Como funciona um sensor de distância: Compreender a tecnologia subjacente à medição de distâncias
Introdução
Os sensores de distância desempenham um papel vital numa variedade de aplicações, desde robótica e automação a sistemas de estacionamento e monitorização industrial. Quer seja para medir a proximidade, detetar obstáculos ou mapear ambientes, os sensores de distância são componentes essenciais das tecnologias modernas. Popular tipos de sensores de distância incluem sensores baseados em laser, sensores ultra-sónicos e sensores de infravermelhos (IR). Estes sensores funcionam com base em princípios diferentes, mas todos têm o mesmo objetivo: medir a distância entre o sensor e um objeto.
Neste blogue, vamos explorar o funcionamento dos sensores de distância, centrando-nos em sensores de distância por lasere explicar por que razão são ideais para tarefas de medição de precisão.
1. Tipos de sensores de distância
Antes de nos debruçarmos sobre como distância do laser Para saber como funcionam os sensores de distância, vamos analisar brevemente outros tipos de sensores de distância. Cada tipo de sensor utiliza métodos diferentes para medir a distância entre o sensor e um objeto.
1.1 Sensores de distância ultra-sónicos
Os sensores ultra-sónicos medem a distância emitindo ondas sonoras de alta frequência. Estas ondas sonoras viajam até atingirem um objeto e depois voltam para o sensor. Ao calcular o tempo que as ondas sonoras demoram a regressar, o sensor pode determinar a distância até ao objeto.
Casos de utilização: Os sensores ultra-sónicos são habitualmente utilizados em sistemas de estacionamento, de deteção de obstáculos deteção em robots, e monitorização do nível de líquidos.
1.2 Sensores de distância por infravermelhos (IR)
Os sensores IR funcionam através da emissão de luz infravermelha e da deteção da luz reflectida. O sensor mede a intensidade da luz infravermelha reflectida para calcular a distância até ao objeto.
Casos de utilização: Os sensores IR são frequentemente utilizados para aplicações de curto alcance, como a deteção de proximidade em eletrónica de consumo ou a contagem de objectos.
1.3 Sensores de distância por laser
Medida laser utilizam feixes de laser (luz) para medir distâncias com elevada precisão. Estes sensores são os mais precisos e podem medir distâncias em alcances mais longos em comparação com os sensores ultra-sónicos ou de infravermelhos. Este blogue centrar-se-á nos sensores de distância a laser, explicando os seus princípios e porque são ideais para tarefas de medição de precisão.
Casos de utilização: Os sensores de distância a laser são utilizados em aplicações como a automação industrial, a digitalização 3D, a robótica e os sistemas automóveis.
2. Princípio de funcionamento dos sensores de distância a laser
Os sensores de distância a laser são populares pela sua precisão e fiabilidade. Estes sensores funcionam com base em dois princípios básicos: tempo de voo (ToF) e mudança de fase. Vamos decompor cada princípio para compreender como funcionam.
A maioria dos sensores de medição por laser funciona com base no tempo de voo (ToF). Eis como funciona:
- Emissão laser: O sensor emite um impulso laser em direção a um objeto.
- Reflexão: O impulso laser viaja até ao objeto, reflecte-se na superfície e regressa ao sensor.
- Medição do tempo: O sensor mede o tempo que o impulso laser demora a chegar ao objeto e a regressar.
- Cálculo da distância: Conhecendo a velocidade da luz, o sensor calcula a distância com a fórmula: [
\text{Distância} = \frac{c \times \text{Tempo}}{2}
] Em que ( c ) é a velocidade da luz e o tempo é o tempo que o impulso leva a viajar até ao objeto e a regressar.
Vantagens da tecnologia ToF:
- Elevada precisão: Sensores ToF oferecem uma precisão milimétrica.
- Longo alcance: Sensores laser pode medir a longas distâncias, de alguns centímetros a centenas de metros, consoante o modelo.
- Medição rápida: Os sensores ToF fornecem leituras rápidas, tornando-os ideais para aplicações em tempo real.
Princípio de medição da distância ITOF vs Princípio de medição da distância DTOF
O iToF O método de medição do tempo de voo da luz é geralmente utilizado para medir indiretamente o tempo de voo da luz, modulando o laser emitido e analisando a alteração das caraterísticas relevantes do laser modulado após a propagação de uma determinada distância. A informação de fase transportada pelo laser modulado transmitido e o laser modulado recebido após a reflexão serão diferentes, e a diferença de fase pode ser calculada analisando a fase da fase transmitida e da fase recebida. A distância real de propagação do laser pode ser calculada combinando a informação da diferença de fase e a frequência de modulação especificada.
O dToF é uma medição direta da diferença de tempo entre o laser transmissor e o laser recetor, e o cálculo inverso da distância percorrida pelo laser de acordo com a velocidade da luz. Com base na velocidade da luz, este método requer que o circuito relacionado com a medição do tempo de voo ótico tenha uma velocidade de reação muito elevada para melhorar a resolução da medição do tempo de voo, de modo a melhorar a resolução final da distância de alcance. Tendo em conta o nível técnico atual do dispositivo, a sua taxa de divisão da distância pode ser centimétrica.
2.2 Tecnologia de mudança de fase
Alguns sensores de medição por laser utilizam a tecnologia de mudança de fase para medir a distância. Neste método, o sensor modula a luz laser numa frequência conhecida. Em seguida, compara a fase da luz emitida com a fase da luz reflectida. A diferença de fase fornece ao sensor a informação necessária para calcular a distância.
Vantagens da tecnologia de mudança de fase:
- Medição de alta velocidade: Os sensores de mudança de fase podem medir distâncias muito rapidamente, muitas vezes em menos de um milissegundo.
- Desempenho estável: Estes sensores são geralmente mais estáveis e menos afectados pelas condições de luz ambiente.
No entanto, a tecnologia de mudança de fase funciona normalmente melhor em distâncias mais curtas em comparação com sensores de tempo de voo.
3. Factores que afectam a precisão do sensor de distância a laser
Embora os sensores de medição a laser sejam altamente precisos, vários factores podem afetar o seu desempenho e precisão:
- Propriedades da superfície: A refletividade e a textura da superfície do objeto influenciam a capacidade do sensor para detetar o feixe laser refletido. As superfícies lisas e altamente reflectoras funcionam melhor, ao passo que as superfícies escuras e rugosas podem conduzir a erros de medição.
- Luz ambiente: Os sensores laser podem, por vezes, ser afectados pela luz ambiente, especialmente sob luz solar intensa. Alguns sensores vêm equipados com funcionalidades para minimizar estes efeitos.
- Alinhamento do sensor: O alinhamento correto do sensor é crucial. Um alinhamento incorreto pode resultar em medições imprecisas ou na incapacidade de detetar o objeto.
- Intervalo de distância: Os sensores laser têm um intervalo especificado dentro do qual funcionam com precisão. Ultrapassar o alcance máximo pode resultar em medições incorrectas ou na ausência de medição.
4. Aplicações dos sensores de distância por laser
Os sensores de medição a laser encontram aplicações em vários sectores devido à sua precisão e versatilidade. Eis algumas utilizações comuns:
4.1 Robótica e automatização
Os sensores de medição a laser são parte integrante da robótica e da automação. Ajudam os robôs a detetar obstáculos e a navegar em ambientes. Estes sensores são essenciais para aplicações como veículos autónomos e braços robóticos, onde é necessário um movimento preciso.
4.2 Digitalização 3D
Os sensores de medição laser são amplamente utilizados na digitalização 3D para criar digital modelos de objectos físicos ou ambientes. O sensor mede a distância a vários pontos na superfície de um objeto e ajuda a gerar uma representação 3D.
4.3 Medição industrial
Em ambientes industriais, os sensores de medição a laser desempenham um papel no controlo de qualidade, na automatização da linha de montagem e no teste de produtos. Podem medir com exatidão a espessura, altura ou distância dos materiais, assegurando a consistência e a qualidade da produção.
4.4 Aplicações no sector automóvel
Na indústria automóvel, os sensores de distância a laser ajudam em sistemas como os sensores de estacionamento e a prevenção de colisões. Estes sensores ajudam os veículos a detetar objectos próximos e a manter distâncias seguras em relação a outros automóveis.
Sensores laser, especialmente em LiDAR (Light Detection and Ranging), são utilizados para topografia e cartografar grandes áreas. O LiDAR ajuda a criar mapas topográficos detalhados e a medir distâncias em ambientes exteriores como florestas, cidades ou sítios geológicos.
Os sensores de medição a laser são ferramentas poderosas para medição de distânciasOs lasers são dispositivos de controlo de distância que oferecem elevada precisão e capacidades de longo alcance. Utilizam a tecnologia de tempo de voo ou de mudança de fase para calcular as distâncias com base no tempo de deslocação do laser ou na diferença de fase. Embora factores como as propriedades da superfície e a luz ambiente possam afetar a precisão, estes sensores continuam a fornecer algumas das medições de distância mais fiáveis e precisas atualmente disponíveis.
Os sensores laser rang encontraram o seu lugar em indústrias como a robótica, a digitalização 3D, a automação industrial e até a segurança automóvel. À medida que a tecnologia avança, podemos esperar que estes sensores se tornem ainda mais compactos, económicos e capazes, abrindo novas possibilidades na medição de distâncias e na automação. Quer seja para medições de alta precisão ou deteção de obstáculos, os sensores de distância a laser são indispensáveis em muitas tecnologias modernas.
