光测距传感器的通信参数

3.1 数据解析程序的变量定义

PROGRAM PLC[_]PRG

VAR

SetRS485: Set[_]COMM2[_]PRMT; (* RS485自由口通信参数设置 *)

SetRS485Q: BOOL; (* RS485自由口通信参数设置标志 *)

Receive: COMM2[_]RECEIVE; (* RS485自由口通信数据接收 *)

ReceiveQ: BOOL; (* RS485自由口通信数据接收标志 *)

ReceivedData: STRING; (* 存储ASCII码数据的字符串 *)

Position1: INT; (* 起始字符的位置 *)

Position2: INT; (* 结束字符的位置 *)

ReceivedData[_]STRING: STRING; (* ASCII码形式的数据 *)

ReceivedData[_]DWORD: DWORD; (* 十六进制形式的数据 *)

END[_]VAR

3.2 数据解析程序的梯形图

3.3 数据解析程序分析

PLC从激光测距传感器接收到的数据是ASCII码形式，所以需要将ACSII码转换成PLC能够操作的十六进制数。

首先在存储ASCII码数据的字符串ReceivedData中找到数据的起始字符“+”，并将其位置存储在变量Position1中。然后再找到数据的结束字符“$R”，并将其位置存储在变量Position2中。将位置Position2与位置Position1之间的字符取出，存入变量ReceivedData[_]STRING中，此即为数据的ASCII码形式。最后将该ASCII码形式的数据ReceivedData[_]STRING转换位十六进制形式的数据ReceivedData[_]DWORD，即完成了数据的解析。

4. 结论

       采用和利时HOLLiAS-LEC G3小型一体化PLC作为激光测距系统的控制核心，可以方便地与激光测距传感器进行通信。实践证明，该方案结构简单，运行过程稳定可靠，实现了激光测距系统的数据采集与处理。