8-900-374-94-44
В статье я расскажу о том, как я делал лазерный дальномер и о принципе его работы. Сразу отмечу, что конструкция представляет собой макет, и ее нельзя использовать для практического применения. Делалась она только для того, чтобы убедится в том, что фазовый дальномер реально собрать самому.
Часто приходится встречать мнение, что с помощью лазера расстояние измеряют только путем прямого измерения времени «полета» лазерного импульса от лазера до отражающего объекта и обратно. На самом деле, этот метод (его называют импульсным или времяпролетным, TOF) применяют в основном в тех случаях, когда расстояния до нужного объекта достаточно велики (>100м). Так как скорость света очень велика, то за один импульс лазера достаточно сложно с большой точностью измерить время пролета света, и следовательно, расстояние. Свет проходит 1 метр примерно за 3.
3 нс, так что точность измерения времени должна быть наносекундная, хотя точность измерения расстояния при этом все равно будет составлять десятки сантиметров. Для измерения временных интервалов с такой точностью используют ПЛИС и специализированные микросхемы.
Однако существуют и другие лазерные методы изменения расстояния, одним из них является фазовый. В этом методе, в отличие от предыдущего, лазер работает постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной частоты (обычно это частоты меньше 500МГц). Отмечу, что длина волны лазера при этом остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм).
Отраженное от объекта излучение принимается фотоприемником, и его фаза сравнивается с фазой опорного сигнала — от лазера. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером.
Расстояние определяется по формуле:
Где с — скорость света, f — частота модуляции лазера, фи — фазовый сдвиг.
Так как существуют относительно простые способы измерять фазовый сдвиг с высокой точностью, то точность измерения расстояния в таких дальномерах может доходить до 0.5 мм. Именно фазовый принцип используется в дальномерах, требующих большой точности измерения — геодезических дальномерах, лазерных рулетках, сканирующих дальномерах, устанавливаемых на роботах.
Однако у метода есть и недостатки — мощность излучения постоянно работающего лазера заметно меньше, чем у импульсного лазера, что не позволяет использовать фазовые дальномеры для измерения больших расстояний. Кроме того, измерение фазы с нужной точностью может занимать определенное время, что ограничивает быстродействие прибора.
Наиболее важный процесс в таком дальномере — это измерение разности фаз сигналов, которая и определяет точность измерения расстояния. Существуют различные способы измерения разности фаз, как аналоговые, так и цифровые. Аналоговые значительно проще, цифровые дают большую точность. При этом цифровыми методами измерить разность фаз высокочастотных сигналов сложнее — временная задержка между сигналами измеряется наносекундами (эта задержка возникает также, как и в импульсном дальномере).
Для того, чтобы упростить задачу, используют гетеродинное преобразование сигналов — сигналы от фотоприемника и лазера по отдельности смешивают с сигналом близкой частоты, который формируется дополнительным генератором — гетеродином. Частоты модулирующего сигнала и гетеродина различаются на килогерцы или единицы мегагерц. Из полученных сигналов при помощи ФНЧ выделяют сигналы разностной частоты.
Разность фаз сигналов в таком преобразовании не изменяется. После этого разность фаз полученных низкочастотных сигналов измерить цифровыми методами значительно проще — можно легко оцифровать сигналы низкоскоростным АЦП, или измерить задержку между сигналами (при понижении частоты она заметно увеличивается) при помощи счетчика. Оба метода достаточно просто реализовать на микроконтроллере.
Есть и другой способ измерения разности фаз — цифровое синхронное детектирование.
Если частота модулирующего сигнала не сильно велика (меньше 15 МГц), то такой сигнал можно оцифровать высокоскоростным АЦП, синхронизированным с сигналом модуляции лазера. Из теоремы Котельникова следует, что частота дискретизации при этом должна быть в два раза выше частоты модуляции лазера. Однако, так как оцифровывается узкополосный сигнал (кроме частоты модуляции, других сигналов на входе АЦП нет), то можно использовать метод субдискретизации, благодаря которому частоту дискретизации АЦП можно заметно снизить — до единиц мегагерц. Понятно, что аналоговая часть дальномера при этом упрощается.
Именно второй вариант фазометра, с использованием частоты модуляции 10МГц я и решил реализовать в своем макете дальномера.
Структурная схема моего дальномера:
Фактически, вся конструкция состоит из 3 частей — отладочной платы с микроконтроллером, усилителя сигнала лазера с самим лазером, и фотоприемника с усилителем и фильтром.
В вышеописанной теории предполагалось, что излучение лазера модулируется синусоидальным сигналом. Сформировать такой сигнал частотой 10Мгц с использованием контроллера непросто, поэтому в своей конструкции я подаю на лазер меандр частотой 10МГц. После усиления сигнала с фотоприемника от полученного сигнала отсекаются лишние гармоники полосовым LC-фильтром, настроенным на частоту 10МГц, в результате чего на выходе фильтра возникает сигнал, очень близкий к синусоидальному.
Схема аналоговой части (усилителя лазера и приемной части):
Схема была взята из проекта лазерной связи Ronja, описание на русском.
В этом проекте как раз реализована передача данных со скоростью 10Mbit, что соответствует выбранной частоте модуляции.
Как видно из схемы — усилитель мощности для лазера простейший, собран на микросхеме 74HC04 (содержит 6 инверторов). Включение микросхемы не совсем корректное, но оно работает. Ток через лазер ограничивается резисторами (тоже не самое лучшее решение). Напряжение питания 5В для усилителя берется с отладочной платы.
Для того, чтобы сигнал с усилителя не наводился на остальную часть схемы, корпус усилителя сделан металлическим, все провода экранированы.
Сам лазер (красного цвета) взят из пишущего DVD-привода, его мощность можно установить достаточно высокой, и он гарантированно будет работать на частоте 10МГц.
Приемник состоит из фотодиода и усилителя, собранного на полевом транзисторе и микросхеме-высокоскоростном усилителе. Так как с увеличением расстояния освещенность фотодиода сильно падает, то усиление должно быть достаточно большим (в этой схеме оно примерно равно 4000).
Кроме того, с ростом частоты заметно падает сигнал на выходе фотодиода (сказывается его емкость). Отмечу, что усилитель в данной конструкции — важнейшая и наиболее капризная часть. Как оказалось, его усиления явно не хватает. Изначально я предполагал, что коэффициент усиления можно будет менять (чтобы ослаблять сигнал при его слишком большой величине), используемая схема позволяет это делать, меняя напряжение на втором затворе транзистора. Однако оказалось, что при изменении усиления достаточно сильно изменяется вносимый усилителем сдвиг фаз, что ухудшает точность измерения расстояния, так что пришлось установить коэффициент усиления на максимум, подавая на затвор транзистора напряжение 3В с батарейки.
LC-фильтр, используемый в дальномере — взят от приемника. Так как фильтр отсекает постоянную составляющую сигнала, а АЦП отрицательные сигналы не воспринимает, то ее приходится добавлять при помощи резисторного делителя R15, R16. Постоянное напряжение, подаваемое на делитель, берется c отладочной платы (VCC).
Отладочная плата — STM32F4-DISCOVERY. Ее выбрал потому, что для формирования двух достаточно различающихся частот нужен генератор достаточно высокой частоты (PLL STM32F4 может давать частоты больше 100МГц).
В формуле, связывающей частоту модуляции и дискретизации, коэффициент «p» я принял равным 6, так что при частоте модуляции 10МГц частота дискретизации должна быть 1.6МГц.
Для формирования частоты 10МГц используется таймер TIM2, работающий в режиме формирования ШИМ сигнала. При системной частоте 160МГц его период — 16 «тиков».
АЦП получает запросы на запуск от таймера TIM8. Для формирования частоты 1.6МГц его период — 100 «тиков». Все данные от АЦП при помощи DMA сохраняются в массив, размер которого должен быть равен двойке в N степени.
Оба таймера, АЦП и DMA запускаются один раз при включении и больше уже не отключаются. Таким образом, так как таймеры тактируются от одного источника, а одному периоду измеряемого сигнала соответствуют четыре выборки данных, получается, что в массив всегда попадет целое число периодов сигнала.
Так как останавливать DMA не желательно (это упрощает управление захватом данных), при заполнении первой половины массива генерируется прерывание. Обнаружив, что половина массива заполнена, контроллер копирует ее содержимое в другой массив (в целях упрощения программы вторая половина основного массива при этом не используется). После этого полученные данные обрабатываются — вычисляется средняя амплитуда и фаза сигнала, проводится пересчет фазового сдвига в расстояние.
Полученные величины выводятся на ЖК индикатор от кассового аппарата, также подключенный к отладочной плате.
Дальномер должен знать где находится начало отсчета. Для его калибровки при включении на «нулевом» расстоянии от дальномера устанавливается объект, после чего на отладочной плате нужно нажать кнопку, при этом измеренное значение дальности записывается в память, после чего это значение будет вычитаться из измеренной дальномером дальности.
Как я уже отмечал выше, реализовать автоматическое управление усилением не удалось. При этом изменение амплитуды принятого сигнала приводит к изменению фазовых сдвигов в усилителе, и следовательно, к дополнительным ошибкам.
Поэтому мне пришлось регулировать освещенность фотодиода при помощи механической заслонки, поворачиваемой сервоприводом — при слишком большой освещенности заслонка перекрывает световой поток. ШИМ сигнал для управления приводом формируется таймером TIM3.
Про оптику. Без нее дальномер невозможен. Ее конструкция хорошо видна на фотографиях ниже. Лазер находится внутри пластиковой трубки, установленной вертикально. В нее вставлена небольшая втулка с зеркальной призмой. Втулку можно поворачивать, поднимать и опускать, перемещая таким образом луч лазера. Так как я догадывался, что усиления не хватит, то для приема сигнала использовал крупную линзу Френеля.
Так так лазер, линза и фотодиод установлены соосно, то на близких расстояниях лазер закрывает от фотодиода собственный луч.
Для компенсации этого эффекта я установил вторую линзу (лупа с оправой), хотя полностью эффект не устраняется, поэтому максимальный сигнал наблюдается на расстоянии примерно 50-70 см от лазера.
А вот и фотографии получившейся конструкции:
На индикаторе первое число — амплитуда в единицах АЦП, второе число — расстояние в сантиметрах от края доски.
Видео работы дальномера:
Дальность работы у получившегося дальномера вышла достаточно небольшая: 1,5-2 м в зависимости от коэффициента отражения объекта.
Для того, чтобы увеличить дальность, можно использовать специальный отражатель, на который нужно будет направлять луч лазера.
Для экспериментов я сделал линзовый отражатель, состоящий из линзы, в фокусе которой расположена матовая бумага. Такая конструкция отражает свет в ту же точку, откуда он был выпущен, правда, диаметр луча при этом увеличивается.
Фотография отражателя:
Использование отражателя:
Как видно, расстояние до отражателя — 6.
4 метра (в реальности было примерно 6.3). Сигнал при этом возрастает настолько, что его приходится ослаблять, направляя луч лазера на край отражателя.
Точность получившегося дальномера — 1-2 сантиметра, что соответствует точности измерения сдвига фаз — 0,2-0,5 градуса. При этом, для достижения такой точности, данные приходится слишком долго усреднять — на одно измерение уходит 0.5 сек. Возможно, это связано с использованием PLL для формирования сигналов — у него довольно большой джиттер. Хотя я считаю, что для самодельного макета, аналоговая часть которого сделана довольно коряво, в котором присутствуют достаточно длинные провода, даже такая точность — довольно неплохо.
Отмечу, что я не смог найти в Интернете ни одного существующего проекта фазового дальномера (хотя бы со схемой конструкции), что и послужило причиной написать эту статью.
Программа контроллера: ссылка
Принципиальная схема лазерного дальномера 703A 40 м
Описание :
Лазерный датчик расстояния JRT 60m, он может быть подключен не только к USB, RS232, RS485, Bluetooth, но также может быть применен к Arduino, Raspberry Pi, UDOO и т.
Д. Лазерный датчик расстояния — это очень миниатюрный лазерный дистанционный модуль, поддерживающий подключение через USB. Для лазерного измерительного датчика клиентам гораздо удобнее тестировать функции с компьютера. Миниатюрный лазерный датчик расстояния, более старая версия 703A.
Промышленный лазерный датчик расстояния Характеристика:
1. Хорошо для промышленного применения системы измерения
2. Поддержка одного измерения / непрерывного измерения
3. Вывод данных: RXTX, USB, RS232, RS485, Bluetooth дополнительно
Технические характеристики промышленного лазерного датчика расстояния :
| Brand Name | JRT |
| Product Name | Laser Distance Sensor |
| Model Number | M703A |
| Certification | FDA/ISO9001/CE/FCC/ROHS |
| Place of Origin | China |
| Accuracy |
±1 mm (0. 04 inch)
|
| Measuring Unit | meter/inch/feet |
| Measuring Range (without Reflection) | 0.03-40m |
| Measuring Time | 0.125~4 seconds |
| Laser Class | Class II |
| Laser Type | 635nm, <1mW |
| Size | 45*25*12mm (±1 mm) |
| Weight | About 10g |
| Voltage | DC2.0~3.3V |
| Electrical Level | TTL/CMOS |
| Frequency | 3HZ~8Hz |
| Operating Temperature | 0-40 ℃ (32-104 ℉ ) |
| Storage Temperature | -25~60 ℃ (-13~140 ℉) |
| Packaging | Neutro-packing |
1.
При плохом условии измерения, например, при сильном освещении или диффузной отражательной способности точки измерения слишком высокой или низкой, точность будет иметь большую погрешность: ± 1 мм + 40PPM.
2. При сильном освещении или плохой диффузной отражательной способности мишени, пожалуйста, используйте отражатель.
3.60 м могут быть настроены.
4. Напряжение может быть изменено преобразователем мощности LDO
5. Частота будет зависеть от окружающей среды.
Температура 6.Operating -10 ℃ ~ 50 be можно подгонять
7. Аналог может быть настроен.
Изображения продукта
Почему нас?
Разрешение 1мм
Высокая точность + -1 мм без отражения. Передовая в мире технология одиночного приема и передачи одного лазерного модуля, которая значительно снижает стоимость и энергопотребление.
41 * 17 * 7 мм
Наименьший размер в мире, высокая способность находить дальность и промышленная стабильность.
15-летний опыт исследований и разработок
Мы являемся производителем, принимаем OEM & ODM и помогаем клиентам исследовать различные вторичные решения, обеспечивая непрерывную техническую поддержку и 12-часовое послепродажное обслуживание для пользователей.
3 000 000 штук в год
Мы продали более 1 миллиона штук в 2017 году, около 2 миллионов штук в 2018 году, это должно быть больше этого количества в следующем году. Благодаря внедрению новых автоматов наши производственные мощности составляют 2 миллиона.
Насчет нас
Основанная в 2004 году, Чэнду JRT Метр технологии Лтд является предприятием, специализирующимся на производстве и развитии лазерной дистанционной модульной промышленности и торговли. Это производитель, обладающий передовой в мире лазерной технологией однократной передачи и однократного приема.
JRT настаивает на разработке и производстве лазерных дистанционных модулей с лучшим качеством, меньшими размерами, но более выгодными ценами.
Мы можем сделать дизайн OEM / ODM и настроить функции продукта в соответствии с требованиями клиента.
Три производственной линии : лазерный модуль дальномера; промышленный лазерный датчик расстояния; лазерный дальномер.
Вопросы-Ответы
Q1: какой срок поставки после заказа на этот образец лазерного датчика расстояния?
A1: Наша стандартная доставка составляет 3 дня, если у нас есть запас, в противном случае мы сообщим вам вовремя. Обычно мы можем производить 10 000 штук лазерных дистанционных модулей в день и 2 000 штук LDM.
Q2: что такое MOQ?
A2: Обычные продукты только 1 шт., OEM / ODM продукции нужно 1000 шт. Минимум.
Q3: что такое гарантия?
A3: Все наши продукты имеют один год гарантии и срок службы послепродажного обслуживания.
Q4: Могу ли я получить образец для тестирования?
A4: да. Мы не предлагаем бесплатные образцы, но возместим покупателю, как только заказ будет подтвержден.
Послепродажное обслуживание
а.
Пожизненная гарантия на программное обеспечение
б. 1 год гарантии
с. Пожизненная техническая поддержка
Условия сотрудничества
| Minimum Order Quantity: | 1pcs |
| Price: | Negotiation |
| Payment Terms: | T/T, Western Union, Paypal |
| Supply Ability: | 10,000pcs per day |
| Delivery Time: | 1~3 working days after received your payment |
| Packaging Details: | Packed in Neutro-packing |
Область применения
Модуль лазерного датчика расстояния JRT уже широко используется во многих отраслях промышленности, таких как робот, складская логистика, система безопасности, железнодорожный мониторинг, сельскохозяйственная автоматизация, строительство, промышленная автоматизация, интеллектуальная транспортировка, высота грузовика, беспилотник, стрельба из лука, инженерные изыскания, гольф, внутренняя отделка , Спорт, инженер, 3D лазерный принтер, кран, радар, лидар и т.
Д.
Конкурентное преимущество:
1. Ведущие лазерные технологии
2. Оптовая цена
3. Мы можем сделать дизайн OEM и настроить функции продукта в соответствии с требованиями заказчика.
4. Поддержка настроить лазерное решение для измерения расстояния для вас.
О модели модуля:
| Product Name | JRT Industrial Laser Distance Sensor |
| Old Version Model No. | M512A/M701A/M703A |
| Latest Version Model No. | M88B |
| Data Interface Optional | Serial port/USB/RS232/RS485/Bluetooth |
Дом Продукты Лидарные технологии
РекомендоватьFacebook Twitter LinkedIn
Наши лазерные дальномеры быстро и точно измеряют дистанцию до несговорчивых целей даже в самых сложных условиях измерения и видимости.
Лазерные дальномеры от Jenoptik предоставляют быстрые и точные данные о расстоянии, в то же время предлагая большой диапазон измерения — даже в сложных условиях измерения. Даже в условиях плохой видимости и при экстремальных температурах приборы быстро и надежно измеряют дистанцию до несговорчивых целей. Это позволяет вам немедленно оценивать ситуации и реагировать на угрозы быстро и надлежащим образом.
Чрезвычайно маленькие и легкие модули диодного лазерного дальномера из серии DLEM идеально подходят для интеграции в портативные устройства, а мощные твердотельные лазерные дальномеры из серии ELEM могут использоваться в ваших стационарных и мобильных системах, охватывающих большие расстояния измерения в несколько километров. Благодаря компактной конструкции и стандартным интерфейсам все модули могут быть легко интегрированы в системы заказчика .
Наши лазерные дальномеры работают с длиной волны 1,54 – 1,55 мкм.
Устройства безопасен для глаз и не может быть обнаружен обычными приборами ночного видения, оснащенными усилителями изображения. Все устройства DLEM, ELEM и NYXUS Rangechecker отличаются легкой, компактной и прочной конструкцией .
На протяжении десятилетий Jenoptik является экспертом в области лазерных технологий, оптики, электроники и механических систем, составляющих лазерный дальномер. С нашими модулями лазерного дальномера мы поставляем основные компоненты компактных военных мультисенсорных решений и, благодаря нашему объединенному опыту, мы являемся одним из ведущих производителей в этом секторе. Наша продукция успешно используется во всем мире.
Лазерный дальномер ELEM 10k измеряет расстояния до несотрудничающих целей в диапазоне обычно более 10 километров. Модуль оснащен твердотельным лазером на эрбиевом стекле с ламповой накачкой. ELEM 10k спроектирован так, чтобы его можно было легко интегрировать в системы наблюдения и мультисенсорные платформы.
| Особенность | Значение |
|---|---|
| Общий диапазон измерения: | 50 м . .. 39 999 м |
| Типовой диапазон измерения: | > 10 000 м (Цель НАТО, альбедо 10 %) 90 100 |
| Стандартная скорость измерения: | 0,3 Гц |
| Максимальная скорость измерения: | 1 Гц |
| Точность: | < 5 м |
| Лазер: | Твердотельный лазер на эрбиевом стекле с ламповой накачкой |
| Класс лазера: | 1 М |
| Размеры: | 210 мм x 40 мм x 90 мм |
| Вес: | < 940 г |
| Особенности: | Обнаружение нескольких целей, 5 целей, различение целей 20 м |
Благодаря высокой эффективности твердотельного лазера на эрбиевом стекле с диодной накачкой модуль лазерного дальномера ELEM-DP 10k обеспечивает непрерывную высокую частоту повторения импульсов.