Elektro-optikai távolságmérés
Az elektro-optikai távolságmérés (egyenletes távolság , távolságmérés ) vagy a lézeres távolságmérés egy elektronikus távolságmérés (EDM), amely a fázispozíció-mérés terjedési idejének mérését vagy a fény lézeres háromszögelését jelenti, általában lézerrel .
Egyéb aktív és passzív optikai távolságmérési módszerek a következők: a. a fénymetszeti módszer és a háromszögelés a geodézia és a földmérés területén .
A lézeres háromszögelés és a lézer-interferométer előnyösen rövid távolságokra (néhány mikrométertől 100 méterre), míg a tranzitidő-módszerek inkább nagy távolságokra (egy méter és 10 11 méter) alkalmasak.
Futásidejű mérés
A szállítási idő mérésekor rövid fényimpulzus adódik. Az impulzus átmeneti ideje az az idő, amelyre a fénysugárnak a forrástól a reflektorig, többnyire visszaverőig, és vissza kell térnie a forrásig. Mérésével ezt tranzit idő , a távolság a forrás és a tárgy lehet meghatározni a fény sebessége . A tényező figyelembe veszi, hogy a fénynek kétszer meg kell haladnia a tárgy távolságát, egyszer oda és vissza. A fénysebességet a környező közeg csökkenti a törésmutatóval .
A módszer előnye a rövid mérési idő. A módszer mérési tartománya egy métertől több tíz kilométerig terjed. Hátránya a nagyon pontos időmérés (nano-pikoszekundum) szükséges mérése , ezért nehéz néhány centiméternél nagyobb felbontást elérni.
Az időmérés pontossági követelményeinek csökkentése érdekében olyan módszereket alkalmaznak, amelyekben maga a lézersugár frekvenciamodulált vagy nagyfrekvenciás jellel modulált.
Ezt a módszert a Lidar , a Satellite Laser Ranging , a TOF kamerák és a PMD érzékelők használják .
Mérés a fázispozíción keresztül
A visszavert lézersugár fáziseltolódása vagy modulációja a kibocsátott sugárhoz képest távolságfüggő. Ez a fáziseltolás mérhető és felhasználható a megtett távolság meghatározásához.
Lézeres interferométer
Ha magát a lézerfrekvenciát használják egymásra, akkor a készülék úgy működik, mint egy lézeres interferométer . A lézeres interferométerek nem mérik az abszolút úthosszakat, hanem csak a relatív változást a cél vagy egy referenciatükör mozgatásakor. A tükör mozgatásakor a kibocsátott és visszavert sugár összege periodikusan modulálódik ( interferencia ). Ha fél hullámhosszal eltolják, pontosan egy periódust fut át . Ha megszámolja az átjárókat és megszorozza őket a fény hullámhosszával , akkor megkapja a keresett távolságot. A jel pontosabb kiértékelésével körülbelül hullámhosszúságú pontosság érhető el, amely néhány nanométer a látható fényhez . A fény hullámhossza azonban a levegő törésmutatójától függ, és változik a hőmérséklet, a nyomás és a páratartalom függvényében. A pontos mérésekhez a fény hullámhosszainak számát korrigálni kell a levegő ezen jellemzőivel ( légsűrűség- korrekció ).
Nagyobb távolságok esetén a lézer amplitúdójának nagyfrekvenciás modulációját alkalmazzák, és nem a lézer hullámhosszát értékelik, hanem ezeknek a modulált nagyfrekvenciás jeleknek a fázispozícióját. Ha feltételezzük, hogy a kibocsátott fénysugarat frekvenciával modulálták , a következő képet kapjuk:
A fáziskülönbséget az alábbi egyenletből kapjuk:
A távolság lehet
kiszámítható.
Ezeknek a módszereknek az az előnye, hogy a futásidejű módszerekhez képest nagyobb a felbontás , ami kevesebb technikai erőfeszítéssel érhető el. A mérési távolság azonban rövidebb - mert a lézer szükségszerűen folyamatosan működik kis teljesítmény mellett.
Egy másik probléma a jelek egyediségének hiánya a lézer vagy modulációs hullámhossz felének többszörösét meghaladó távolságban.
Abszolút mérés elérése
Az interferometriai módszerek kétértelműsége megkerülhető a lézer vagy annak nagyfrekvenciás modulációs jelének frekvenciamodulációjával. Ezáltal egy átmeneti idő komponenst vezetünk be a fázismérésbe. Alacsonyabb frekvencia (= hosszabb periódus) nagyobb távolságot ad az egyértelmű eredményhez, de kisebb felbontást. Az elvről lásd még az FMCW radart . A HF-modulált lézerrel végzett módszerek maximális mérési távolságot érnek el, körülbelül 200 métert.
Két módszer az abszolút távolságmérés elérésére a fázis helyzetének mérésével:
- 1. módszer
Folyamatos frekvenciamoduláció (úgy működik, mint egy FM radar); Ha összehasonlítja az eredetit a visszavert jellel, akkor a kettő között frekvencia különbség van. Ez a különbség arányos a távolsággal.
Figyelembe véve a fáziskülönbséget:
A lézer hullámhosszát azonban nem lehet pontosan szabályozni. Ezért a hullámhosszát kell referenciaként használni.
A lézer közvetlen frekvenciamodulációjával 1 mikrométer körüli felbontás érhető el. A hagyományos lézerekkel azonban a maximális mérési távolság 1 méter.
- 2. módszer
A relatív interferometriai mérés bizonytalanságának kiküszöbölése érdekében a fázis helyzetét két vagy több diszkrét frekvencián mérjük. A frekvenciák viszont lehetnek maga a lézer frekvencia (különböző lézerek, a legkisebb távolságoknál) vagy egy és ugyanazon lézer modulációs frekvenciái (a frekvenciáknak meg kell egyezniük a távolságokkal és a mérési tartománysal).
Lézeres háromszögelés
Lézeres háromszögeléssel egy lézersugár (alacsony követelményekkel egy fénykibocsátó dióda sugárzása mellett is ) a mérési objektumra fókuszálódik, és a szenzorban mellette elhelyezett kamerával , egy térfelbontású fotodiódával vagy egy CCD- vonallal figyelhető meg . Ha a mérőobjektum távolsága az érzékelőtől megváltozik, akkor megváltozik a fénypont megfigyelési szöge, és ezáltal annak képének a helye a fotóvevőn. A távolság a tárgy és a lézer projektor számítjuk a változás helyzetben segítségével a szög funkciók .
A fotóvevő fényérzékeny elem, amely meghatározza a kép fénypontjának helyzetét. Az érzékelő és az objektum közötti távolságot ebből a képpozícióból kell kiszámítani.
A háromszögelés előnye , hogy tisztán trigonometrikus összefüggésekről van szó. A mérés tehát folyamatosan történhet, ezért alkalmas mozgó tárgyak távolságainak mérésére. A külső fényérzékenység és az inhomogénen visszaverő felületek hatásának csökkentése érdekében a mérési pontnak a lehető legkisebbnek és fényesebbnek kell lennie. Az ilyen érzékelők gyakran impulzus üzemmódban is működnek.
A módszer csak rövid távolságokra alkalmas, mivel érzékenysége az adó és a vevő közötti távolsággal a negyedik teljesítményre (kétirányú csillapítás) csökken. A lézer- és fotóvevő általában egy házban van elhelyezve.
A fenti séma szemlélteti a különböző távolságok közötti kapcsolatokat. A trigonometria segítségével meghatározható a távolság a mért távolságtól :
Összegzés
Mérési tartomány | megjegyzés | |
Futásidejű mérés | 3 centiméter - 40 kilométer | rövid mérési idő, nincs rekeszszög |
Fázis moduláció | frekvenciafüggő max. 200 méter | alacsony gyártási költségek |
Interferometria | 10 nanométer - 20 méter | magasabb költség, nagy felbontás |
Háromszögelés | néhány milliméter - 100 méter | felülettől függően olcsó, robusztus |
Mérőeszköz
A geodéziában a távolságmérő eszközöket, amelyek a repülésmérés vagy a fázismoduláció elvén működnek, totális állomásoknak vagy távtartóknak nevezzük .
Számos eszköz van a barkács szektor számára, néhány cm-től 200 m-ig terjedő tartományban, milliméteres pontossággal. A jobban felszerelt eszközök menthetnek értékeket, kiszámíthatják a területeket és a térfogatokat, és közvetett módon mérhetik a hosszakat, pl. B. meghatározza a beépített dőlésmérő alapján.
Lásd még
- Fáziseltolásos módszer
- Távolságmérés
- Optikai távolságmérés a geodéziában
- Távmérő (kamera)
- Konfokális technológia (optikai távolságmérés a szövetmintákon és érdességméréshez)
web Linkek
Egyéni bizonyíték
- ↑ Lézeres távolságmérő: mi van benne és hogyan működik? Hozzáférés: 2020. január 30. (német).
- ↑ Joeckel / Stober / Huep: Elektronikus távolság- és iránymérés és integrációjuk a jelenlegi pozícionálási folyamatokba . 5. kiadás. Wichmann, 2007, ISBN 978-3-87907-443-3 .
- ↑ https://www.ti.com/de-de/sensors/specialty-sensors/time-of-flight/overview.html
- ↑ https://www.jenoptik.de/produkte/lidar-sensoren-technologien/laser-entfernungsmesser
- ↑ Willy Matthews: Lézeres távolságmérő - optimális használat és pontos mérés . ISBN 978-1-69814-700-0 .