Măsurarea distanței electro-optice

Un pistol cu ​​laser utilizează măsurarea distanței optice.

Distanță electro-optice măsurare (și măsurare la distanță , măsurarea distanței ) sau măsurarea la distanță cu laser este electronic la distanță de măsurare (EDM) pe baza timpului de zbor de măsurare , poziția fazei de măsurare sau triangulație de lumină laser, mai ales cu laser .

Alte metode de măsurare a distanței optice active și pasive includ: metoda secțiunii de lumină și de triangulație în domeniul geodeziei și topografie .

Triangularea cu laser și interferometrul cu laser sunt de preferință potrivite pentru distanțe scurte (de la câțiva micrometri la 100 de metri), în timp ce metodele de timp de tranzit sunt mai potrivite pentru distanțe mari (de la un metru la 10 ¹¹ metri).

Măsurarea timpului de rulare

La măsurarea timpului de tranzit , se emite un scurt impuls luminos. Timpul de tranzit al impulsului este timpul de care are nevoie fasciculul de lumină pentru a se deplasa de la sursă la un reflector, în mare parte retroreflector, și înapoi la sursă. Măsurând acest timp de tranzit , distanța dintre sursă și obiect poate fi determinată folosind viteza luminii . Factorul ia în considerare faptul că lumina trebuie să parcurgă distanța până la obiect de două ori, o dată acolo și o dată înapoi. Viteza luminii este redusă de mediul înconjurător cu indicele de refracție . ${\ displaystyle \ Delta t}$${\ displaystyle l}$${\ displaystyle {\ tfrac {1} {2}}}$ ${\ displaystyle n}$

${\ displaystyle l \; = \; {\ frac {c \ cdot \ Delta t} {2 \ cdot n \,}}}$

Avantajul acestei metode este timpul scurt de măsurare. Metoda are intervale de măsurare de la un metru la câteva zeci de kilometri. Dezavantajul este măsurarea necesară pentru măsurarea timpului foarte precisă (nano-picosecunde), deci este dificil să se obțină o rezoluție mai mare de câțiva centimetri.

Pentru a reduce cerințele de precizie pentru măsurarea timpului , se utilizează metode în care fasciculul laser în sine este modulat în frecvență sau modulat cu un semnal de înaltă frecvență.

Această metodă este utilizată de Lidar , Satellite Laser Ranging , camerele TOF și senzorii PMD .

Măsurarea prin poziția de fază

Telemetru laser care măsoară folosind poziția de fază. Deschiderile pentru lumina roșie a laserului și lângă ele pentru fotodiodă sunt situate pe partea din față

Schimbarea de fază a fasciculului laser reflectat sau modulația acestuia în comparație cu fasciculul emis este dependentă de distanță. Această defazare poate fi măsurată și utilizată pentru a determina distanța parcursă.

Interferometru laser

Dacă frecvența laser în sine este utilizată pentru suprapunere, dispozitivul funcționează ca un interferometru laser . Interferometrele laser nu măsoară lungimile absolute ale căii, ci doar schimbarea relativă atunci când ținta sau o oglindă de referință este mutată. La deplasarea oglinzii, suma fasciculului emis și reflectat este modulată periodic ( interferență ). Când este deplasat cu o jumătate de lungime de undă ușoară, acesta traversează exact o perioadă. Dacă numărați pasajele și le înmulțiți cu lungimea de undă a luminii , obțineți distanța pe care o căutați. Cu o evaluare mai precisă a semnalului, se pot obține precizii în jurul lungimii de undă, adică câțiva nanometri pentru lumina vizibilă . Cu toate acestea, lungimea de undă a luminii depinde de indicele de refracție al aerului și se modifică cu temperatura, presiunea și umiditatea. Pentru măsurători precise, numărul lungimilor de undă ale luminii trebuie corectat cu aceste proprietăți ale aerului (corectarea densității aerului ). ${\ displaystyle 1/100}$

La distanțe mai mari, se utilizează modularea de înaltă frecvență a amplitudinii laserului și nu lungimea de undă a laserului este evaluată, ci poziția de fază a acestor semnale modulate de înaltă frecvență. Dacă presupuneți că fasciculul emis a fost modulat cu o frecvență , obțineți următoarea grafică: ${\ displaystyle f = 1 / T}$

Diferența de fază se obține din ecuația:

${\ displaystyle \ phi = {\ frac {\ Delta t} {T}} \ cdot 2 \ pi}$

Distanța poate cu

${\ displaystyle s_ {n} = {\ frac {c \ cdot T} {4 \ pi}} \ cdot (\ phi +2 \ pi \ cdot n) = {\ frac {c} {2}} \ cdot ( n \ cdot T + \ Delta t)}$

poate fi calculat.

Avantajul acestor metode este rezoluția mai mare în comparație cu metodele de rulare , care poate fi realizată cu mai puțin efort tehnic. Cu toate acestea, distanța de măsurare este mai mică - deoarece laserul funcționează neapărat continuu la o putere redusă.

O altă problemă este lipsa de unicitate a semnalelor la distanțe ale unui multiplu de jumătate din laser sau lungimea de undă de modulație.

Realizarea unei măsurători absolute

Ambiguitatea metodelor interferometrice poate fi ocolită cu ajutorul modulației de frecvență a laserului sau a semnalului său de modulare de înaltă frecvență. O componentă a timpului de tranzit este astfel introdusă în măsurarea fazei. O frecvență mai mică (= perioadă mai lungă) oferă o distanță mai mare la un rezultat clar, dar o rezoluție mai mică. Pentru principiu, a se vedea și radarul FMCW . Metodele cu laser HF-modulat ating distanțe maxime de măsurare de aproximativ 200 de metri.

Două metode pentru a realiza o măsurare absolută a distanței prin măsurarea poziției fazei:

Metoda 1

Modulație de frecvență continuă (funcții precum un radar FM); Dacă comparați originalul cu semnalul reflectat, există o diferență de frecvență între cele două. Această diferență este proporțională cu distanța.

Luând în considerare diferența de fază:

${\ displaystyle L = \ Delta \ phi \ cdot {\ frac {1} {2}} \ cdot {\ frac {\ lambda _ {1} \ cdot \ lambda _ {2}} {\ mid \ lambda _ {1 } - \ lambda _ {2} \ mid}}}$

Cu toate acestea, nu este posibil să se controleze cu precizie lungimea de undă a laserului. Prin urmare, lungimea de undă a acestuia trebuie utilizată ca referință.

${\ displaystyle L = L _ {\ mathrm {ref}} \ cdot {\ frac {\ Delta \ phi} {\ Delta \ phi _ {\ mathrm {ref}}}}}$

Cu modularea directă a frecvenței laserului, se obțin rezoluții de aproximativ 1 micrometru. Cu toate acestea, cu laserele convenționale obțineți o distanță maximă de măsurare de 1 metru.

Metoda 2

Pentru a elimina incertitudinea unei măsurări interferometrice relative, poziția fazei este măsurată la două sau mai multe frecvențe discrete . Frecvențele pot fi la rândul lor frecvența laserului în sine (lasere diferite, pentru cele mai mici distanțe) sau frecvențe de modulație ale aceluiași laser (frecvențele trebuie să se potrivească distanțelor și intervalului de măsurare).

Triangularea cu laser

Principiul triangulației laser

Cu triangulația laser, un fascicul laser (cu cerințe scăzute și radiația unei diode emițătoare de lumină ) este focalizat pe obiectul de măsurare și observat cu o cameră situată lângă el în senzor , o fotodiodă cu rezoluție spațială sau o linie CCD . Dacă se schimbă distanța dintre obiectul de măsurare și senzor, unghiul la care se observă punctul de lumină se schimbă și astfel poziția imaginii sale pe receptorul foto. Distanța dintre obiect și proiectorul laser este calculată de la schimbarea poziției cu ajutorul funcțiilor unghiului .

Receptorul foto este un element sensibil la lumină care determină poziția punctului de lumină din imagine. Distanța dintre senzor și obiect este calculată din această poziție a imaginii.

Un avantaj al triangulației este faptul că este vorba de relații pur trigonometrice. Prin urmare, măsurarea poate avea loc continuu și, prin urmare, este potrivită pentru măsurarea distanțelor pe obiecte în mișcare. Pentru a reduce sensibilitatea la lumină externă și influența suprafețelor reflexive neomogene, punctul de măsurare trebuie să fie cât mai mic și mai luminos posibil. Astfel de senzori funcționează adesea și în modul puls.

Metoda este potrivită numai pentru distanțe scurte, deoarece sensibilitatea sa scade la a patra putere (atenuare bidirecțională) cu distanța dintre emițător și receptor. Laserul și receptorul foto sunt de obicei adăpostite împreună într-o singură carcasă.

Schema de mai sus ilustrează relațiile dintre diferitele distanțe. Cu ajutorul trigonometriei este posibil să se determine distanța de la distanța măsurată : ${\ displaystyle x-x_ {0}}$${\ displaystyle x'-x_ {0} '}$

${\ displaystyle \ tan \ delta = {\ frac {x'-x_ {0} '} {f}} \ to \ tan \ alpha = {\ frac {x_ {0}} {D}}}$

${\ displaystyle x = D \ cdot \ tan (\ alpha + \ delta) = D \ cdot {\ frac {\ tan \ alpha + \ tan \ delta} {1- \ tan \ alpha \ cdot \ tan \ delta}} }$

${\ displaystyle x = D \ cdot {\ frac {{\ frac {x_ {0}} {D}} + {\ frac {x'-x_ {0} '} {f}}} {1 - {\ frac {x_ {0}} {D}} \ cdot {\ frac {x'-x_ {0} '} {f}}}}}$

rezumat

Aparat de măsură

În geodezie, dispozitivele de măsurare a distanței care funcționează pe principiul măsurării timpului de tranzit sau modularea fazei se numesc tahimetre sau distanțieri .

Există numeroase dispozitive pentru sectorul bricolajului , cu intervale de la câțiva cm până la peste 200 m și precizii în intervalul milimetric. Dispozitivele mai bine echipate pot salva valori, calcula suprafețe și volume și măsura indirect lungimi de ex. B. determinați pe baza unui inclinometru încorporat.

Vezi si

• Metoda schimbării de fază
• Măsurarea distanței
• Măsurarea distanței optice în geodezie
• Telemetru (cameră)
• Tehnologie confocală (măsurarea distanței optice în probele de țesut și pentru măsurarea rugozității)

Link-uri web

• Calculul online al corecției atmosferice
• Măsurarea fazelor explicată perfect

Dovezi individuale

1. ↑ Telemetru laser: ce este în interior și cum funcționează? Accesat la 30 ianuarie 2020 (germană). 
2. ↑ Joeckel / Stober / Huep: măsurarea electronică a distanței și direcției și integrarea lor în procesele de poziționare curente . Ediția a 5-a. Wichmann, 2007, ISBN 978-3-87907-443-3 . 
3. ↑ https://www.ti.com/de-de/sensors/specialty-sensors/time-of-flight/overview.html
4. ↑ https://www.jenoptik.de/produkte/lidar-sensoren-technologien/laser-entfernungsmesser
5. ↑ Willy Matthews: Telemetru laser - utilizați optim și măsurați cu precizie . ISBN 978-1-69814-700-0 .