ההפעלה והשימוש בחיישני מדידת מרחק בלייזר
1. פיתוח חיישני מרחק לייזר בזמן מעבר
יישום הלייזר בתחום האיתור הוא נרחב מאוד, התוכן הטכני עשיר מאוד, וגם ההשפעה על הייצור והחיים החברתיים מאוד ברורה. טווח לייזר הוא אחד היישומים המוקדמים ביותר של לייזרים. הסיבה לכך היא שללייזר יתרונות רבים כמו כיווניות חזקה, בהירות גבוהה ומונוכרומטיות טובה. לפני 1965, ברית המועצות השתמשה בלייזר כדי למדוד את המרחק בין כדור הארץ לירח (380'103 ק"מ) עם שגיאה של 250 מ' בלבד. ב-1969 האמריקנים נחתו על הירח עם מחזיר אור אחורי על הירח, וגם השתמשו בלייזרים למדידת המרחק בין כדור הארץ לירח, בשגיאה של 15 ס"מ בלבד. העיקרון הבסיסי של שימוש בזמן שידור לייזר למדידת מרחק הוא קביעת מרחק המטרה על ידי מדידת הזמן הדרוש ללייזר לעבור הלוך ושוב. . עכשיו:. למרות שלטווח לייזר זמן מעבר יש עיקרון ומבנה פשוטים, הוא שימש בעיקר במחקר צבאי ומדעי בעבר, אך הוא נדיר באוטומציה תעשייתית. מכיוון שהמחיר של חיישן טווח הלייזר גבוה מדי, בדרך כלל כמה אלפי דולרים. כמעט כל המשתמשים התעשייתיים מחפשים חיישן המאפשר זיהוי מרחק מדויק למרחקים ארוכים יותר. מכיוון שבמקרים רבים, התקנת חיישנים בטווח קרוב תהיה מוגבלת על ידי המיקום הפיזי וסביבת הייצור, חיישן מרחק הלייזר של זמן המעבר של היום יפתור את הבעיה למהנדסים במקרים כאלה.
2. עקרון עבודה
כאשר חיישן הלייזר זמן המעבר פועל, דיודת הלייזר מכוונת אל המטרה ופולטת פולסי לייזר. לאחר החזרה מהמטרה, אור הלייזר מתפזר לכל הכיוונים. חלק מהאור המפוזר חוזר למקלט החיישן, שם הוא נקלט על ידי המערכת האופטית ומצולם על גבי פוטודיודת המפולת. פוטודיודת מפולת היא חיישן אופטי עם הגברה פנימית כך שהיא יכולה לזהות אותות אור חלשים במיוחד. ניתן לקבוע את המרחק למטרה על ידי רישום ועיבוד הזמן שחלף מרגע שליחת דופק האור ועד לקבלתו בחזרה. חיישני Transit Time Laser חייבים לקבוע את זמן המעבר בדיוק רב מכיוון שמהירות האור כל כך מהירה. לדוגמה, מהירות האור היא בערך 3'108m/s, כדי להשיג רזולוציה של 1mm, המעגל האלקטרוני של חיישן טווח זמן המעבר חייב להיות מסוגל להבחין בזמן הקצר ביותר הבא: 0.001m¸ (3´108m/s)=3ps כדי להבחין בזמן של 3ps, זוהי דרישה מוגזמת לטכנולוגיה אלקטרונית, ועלות ההטמעה גבוהה מדי. אבל חיישני הלייזר הזולים של זמני המעבר של היום עוקפים בצורה מסודרת את המכשול הזה, תוך שימוש בעקרון סטטיסטי פשוט, הכלל הממוצע, כדי להשיג רזולוציה של 1 מ"מ ולהבטיח תגובה מהירה.
3. לפתור בעיות שלא ניתן לפתור על ידי טכנולוגיות אחרות
ניתן להשתמש בחיישני מרחק לייזר בזמן מעבר במקום שבו טכנולוגיות אחרות לא יכולות לשמש. לדוגמה, חיישן פוטו-אלקטרי נפוץ שסופר את האור המוחזר ממטרה יכול גם לבצע מספר רב של משימות זיהוי מיקום מדויק כאשר המטרה קרובה מאוד. עם זאת, כאשר המטרה רחוקה או שצבע המטרה משתנה, קשה לחיישנים פוטו-אלקטריים רגילים להתמודד. בעוד שחיישני דיכוי רעשי רקע מתקדמים וחיישני משולש פועלים היטב כאשר צבע המטרה משתנה, הביצועים שלהם הופכים פחות צפויים כאשר זווית המטרה אינה קבועה או שהמטרה בהירה מדי. בנוסף, לרוב חיישני הטריאנגולציה יש טווח מוגבל ל-0.5m. חיישנים אולטראסוניים משמשים לעתים קרובות גם לזיהוי עצמים במרחקים גדולים יותר, ומכיוון שהם אינם אופטיים, הם אינם מושפעים משינויי צבע. עם זאת, חיישנים קוליים מודדים מרחק בהתבסס על מהירות הקול, כך שיש להם כמה חסרונות מובנים ולא ניתן להשתמש בהם במצבים הבאים. ① כאשר היעד שיש למדוד אינו מאונך למתמר של החיישן. מכיוון שהמטרה של זיהוי קולי חייב להיות בתוך זווית של לא יותר מ-10 מעלה מהאזימוט האנכי של החיישן. ②כאשר קוטר הקורה נדרש להיות קטן. מכיוון שהקרן האולטראסונית הכללית היא בקוטר של 0.76 ס"מ כשהיא במרחק של 2 מטר מהחיישן. ③מקרים שבהם נדרשים כתמי אור גלויים לכיול מיקום. ④ אירועי רוח. ⑤ אירועי ואקום. ⑥ מקרים בהם שיפוע הטמפרטורה גדול. כי במקרה זה, מהירות הקול תשתנה. ⑦ מקרים הדורשים תגובה מהירה. חיישן מרחק הלייזר יכול לפתור את הזיהוי של כל ההזדמנויות לעיל.
