现代距离测量技术研究比较Word格式.docx
- 文档编号:21561782
- 上传时间:2023-01-31
- 格式:DOCX
- 页数:10
- 大小:81.94KB
现代距离测量技术研究比较Word格式.docx
《现代距离测量技术研究比较Word格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《现代距离测量技术研究比较Word格式.docx(10页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
..................................................................................5
a)微波雷达测距的方法
.....................................................................................5
b)微波雷达测距的原理
...................................................................................
6
2.3
超声波测距方法及原理.......................................................................................
6
a)超声波测距的方法
........................................................................................
b)超声波测距的原理
.........................................................................................6
2.3
红外线测距方法及原理......................................................................................
a)红外线测距的方法
7
b)红外线测距的原理
.......................................................................................
7
三、目前距离测量的现状
.................................................................................................
.7
3.1
激光测距的现状
.8
3.2
微波雷达测距的现状
8
3.3
超声波测距的现状..............................................................................................
.9
3.4
红外线测距的现状...............................................................................................9
四、测量原理和方法对比
..................................................................................................
9
4.1激光传感器的测量原理与方法对比:
..............................................................
9
4.2微波传感器的测量原理与方法对比:
.............................................................
10
4.3超声波传感器的测量原理与方法对比:
..........................................................10
4.4红外传感器的测量原理与方法对比:
..............................................................10
五、结论...............................................................................................................................11
[参考文献]
............................................................................................................................12
现代科学技术的发展,进入了许多新领域,而在测距方面先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距等新型测量技术。
本文将简单介绍当前距离测量的意义、方法、原理及现状,以及各种测量方法的测量原理及方法的简单对比,方便人们可以在生产生活中结合实际灵活运用各种测量技术。
现代科学技术的发展迅猛,而在距离测量方面也是如此:
先后出现了激光测距、微波雷达测距、超声波测距及红外线测距等新型测量技术。
现在将简单介绍当前距离测量的方法及原理:
2.1
激光测距方法及原理
激光方向性强,单色、相干性好,这些特点使得激光测距可以应用在多个领域。
激光测距传感器是由激光二极管对准目标发射激光脉冲,经目标反射后激光向各方向散射。
部分散射光返回到传感器接收器,被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。
雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器,因此它能检测极其微弱的光信号。
记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间,即可测定目标距离。
a)激光测距的方法
目前激光测距的方法主要有两种:
脉冲测距法和相位测距法。
脉冲测距法:
激光二极管发出光脉冲,经被测目标反射后,光脉冲回到传感器接收系统,测量其发射和接收脉冲的时间间隔,即光脉冲在待测距离上的往返传播时间t。
脉冲法测距精度大多为米的量级。
相位测距法:
它是通过测量连续调制的光波在待测距离上往返传播所发生的相位变化,间距测量时间t。
这种方法测量精度较高,因而在大地和工程测量中得到了广泛的应用。
b)激光测距的原理
相位法激光测距技术原理
当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。
这是因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一大缺陷:
误差过大,使测量精度达到毫米级别。
而基于此法的激光测距仪主要的缺点在于电路复杂、作用距离较短(一百米左右,经过众多科学工作者的努力,现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距仪)。
相位法激光测距技术,是采用无线电波段频率的激光,进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生的相位差测定,根据调制光的波长和频率,换算出激光飞行时间,再依次计算出待测距离。
该方法一般需要在待测物处放置反射镜,将激光原路反射回激光测距仪,由接收模块的鉴波器进行接收处理。
也就是说,该方法是一种有合作目标要求的被动式激光测距技术。
如下图所示:
由图所显示的关系,我们可以知道,用正弦信号调制发射信号的幅度,通过检测从目标反射的回波信号与发射信号之间的相移φ,通过计算即可以得到待测距离。
D=ct/2
t=φ/ω
ω=2nf
φ=N+Δφ
D=(N+Δφ)*c/(4nf)
其中,D是待测距离,也即测距仪与目标物间距离;
C是光速,等于299792458m/s(假设光速未受环境影响);
t是往返测距仪与目标物间距离一次的时间;
φ是激光光束往返一次后所形成的相位差;
Δφ是激光光束往返一次后所形成的相位差不足半波长的部分;
N是相位差中半波长的个数;
ω是调制信号的角频率。
由于N的个数在激光飞行之后并不能确定,所以这就导致了基于相位法的激光测距仪只能测定Δφ,相位差中不足半波长的部分。
这就形成了相位法的内伤:
最长作用距离固定,由调制光的波长决定。
但是从另一方面看,相位法激光测距仪可以准确地测量半个波长内的相位差,这也成就了相位法激光测距仪最为突出的优点:
测量精度高,可达到毫米级别。
脉冲法激光测距技术原理相位法与超声波测速测距所用方法相类似,最大测量距离通常为几百米,能较容易达到毫米的数量级,但是按照该方法设计的测距仪的最大测量距离是受到限制的,不可扩展。
该方法主要在国外应用较广。
而脉冲法激光测距一般采用红外激光,包括近红外激光和中红外激光。
该波段激光有可见和非可见之分。
且基于此技术的测距仪对相干性要求低、速度快、实现结构简单、峰值输出功率高、重复频率高且范围大,所以此项目使用的是脉冲方法设计手持激光测距仪。
脉冲法激光测距的原理是:
如上图,激光测距设备对准测量目标——Target,发送光脉冲,光脉冲在经过光学镜头时,一束被透镜前的平面镜反射,进入激光反馈计时模块,经光电转换及放大滤波整流后,电平信号送入时间数字转换芯片的开始计时端;
另一束激光脉冲经过透镜压缩发散角后,开始飞行,遇到目标障碍物后发生漫反射,部分激光返回到激光接收处理电路,同样地,经过光电转换及放大滤波整流后,所形成的电平信号送入时间数字转换芯片结束计时端,即完成整个测量过程。
设D为待测距离,T为往返测量点与待测物间距离所用时间,C为激光在空气中传播的速度(假设已设置测量的环境参数),n为测量时大气折射率,那么,易得:
D=CT/2n
非常简单地,我们把对距离的测量转变为对时间差的测量,所以,在脉冲式激光测距中,需要测量的只是发射与接收激光的时间间隔、受环境因素影响的大气折射率、环境参数及激光传播速度。
这就是脉冲式测距的理论原理。
现今主要的且较流行的雷达测距方法有2种,一种是脉冲(Pulse)型雷达测距;
另一种是调频连续波(FMCW)雷达测距。
脉冲(Pulse)型雷达测距原理是发射方波,测量发射脉冲与接收脉冲的时间差来计算距离,这种方法及其依赖于时间的精确测量,才能保证其测量精度,但是电磁波以光速传播,一般所测量的距离不是很远,导致发射和接收的时间差很短,这就对即时系统提出了极高的要求,如果要达到实用目的时间的测量系统的精度要达到皮秒级,现实中较难达到,而且即使达到其成本也想对较高。
连续波(FMCW)雷达测距原理是发射调频波,首先线性调频,测量发射波与反射波之间的频率差,进而计算出距离值。
此方法的关键在于调频波的线性度和差频器的精确度,
这两方面的技术均已经相对成熟,现实工程中比较容易实现,而且成本可以低廉。
所以连续波(FMCW)雷达测距在工程实践中得到了广泛的应用。
b)微波雷达测距的原理
雷达测距传感器是依据调频连续波原理(FMCW
Frequency
Modulated
Continuous
Wave)为基础的雷达物位计,它区别于脉冲式雷达,并因其探测近距离优越的性能而广泛应用于汽车防撞及工业物位领域。
物位测量精度不受介质介电常数、浓度(密度)、压力和温度的影响物位测量精度不受雾,泡沫、粉尘、蒸汽以及容器形状影响。
雷达使用线性调频高频信号,发射频率随一定时间间隔的线性(频率),频率范围为
10.5G
波长约为3cm。
由于发射频率是随着信号调制的时间变化的,接收混频后输出与
反射物体距离成比例的低频回波信号。
频率是由当前发射频率与接收的反射频率的混频获取的。
跟据不同的分辩率调制不同的FM信号:
1、雷达信号经天线发射,遇到被测界面反射,经过时间t
后,被天线及接收器接收。
2、当前发射波与被测界面反射波的差值被Hz为单位进行精确计算,频率的差值是与
天线到被测界面的距离成正比的,距离越大差值
越大,反之亦然。
3、数字信号处理过程中,时间信号通过“快速FFT变换”转换成频谱,
形成距离计算的
基础,进而通过计算出物位距离/高度。
超声波测距方法及原理
a)超声波测距的方法
超声波是一种频率在20KHz以上的机械波,在空气中的传播速度约为340m/s(20°
C时)。
超声波可由超声波传感器产生,常用的超声波传感器两大类:
一类是采用电气方式产生超声波,一类是用机械方式产生超声波,目前较为常用的是压电式超声波传感器。
可运用电子学方面的知识设计电气电路及软件代码设计实现。
b)超声波测距的原理
超声波是指频率高于20KHz的机械波。
为了以超声波作为检测手段,必须产生超生波和接收超声波。
完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。
超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。
超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;
而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。
超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF(timeofflight)。
首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离
。
测量距离的方法有很多种,短距离的可以用尺,远距离的有激光测距等,超声波测距适用于高精度的中长距离测量。
因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒,由单片机负责计时,单片机使用12.0M晶振,所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。
2.4红外线测距方法及原理
a)红外线测距的方法
红外光测距的方法很多,
目前应用较多的主要有PSD测距法、超声时间法、带运动机构的双象比较法和反射能量法。
PSD测距法利用三角测距原理,用一种称之为位置敏感器件(Position
Sensitive
Device)的PSD元件来获得二路输出信号,
根据这二路信号来获得物体的距离量值。
超声时间法测量一束超声波从发射到反射回仪器的时间来判断被测距离。
带运动机构的双象比较法则比较复杂,
系统中有二套光路对被测物体成像,其中一套光路是经过可运动的反光镜获得的,接收系统及时比较二套光路来的图像,
当二者一致时,
就可根据可运动反光镜的位置来获得物体的距离信息。
反射能量法中仪器发射一束光(通常是近红外光)
照射到被测物体表面,仪器同时接收被测物体的反射光能量,
根据接收到的反射光能量来判断被测物体的距离。
我们在红外测距系统就是采用反射能量法。
红外传感器的测距基本原理为红外发射电路的红外发光管发出红外光,经障碍物反射后,由红外接收电路的光敏接收管接收前方物体反射光,据此判断前方是否有障碍物。
根据发射光的强弱可以判断物体的距离,由于接收管接收的光强随是随反射物体的距离变化而变化的,因而,距离近则反射光强,距离远则反射光弱。
因为红外线在穿越其它物质时折射率很小,所以长距离的测距仪都会考虑红外线,而红外线的传播是需要时间的。
当红外线从测距仪发出碰到反射物被反射回来被测距仪接受到,再根据红外线从发出到被接受到的时间及红外线的传播速度就可以算出距离。
3.1
激光测距的测程长,精度可达mm级;
能量消耗大;
用于大地测量和部分工程测量。
激光在检测领域中的应用十分广泛,技术含量十分丰富,对社会生产和生活的影响也十分明显。
激光测距是激光最早的应用之一。
这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。
这是一个科技飞速发展的时代,人们的生活也越来越依赖科技成果。
就拿激光测距仪来说,以前人们测量距离都用皮尺、掉线、丈量等这些方法,现在只需在这个小小的激光测距仪上按个按钮就能完成了。
而且激光测距仪要比那些传统的测量方式精确率高、体积小。
重量轻,携带起来也很方便。
由于用途广泛激光测距仪的发展势不可挡,现在市场上的激光测距仪有:
脉冲式激光测距仪和相位激光测距仪。
虽然都是用来测量距离的但是他们却各有长处,其中脉冲式激光测距仪的测量范围广精度差,而相位式的激光测距仪测量范围小但精度高可达到好毫米级。
这其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广,比如,地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等。
脉冲激光测距法是利用激光脉冲持续时间非常短,能量相对集中,瞬时功率很大的特点,在有合作目标的情况下,脉冲激光测距可以达到极远的测程;
如果只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号,也是可以测距的。
激光测距虽然原理简单、结构简单,但以前主要用于军事和科学研究方面,在工业自动化方面却很少见。
因为激光测距传感器售价太高,一般在几千美元。
实际上,所有工业用户都在寻找一种能在较远距离实现精密距离检测的传感器。
因为许多情况下近距离安装传感器会受物理位置及生产环境的限制,如今的激光测距传感器将为这类场合的工程师排忧解难。
3.2
微波雷达测速传感器
(测程0.1-300m)微波腔体振荡器频率为10.525G可用于非接触测量车辆车速、车长等、及汽车雷达避撞、人体移动、空中飞鸟智能化控制、医疗、生命
特怔探测
自动门控制器长检测距离
灯光控制开关、粮食水分仪传感器、混凝土湿度测量传感器、治安探测器(用于探测生物特性)物体车辆的移动速度角度70度,腔体内包含混频管震荡管及收发谐振天线。
3.3
超声波测距的现状
现代科技的迅速发展对检测技术提出了更高的要求,各种计量检测技术都向非接触、高灵敏度、智能化、微型化方向发展。
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
不仅在工业中,在日常生活中超声测距也有着广泛的应用。
超声波测距器,还可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。
要求测量范围在0.10-5.00m,测量精度1cm,测量时与被测物体无直接接触,能够清晰稳定地显示测量结果。
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波经常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,并且在测量精度方面能达到工业实用的要求,因此在移动机器人的研制上也得到了广泛的应用
红外线测距的现状
目前,使用较多的一种传感器是红外光电开关,它的发射频率一般为38
kHz左右,探测距离一般比较短,通常被用作近距离障碍目标的识别。
红外线光电开关是一种新型的非接触式开关,不受其他光源的干扰和使用环境的限制,具有工作可靠、抗干扰能力强、响应速度快、寿命长等优点,而且红外线虽是不可见光,但它的直线传播、反射、折射等物理属性均与可见光相似,在光的传播中可以使用聚焦透镜、折射棱镜等光学器件。
光线不可见意味着有一定的隐蔽性,所以这种开关在工农业生产和安全警卫工作中,有着广泛的应用前景。
4.1激光传感器测量原理和方法比较:
相位测距原理与脉冲测距的区别:
1、调制方式不同,脉冲测距调制激光器产生巨脉冲,相位测距调制激光器产生强度成余弦变化的连续波;
2、信号处理方式不同,脉冲测距用开关电路高频脉冲计数,测量内外光路产生的两个脉冲之间相距的时间,相位测距比较主振信号与返回信号之间相位差,来计算光线从测距仪到被测点传播往返的时间。
虽然脉冲式激光测距和相位激光测距都是用来测量距离的但是他们却各有长处,其中脉冲式激光测距仪的测量范围广精度差,而相位式的激光测距仪测量范围小但精度高可达到好毫米级。
4.2微波雷达传感器测量原理和方法比较
脉冲型雷达测距及其依赖于时间的精确测量,才能保证其测量精度,但是电磁波以光速传播,一般所测量的距离不是很远,导致发射和接收的时间差很短,这就对即时系统提出了极高的要求,如果要达到实用目的时间的测量系统的精度要达到皮秒级,现实中较难达到,而且即使达到其成本也想对较高。
连续波雷达测距的关键在于调频波的线性度和差频器的精确度,这两方面的技术均已经相对成熟,现实工程中比较容易实现,而且成本可以低廉。
4.3
超声波传感器测量原理和方法比较
超声波技术在测量领域具有相对的优势。
由于超声有很好的指向性,超声在某种媒质中的传播速度较为恒定,因此,超声最常用的功能是距离测量及定位。
由于超声测距的是一种非接触的测量方式,和红外、激光及无线电测距相比,超声测距有结构简单、成本较低、不易受光线、烟雾、电磁影响等优点,而且红外线、光电技术和激光技术的传播速度,快而超声传播速度仅为光波的百万分之一,所以超声波技术更适合直接测量较近距离的物体。
4.4
红外传感器测量原理和方法比较:
激光测距是靠激光束照射在物体上反射回来的激光束探测物体的距离。
由于受恶劣的天气、污染等因素影响,使反射的激光束在一定功率上探测距离比可能探测的最大距离减少一半左右,损失很大,影响探测的精确度;
微波雷达测距技术为军事和某些工业开发采用的装备和振荡器等电路部分价格昂贵,现在几乎还没有开拓民用市场;
超
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 现代 距离 测量 技术研究 比较