[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块

目录

第1章 激光测距概述

1.1 什么是激光测距

1.2 激光测距的特点

1.3 激光测距仪的形态

1.4 测距的类型

1.5 常见品牌

1.6 应用

第2章 测量原理

2.1 测量方法

2.2 测量方法分类

第3章 案例分析1:科扬光电

3.1 外观

3.2 性能参数

第4章 案例分析2:正点原子STM32 VL53L0X激光测距(淘宝)

4.1 产品选型

4.2 应用场景

4.3 产品指标

4.4 电路与外部接口 

4.5 与上位机连接

4.6 Modbus支持

4.7 工作原理:

4.8 测量模式

4.9 测量精度

4.10 原理图

它山之石:


第1章 激光测距概述

激光,英文名称为Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(简称LASER),意思为原子受激辐射的光,故称激光,激光的产生原理,是原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级,再从高能级回落到低能级的时候,所释放的能量以光子的形式放出,被引诱(激发)出来的光子束(激光)。

激光与普通光源相比,具有单色性、高亮度、方向性等优势,被广泛应用于工业生产和科研实验等各个领域,激光测距便是其中应用较为广泛的一项技术。

1.1 什么是激光测距

激光测距(laser distance measuring)是以激光器作为光源进行测距

根据激光工作的方式分为连续激光器和脉冲激光器。

氦氖、氩离子、氪镉等气体激光器工作于连续输出状态,用于相位式激光测距

双异质砷化镓半导体激光器,用于红外测距;

红宝石、钕玻璃等固体激光器,用于脉冲式激光测距。

激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点,加上电子线路半导体化集成化,与光电测距仪相比,不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度。

1.2 激光测距的特点

激光测距技术是一项非接触式的工业测量技术,与传统的接触式测距技术相比具有以下的特点:

(1)激光测距时,无需与测量表面进行接触,物体的表面不会产生形变

(2)激光测距时被测物体表面不会发生磨损,降低了额外的损失

(3)在很多特殊的环境下,没有条件用常规测量工具接触测量,只能使用激光测距技术
 

1.3 激光测距仪的形态

(1)手持激光测距仪

测量距离一般在200米内,精度在2mm左右。

这是使用范围最广的激光测距仪。在功能上除能测量距离外,一般还能计算测量物体的体积。

(2)望远镜式激光测距仪

测量距离一般在600-3000米左右,这类测距仪测量距离比较远,但精度相对较低,精度一般在1米左右。

主要应用范围为野外长距离测量。

(3)工业激光测距仪

测量距离在0.5-3000米左右,精度在50mm以内,300米外要加设反光板,部分产品还能在测距的同时测速。

主要应用于位置控制(如车辆和船舶);定位起重机;装卸和搬运设备;飞机测量(测高仪);冶金过程控制;测量不宜接近的物体(如管灌装物、管道、集装箱),以及水位测量。

典型的传感器有LDM301、LDM4x。

1.4 测距的类型

  • 一维激光测距仪
  • 用于距离测量、定位;
  • 二维激光测距仪(Scanning Laser Range finder)
  • 用于轮廓测量,定位、区域监控等领域;
  • 三维激光测距仪(3D Laser Range finder)
  • 用于三维轮廓测量,三维空间定位等领域。

1.5 常见品牌

  • 1. 美国图雅得Trueyard
  • 2.德国奥尔法ORPHA
  • 3.美国博士能BUSHNELL
  • 4.加拿大纽康NEWCON
  • 5.日本尼康NIKON测距仪
  • 6. 德国奥卡OPTI-LOGIC测距仪
  • 7.英国真尚有LDM30X测距仪

1.6 应用

世界上第一台激光器,是由美国休斯飞机公司的科学家梅曼于1960年,首先研制成功的。美国军方很快就在此基础上开展了对军用激光装置的研究。1961年,第一台军用激光测距仪通过了美国军方论证试验,对此后激光测距仪很快就进入了实用联合体。

激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确,其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一,因而被广泛用于地形测量,战场测量,坦克,飞机,舰艇和火炮对目标的测距,测量云层、飞机、导弹以及人造卫星的高度等。它是提高坦克、飞机、舰艇和火炮精度的重要技术装备。

由于激光测距仪价格不断下调,工业上也逐渐开始使用激光测距仪

国内外出现了一批新型的具有测距快、体积小、性能可靠等优点的微型测距仪,可以广泛应用于工业测控、矿山、港口等领域。

第2章 测量原理

2.1 测量方法

激光测距是利用激光对目标的距离进行准确测定(又称激光测距)的仪器。

激光测距仪在工作时,向目标射出一束很细的激光,由光电元件接收目标反射的激光束,计时器测定激光束从发射到接收时间,计算出从观测者到目标的距离。

通常精密测距需要全反射棱镜配合,而房屋量测用的测距仪,直接以光滑的墙面反射测量,主要是因为距离比较近,光反射回来的信号强度够大。

与此可以知道,一定要垂直,否则返回信号过于微弱将无法得到精确距离。

通常也是可以的,实际工程中会采用薄塑料板作为反射面以解决漫反射严重的问题。

激光测距仪精度可达到1毫米误差,适合各种高精度测量用途。

2.2 测量方法分类

激光测距目前主要的测量方法有:激光脉冲测距激光相位测距激光三角法测距等,不同的测量方法对应不同常用的测量范围和精度。

激光脉冲测距:主要应用于远距离测距,测量距离在km级以上,精度较低,一般是米级精度

激光相位测距:适用于中长距测量,常用测量范围包括50米、150米、300米、以及500米不等,精度较高,一般是毫米级精度

激光三角法测距则一般用于短距离(常见测量范围在2米以内),高精度的测距任务,一般精度能达到微米级,但测量距离较为限制

2.3 激光测距技术的原理

(1)激光脉冲测距离

激光脉冲测距法工作时,先由激光发射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,并将其转化为相应的电信号。通过测量光脉冲往返待测点的时间,乘以光速并除以2,计算出被测目标的距离,计算公式如下:

D=ct/2

D:测量点A、B间的距离,c:光速,t:光脉冲往返AB两点间1次所需时间,

(2)激光相位测距

激光相位测距的原理,是将一低频调制信号对发射激光光强进行调制, 利用测定“调制光波”往返于被测距离的相位差, 间接求得待测距离D。 其距离的一般计算公式为:

其中,Փ:调制光在距离为 2D 上的相位差,  c : 调制光的传播速度, t : 调制光在待测距离往返一次所需要的时间,  f : 调制光的频率。

在图  中, A 表示调制光波的发射点, B 表示安置反射器的地点, A′表示所发出的调制光波经反射器反射后的接收地点。AA′两点间的距离即是待测距离D的2倍。 故: Փ =N1 2π+ΔՓ1 , 由于N1并不是一个定值, 所以这可能引起多值解。 为解决这一问题, 我们常采用多个频率的调制信号来测定同一距离。该频率在相位测距中也称为测尺频率,测尺频率的波长称为测尺长度,当被测距离小于测尺长度时, 则不存在多值解,由于测尺长度越大,测量精度就越低,所以出于精度的考虑,我们需要将测尺长度控制在合适的范围内。

(3)激光三角法测距

使一束激光特定角度照射到待测物体的参考位置上,然后激光在待测物体上会发生散射、漫反射,将光敏传感器件放置在另一特定位置接收经透镜汇聚后的散射光、漫反射光。待测物体发生位移后,再使一束激光以特定角度照射到待测物体的待测位置上,将光敏传感器期间放置在同一特定位置接收此时的散射光、漫反射光,因为待测物体位移前后激光散射漫反射后的光路不同,光敏传感器件上光斑中心位置也不同,将前后两次光斑中心位置代入几何三角关系中,从而计算出物体的位移距离。
 

第3章 案例分析1:科扬光电

3.1 外观

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第1张图片

 [激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第2张图片

3.2 性能参数

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第3张图片

精度:1m,适合远距离测量。

第4章 案例分析2:正点原子STM32 VL53L0X激光测距(淘宝)

4.1 产品选型

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第4张图片

4.2 应用场景

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第5张图片

4.3 产品指标

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第6张图片

分辨率:1mm

测量精度:1.6% ~ 7%, 如果是1m距离的误差在1.6mm~7mm。

实时性:串口或I2C读,因此是mm级别

代码:嵌入式软件上位机软件源代码、

4.4 电路与外部接口 

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第7张图片

外部主机有两种方法获取距离信息:

  • TTL URAT串口
  • II2C时钟线 

4.5 与上位机连接

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第8张图片

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第9张图片

4.6 Modbus支持

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第10张图片

4.7 工作原理:

VL53L0X 是 ToF 激光测距传感器,利用飞行时间(ToF)原理,通过光子的飞行来回时间与光速的计算,实现测距应用。

4.8 测量模式

正点原子的STM32F103ZET6精英版。

VL53L0X 传感器提供了 3 种测量模式,单次测量,连续测量,定时测量。

(1) Single ranging(单次测量)

在该模式下只触发执行一次测距测量,测量结束后,VL53L0X 传感器会返回待机状态,等待下一次触发。

(2) Continuous ranging(连续测量)

在该模式下会以连续的方式执行测距测量。一旦测量结束,下一次测量就会立即启动,用户必须停止测距才能返回到待机状态,最后的一次测量在停止前完成。

(3) Timed ranging(定时测量)

在该模式下会以连续的方式执行测距测量。测量结束后,在用户定义的延迟时间之后,才会启动下一次测量。用户必须停止测距才能返回到待机状态,最后的一次测量在停机前完成。


4.9 测量精度

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第11张图片

 注意:

针对不同的精度模式,测量时间也是有所区别的,测量精度越高,需要的测量时间越长。

(1)测量时间最快为高速模式:只需 20ms 内就可以采样一次,但精度确存在有±5%的误差范围。

(2)长距离精度模式下:测距距离能达到 2m,测量时间在 33ms 内,但测量时需在黑暗条件(无红外线)的环境下。

(3)高精度模式:3%误差,但需要较长的时间200ms。

所以在实际的应用中,需根据当前的要求去选择合适的精度模式,以达到最佳的测量效果。

4.10 原理图

[激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第12张图片

 [激光原理与应用-43]:《光电检测技术-10》- 激光测距原理、方案与案例分析:TOF VL53L0X模块_第13张图片

它山之石:

激光测距模块_帅气小哥哥zxy的博客-CSDN博客_激光测距模块

激光测距传感器原理与应用介绍_虹科—传感器事业部的博客-CSDN博客_激光测距传感器原理

三角测距是什么意思?三角测距原理图解-电子发烧友网

你可能感兴趣的:(激光原理与应用,激光,测距,原理,方案,TOF)