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　　為了研究和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器�？傮w上講,超聲波發(fā)生器可以分為兩大類(lèi)：一類(lèi)是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類(lèi)是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；機(jī)械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率、功率和聲波特性各不相同,因而用途也各不相同。目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器
　　超聲波傳感器通常采用度越時(shí)間法,即利用s=vt/2計(jì)算被測(cè)物體的距離。式中s為收發(fā)頭與被測(cè)物體之間的距離, v為超聲波在介質(zhì)中的傳播速度(v = 331. 41+T/273m/s),t為超聲波的往返時(shí)間間隔。工作原理為:發(fā)射頭發(fā)出的超聲波以速度v在空氣中傳播,在到達(dá)被測(cè)物體時(shí)被其表面反射返回,由接收頭接收,其往返時(shí)間為t,由s算出被測(cè)物體的距離。T為環(huán)境溫度,在量精度要求高的場(chǎng)合必須考慮此影響,但在一般情況下,可舍去此法,由軟件進(jìn)行調(diào)整補(bǔ)償。
　　由于超聲波也是一種聲波,其聲速c與溫度有關(guān),附表1列出了幾種不同溫度下的聲速。在使用時(shí),如果溫度變化不大,則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測(cè)距精度要求很高,則應(yīng)通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒�加以校正。聲速確定后,只要測(cè)得超聲波往返的時(shí)間,就可以求出距離。這就是超聲波測(cè)距原理。

超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大,尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波,碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測(cè)手段,必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波。完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器,習(xí)慣上稱(chēng)為超聲換能器,或者超聲探頭。
激光測(cè)距傳感器工作原理：
激光傳感器工作時(shí),先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器,被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器,因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間,即可測(cè)定目標(biāo)距離。激光傳感器必須極其精確地測(cè)定傳輸時(shí)間,因?yàn)楣馑偬�快�?BR> 紅外線(xiàn)測(cè)距傳感器工作原理：
紅外測(cè)距傳感器利用紅外信號(hào)遇到障礙物距離的不同反射的強(qiáng)度也不同的原理,進(jìn)行障礙物遠(yuǎn)近的檢測(cè)。紅外測(cè)距傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管,發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào),接收管接收這種頻率的紅外信號(hào),當(dāng)紅外的檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí),紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收,經(jīng)過(guò)處理之后,通過(guò)數(shù)字傳感器接口返回到機(jī)器人主機(jī),機(jī)器人即可利用紅外的返回信號(hào)來(lái)識(shí)別周?chē)�環(huán)境的變化
24GHZ雷達(dá)測(cè)距傳感器原理：
FSK測(cè)運(yùn)動(dòng)物體 [1]
FMCW測(cè)靜止和運(yùn)動(dòng)物體

　　激光測(cè)距傳感器的優(yōu)勢(shì): 　　激光測(cè)距傳感器INSIGHT-60 　　核心技術(shù)指標(biāo)
　　1、 激光測(cè)距傳感器
　　2、 測(cè)量距離范圍0.-60米,200米,要使用反光板
　　3、 全程精度誤差1.5毫米
　　4、 激光連續(xù)使用壽命超過(guò)5萬(wàn)個(gè)小時(shí)（5年）
　　5、 具備標(biāo)準(zhǔn)的RS232、RS422的通訊串口
　　6、 同時(shí)具備數(shù)字信號(hào)和4-20MA模擬型號(hào)輸出。模擬信號(hào)對(duì)應(yīng)距離最大值可自行設(shè)定
　　7、 激光測(cè)距傳感器可以和以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)ASC2碼
　　8、 簡(jiǎn)潔實(shí)用的通訊軟件保證了現(xiàn)場(chǎng)工作的準(zhǔn)確方便
　　一、傳輸時(shí)間激光距離傳感器的發(fā)展
　　激光在檢測(cè)領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,技術(shù)含量十分豐富,對(duì)社會(huì)生產(chǎn)和生活的影響也十分明顯。激光測(cè)距是激光最早的應(yīng)用之一。這是由于激光具有方向性強(qiáng)、亮度高、單色性好等許多優(yōu)點(diǎn)。1965年前蘇聯(lián)利用激光測(cè)地球和月球之間距離（380´103km）誤差只有250m。1969年美國(guó)人登月后置反射鏡于月面,也用激光測(cè)量地月之距,誤差只有15cm。
　　利用激光傳輸時(shí)間來(lái)測(cè)量距離的基本原理是通過(guò)測(cè)量激光往返目標(biāo)所需時(shí)間來(lái)確定目標(biāo)距離。即： 。
　　傳輸時(shí)間激光測(cè)距雖然原理簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但以前主要用于軍事和科學(xué)研究方面,在工業(yè)自動(dòng)化方面卻很少見(jiàn)。因?yàn)榧す鉁y(cè)距傳感器售價(jià)太高,一般在幾千美元。實(shí)際上,所有工業(yè)用戶(hù)都在尋找一種能在較遠(yuǎn)距離實(shí)現(xiàn)精密距離檢測(cè)的傳感器。因?yàn)樵S多情況下近距離安裝傳感器會(huì)受物理位置及生產(chǎn)環(huán)境的限制,如今的傳輸時(shí)間激光測(cè)距傳感器將為這類(lèi)場(chǎng)合的工程師排憂(yōu)解難。
　　二、工作原理
　　傳輸時(shí)間激光傳感器工作時(shí),先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器,被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器,因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間,即可測(cè)定目標(biāo)距離。傳輸時(shí)間激光傳感器必須極其精確地測(cè)定傳輸時(shí)間,因?yàn)楣馑偬�快�?BR> 　　例如,光速約為3´108m/s,要想使分辨率達(dá)到1mm,則傳輸時(shí)間測(cè)距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時(shí)間： 　　0.001m¸(3´108m/s)=3ps 　　要分辨出3ps的時(shí)間,這是對(duì)電子技術(shù)提出的過(guò)高要求,實(shí)現(xiàn)起來(lái)造價(jià)太高。但是如今廉價(jià)的傳輸時(shí)間激光傳感器巧妙地避開(kāi)了這一障礙,利用一種簡(jiǎn)單的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理,即平均法則實(shí)現(xiàn)了1mm的分辨率,并且能保證響應(yīng)速度。
　　三、解決其它技術(shù)無(wú)法解決的問(wèn)題
　　傳輸時(shí)間激光距離傳感器可用于其它技術(shù)無(wú)法應(yīng)用的場(chǎng)合。例如,當(dāng)目標(biāo)很近時(shí),計(jì)算來(lái)自目標(biāo)反射光的普通光電傳感器也能完成大量的精密位置檢測(cè)任務(wù)。但是,當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)內(nèi)或目標(biāo)顏色變化時(shí),普通光電傳感器就難以應(yīng)付了。
　　雖然先進(jìn)的背景噪聲抑制傳感器和三角測(cè)量傳感器在目標(biāo)顏色變化的情況下能較好地工作,但是,在目標(biāo)角度不固定或目標(biāo)太亮?xí)r,其性能的可預(yù)測(cè)性變差。此外,三角測(cè)量傳感器一般量程只限于0.5m以?xún)?nèi)。
　　超聲波傳感器雖然也經(jīng)常用于檢測(cè)距離較遠(yuǎn)的物體,而且由于它不是光學(xué)裝置,所以不受顏色變化的影響。但是,超聲波傳感器是依據(jù)聲速測(cè)量距離的,因此存在一些固有的缺點(diǎn),不能用于以下場(chǎng)合。
　�、俅郎y(cè)目標(biāo)與傳感器的換能器不相垂直的場(chǎng)合。因?yàn)槌�聲波檢測(cè)的目標(biāo)必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°角以?xún)?nèi)。
　�、谛枰�光束直徑很小的場(chǎng)合。因?yàn)橐话愠�聲波束在離開(kāi)傳感器2m遠(yuǎn)時(shí)直徑為0.76cm。
　�、坌枰�可見(jiàn)光斑進(jìn)行位置校準(zhǔn)的場(chǎng)合。
　　④多風(fēng)的場(chǎng)合。
　�、菡婵�?qǐng)龊稀?BR> 　�、逌囟忍荻容^大的場(chǎng)合。因?yàn)檫@種情況下會(huì)造成聲速的變化。
　�、咝枰�快速響應(yīng)的場(chǎng)合。
　　而激光距離傳感器能解決上述所有場(chǎng)合的檢測(cè)。
　　四、在自動(dòng)化領(lǐng)域的廣泛用途
　　如今,自動(dòng)檢測(cè)和控制的方法中,除了超聲波傳感器和普通光電傳感器外,又增加了一個(gè)能解決長(zhǎng)距離測(cè)量和檢驗(yàn)的新方法—傳輸時(shí)間激光距離傳感器。它為各種不同場(chǎng)合提供了應(yīng)用的靈活性,這些場(chǎng)合可包括如下：
　　①設(shè)備定位。
　　②測(cè)量料包的料位。
　　③測(cè)量傳送帶上的物體距離和物體高度。
　�、軠y(cè)量原木直徑。
　�、荼Ｗo(hù)高架起重機(jī)免于碰撞。
　　⑥無(wú)誤差檢查場(chǎng)合。
激光測(cè)距傳感器的工作原理
　　傳輸時(shí)間激光傳感器工作時(shí),先由激光二極管對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標(biāo)反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器,被光學(xué)系統(tǒng)接收后成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器,因此它能檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時(shí)間,即可測(cè)定目標(biāo)距離。傳輸時(shí)間激光傳感器必須極其精確地測(cè)定傳輸時(shí)間,因?yàn)楣馑偬�快�?BR> 基于HOLLiAS-LEC G3 PLC的激光測(cè)距系統(tǒng)
隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光測(cè)距傳感器在檢測(cè)領(lǐng)域得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。本文所研究的基于HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC的激光測(cè)距系統(tǒng),對(duì)多臺(tái)激光測(cè)距傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并將數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī),實(shí)現(xiàn)了對(duì)多臺(tái)激光測(cè)距傳感器的監(jiān)控。
1. 激光測(cè)距傳感器的基本原理
激光測(cè)距傳感器的基本原理是,通過(guò)測(cè)量激光往返于被測(cè)目標(biāo)之間所需的時(shí)間,來(lái)確定被測(cè)目標(biāo)之間的距離。激光測(cè)距傳感器的原理和結(jié)構(gòu)都很簡(jiǎn)單,是長(zhǎng)距離檢測(cè)最有效的手段。
激光測(cè)距傳感器工作時(shí),首先由激光二極管對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射激光脈沖。經(jīng)被測(cè)目標(biāo)反射后,激光向各方向散射。部分散射的激光返回到傳感器的接收器,被光學(xué)系統(tǒng)接收后,成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內(nèi)部具有放大功能的光學(xué)傳感器,能夠檢測(cè)極其微弱的光信號(hào)。記錄并處理激光脈沖從發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時(shí)間,即可得到被測(cè)目標(biāo)的距離。
2. PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
基于HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC的激光測(cè)距系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)通過(guò)PLC的自由口通信,接收多臺(tái)激光測(cè)距傳感器發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù),根據(jù)傳感器提供的數(shù)據(jù)格式解析數(shù)據(jù)包,計(jì)算出測(cè)量的距離。系統(tǒng)的功能還包括顯示測(cè)量距離、在非正常情況下報(bào)警、與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換等。
PLC的CPU模塊選用HOLLiAS-LEC G3系列的LM3108模塊,其性能價(jià)格比很高,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個(gè)領(lǐng)域。LM3108模塊的標(biāo)準(zhǔn)配置包括兩個(gè)串行通信接口PORT0和PORT1,其中PORT0為RS485接口,PORT1為RS232接口。采用RS232接口建立PLC與上位機(jī)的通信,實(shí)現(xiàn)PLC程序的下裝和監(jiān)控。采用RS485接口建立PLC與現(xiàn)場(chǎng)儀表的通信。
3. PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
PLC采用自由口通信方式接收激光測(cè)距傳感器的數(shù)據(jù),用[%]MB400~[%]MB411的12個(gè)字節(jié)作為通信接收寄存器,存放自由口通信方式下所接收的數(shù)據(jù)。所謂自由口通信,是指用戶(hù)可以通過(guò)設(shè)置通信模式來(lái)改變通信接口的參數(shù),以適應(yīng)不同的通信協(xié)議。在PLC程序中設(shè)定的激光測(cè)距傳感器的通信參數(shù)如表1所示。PLC控制程序采用和利時(shí)公司的編程軟件PowerPro完成,下面詳細(xì)介紹數(shù)據(jù)解析程序。其它應(yīng)用程序從略。
3.1 數(shù)據(jù)解析程序的變量定義
PROGRAM PLC[_]PRG
VAR
SetRS485: Set[_]COMM2[_]PRMT; (* RS485自由口通信參數(shù)設(shè)置 *)
SetRS485Q: BOOL; (* RS485自由口通信參數(shù)設(shè)置標(biāo)志 *)
Receive: COMM2[_]RECEIVE; (* RS485自由口通信數(shù)據(jù)接收 *)
ReceiveQ: BOOL; (* RS485自由口通信數(shù)據(jù)接收標(biāo)志 *)
ReceivedData: STRING; (* 存儲(chǔ)ASCII碼數(shù)據(jù)的字符串 *)
Position1: INT; (* 起始字符的位置 *)
Position2: INT; (* 結(jié)束字符的位置 *)
ReceivedData[_]STRING: STRING; (* ASCII碼形式的數(shù)據(jù) *)
ReceivedData[_]DWORD: DWORD; (* 十六進(jìn)制形式的數(shù)據(jù) *)
END[_]VAR
3.2 數(shù)據(jù)解析程序的梯形圖
3.3 數(shù)據(jù)解析程序分析
PLC從激光測(cè)距傳感器接收到的數(shù)據(jù)是ASCII碼形式,所以需要將ACSII碼轉(zhuǎn)換成PLC能夠操作的十六進(jìn)制數(shù)。
首先在存儲(chǔ)ASCII碼數(shù)據(jù)的字符串ReceivedData中找到數(shù)據(jù)的起始字符“+”,并將其位置存儲(chǔ)在變量Position1中。然后再找到數(shù)據(jù)的結(jié)束字符“$R”,并將其位置存儲(chǔ)在變量Position2中。將位置Position2與位置Position1之間的字符取出,存入變量ReceivedData[_]STRING中,此即為數(shù)據(jù)的ASCII碼形式。最后將該ASCII碼形式的數(shù)據(jù)ReceivedData[_]STRING轉(zhuǎn)換位十六進(jìn)制形式的數(shù)據(jù)ReceivedData[_]DWORD,即完成了數(shù)據(jù)的解析。
4. 結(jié)論
采用和利時(shí)HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC作為激光測(cè)距系統(tǒng)的控制核心,可以方便地與激光測(cè)距傳感器進(jìn)行通信。實(shí)踐證明,該方案結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,運(yùn)行過(guò)程穩(wěn)定可靠,實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理。