高精度激光测距仪在大物位上的应用研究

高精度激光测距仪在大物位上的应用研究
作者：曹福祝；李冬梅





       工业上有很多物位需要精准测量， 虽然有些仪表能够测量， 满足了生产工艺要求，但是对千大量程的物位，要么测量的量程不够，要么测量精度不够，要么满足不了仪表安装要求等，而激光测距仪有着良好的抗电磁波干扰，很高的精度，方向性强及厕量长度大，基于以上原因，高精度激光测距仪在大物位测距上就有了独特优势和应用前景。工业生产中有一些物位的距离在几十米到几百米之间，用一些接触（如电容式物位计、 钢带物位计、 射频导纳物位计、 重锤物位计等）和非接触（如超声物位计、 雷达物 位计）的仪表都无法满足要求，究其原因不是量程不够， 就是精度不够，或者满足不了安装要求，这种情况下高精 度激光测距仪就体现了其独特的优势。 由于现代高科技的发展生产出超大集成电路芯片，使得高精度激光测距仪实现高精度成为可能，精度可以到±1mm以内，发射角非常小，非接触，方向好及安装维护方便。

1、激光测距的工作方式

       激光测距仪表在工业测距应用起着越来越重要的作用， 激光测距的工作方式一般有两种：

1)脉冲式激光测距：由测距仪的激光器发出一束光脉冲信号， 光信号经空气传输到被测目标的表面后，其中的一部分光信号被反社会来，接受单元接收到返回的光信号，如果把光信号从发出到接收所用的时间检测出来， 就可以 利用公式计算出测距仪与被测目标之间的距离。 假设所测距离设为L, 光信号往返时间设为t, 光信号在空气中的传播速度为c, 则L=ct/2。

2)相位式激光测距：首先对测距仪的激光器发出的光信号进行幅度调制， 经调制后的光信号发射后遇到被测目 标的部分光信号被反射回来， 发出到接收之间光信号会产 生相应的相位延迟，利用公式和调制光信号的波长就能计 算出光信号所传输的距离叽

相位式测距原理是经过调制后的光信号由激光器发出， 在空气中传输遇到被测目标后部分光信号被反射， 检测出光信号在一定时间t 后所产生的相位移中，利用公式和光信号的波长计算出光信号所传输的距离L. 如图 1 所示，A点表示调制光信号的起始点， B 点为被目标的表面，A' 表 示光信号经被测目标反射后的接收点，A和A'两点之间的 距离就是光信号所传输的距离，它等千待测距离L的2倍， 图1中光信号在往返路径上的相位移用中来表示。

光信号在空气中传输的过程中相位不断发生改变， 用入代表调制光信号的波长， 则光信号每传输一个波长， 相位就会发生一个周期的变化为21T。 要解决这个问题，实现大物位的高精度测量（例如钟表的时、分、秒3个指针才能准确地确定时间），采用两种频率相互配合使用及平均值的合理运算， 就能保证了测量距离的高精度，使用差频测相的方法能更好地提高激光测距仪的系统精度。

2 高精度激光测距仪在大物位上的应用

       激光调制接收单元将接收的调制光波信号由前置仪表放大器放大，再经过整形、滤波、鉴相等信号处理，由AID电路转换成数字信号传输给CPU处理:处理器通过一系列计算、平均值处理，再由处理器把计算的结果分别由数字信号传输给显示单元 (LCD) 显示数值、 DIA电路转换成标准4一20mA模拟信号输出、通讯单元输出RS232或MODBUS接口与上位机通讯。 另外，上位机可以通过通讯接口对激光测距仪的一些参数进行修改如量程、 上下限报警、自由设置连续测量的触发时间间隔等。

在实际现场工况中激光传感器的发光管温度适用范围非常窄（一般在-lO℃ ~ 50℃之间）， 而我国幅员辽阔，南北温差大，为适用于不同现场，激光测距仪须有温度补偿，来满足不同地域、不同工况需求，在设计高精度激光测距仪时， 将实时采集环境温度， DS18B20 是常用的温度传感器（测温范围 -55 屯~ 125°C) , 具有体积小、 功耗低、 抗干扰能力强、 精度高的特点， 当环境温度接近激光传感器的上限或下限时， 处理器发出指令由温度控制单元及时进行制冷或加热来补偿温度， 以保证仪表的激光传感器及整个系统在 -20℃~ 70°C下都能正常工作。






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