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　　為了研究和利用超聲波,人們已經(jīng)設(shè)計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：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波,一類是用機械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動型等；機械方式有加爾統(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間法,即利用s=vt/2計算被測物體的距離。式中s為收發(fā)頭與被測物體之間的距離, 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,在到達被測物體時被其表面反射返回,由接收頭接收,其往返時間為t,由s算出被測物體的距離。T為環(huán)境溫度,在量精度要求高的場合必須考慮此影響,但在一般情況下,可舍去此法,由軟件進行調(diào)整補償。
　　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,如果溫度變化不大,則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高,則應(yīng)通過溫度補償?shù)姆椒�加以校正。聲速確定后,只要測得超聲波往返的時間,就可以求出距離。這就是超聲波測距原理。

超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大,尤其是在陽光不透明的固體中,它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波,碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面以超聲波作為檢測手段,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)慣上稱為超聲換能器,或者超聲探頭。
激光測距傳感器工作原理：
激光傳感器工作時,先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標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,因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間,即可測定目標距離。激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間,因為光速太快。
紅外線測距傳感器工作原理：
紅外測距傳感器利用紅外信號遇到障礙物距離的不同反射的強度也不同的原理,進行障礙物遠近的檢測。紅外測距傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管,發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號,接收管接收這種頻率的紅外信號,當(dāng)紅外的檢測方向遇到障礙物時,紅外信號反射回來被接收管接收,經(jīng)過處理之后,通過數(shù)字傳感器接口返回到機器人主機,機器人即可利用紅外的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化
24GHZ雷達測距傳感器原理：
FSK測運動物體 [1]
FMCW測靜止和運動物體

　　激光測距傳感器的優(yōu)勢: 　　激光測距傳感器INSIGHT-60 　　核心技術(shù)指標
　　1、 激光測距傳感器
　　2、 測量距離范圍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5萬個小時（5年）
　　5、 具備標準的RS232、RS422的通訊串口
　　6、 同時具備數(shù)字信號和4-20MA模擬型號輸出。模擬信號對應(yīng)距離最大值可自行設(shè)定
　　7、 激光測距傳感器可以和以太網(wǎng)標準ASC2碼
　　8、 簡潔實用的通訊軟件保證了現(xiàn)場工作的準確方便
　　一、傳輸時間激光距離傳感器的發(fā)展
　　激光在檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛,技術(shù)含量十分豐富,對社會生產(chǎn)和生活的影響也十分明顯。激光測距是激光最早的應(yīng)用之一。這是由于激光具有方向性強、亮度高、單色性好等許多優(yōu)點。1965年前蘇聯(lián)利用激光測地球和月球之間距離（380´103km）誤差只有250m。1969年美國人登月后置反射鏡于月面,也用激光測量地月之距,誤差只有15cm。
　　利用激光傳輸時間來測量距離的基本原理是通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離。即： 。
　　傳輸時間激光測距雖然原理簡單、結(jié)構(gòu)簡單,但以前主要用于軍事和科學(xué)研究方面,在工業(yè)自動化方面卻很少見。因為激光測距傳感器售價太高,一般在幾千美元。實際上,所有工業(yè)用戶都在尋找一種能在較遠距離實現(xiàn)精密距離檢測的傳感器。因為許多情況下近距離安裝傳感器會受物理位置及生產(chǎn)環(huán)境的限制,如今的傳輸時間激光測距傳感器將為這類場合的工程師排憂解難。
　　二、工作原理
　　傳輸時間激光傳感器工作時,先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標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,因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間,即可測定目標距離。傳輸時間激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間,因為光速太快。
　　例如,光速約為3´108m/s,要想使分辨率達到1mm,則傳輸時間測距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時間： 　　0.001m¸(3´108m/s)=3ps 　　要分辨出3ps的時間,這是對電子技術(shù)提出的過高要求,實現(xiàn)起來造價太高。但是如今廉價的傳輸時間激光傳感器巧妙地避開了這一障礙,利用一種簡單的統(tǒng)計學(xué)原理,即平均法則實現(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)無法解決的問題
　　傳輸時間激光距離傳感器可用于其它技術(shù)無法應(yīng)用的場合。例如,當(dāng)目標很近時,計算來自目標反射光的普通光電傳感器也能完成大量的精密位置檢測任務(wù)。但是,當(dāng)目標距離較遠內(nèi)或目標顏色變化時,普通光電傳感器就難以應(yīng)付了。
　　雖然先進的背景噪聲抑制傳感器和三角測量傳感器在目標顏色變化的情況下能較好地工作,但是,在目標角度不固定或目標太亮?xí)r,其性能的可預(yù)測性變差。此外,三角測量傳感器一般量程只限于0.5m以內(nèi)。
　　超聲波傳感器雖然也經(jīng)常用于檢測距離較遠的物體,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)聲速測量距離的,因此存在一些固有的缺點,不能用于以下場合。
　�、俅郎y目標與傳感器的換能器不相垂直的場合。因為超聲波檢測的目標必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于10°角以內(nèi)。
　�、谛枰�光束直徑很小的場合。因為一般超聲波束在離開傳感器2m遠時直徑為0.76cm。
　�、坌枰�可見光斑進行位置校準的場合。
　�、芏囡L(fēng)的場合。
　�、菡婵請龊�。
　　⑥溫度梯度較大的場合。因為這種情況下會造成聲速的變化。
　　⑦需要快速響應(yīng)的場合。
　　而激光距離傳感器能解決上述所有場合的檢測。
　　四、在自動化領(lǐng)域的廣泛用途
　　如今,自動檢測和控制的方法中,除了超聲波傳感器和普通光電傳感器外,又增加了一個能解決長距離測量和檢驗的新方法—傳輸時間激光距離傳感器。它為各種不同場合提供了應(yīng)用的靈活性,這些場合可包括如下：
　�、僭O(shè)備定位。
　�、跍y量料包的料位。
　�、蹨y量傳送帶上的物體距離和物體高度。
　�、軠y量原木直徑。
　�、荼Ｗo高架起重機免于碰撞。
　�、逕o誤差檢查場合。
激光測距傳感器的工作原理
　　傳輸時間激光傳感器工作時,先由激光二極管對準目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)目標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,因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄并處理從光脈沖發(fā)出到返回被接收所經(jīng)歷的時間,即可測定目標距離。傳輸時間激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間,因為光速太快。
基于HOLLiAS-LEC G3 PLC的激光測距系統(tǒng)
隨著激光技術(shù)的發(fā)展,激光測距傳感器在檢測領(lǐng)域得到了越來越多的應(yīng)用。本文所研究的基于HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC的激光測距系統(tǒng),對多臺激光測距傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進行處理,并將數(shù)據(jù)傳送給上位機,實現(xiàn)了對多臺激光測距傳感器的監(jiān)控。
1. 激光測距傳感器的基本原理
激光測距傳感器的基本原理是,通過測量激光往返于被測目標之間所需的時間,來確定被測目標之間的距離。激光測距傳感器的原理和結(jié)構(gòu)都很簡單,是長距離檢測最有效的手段。
激光測距傳感器工作時,首先由激光二極管對被測目標發(fā)射激光脈沖。經(jīng)被測目標反射后,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,能夠檢測極其微弱的光信號。記錄并處理激光脈沖從發(fā)射到返回所經(jīng)歷的時間,即可得到被測目標的距離。
2. PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計
基于HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC的激光測距系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。系統(tǒng)通過PLC的自由口通信,接收多臺激光測距傳感器發(fā)送過來的數(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,計算出測量的距離。系統(tǒng)的功能還包括顯示測量距離、在非正常情況下報警、與上位機進行數(shù)據(jù)交換等。
PLC的CPU模塊選用HOLLiAS-LEC G3系列的LM3108模塊,其性能價格比很高,廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制的各個領(lǐng)域。LM3108模塊的標準配置包括兩個串行通信接口PORT0和PORT1,其中PORT0為RS485接口,PORT1為RS232接口。采用RS232接口建立PLC與上位機的通信,實現(xiàn)PLC程序的下裝和監(jiān)控。采用RS485接口建立PLC與現(xiàn)場儀表的通信。
3. PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計
PLC采用自由口通信方式接收激光測距傳感器的數(shù)據(jù),用[%]MB400~[%]MB411的12個字節(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,是指用戶可以通過設(shè)置通信模式來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公司的編程軟件PowerPro完成,下面詳細介紹數(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)接收標志 *)
ReceivedData: STRING; (* 存儲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能夠操作的十六進制數(shù)。
首先在存儲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HOLLiAS-LEC G3小型一體化PLC作為激光測距系統(tǒng)的控制核心,可以方便地與激光測距傳感器進行通信。實踐證明,該方案結(jié)構(gòu)簡單,運行過程穩(wěn)定可靠,實現(xiàn)了激光測距系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與處理。