ich möchte einen Abstand im Bereich von 20-200mm messen - Genauigkeit von 5mm sollte reichen, je besser desto besser ;) Es gibt allerdings zwei Punkte, die das ganze einschränken und (vermeidlich) etwas komplizierter machen:
Die Messung soll in einer Röhre mit idealerweise 4mm, max. 5mm Innendurchmesser stattfinden.
Es soll nichts groß mechanisch verfahren werden (also kein "automatisierter Messschieber")
Bisher gab es seitlich in der Röhre kleine gegenüberliegende Löcher, wo mit Lichtleitern und entsprechend Lichtquelle / Analysator an verschiedenen Punkten Lichtschranken realisiert wurden. Hat den Nachteil des aufwendigeren Aufbaus und vor allem die diskrete Aufteilung der Länge.
Ich hatte da zuerst an einen ToF Sensor gedacht und hatte auch ein Eval Board des VL53L0X da. Diesen habe ich einfach mal ausprobiert und ich konnte mir mit einem Arduino auch den passenden Abstand zu meiner Hand anzeigen lassen. Doch als ich mir ein kleines Stück Plastik (25mm lang) genommen, ein 5mm Loch reingebohrt und den Sensor dort hineinplatziert habe, bekam ich nur "Fahrkarten" zurück - der Wert hat zwischen 22 und 40 geschwankt, obwohl das andere Ende des Loches nicht abgedeckt war.
Meine Vermutung ist, dass der Kegel des Emitters mit 35° zu groß ist und dann relativ bald an der nicht-spiegelglatten Wand reflektiert wird und dann wieder vom Kollektor empfangen wird.
Daher meine Frage: Gibt es sowas auch mit einem deutlich schmaleren Emitter, sodass ich "gerade" durch meine Röhre leuchten kann und nur wenn ein Gegenstand in dieser Röhre ist, wird der Strahl reflektiert und kann gemessen werden?
Ich möchte eben gerne wissen, wie weit etwas in diese Röhre eingeschoben wurde. Demnach habe ich auch nur diese eine 4-5mm große Öffnung, um die Messung durchzuführen. Ich bin auch für alternative Vorschläge offen, jedoch möchte ich am besten keine mechanische Belastung auf das eingeführte Teil und auch keine mechanische Verfahrerei haben - es sei denn es kommt DER Vorschlag. Also keinen Stab durch die Röhre fahren, bis das zu messende Teil berührt wird (und mit einem Mikrotaster erkannt wird) oder auch kein Verfahren einer Lichtschranke, das durch zwei Schlitze in der Röhre guckt und dadurch erkennt, nach wieviel Weg die Lichtschranke unterbrochen wurde.
Ich will nicht sagen "Preislich gibt es kein Limit" aber das soll erstmal zweitrangig sein. Wenn es z.B. eine passende Laserdiode mit separaten Platinchen für 80€ gibt, dann ist das durchaus in Ordnung.
Ich bin z.B. auf diesen Artikel hier gestoßen:
https://www.ushio.com/new-high-efficiency-laser-diodes-for-distance-measurement-sensing/
Aber wie genau das dann noch angesteuert und ausgewertet sein muss, weiß ich nicht. Da wäre ich für eine fertige Lösung (z.B. Plaine) sehr dankbar.
Die Messung soll in einer Röhre mit idealerweise 4mm, max. 5mm
Innendurchmesser stattfinden.
Bleibt allein schon von der "Messkeule" nur eine Laserabstandmessung. Und da bleibt nur Laufzeitmessung. Denn für den seitlichen Blick einer Triangulationsmessung reichen die 5mm Durchmesser bei weitem nicht:
Da findest du dann schnell heraus, ob es überhaupt eine optische Lösung für deine Aufgabe gibt. Wenn Wenglor, Sick, Baumer, Keyence usf. nichts im Programm haben, dann bekommst du das selber auch nicht hin.
Ich bin auch für alternative Vorschläge offen
Für alternative Ansätze: aus was besteht diese Röhre und wie sieht deren Geometrie aus, was wird in die Röhre hineingeschoben und wie schnell muss die Messung sein?
Die Abstandsmessung per Laser (Time of Flight oder Phasenverschiebung) würde von der Größe des Laserpunkt vermutlich zum Rohrdurchmesser passen und auch die gewünschte Messgenauigkeit wird damit erreicht.
Allerdings ist die Sensoröffnung bei den Laserentfernungsmessern ziemlich gross (im der Größenordnung einiger Zentimeter), da müßte man experimentieren inwieweit man die Reflektion aus dem Rohr zum Sensor bekommt.
Die gewünschte Messgeschwindigkeit ist ebenfalls wichtig, "Time of Flight" ist normalerweise schneller als die Messung der Phasenverschiebung.
Ich möchte neben Optischer abstandsmessung noch die Akustische ins rennen werfen. Ein Rohr eignet sich dafür perfekt, entweder mittels Laufzeit oder mittels Resonanzoszillator. Geeignete Transceiver wären In-Ear kopfhörer.
Wo im Bild sieht man jetzt die Strecke die du messen möchtest?
Das war einfach nur noch mal zur Veranschaulichung der 35°. Damit kann man dann ausrechnen, dass nach knapp über 8mm der Lichtkegel schon die Wand trifft, und auch nur, wenn der Emitter im Mittelpunkt liegen würde (was er nicht tut). Daher kommt eine potentielle Reflektion bereits nach wenigen Millimetern zustande, obwohl ich ja bis ca. 200mm messen will.
Dort habe ich mal geguckt und nur die "großen" Module gesehen, die auch einen recht großen Abstand von Sender- und Empfängerstelle haben. Auch wenn der Sensor am Ende des Rohres größer sein kann, als der Durchmesser, so müssen sich die Stellen, die für die Messung gebraucht werden (also z.B. Emitter und Kollektor) innerhalb eines 4-5mm Kreises befinden.
Für alternative Ansätze: aus was besteht diese Röhre und wie sieht deren
Geometrie aus, was wird in die Röhre hineingeschoben und wie schnell
muss die Messung sein?
Diese Röhre ist momentan ein 3D-Gedrucktes Teil (Quader aus ABS) mit eben einem langen Loch mit 4mm Durchmesser. An den Seiten sind die kleinen Löcher für die Lichtleiter der Lichtschranken. Da diese Lichtleiter ja ersetzt werden sollen, kann die Geometrie frei erstellt werden, daher dachte ich an eine Röhre.
Hineingeschoben wird ein vorne abgerundeter Plastik-Zylinder mit einem Durchmesser von 3.3mm. Um das einführen zu vereinfachen wollte ich also ein 4mm Loch haben, wobei bei 5mm auch noch sichergestellt ist, dass sich im Mittelpunkt des Loches "Material" befindet, das gemessen werden kann.
Die Messung muss eigentlich nur einmal erfolgen. Daher ist die Messzeit relativ egal. Ab einigen Sekunden für eine Messung wäre es irgendwann vielleicht aber schon zu langsam. Aber im Grunde wird es hineingesteckt und dann irgendwann gemessen, wenn es sich aber auch nicht mehr bewegt.
Laut meiner Recherche besteht diese Diode aus einer LD und PD (Laserdiode und Photodiode) und daher dachte ich, dass dort in diesem Package schon beide Teile (Emitter und Kollektor) vorhanden sind. Auch von der Größe her würde die Diode komplett in ein 4mm Loch passen. Doch an sich brauche ich ja irgendeinen Chip, der den Laserpuls gibt und an der Photodiode die Reflexion misst, idealerweise mit irgendeiner Schnittstelle (SPI/I2C) zum Auslesen der dann gemessenen Entfernung. Also quasi ein "ToF-AFE-Interface-Chip" ;) Dazu habe ich aber nichts finden können bisher.
Dort habe ich mal geguckt und nur die "großen" Module gesehen, die auch
einen recht großen Abstand von Sender- und Empfängerstelle haben. Auch
wenn der Sensor am Ende des Rohres größer sein kann, als der
Durchmesser, so müssen sich die Stellen, die für die Messung gebraucht
werden (also z.B. Emitter und Kollektor) innerhalb eines 4-5mm Kreises
befinden.
Es wird der Abstand zum Laserpunkt bestimmt, dieser Punkt liegt z.B. bei den mir bekannten Leica Laserentfernungsmessern (Messprinzip Phasenverschiebung) in der Größenordnung von ein paar Millimeter Durchmesser (bei Abständen unter 5 Meter zum Objekt). Auch bei den Sensoren von Sick und Wenglor die ich kenne (Abstandsmessung bis 10 Meter, Messprinzip Laufzeit) kommt die Größenordnung des Laserpunktes hin. Bei Bedarf kann man den Laser mit Spiegeln an den gewünschten Messpunkt umlenken.
Noch eine alternative zur Optischen messung: Kapazitive messung, also Zwei leiter in die Röhre und deren Kapazität z.b. mittels oszillator oder Ladungsmessung auswerten. Der Kunststoffstab muss eine andere Permittivität als die Luft und bauteile aussenrum haben.
Ich möchte eben gerne wissen, wie weit etwas in diese Röhre eingeschoben
wurde. Demnach habe ich auch nur diese eine 4-5mm große Öffnung, um die
Messung durchzuführen.
Wenn es dir darum geht, funktionierende Alternativen auszuloten, solltest du dein Problem weniger abstrakt formulieren.
Was wird dort reingeschoben (Material, Geschwindigkeit, Abmessungen), welche Randbedingungen gibt es für das Teil, wo es reingeschoben wird (Material, Abmessungen) und in was für einer Umgebung passiert das ganze (trockene Luft, Salzsprühnebel, ruhige Umgebung, Schlagbohrer direkt daneben, klares/trübes Süßwasser, klares/trübes Seewasser, Dreckbrühe oder sonstwas)?
Ich will nicht sagen "Preislich gibt es kein Limit" aber das soll
erstmal zweitrangig sein. Wenn es z.B. eine passende Laserdiode mit
separaten Platinchen für 80€ gibt,
Laut meiner Recherche besteht diese Diode aus einer LD und PD
(Laserdiode und Photodiode) und daher dachte ich, dass dort in diesem
Package schon beide Teile (Emitter und Kollektor) vorhanden sind.
Die bei vielen Laserdioden in dasselbe Gehäuse eingebaute Photodiode
nennt sich Monitordiode und dient dazu, die abgestrahlte Leistung der
Laserdiode zu messen, so dass den Strom entsprechend nachgeregelt werden
kann.
Sie ist nicht als Komponente für Abstandssensoren, Reflexlichtschranken
und dergleichen gedacht, obwohl vielleicht mit viel Geschick dafür
missbraucht werden kann.
Die Monitordiode empfängt primär direktes Licht aus der Laserdiode. Für
einen Abstandssensor ist aber das indirekte, d.h. das an einem externen
Objekt reflektierte Licht wichtig. Das indirekte Licht dürfte nur einen
geringen Anteil des insgesamt an der Photodiode ankommenden Lichts
ausmachen, weswegen sich auch die Phase des Photostroms mit dem
Objektabstand nur geringfügig ändern wird. Zudem ist die Phase auch
abhängig vom Reflexionsgrad des Objekts. Das wird die Auswertung
ziemlich schwer bis unmöglich machen (unmöglich dann, wenn die
Photodiode im Schatten der Laserdiode liegt und damit kaum reflektiertes
Licht empfängt).
ToF_Cones.png
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