روش استفاد از متر لیزری (فاصله سنج لیزری)

روش استفاد از متر لیزری (فاصله سنج لیزری)

با توجه به پيشرفت هاي شگرف علمي پديد آمده به خصوص در زمينه الكترونيك و كامپيوتر و راه حل هاي نوين محاسباتي ، روش اندازه گيري فواصل و مسافت يابي به سمت و سويي ديگر سوق يافته است، با رشد صنعت الكترونيك و روش هاي اندازه گيري بوسيله ليزر ، سنجش فاصله، سرعت، زاويه، ميزان صيقلي بودن سطوح و … با سخت افزار و روش هاي مشابه نرم افزاري ميسر شده است. یکی از ابزارهای بسیار کارآمد و دقیق که قادر به اندازه گیری فاصله ، تراز یابی و تطابق می باشد، فاصله سنج لیزری است. فاصله سنج های لیزری در صنايع مختلف از جمله ابزار دقيق ، قطعه سازي، هوانوردي ، دريانوردي ، رباتيك و بخصوص در صنايع نظامي از اهميت ويژه اي برخوردار است.

در ادامه به بيان روش هاي مختلف اندازه گيري فاصله توسط ليزر خواهيم پرداخت.

روش هاي فاصله سنجي با ليزر

1- تداخل سنجي

يكي از روش هاي اندازه گيري فاصله و يا جابجايي هاي كوچك استفاده از تداخل سنجي مي باشد. در روش هاي تداخل سنجي ، فاصله برحسب طول موج به كار گرفته شده، محاسبه مي شود و دقت هاي يك دهم طول موج به راحتي به دست مي آيد و نيز با استفاده از روش هاي الكترونيكي و كامپيوتري جديد حد تفكيك حدود /100λ را در بررسي و آزمايش سطوح ميتوان به دست آورد.
در روش تداخل سنجي ،از شمارش تعداد نوارهاي تداخلي استفاده مي شود. ميتوان از تداخل سنج هاي مايكلسون،ماخ زندر و فبري پرو استفاده نمود. به طور كلي اين روش معمولا براي محدوده اندازه گيري در حدود چند ده سانتيمتر با دقت هاي بسيار بالا (در حدود 20 تا 50 ميكرومتر) استفاده مي شود. مهمترين مزيت اين روش خود تنظيمي ذاتي آن است . عدم وجود تاثيرات سايه و استفاده از قطعات كم در پياده سازي، از ديگر مزاياي تداخل سنجي مي باشد.

2-روش جابجايي فاز

در اين روش بر اساس جابجايي فازي ايجاد شده بر روي سيگنال دريافتي از هدف به تخمين فاصله مي پردازيم. در واقع در اين روش از تبديل تاخير زماني ايجاد شده در رفت و برگشت پالس ليزر (مدوله شده با مدولاسيون دامنه در فركانس f0 ) به جابجايي فاز استفاده مي شود.

dƬ f0ᴨ=2Ф∆

Ф∆ جابجايي فاز، f0 فركانس مدولاسيون، dƬ زمان رفت و برگشت پالس مي باشد. محدوده انداز ه گيري اين روش وابسته به فركانس مدولاسيون مي باشد و براي استفاده از چند سانتيمتر تا چند ده متر مناسب مي باشد. (هر چه f0 بزرگتر ، محدوده اندازه گيري بيشتر و دقت و حساسيت بالاتر را موجب خواهد شد). اين روش از لحاظ ويژگي هاي سخت افزاري بسيار شبيه روش ضربان فركانسي مي باشد ، در نتيجه مي توان از اين ويژگي بهره برد و سيستمي طراحي نمود تا از هر دو روش جابجايي فاز و فركانس عمل نمايد ، تا به بالاترين كارايي دست يابيم. فاصله d مسافتي است كه يك موج نور بازتابيده شده از هدف در زمان dƬ طي مي كند. اگر توان نوري ديود ليزري بوسيله يك موج سينوسي در فركانس f0 مدوله شود ،مي توان گفت كه ز مان انتشار به جابجايي فاز بين سيگنال هاي رفت و برگشت تبدیل می شود.

2d/c=dƬ

انتخاب فركانس مدولاسيون f0 به نوع كاربرد بستگي دارد. به طور مثال با فركانس 10 مگا هرتز محدوده نامبهم 15 متر را خواهيم داشت .يكي از معايب بزرگ اين شيوه ، حساسيت بالاي آن به خطاهاي سيستم مي باشد. خطاي Crosstalk كه از كوپلينگ پارازيتي ميان كانال هاي فوتوالكتريك و ليزر بوجود مي آيد، غير خطي بودن ظرفيت پيوندهاي ترانزيستوري، منابع خطايي هستند كه در روش جابجايي فاز نمي توان از آنها صرف نظر نمود و رفع آنها هم به سادگي امكان پذير نيست. مبتني بودن بر محاسبات پيچيده رياضي، حساسيت بالا نسبت به خطاهاي ايجاد شده، محدوده اندازه گيري از چند سانتيمتر تا چند ده متر از مشخصات اين روش مي باشد. ضمنا پياده سازي اين روش نيازمند سخت افزاري با توان پردازشي قدرتمند مي باشد. (در اكثر نمونه هاي مورد بررسي از يك كامپيوتر براي انجام محاسبات رياضي و پردازش هاي مورد نياز بر روي امواج ، استفاده شده است). براي پياده سازي تئوري فوق تكنيك هاي متعددي وجوددارد، تكنيك هاي هتروداين و دي مدولاسيون همزمان ، دو نمونه از اين تكنيك ها مي باشند.

3-روش (FMCW (Frequency Modulation Continuous Wave

در اين روش ، جابجايي فركانسي ايجاد شده بر روي سيگنال دريافتي از هدف، مرجع تصميم گيري در رابطه با فاصله تا هدف مي باشد و از مقايسه پارامترهاي دو موج مدوله شده FM فرستاده و گرفته شده بدست مي آيد. با توجه به فرمول زير و مدت زمان رفت و برگشت پرتوي ليزر كه با سرعت نور حركت مي كند مي توان مسافت تا هدف را تعيين نمود.

2d/c=dƬ

اگر پرتوي ليزر ارسالي مدوله شده توسط يك پالس باشد در اين صورت مي توان زمان رفت و برگشت آنرا مبناي محاسبه فاصله قرار داد. اما اگر پرتوي ليزر مدوله شده توسط يك موج سينوسي با فركانس f0 باشد، پس زمان انتشار به شيفت فركانسي ميان فركانس موج منتشر شده و فركانس سيگنال برگشتي تبديل مي شود.
از آنجا كه ᴨ2 مدوله شده در فاز هيچ مشكلي با ميزان فاصله ايجاد نمي كند خواهيم داشت:

dnar=c/2f0

dnar محدوده نامبهم در اندازه گيري مي باشد. انتخاب فركانس مدولاسيون بستگي به كاربرد مورد نظر دارد، به طور مثال فركانس 10 مگاهرتز منجر به dnar=15m مي شود كه به عنوان يكي از كاربردهاي آن مي توان از سيستم هاي بينايي ربات ها نام برد .شباهت سخت افزاري با روش FMCW از مزاياي اين روش و ساير مشخصات آن نيز مشابه روش جابجايي فاز مي باشد.

4-روش مثلث سازي

در اين روش با استفاده از قوانين هندسه و زاويه پرتوي ليزر ارسالي و دريافتي ميزان فاصله تا هدف تخمن زده مي شود كه اين روش با دقت نسبتا خوبي براي فواصل كم مناسب مي باشد. محدوده اندازه گيري اين روش از 1mm تا 50cm و دقت آن نيز در حدود يك ميكرومتر مي باشد. با زيادتر شدن فاصله اندازه گيري، دقت اين روش به ميزان شديدي افت مي كند. در صنعت نيز از ميان تمامي روش هاي موجود به دليل تكنولوژي ساده تر، مقاومت و دقت بالا و قيمت ارزان، اين روش مورد توجه سازندگان قرار گرفته است.

اساس كار روش مثلث سازي

ليزر فرستنده، ابتدا پرتويي را بسوي شيئ هدف پرتاب مي كند، سپس فاصله را نسبت به يك نقطه مرجع ،بوسيله تشخيص مختصات مكاني از گيرنده كه نور بازتابيده از هدف به آن برخورد كرده، محاسبه مي نمايد. به صورتي كه چنانچه فاصله شيئ تا نقطه مرجع دورتر يا نزديكتر شود ،موقعيت نقطه برخورد اشعه بازتابش با گيرنده تغيير مي كند. پردازش الكترونيكي مقادير، وابسته به نوع سنسور (آشكارساز) مورد استفاده در روش مثلث سازي مي باشد.
بررسي اجزاء مختلف فاصله سنجي به روش مثلث سازي
اصول كار روش مثلث سازي را مي توان به 3 بخش عمده تقسيم كرد: فرستنده ، گيرنده و پردازشگر الكترونيكي.

فرستنده

فرستنده معمولا يك ديود ليزري است با پرتو نور متمركز شده كه يك پرتو ليزر بسوي شيئ هدف مي تاباند. يك فرستنده كه موارد استفاده بسياري دارد و بسيار كم خرج و ارزان است، يك ديود ليزري با قدرت كم با طول موج 670nm و اشعه نور مرئي مي باشد.

گيرنده

قسمت گيرنده بازتاب نور از هدف را جمع مي كند و تصوير هدف را بر روي آشكارساز(سنسور) تشكيل مي دهد. سپس آشكارساز، محل نقطه نوراني را به پردازشگر گزارش مي كند كه محدوده ارتفاع يا فاصله را تعيين كند. انواع بسياري از آشكارسازها موجودند كه دو نوع بسيار رايج براي استفاده در روش مثلث PSD و آشكارسازهاي آرايه اي مي باشند. هر كدام از اين دو نوع آشكارساز، قابليت ها و محدوديت هاي ويژه اي دارند.

PSD ها آشكارسازهاي آنالوگ هستند. سنسورهاي نوع PSD از آشكارسازهاي يك بعدي با خروجي جريان الكتريكي در هر انتها استفاده مي كنند. ميزان جريان خارج شده از هر خروجي با موقعيت نقطه نوراني بازتابيده شده برروي آشكارساز متناسب است. اگر نقطه در وسط آشكارساز باشد، جريان هر دو خروجي مساوي خواهد بود و اگر نقطه نوراني از مركز به طرفين حركت كند مقادير جريان در دو خروجي تغيير مي كند و از روي اين تغييرات مي توان موقعيت نقطه نوراني بازتابيده را شناسايي كرد.

آشكارساز آرايه اي ، يك آشكار ساز ديجيتال است نه به خاطر مقادير 1 و 0 بلكه به دليل آنكه خروجي آن تشكيل شده از مقادير گسسته ولتاژ كه نشان دهنده مقدار نوري است كه بر روي هر يك از المان هاي آشكارساز مي تابد. هر كدام از 256 المنت آشكارساز از 256 نمونه گسسته كه در مورد سيگنال خروجي به ما اطلاعات مي دهند تشكيل شده است.
آشكارسازهاي آرايه اي به پردازش بيشتري نسبت به PSD ها نياز دارند و سرعت اطلاعات نيز بطور طبيعي كندتر است. مهم ترين مزيت هر سيستم مثلث سازي مبتني بر سنسورهاي آرايه اي، توانايي انجام پردازش بر روي سيگنال است و در ساده ترين حالت، موقعيت نقطه نوراني به وسيله گرفتن يك ميانگين وزني از ديتاي آشكارساز مشخص مي شود. اگر ولتاژ هر پيكسل به يك كلمه 8 بيتي تبديل شود، نتيجه يك آرايه 256 كلمه اي مي شود كه بسته به شدت نور، هر كلمه از 0 تا 256 تغيير ميكند.

5- روش زمان پرواز

زمان پرواز يكي از مرسوم ترين روش هاي فاصله سنجي ليزري مي باشد. كه بوسيله آن مي توان محدوده اندازه گيري وسيعي (از چند سانتي متر تا ده ها كيلومتر ) را پوشش داد. در اين روش مدت زمان رسيدن سيگنال ليزر به هدف مبناي محاسبه فاصله مي باشد. كه با محاسبه زمان رفت و برگشت پرتوي ليزر، تخمين مسافت صورت مي پذيرد.
نياز به مدارات با فركانس بالا و يا طراحي هاي پيچيده الكترونيكي، مناسب براي فواصل طولاني از چند ده سانتي متر تا چند ده كيلومتر (برد 20 كيلومتري آن در يك نمونه نظ امي طراحي و پياده سازي شده است ) و امكان طراحي فاصله سنجی با دقت 1mm از خصوصيات برجسته اين روش مي باشد.
از كاربرد هاي عمده اين روش نيز مي توان به دوربين هاي نقشه برداري، تحقيقات فضايي، صنايع هوانوردي و لِوِل سنجي در سيلوها و كانتينرها اشاره نمود.
اصول كلي روش زمان پرواز ثابت است. اما روش هاي متفاوتي براي پياده سازي اين اصول وجود دارد. كه استفاده از هريك از اين روش ها تاثير مستقيمي در دقت دستگاه،محدوده كار،قيمت و … دارد. فرستنده پالس ليزر، دو كانال گيرنده براي پالس هاي Start و Stop اندازه گير زمان رفت و برگشت و اجزاء اپتيكي لازم، مانند لنز و آيينه نيم شفاف قسمتهاي اصلي تشكيل دهنده اين روش هستند.
قسمت گيرنده شامل يك آشكار ساز نوري، يك پيش تقويت كننده، يك تقويت كننده و يك تفكيك كننده زماني (تامين كننده پالس زماني لاجيك براي قسمت اندازه گير زمان ) مي باشد. روش زمان پرواز را به هر طريقي پياده سازي نماييم، فرستنده ليزر،كانال هاي گيرنده ليزر و اجزا ء اپتيكي لازم مشابه خواهند بود. اما براي اندازه گيري زمان رفت و برگشت ليزر، روش هاي متفاوت وجود دارد. كه در اين بخش 2 روش را مورد بررسي قرار مي دهيم.

فرستنده پالس ليزر

براي مشخص كردن توان پالس ليزر در فرستنده مي توان از فرمول تساوي رادارها و نتايج شبيه سازي قسمت هاي اپتيكي و سطح نويز سيستم كمك گرفت. آنچه كه واضح مي باشد، اين است كه توان ليزر مورد نياز رابطه مستقيم با محدوده اندازه گيري متر ليزري دارد.

كانال هاي گيرنده

وظيفه كانال هاي گيرنده، دريافت پالس هاي نوري با قدرت هاي متفاوت و تبديل آنها به يك پالس زماني بسيار دقيق با سطوح ولتاژ منطقي مي باشد. كه اين پالس توليد شده به قسمت TDC فرستاده ميشود، تا در قسمت TDC با مشخص شدن پهناي اين پالس ها، مسافت مورد نظر اندازه گيري شود .

مبدل زمان به ديجيتال

TDC يكي از اصلي ترين و مهم ترين بخش هاي يك فاصله سنج ليزري است كه وظيفه آن تبديل زمان رفت و برگشت نور ليزر به يك كلمه ديجيتال مي باشد.در واقع در ورودي يك واحد TDC پالسي را داريم كه با رسيدن فرمان Start به سطح يك منطقي مي رود و پس از گذشت زمان و با رسيدن فرمان Stop دوباره صفر مي شود. در خروجي نيز يك رشته ديجيتال متناسب با زمان يك بودن پالس ورودي داريم.
از بين قسمت هاي مختلف فاصله سنج ليزري تعيين كننده ترين قسمت در مورد دقت دستگاه، واحد TDC می باشد.
به طور کلی يكي از مهمترين عوامل در انتخاب روش فاصله سنجي از طريق ليزر، فاصله مورد نظر مي باشد، چنانچه فواصل كوچك با دقت بالا مد نظر باشد، بايد از روش مثلث سازي و يا روش تداخل سنجي استفاده شود. براي فواصل مياني مي توان از روش هاي جابجايي فاز و یا FMCW استفاده كرد و چنانچه فواصل طولاني (چندصد متر تا چند ده كيلومتر ) مد نظر باشد، از روش زمان پرواز استفاده مي نماييم.

برای خرید متر لیزری و مشاهده قیمت متر لیزری به لینک های زیر مراجعه کنید.