Содержание, карта.

Как работает лазерная рулетка


Как работает лазерная рулетка: реверс-инжиниринг / Хабр

Ранее в своей статье я рассказывал о том, как устроены фазовые лазерные дальномеры. Теперь пришло время разобраться с тем, как работают бытовые лазерные рулетки. Разобраться — это не просто заглянуть, что же там внутри, а полностью восстановить всю схему и написать собственную программу для микроконтроллера.

Принцип работы лазерных рулеток

Большинство лазерных рулеток используют

фазовый

, а не импульсный (времяпролетный, TOF) метод измерения расстояния.

Для целостности этой статьи процитирую часть теории из своей предыдущей статьи:

В фазовом методе, в отличие от импульсного, лазер работает постоянно, но его излучение амплитудно модулируется сигналом определенной частоты (обычно это частоты меньше 500МГц). Отмечу, что длина волны лазера при этом остается неизменной (она находится в пределах 500 — 1100 нм).

Отраженное от объекта излучение принимается фотоприемником, и его фаза сравнивается с фазой опорного сигнала — от лазера. Наличие задержки при распространении волны создает сдвиг фаз, который и измеряется дальномером.

Расстояние определяется по формуле:


Где с — скорость света, f — частота модуляции лазера, фи — фазовый сдвиг.

Эта формула справедлива только в том случае, если расстояние до объекта меньше половины длины волны модулирующего сигнала, которая равна с / 2f.

Если частота модуляции равна 10 МГц, то измеряемое расстояние может доходить до 15 метров, и при изменении расстояния от 0 до 15 метров разность фаз будет меняться от 0 до 360 градусов. Изменение сдвига фаз на 1 градус в таком случае соответствует перемещению объекта примерно на 4 см.

При превышении этого расстояния возникает неоднозначность— невозможно определить, сколько периодов волны укладывается в измеряемом расстоянии. Для разрешения неоднозначности частоту модуляции лазера переключают, после чего решают получившуюся систему уравнений.

Самый простой случай — использование двух частот, на низкой приблизительно определяют расстояние до объекта (но максимальное расстояние все равно ограничено), на высокой определяют расстояние с нужной точностью — при одинаковой точности измерения фазового сдвига, при использовании высокой частоты точность измерения расстояния будет заметно выше.

Так как существуют относительно простые способы измерять фазовый сдвиг с высокой точностью, то точность измерения расстояния в таких дальномерах может доходить до 0.5 мм. Именно фазовый принцип используется в дальномерах, требующих большой точности измерения — геодезических дальномерах, лазерных рулетках, сканирующих дальномерах, устанавливаемых на роботах.

Однако у метода есть и недостатки — мощность излучения постоянно работающего лазера заметно меньше, чем у импульсного лазера, что не позволяет использовать фазовые дальномеры для измерения больших расстояний. Кроме того, измерение фазы с нужной точностью может занимать определенное время, что ограничивает быстродействие прибора.

Как я уже упоминал выше, для повышения точности нужно повышать частоту модуляции излучения лазера. Однако измерить разность фаз двух высокочастотных сигналов достаточно сложно. Поэтому в фазовых дальномерах часто применяют гетеродинное преобразование сигналов. Структурная схема такого дальномера показана ниже. Рассматриваемая мной лазерная рулетка устроена именно так.

В состав дальномера входят два высокочастотных генератора, формирующие два сигнала, близких по частоте. Сигнал с одного из них подается на лазер, сигнал от другого (гетеродина) перемножается с сигналом, принятым фотоприемником. Получившийся сигнал подается на фильтр, пропускающий только низкие частоты (LPF), так что на выходе фильтра остается только сигнал разностной частоты. Этот сигнал имеет очень маленькую амплитуду, и его приходится усиливать, прежде чем подавать на микроконтроллер. Стоит заметить, что сделать низкочастотный усилитель с большим коэффициентом усиления намного проще, чем высокочастотный, что также является преимуществом гетеродинной схемы.

Поскольку в фазовом дальномере измеряется именно разность фаз сигналов, то в конструкции нужен еще один сигнал — опорный. Его получают перемножением сигналов от обоих генераторов. Оба получившихся низкочастотных сигнала обрабатываются микроконтроллером дальномера, который вычисляет разность фаз между ними.

Отдельно стоит упомянуть, что в большинстве лазерных дальномеров в качестве фотоприемников используются лавинные фотодиоды (APD). Они обладают собственным внутренним усилением сигнала, что уменьшает требования к усилительным узлам дальномера. Коэффициент усиления таких фотодиодов нелинейно зависит от питающего напряжения. Таким образом, если модулировать напряжение питания APD сигналом гетеродина, то смешивание (перемножение) сигналов происходит прямо в самом фотодиоде. Это позволяет упростить конструкцию дальномера, и уменьшить влияние шумов.

В тоже время, у лавинных фотодиодов много недостатков. К ним можно отнести:

  • Напряжение питания должно быть достаточно высоким — сотня вольт и выше.
  • Сильная зависимость параметров от температуры.
  • Достаточно высокая стоимость (по сравнению с другими фотодиодами).

Реверс-инжиниринг лазерной рулетки


В качестве подопытного образца я использовал набор «50M DIY Rangefinder», найденный на просторах Aliexpress (справа приведена фотография включенной рулетки). Насколько я понял, этот набор — внутренности лазерной рулетки «X-40» (сейчас ее можно найти в продаже за 20$). Этот набор я выбрал только потому, что на его фотографиях было видно электронику устройства. По имеющейся у меня информации, схемотехника этой рулетки очень близка к схемотехнике рулетки U-NIT UT390B+, и другим китайским лазерным рулеткам и модулям лазерных дальномеров.

Во время испытаний я смог проверить работу рулетки только на расстоянии в 10 м. Работала она при этом с большим трудом, время измерения было больше 5 секунд. Подозреваю, что даже расстояние в 20 метров она измерить бы уже не смогла, не говоря о заявленных производителем 50 м.

Что же представляет из себя конструкция такой рулетки?

Как видно из фотографий, она достаточно проста. Конструктивно рулетка состоит из блока лазерного дальномера, индикатора и платы с кнопками. Очевидно, что самое интересное — это блок дальномера. Вот так он выглядит вблизи:

С верхней стороны платы расположены две основные микросхемы дальномера — микроконтроллер STM32F100C8T6 и сдвоенный PLL генератор Si5351. Эта микросхема способна формировать два сигнала с частотами до 200 МГц. Именно она формирует сигнал для модуляции лазера и сигнал гетеродина. Также на этой стороне платы расположен смеситель и фильтр опорного (REF) сигнала и часть деталей узла высоковольтного источника напряжения для APD (вверху фотографии).

Так выглядит нижняя сторона блока дальномера:

Из фотографии может быть не понятно, но на самом деле здесь видно две печатные платы — вторая очень маленькая и закреплена вертикально. На этой фотографии хорошо видно выводы лазерного диода, маленький динамик (он постоянно пищал при работе, так что позже я его выпаял). Кроме того, здесь находятся компоненты, формирующие питающие напряжения рулетки.

На маленькой платке расположен лавинный фотодиод со встроенным интерференционным светофильтром и усилитель принятого сигнала. Вот так выглядит эта плата сбоку:

На фотографии справа показан вид лавинного фотодиода через линзу-объектив рулетки.

Следующий этап — восстановление схемы рулетки. Плата довольно маленькая и не очень сложная, хотя и многослойная, так что процесс восстановления схемы занял не очень много времени.
Фото платы с подписанными компонентами:

В одном из китайских интернет-магазинов мне удалось найти картинку с изображением печатной платы модуля лазерного дальномера (версия 511F), которая была очень близка по конструкции с моей платой (версия 512A). Разрешение картинки довольно низкое, зато на ней видно расположение проводников и переходных отверстий под микросхемами. В дальнейшем я подписал на ней номера компонентов и выделил проводники:

К сожалению, по маркировке части SMD компонентов не удалось определить их названия. Номиналы большинства конденсаторов нельзя определить без выпаивания их из платы. Номиналы резисторов я измерял мультиметром, так что они могут быть определены неточно.

В результате исследования у меня получилась вот такая структурная схема рулетки:

Электрическую схему я разбил на несколько листов:


Схема 1. Микроконтроллер, узел питания и некоторое простые цепи.

Здесь все достаточно просто — тут показаны микроконтроллер STM32, некоторые элементы его обвязки, динамик, клавиатура, некоторые ФНЧ фильтры. Здесь же показан повышающий DC-DC преобразователь напряжения (микросхема DA1), формирующий напряжение питания рулетки.

Рулетка рассчитана на работу от 2 батареек, напряжение которых может меняться в процессе работы. Указанный преобразователь формирует из входного напряжения VBAT постоянное напряжение 3.5 В (несколько необычное значение). Для включения и выключения питания рулетки используется узел, собранный на транзисторной сборке DA2. При нажатии кнопки S1 он включает DC-DC, после чего микроконтроллер сигналом по линии «MCU_power» начинает удерживать DC-DC включенным.

Во время одного из измерений я случайно сжег микросхему этого DC-DC преобразователя (щуп мультиметра соскочил, и замкнул ее ножки). Так как я не смог определить название микросхемы, мне пришлось выпаять ее, и подавать на рулетку напряжение 3.5 В от внешнего источника напряжения.

Снизу на краю платы есть 8 прямоугольных площадок, которые могут использоваться как отладочные или тестовые. Я отметил их на схеме «PMx». Из схемы видно, что все они подключены к выводам микроконтроллера. Среди них есть линии UART. Родная прошивка не ведет никакой активности на этих линиях, линия TX, судя по осциллографу, сконфигурирована на вход.
Также на краю платы есть 6 отверстий-контактов. На схеме они отмечены «Px». На них выведены линии питания рулетки и линии программирования STM32.


Схема 2. Узел PLL генератора, и узел управления лазерным диодом.

Микросхема PLL генератора Si5351 формирует прямоугольный сигнал, поэтому, чтобы убрать лишние гармоники, сигналы с выхода PLL подаются на два одинаковых полосовых фильтра. Тут же показан смеситель сигналов, собранный на диоде D1 — сигнал с него используется в качестве опорного при измерении разности фаз.

Как можно видеть из схемы, один из сигналов c PLL («LASER_signal») выводится на лазерный диод D3 без каких-либо преобразований. С другой стороны, яркость лазера (которая определяется величиной тока, текущим через него) стабилизируется при помощи аналогового узла, собранного на микросхеме DA3 и окружающих ее компонентах. Реальный уровень яркости лазера этот узел получает от встроенного в лазер фотодиода (он не показан на схеме). При помощи линии «laser_power» микроконтроллер может полностью отключить лазер, а при помощи линии «line10», соединенной с ЦАП микроконтроллера — регулировать яркость лазера. Исследование осциллографом показало, что рулетка постоянно удерживает на этой линии значение 1.4 В, и оно не меняется ни при каких условиях.


Схема 3. Узел питания APD и усилитель сигнала с APD.

Слева здесь показан линейный источник напряжения, формирующий питающее напряжение для усилителя фотодиода (DA5). Эта микросхема формирует напряжение 3.3 В, так что напряжение на ее входе должно быть выше 3.3 В. Насколько я понимаю, именно это служит причиной того, что остальная часть схемы питается от 3.5 В.

Ниже показан повышающий DC-DC преобразователь, собранный на микросхеме DA4, формирующий высокое напряжение (> 80 В) для лавинного фотодиода. Микроконтроллер может изменять величину этого напряжения при помощи линии «MCU_APD_CTRL», соединенной с ЦАП контроллера. Название микросхемы DA4 мне не удалось установить, так что пришлось экспериментально определять, как зависит напряжение на APD от уровня управляющего сигнала. Эта зависимость получается какая-то странная, с ростом величины управляющего сигнала, выходное напряжение падает. В дальнейших экспериментах я использовал несколько константных значений ЦАП, для которых я знал соответствующие им выходные напряжения.

Справа на схеме 3 показана схема маленькой печатной платы. Линиями M1-M8 показаны контактные площадки, соединяющие обе платы. Диод D6 — это лавинный фотодиод (APD). Он никак не промаркирован, так что определить его название и характеристики невозможно. Могу лишь сказать, что он имеет корпус LCC3.

На катод APD по линии M8 подается высокое постоянное напряжение. Также можно видеть, что через конденсатор C41 по линии «APD_modul» к нему подмешивается высокочастотный сигнал от PLL. Таким образом, на APD смешиваются оптический сигнал и сигнал «APD_modul», имеющие разные частоты. В результате этого на выходе APD появляется низкочастотный сигнал, который выделяется полосовым фильтром (компоненты C55, R41, R42, R44, C58, C59).

Далее низкочастотный сигнал усиливается операционным усилителем DA6B (SGM8542). Сигнал с выхода DA6B передается на АЦП микроконтроллера по линии M2. Также этот сигнал дополнительно усиливается транзистором T6 и передается на микроконтроллер по линии M1.
Такое ступенчатое усиление нужно из-за того, что уровень входного сигнала меняется в очень широких пределах.

Кроме того, рядом с APD установлен терморезистор R58, позволяющий определить температуру APD. Как я уже говорил, параметры APD сильно зависят от температуры, и терморезистор нужен для программной компенсации этой зависимости. В процессе работы APD нагревается, и даже это изменяет его характеристики. К примеру, при комнатной температуре из-за собственного нагрева усиление фотодиода падает более чем в 2 раза.

В случае, когда уровня принимаемого сигнала не хватает, микроконтроллер повышает напряжение на APD, таким образом увеличивая усиление. Во время проверки работы рулетки с родной прошивкой я обнаружил, что там есть только два уровня выходного напряжения — 80 и 93 В. Однако в то время я не догадался, что эти уровни могу зависеть от температуры APD, и не проверил, меняются ли в рулетке какие-либо управляющие сигналы при нагреве.

На фотографиях платы видно, что на ней есть контрольные площадки. Я отметил их на схеме и плате: «TPx». Среди них можно выделить:

  • TP3, TP4 — низкочастотный сигнал с усилителя фотодиода. Именно этот сигнал несет информацию о расстоянии до объекта. При помощи осциллографа можно увидеть, что сигнал имеет частоту 5 кГц, и содержит постоянную составляющую.
  • TP1 — опорный сигнал. Также имеет частоту 5 кГц и содержит постоянную составляющую. Амплитуда этого сигнала довольно мала — около 100 мВ.
  • TP5 — высокое напряжение питания лавинного фотодиода.

Программирование

Прежде чем пытаться сделать что-то с родной прошивкой контроллера, я решил снять логическим анализатором обмен между STM32 и PLL, который происходит по I2C шине. Для этого я припаял провода к подтягивающим резисторам шины:

Мне без проблем удалось перехватить обмен между упомянутыми микросхемами и декодировать данные в передаваемых посылках:

Анализ результатов показал, что контроллер всегда только записывает информацию в PLL, и ничего не считывает. При хорошем уровне сигнала один цикл измерений занимает около 0.4 секунд, при плохом уровне сигнала измерения идут значительно дольше.

Видно, что микроконтроллер передает в PLL достаточно крупные посылки с периодом около 5 мс.
Поскольку данных было много, для их анализа я написал специальную программу на Python. Программа определяла и подсчитывала посылки, определяла размер посылок, время между ними. Кроме того, программа выводила названия регистров PLL, в которые производится запись передаваемых байтов.

Как оказалось, каждые 5 мс STM32 полностью перезаписывает основные регистры PLL (длина пакета 51 байт), в результате чего PLL меняет обе частоты. Никакой инициализации PLL рулетка не проводит — то есть пакеты передаваемых данных несут полную конфигурацию PLL. При хорошем уровне сигнала цикл измерений состоит из 64 передач данных.

Далее я добавил в программу расчет частоты по данным, передаваемым в пакетах. Выяснилось, что в процессе измерений рулетка использует четыре частоты модуляции лазера:

  • 162.0 MHz
  • 189.0 MHz
  • 192.75 MHz
  • 193.5 MHz

Частота гетеродина (второй выход PLL) при этом всегда имеет частоту, на 5 кГц меньшую, чем частота модуляции лазера.

Судя по всему, 4 цикла переключения частот (по 5 мс каждый) позволяют обеспечить однократное определение расстояния. Таким образом, проведя 64 цикла, рулетка выполняет 16 измерений расстояния, после чего усредняет и фильтрует результаты, за счет чего повышается точность измерения.

Далее я приступил к написанию своей программы для микроконтроллера рулетки.

После подключения программатора к рулетке компьютер не обнаружил ее микроконтроллер. Насколько я понимаю, это значит, что в родной прошивке интерфейс SWD отключен программно. Эту проблему я обошел, подключив к рулетке линию программатора NRST и выбрав в настройках ST-LINK Utility режим «Connect under reset». После этого компьютер обнаружил контроллер, но, как и ожидалось, родная прошивка была защищена от чтения. Для того, чтобы записать в контроллер свою программу, Flash-память контроллера пришлось стереть.

Первым делом в своей программе я реализовал включение питания аналоговой части дальномера, включение лазера и установку его тока, включение напряжения питания APD. После того, как я убедился, что все напряжения в норме, можно было экспериментировать с PLL. Для теста я просто реализовал запись в PLL тех данных, которые я ранее получил с рулетки.

В результате после запуска своей программы я обнаружил, что на контрольных точках появился сигнал с частотой 5 кГц, амплитуда которого явно зависела от типа объекта, на которые светил лазер. Это значило, что вся аналоговая электроника работает правильно.

После этого я добавил в программу захват аналогового сигнала при помощи АЦП. Стоит отметить, что для измерения разности фаз сигналов микроконтроллер должен захватывать уровни основного и опорного сигналов одновременно или с постоянной задержкой. В STM32F100 последний вариант можно реализовать, используя режим сканирования АЦП. Данные от АЦП при этом логично захватывать в память при помощи DMA, а для того, чтобы данные захватывались с заданной частотой дискретизации, запуск преобразования АЦП должен производиться по сигналу от одного из таймеров.

В результате экспериментов я остановился на следующих параметрах захвата:

— Частота дискретизации АЦП — 50 кГц,
— Количество выборок — 250.
— Суммарное время захвата сигнала — 5 мс.
— Захваченные данные программа контроллера передает на ПК по UART.

Для обработки захваченных данных я написал на C# небольшую программу:

График синего цвета — принятый сигнал, график оранжевого цвета — опорный сигнал (его амплитуда на этом графике увеличена в 20 раз).

На графике снизу показан результат FFT преобразования принятого сигнала.

Используя FFT, можно определить фазу сигнала — нужно рассчитать фазовый спектр сигнала, и выбрать из него значение фазы в точке, соответствующей 5кГц. Отмечу, что я пробовал выводить фазовый спектр на экран, но он выглядит шумоподобным, так что я от этого отказался.

В то же время в действительности на микроконтроллер поступают два сигнала — основной и опорный. Это значит, что нужно вычислить при помощи FFT фазу каждого из сигналов на частоте 5 кГц, а затем вычесть из одного результата другой. Результат — искомая разность фаз, которая и используется для расчета расстояния. Моя программа выводит это значение под графиком спектра.

Очевидно, что использование FFT — не самый подходящий метод определения фазы сигнала на единственной частоте. Вместо его я решил использовать алгоритм Гёрцеля. Процитирую Википедию:

Алгоритм Гёрцеля (англ. Goertzel algorithm) — это специальная реализация дискретного преобразования Фурье (ДПФ) в форме рекурсивного фильтра.… В отличие от быстрого преобразования Фурье, вычисляющего все частотные компоненты ДПФ, алгоритм Гёрцеля позволяет эффективно вычислить значение одного частотного компонента.

Этот алгоритм очень прост в реализации. Как и FFT, он может возвращать комплексный результат, благодаря чему можно рассчитать фазу сигнала. В случае использования этого алгоритма также нужно рассчитать фазы основного и опорного сигналов, после чего вычислить их разность.
Эта же программа для ПК позволяет вычислять разность фаз и амплитуду сигнала при помощи алгоритма Герцеля. Результаты экспериментов показали, что при хорошем уровне сигнала точность измерения разности фаз может доходить до 0.4 градусов (СКЗ по 20 измерениям).

На следующем этапе я написал программу для микроконтроллера, которая сама рассчитывала разность фаз сигналов для трех разных частот модуляции (при помощи алгоритма Герцеля), и передавала результат на ПК. Почему использовались именно три частоты — я объясню позднее. За счет того, что расчеты производятся на самом микроконтроллере, нет необходимости передавать большой объем данных по UART, что значительно увеличивает скорость измерений.

Для ПК была написана программа, которая позволяла захватывать принимаемые данные и логировать их.

Именно на этом этапе я заметил сильное влияние температуры лавинного фотодиода на результаты измерения разности фаз. Кроме того, я заметил, что амплитуда принимаемого светового сигнала также влияет на результат. Кроме того, при изменении напряжения питания APD вышеуказанные зависимости явно изменяются.

Честно говоря, в процессе исследований я понял, что задача определения влияния сразу нескольких факторов (напряжения питания, амплитуды светового сигнала, температуры) на разность фаз достаточно сложна, и, в идеале, требует большого и длительного исследования. Для такого исследования нужна климатическая камера для имитации различных рабочих температур и набор светофильтров для исследования влияния уровня сигнала на результат. Нужно сделать специальный стенд, способный автоматически изменять уровень светового сигнала. Исследования осложняются тем, что при уменьшении температуры растет усиление APD, причем до такой степени, что APD входит в режим насыщения — сигнал на его выходе превращается из синусоидального в прямоугольный или вообще исчезает.

Такого оборудования у меня не было, так что пришлось ограничится более простыми средствами. Я проводил исследования работы дальномера только при двух рабочих напряжениях лавинного фотодиода (Uapd) в 82 В и 98 В. Все исследования шли при частоте модуляции лазера 160 МГц.

В своих исследованиях я считал, что изменения амплитуды светового сигнала и температуры независимо друг от друга влияют на результаты измерения разности фаз.

Для изменения амплитуды принимаемого светового сигнала я использовал специальный подвижный столик с прикрепленной заслонкой, которая могла перекрывать линзу-объектив фотодиода:

С изменением температуры все было сложней. В первую очередь, как я уже упоминал ранее, у APD был заметный эффект саморазогрева, который хорошо отслеживался термодатчиком. Для охлаждения рулетки я накрыл ее коробом из пенопласта с установленным в нем вентилятором, и установил сверху емкость с холодной водой. Кроме того, я пробовал охлаждать рулетку на балконе (там было около 10 °C). Судя по уровню сигнала с термодатчика, оба метода давали примерно одинаковую температуру APD. С нагревом все проще — я нагревал рулетку потоком горячего воздуха. Для этого я использовал резистор, прикрепленный к кулеру — так можно было регулировать температуру воздуха.

У меня не было никакой информации об установленном в рулетке терморезисторе, так что я нигде не пересчитывал результаты преобразования АЦП в градусы. При увеличении температуры уровень напряжения на АЦП падал.

В результате получились такие результаты:

  • При увеличении Uapd (то есть с ростом усиления) заметно возрастает чувствительность APD к изменениям температуры и изменению уровня сигнала.
  • При уменьшении амплитуды светового сигнала появляется небольшой сдвиг фазы — примерно +2 градуса при изменении амплитуды от максимальной до минимальной.
  • При охлаждении APD появляется положительный сдвиг фазы.

Для напряжения 98 В получилась такая зависимость фазового сдвига от температуры (в единицах АЦП):

Можно видеть, что при изменении температуры (примерно от 15 до 40 градусов) разность фаз изменяется более чем на 30 градусов.

Для напряжения 82 В эта зависимость получилась практически линейной (по крайней мере, в том диапазоне температур, где я проводил измерения).

В результате, я получил два графика для двух Uapd, которые показывали связь между температурой и фазовым сдвигом. По этим графикам я определил две математические функции, которые использовал в микроконтроллере для коррекции значения разности фаз. Таким образом, я смог избавиться от влияния изменения внешних факторов на правильность измерений.

Следующий этап — определение расстояния до объекта по трем полученным разностям фаз. Для начала, я решил сделать это на ПК.

В чем тут проблема? Как я уже упоминал ранее, если частота модуляции достаточно высокая, то на определенном расстоянии от дальномера при попытке определить расстояние возникает неоднозначность. В таком случае для точного определения расстояния до объекта нужно знать не только разность фаз, но и число целых фаз сигнала (N), которые укладываются в этом расстоянии.

Расстояние в результате определяется формулой:

Из анализа работы заводской программы рулетки видно, что частоты модуляции лежат в диапазоне 160-195 МГц. Вполне вероятно, что схемотехника рулетки не позволит модулировать излучение лазера с меньшей частотой (я это не проверял). Это значит, что метод определения расстояния до объекта по разности фаз в рулетке должен быть сложнее, чем простое переключение между высокой и низкой частотами модуляции.

Стоит заметить, что из-за того, что частоты модуляции разные, то число целых фаз сигнала в одних случаях может иметь общее значение N, а в других — нет (N1, N2 ...).

Мне известны только два варианта решения этой задачи.

Первый вариант — простой перебор значений N и соответствующих им расстояний для каждой используемой частоты модуляции.

В ходе такого перебора ищутся такие значения N, которые дают наиболее совпадающие друг с другом расстояния (полного совпадения можно не получить из-за ошибок при измерении разности фаз).

Недостаток этого метода — он требует производить много операций и достаточно чувствителен к ошибками измерения фаз.

Второй вариант — использование эффекта биений сигналов, имеющих близкие частоты модуляции.
Пусть в дальномере используются две частоты модуляции сигнала с длинами волн и , имеющие достаточно близкие значения.

Можно предположить, что на дистанции до объекта количество целых периодов N1 и N2 равны между собой и равны некому значению N.

В таком случае получается такая система уравнений:

Из нее можно вывести значение N:

Получив значение N, можно вычислить расстояние до объекта.

Максимальное расстояние, на котором выполняется вышеупомянутое утверждение, определяется формулой:

Из этой формулы видно, что чем ближе друг к другу длины волн сигналов, тем больше максимальное расстояние.

В то же время, даже на указанной дистанции в некоторых случаях это утверждение (N1=N2) выполнятся не будет.

Приведу простой пример.

Пусть и .
В таком случае .

Но если при этом путь, который проходит свет, равен 1. 53м, то получается что для первой длины волны N1 = 0, а для второй N2 = 1.

В результате расчета величина N получается отрицательной.

Бороться c этим эффектом можно, используя знание, что
.
В таком случае можно модифицировать систему уравнений:

Используя эту систему уравнений, можно найти N1.

Применение этого метода имеет определенную особенность — чем ближе друг друг к другу длины волн сигналов модуляции, тем больше влияние ошибок измерения разности фаз на результат. Из-за наличия таких ошибок значение N может вычисляться недостаточно точно, но, по крайней мере, оно оказывается близким к реальной величине.

При определении реального расстояния до объекта приходится производить калибровку нуля. Делается она достаточно просто — на определенном расстоянии от рулетки, которое будет принято за «0», устанавливается хорошо отражающий свет объект. После этого программа должна сохранить измеренные значения разности фаз для каждой из частот модуляции. В дальнейшей работе нужно вычитать эти значения из соответствующих значений разностей фаз.

В своем алгоритме определения расстояния я решил использовать три частоты модуляции: 162.5 МГц, 191.5 МГц, 193.5 МГц — по результатам экспериментов, это было наиболее подходящее количество частот.

Мой алгоритм определения расстояния состоит из трех этапов:

  1. Проверка, не попали ли разности фаз в зону «нулевого» расстояния. В области, близкой к нулю калибровки, из-за ошибок измерения значение разности фаз может «прыгать» — от 0 градусов до 359 градусов, что приводит к большим ошибками при измерении расстояния. Поэтому, при обнаружении, что все три разности фаз одновременно получились близкими к нулю, можно считать, что измеряемое расстояние близко к нулевому значению, и за счет этого отказаться от вычисления величин N.
  2. Предварительное вычисление расстояния по биениям сигналов с частотами 191.5 МГц и 193.5 МГц. Эти частоты выбраны близкими, за счет чего зона определенности получается достаточно большой: , но и результат вычислений сильно подвержен влиянию ошибок измерений. При низком уровне принимаемого сигнала ошибка может составлять несколько метров (несколько длин волн).
  3. Вычисление расстояния методом перебора по разностям фаз сигналов с частотами 162.5 МГц и 191.5 МГц.

    Поскольку на предыдущем этапе уже определено приблизительное расстояние, то диапазон перебираемых значений N можно ограничить. За счет этого уменьшается сложность перебора и отбрасываются возможные ошибочные результаты.

В результате у меня получилась вот такая программа для ПК:

Эта программа позволяет отображать данные, передаваемые рулеткой — амплитуду сигнала, напряжение APD, температуру в единицах АЦП, значения разности фаз сигналов для трех частот и вычисленное по ним расстояние до объекта.

Калибровка нуля производится в самой программе при нажатии кнопки «ZERO».

Для автономно работающего лазерного дальномера важно, чтобы усиление сигнала можно было менять, так как при изменении расстояния и коэффициента отражения уровень сигнала может очень сильно меняться. У себя в программе микроконтроллера я реализовал изменение усиления за счет переключения между двумя напряжениями питания APD — 82 В и 98 В. При переключении напряжения уровень усиления менялся примерно в 10 раз.

Я не стал реализовывать переключение между двумя каналами АЦП — «MCU_signal_high», «MCU_signal_low» — программа микроконтроллера всегда использует сигнал только с канала «MCU_signal_high».

Следующий этап — окончательный, заключается в переносе алгоритма расчета расстояния на микроконтроллер. Благодаря тому, что алгоритм был уже проверен на ПК, это не составило особого труда. Кроме того, в программу микроконтроллера пришлось добавить возможность производить калибровку нуля. Данные этой калибровки микроконтроллер сохраняет во Flash памяти.

Я реализовал два различных варианта прошивки микроконтроллера, отличающихся принципом захвата сигналов. В одной из них, более простой, микроконтроллер во время захвата данных от АЦП ничего не делает. Вторая прошивка — более сложная, в ней данные от АЦП одновременно записываются в один из массивов при помощи DMA, и в то же время при помощи алгоритма Герцеля обрабатываются уже захваченные ранее данные. За счет этого скорость измерений повышается практически в 2 раза по сравнению с простой версией прошивки.

Результат вычислений микроконтроллер отправляет по UART на компьютер.

Для удобства анализа результатов я написал еще одну маленькую программу для ПК:


Результаты

В результате мне удалось точно выяснить, как устроена электроника лазерной рулетки, и написать собственную Open source прошивку для нее.

Для меня в процессе написания прошивки наиболее важным было добиться максимальной скорости измерений. К сожалению, повышение скорости измерений заметно сказывается на точности измерений, так что требуется искать компромисс. К примеру, код, приведенный в конце этой статьи, обеспечивает 60 измерений в секунду, и точность при этом составляет около 5-10 мм.

Если уменьшить количество захватываемых значений сигнала, можно повысить скорость измерений. Я получал и 100 измерений в секунду, но при этом влияние шумов значительно увеличивалось.

Конечно же, внешние условия, такие как расстояние до объекта и коэффициент отражения поверхности сильно влияют на отношение сигнал-шум, а следовательно, и на точность измерений. К сожалению, при слишком низком уровне светового сигнал даже увеличение усиления APD не сильно помогает — с ростом усиления растет и уровень шумов.

В ходе экспериментов я заметил, что внешняя засветка лавинного фотодиода тоже значительно увеличивает уровень помех. В модуле, который был у меня, вся электроника открыта, так что для уменьшения помех его приходится накрывать чем-нибудь непрозрачным.

Еще одна замеченная особенность — из-за того, что оптические оси лазера и объектива фотодиода не совпадают, на близких расстояниях (<0.7 м) уровень сигнала значительно падает.

В принципе, уже в таком виде электронику рулетки можно использовать в каком-нибудь проекте, например, в качестве датчика расстояния для робота.

Видео, показывающее работу рулетки:

Напоследок: какие рулетки еще можно встретить?

Здесь я хочу рассказать о конструкциях других лазерных рулеток, о которых можно найти информацию в сети.

  • В первую очередь стоит отметить проект реверс-инжиниринга лазерной рулетки BOSCH DLE50.

    Особенность этой рулетки — в ней в качестве PLL генератора используется заказная микросхема CF325, на которую в интернете нет никакой документации, что заметно усложняет процесс реверс-инжиниринга. Эта ситуация (заказные микросхемы без документации) очень часто встречается в лазерных рулетках, но, похоже, сейчас ситуация начинает меняться — заказные микросхемы начинают заменятся «универсальными».

    Используемый в этой рулетке микроконтроллер — ATmega169P.

    Еще одна особенность этой рулетки — использование механического узла, управляемого электромагнитом, который позволяет создавать «оптическое короткое замыкание», то есть перенаправляет свет от лазера к фотодиоду по известному пути. За счет того, что длина пути света и коэффициент отражения при этом известны, микроконтроллер может производить различные калибровки (по амплитуде и фазе). Во время работы этого узла лазерная рулетка достаточно громко щелкает.

    Вот здесь можно посмотреть фотографии электроники этой рулетки.

  • Достаточно много что известно про лазерную рулетку UT390B.

    Некий энтузиаст смог произвести реверс-инжиниринг протокола отладочного UART интерфейса этой рулетки, и научился управлять ее работой. Есть даже библиотека для Arduino.

    На русском про устройство этой рулетки можно почитать здесь.

    Как видно из фотографий, электроника этой рулетки достаточно проста, и похожа на ту, что описана в этой статье.

    Используемый в этой рулетке микроконтроллер — STM32F103C8. Микросхема PLL: CKEL925 (на нее есть документация).

  • А вот протокол новой версии рулетки UT390B+ никто пока выяснить не смог. Схемотехника этой рулетки отличается от ее старой версии.

    Она еще ближе к схемотехнике моей рулетки — здесь используется микроконтроллер STM32F030CBT6 и PLL Si5351.

    Если приглядеться к фотографиям, можно заметить, что в рулетке установлены два лазера.
    Судя по всему, два лазера в рулетке сейчас — не редкость. Вот в этом описании устройства еще одной рулетки упоминается, что один из лазеров имеет видимое излучение, и служит только для «целеуказания», а второй лазер — инфракрасный, и используется для измерения расстояния. Интересно, что при этом и лазер, и фотодиод используют одну линзу.

  • Еще одна рулетка с неизвестным протоколом — BOSCH PLR 15.

    Энтузиасты уже пытались разобраться с ее протоколом, но пока в этом никто не преуспел.

    Раньше я тоже пробовал выяснить, как работает эта рулетка, и даже частично восстановил схему этой рулетки.

    Используемый в этой рулетке микроконтроллер — STM32F051R6. А вот других микросхем высокой степени интеграции в ней просто нет!

    Зато фотоприемник здесь использован очень необычный, я никогда не встречал даже упоминаний таких устройств:

    Судя по всему, он представляет собой систему на кристалле, и содержит два фотодиода (измерительный и опорный каналы), усилители фотодиодов, цифровую управляющую электронику и АЦП. Сигнал модуляции лазера идет тоже с него. Сам фотоприемник соединен с микроконтроллером через SPI.

    Я пробовал перехватывать данные, которые идут по SPI — там присутствуют команды от контроллера датчику и пакеты информации от датчика контроллеру.

    Если обработать эти пакеты в Excel — то явно видны синусоиды (то есть используется фазовый способ измерения расстояния). Это значит, что обработкой сигнала в этой рулетке занимается микроконтроллер.

    Однако информации по SPI идет очень много, частоты, на которых идут измерения, установить не удалось, так что даже считать с рулетки расстояние — достаточно проблематичная задача.
    Кое-какая информация по аналогичной рулетке Bosch GLM 20 собрана здесь.

  • Различные китайские модули.

    В последнее время в китайских интернет-магазинах появилось большое количество модулей лазерных дальномеров (из можно найти по запросу «laser ranging module» и аналогичных ему).
    Среди них можно найти и модули, которые выглядят абсолютно так же, как и мой, но продаются они в два раза дороже (40$). Похоже, что это все те же внутренности лазерных рулеток, но с модифицированной прошивкой. Интересно, что среди различных конструкций мне несколько раз попадались дальномеры с двумя одинаковыми микросхемами PLL (судя по всему, эти микросхемы — не заказные).

→ Файлы проекта
→ Инструкция по подключению модуля лазерного дальномера к Arduino

Лазерная рулетка: принцип работы, устройство, возможности, выбор

Читайте в этой публикации:
Лазерная рулетка: устройство и принцип работы
Как выбрать лазерную рулетку: возможности решают все
Как выбрать лазерный дальномер: на что обратить внимание

Семь раз отмерь – один отрежь. Так гласит народная мудрость, позволяющая выполнять работы по изготовлению чего-либо точно и без погрешностей. Именно для этого и был создан такой измерительный инструмент, как рулетка – за время своего существования она претерпела ряд значительных изменений. В старину она представляла собой обычную палку-мерялку, в век механики она приобрела вид скрученной ленты, а в наш век электроники она представляет собой небольшой приборчик, работающий по принципу отражения сфокусированного светового потока (лазерного луча). Лазерная рулетка отличается высокой точностью и широкими возможностями, о которых пойдет разговор в данной статье. Вместе с сайтом stroisovety.org мы разберемся с устройством и принципом работы данного измерительного инструмента, изучим его возможности и критерии выбора.

Как выбрать лазерную рулетку фото

Лазерная рулетка: устройство и принцип работы

Принцип работы лазерного дальномера (рулетки) довольно простой и основан он на способности твердых тел отражать сигналы различного типа – практически так же работает и масса других подобных приборов. Например, эхолот или металлоискатель – разница между ними заключается только в типе используемого излучения. В случае с дальномером используется сконцентрированный световой поток, именуемый лазерным лучом. Специальный излучатель рулетки выпускает луч, который отражается от твердого тела и возвращается назад – отражение улавливает приемник и на основе задержки во времени между выпущенным и принятым сигналом рассчитывается расстояние. Погрешность при этом, в зависимости от расстояния до цели, может составлять максимум 1мм.

Как устроена такая рулетка? Стандартно она представляет собой набор следующих компонентов.

  1. Корпус. В большинстве случаев пластиковый, с противоскользящими и противоударными вставками. Как правило, защищает само устройство от проникновения пыли и влаги.
  2. Лазерный излучатель – в серьезных профессиональных инструментах дополняется оптикой с защитой от запотевания.
  3. Приемник (он же оптический фильтр). Служит для приема отраженного сигнала. Также оборудуется защищающей от запотевания оптикой.
  4. Преобразователь сигнала. Конвертирует световой сигнал в цифровой сигнал.
  5. Дисплей для вывода данных измерения. Как правило, черно-белый, жидкокристаллический.
  6. Блок управления – рабочая плата, запрограммированная в особый режим работы. Именно она отвечает за все расчеты и вообще полностью за адекватную работу лазерного дальномера.

    Лазерные дальномеры рулетки фото

Кроме всего прочего, строительный лазерный дальномер укомплектовывается и различными вспомогательными приспособлениями – например, профессиональные модели измерителя комплектуются оптическим прицелом, без которого не обойтись в процессе измерений на большие расстояния. К слову говоря, профессиональные модели лазерной рулетки могут работать на расстоянии до 250м – зрительно (без оптики) правильно определить наводку луча человек физически не в состоянии. Также зачастую применяется штатив, различные пузырьковые уровни и многое другое. В общем, по итогу профессиональное оборудование данного типа может представлять собой полноценный измерительный комплекс.

Как выбрать лазерную рулетку: возможности решают все

Современная измерительная лазерная рулетка может многое, но самое важное из того, что она может делать, это производить точные измерения на определенном расстоянии. Именно на определенном, так как у каждого инструмента имеется свой предел – так называемая дальнобойность. В зависимости от нее, рулетки данного типа разделяются на бытовые и профессиональные – первые способны производить измерения на расстояниях максимум до 60мм, а дальнобойность вторых достигает 250м. Мало того, и тот и другой класс лазерных измерителей расстояний имеет свои ограничения – рулетки производятся с определенной дальностью. Самая «короткая» из них работает на расстоянии до 18м. Дальше они могут иметь различия в дальнобойности с шагом в 10м – чем больше у рулетки этот показатель, тем ее стоимость выше.

Это не единственная возможность инструмента данного типа. Кроме этого, электронная лазерная рулетка может делать и следующие вещи.

  1. Сохранять в памяти сделанные измерения и посредством средств коммуникации передавать их на компьютер – в большинстве случаев здесь используется проводное соединение.
  2. Производить расчеты площади, объема и даже периметра – складывать их или вычислять разницу. В большинстве случаев касательно строительства именно к этому и сводятся все производимые измерения.
  3. Производить косвенные вычисления, используя теорему Пифагора. Довольно важная функция в процессе измерений объектов, к которым нет прямого доступа. К примеру, стоя перед зданием и направляя луч рулетки в его стену, измеритель достаточно легко, а главное с высокой точностью, может определить его высоту.
  4. Вычисление диагоналей – функция именуется «Поиск максимального расстояния». А измерение диагоналей – это лишь ее приятное приложение.
  5. Серьезные дальномеры могут оборудоваться даже автоматическим режимом работы, при котором замерщику приходится только ходить и устанавливать специальные мишени в необходимых местах.

    Лазерная рулетка фото

Как ни странно, это еще далеко не все возможности современных лазерных дальномеров – по большому счету, они могут быть дополнены любыми вычислительными программами, которые в быту и в некоторых сферах строительства могут оказаться лишними. Именно по этой причине и существует стандартная комплектация, включающая в себя описанные выше возможности инструмента. Следует понимать, что чем больше возможностей имеет лазерная строительная рулетка, тем больше денег придется выложить за инструмент.

Как выбрать лазерный дальномер: на что обратить внимание

По большому счету, критериев выбора лазерной рулетки не так уж и много – как говорится, их можно сосчитать на пальцах одной руки.

  1. Необходимая дальнобойность. Переплачивать деньги и приобретать рулетку с максимальной дальностью инструментов смысла нет никакого. Если инструмент приобретается для бытового использования дома, то можно останавливать выбор на минимальной дальности. Также измерения на большие расстояния не производятся и в процессе выполнения квартирного ремонта – здесь, конечно, можно взять небольшой запас в пределах десяти-двадцати метров максимум.
  2. Точность измерений. Она зависит от двух факторов – от заводских установок и качества самой рулетки. К примеру, китайская продукция данного типа стоимостью до 20$ не то что точно измерять не умеет, а противоречит сама себе – одно и то же расстояние при каждом измерении показывает разным. Здесь следует быть очень осторожным при выборе.
  3. Функционал. Выбор здесь большой, и человеку придется определиться с самыми важными вещами – как и говорилось выше, наличие определенной функции в инструменте влечет за собой повышение его стоимости. Для бытовых нужд и в процессе ремонта квартир и домов вполне нормально обходиться базовыми комплектациями (это измерение и вычисление площади, периметра и объема).

    Электронная лазерная рулетка фото

Это что касается основных моментов выбора, кроме которых существуют и другие, так сказать, не менее важные. К примеру, если планируете часто пользоваться измерителем, то не лишним будет обратить свое внимание на эргономичный дизайн дальномера – как минимум он должен быть удобным в эксплуатации. Если измерения производятся на строительных объектах, то наличие мягкого резинового буфера лишним не окажется – защищенная от ударов при падении рулетка прослужит намного дольше. Естественно, производитель, от которого в полной мере зависит качество продукции – лучше отдать предпочтение дальномеру от известного производителя. Особенно если вы приобретаете его для ежедневного использования.

И в заключение темы о том, как выбирается лазерная рулетка, скажу несколько слов по поводу дополнительной комплектации – в некоторых ситуациях без нее не обойтись. Речь идет как минимум о штативе с возможностью установки площадки в уровень горизонта – на больших расстояниях отклонение от мишени даже на десяток сантиметров влечет за собой большую погрешность. Также на точность измерений оказывает влияние и дрожание руки. В общем, до 60 метров вполне реально обойтись без штатива, а вот при измерениях на большие расстояния он нужен обязательно.

Автор статьи Александр Куликов

измерений - Как работают лазерные "рулетки"?

РЕДАКТИРОВАТЬ обновленное (улучшенное) описание схемы определения фазы


В этих системах используются два принципа.

Первый - времяпролетный принцип. Как вы заметили, если вы хотите снизить точность до 3 мм, вам нужно временное разрешение 20 пс (20, а не 10, потому что вы будете синхронизировать время прохождения света туда и обратно). Это сложно — уж точно не в области дешевой бытовой электроники. Проблема заключается не только в необходимости обнаружения быстрого фронта — вы должны обнаружить фактический отраженный импульс, а не любой другой шум вокруг. Усреднение сигнала будет вашим другом: отправка последовательности импульсов и синхронизация их среднего времени прохождения туда и обратно помогают. Это сразу же говорит о том, что непрерывная модуляция, вероятно, будет работать лучше — она имеет присущую фильтрующую характеристику.

Это приводит ко второму способу получения точных измерений: путем сравнения фазы излучаемого и возвращаемого сигналов. Если вы модулируете свой лазер на скромных 300 МГц, длина волны одной полной «волны» составляет 1 м; чтобы измерить изменение расстояния на 3 мм (6 мм туда и обратно), достаточно обнаружить фазовый сдвиг $\frac{6}{1000}\times 2\pi$. Это достаточно тривиально для схемы, которая возводит в квадрат переданную и отраженную волны, затем выполняет операцию XOR двух сигналов и усредняет результат. Такая схема даст минимальное напряжение, когда два сигнала точно совпадают по фазе, и максимальное напряжение, когда они точно не совпадают по фазе; и напряжение будет очень линейным со сдвигом фазы. Затем вы добавляете вторую схему, которая определяет, является ли сигнал 2 высоким, когда сигнал 1 имеет нарастающий фронт: это будет различать, является ли сигнал 1 или сигнал 2 опережающим.

Для определения фазы с высокой точностью достаточно поместить выход логических элементов в фильтр нижних частот (резистор и конденсатор) и подать его на низкоскоростной 12-разрядный АЦП. Существуют готовые схемы, которые могут сделать это за вас, например, AD8302

Единственная проблема с фазовым методом заключается в том, что вы найдете расстояние по модулю половины длины волны; чтобы решить эту проблему, вы используете несколько частот. Существует только одно расстояние, которое имеет правильную длину волны для всех частот.

В возможном варианте этого используется источник свипирующей частоты и обнаруживается пересечение фазы нулем, т. е. каждый раз, когда выходной сигнал фазового детектора равен нулю (точно в фазе), вы записываете частоту модуляции, при которой это произошло. Это можно легко сделать очень точно — и имеет то преимущество, что «обнаружение нулевой фазы» даже не требует точного АЦП. Один мудрый человек много лет назад научил меня, что «единственное, что можно точно измерить, — это ноль». Расстояние будет соответствовать времени прохождения туда и обратно самой низкой частоты, которая имеет пересечение нуля, но вы не обязательно знаете, что это за частота (возможно, вы не сможете пойти так низко). Однако каждое последующее пересечение нуля будет соответствовать одному и тому же увеличению частоты, поэтому, если вы измерите $\Delta f$ между пересечениями нуля для определенного числа пересечений, вы получите точную меру расстояния.

Обратите внимание, что подобный метод требует очень небольшой вычислительной мощности, и большая часть обработки является результатом очень простого усреднения сигнала в аналоговой электронике.

Вы можете прочитать, например, заявку на патент США US20070127009 для получения подробной информации о том, как эти вещи реализованы.

Разновидность вышеперечисленного на самом деле является основой невероятно чувствительного инструмента, называемого синхронным усилителем. Принцип синхронного усилителя заключается в том, что вы знаете, что есть слабый сигнал на известной частоте, но с неизвестной фазой (что имеет место для нас, когда мы смотрим на отраженный сигнал модулированного лазера). Теперь вы берете входной сигнал и пропускаете его через IQ-детектор: то есть вы умножаете его на два сигнала той же частоты, но в квадратуре (9фазовый сдвиг 0°). И затем вы усредняете вывод по многим циклам. Когда вы делаете это, происходит нечто интересное: схема действует как фазочувствительный полосовой фильтр, и чем дольше вы ждете (чем больше выходных циклов вы усредняете), тем уже становится фильтр. Поскольку у вас есть сигналы I и Q (с их фазовым сдвигом), вы получаете информацию как об амплитуде, так и о фазе — с возможностью восстановления крошечного сигнала поверх огромного количества шума, что является именно тем сценарием, который вы часто будете есть с лазерным дальномером. См., например, статью в вики.

Квадратурное обнаружение становится довольно тривиальным, когда вы используете тактовый генератор с удвоенной частотой модуляции и ставите на него два делителя: один, который запускается по положительному фронту, и другой, который запускается по отрицательному фронту. Пара (быстрых, электронных) аналоговых переключателей и простая RC-цепочка завершают проект. Теперь вы можете прокрутить частоту возбуждения и наблюдать, как фаза на двух выходах «закручивается» — и каждый раз, когда она делает полный круг, вы увеличиваете частоту на величину $\Delta f = \frac{c}{2d}$ где $c$ — скорость света, а $d$ — расстояние до цели. Что превратило очень сложное измерение в действительно простое.

Лазерная лента Измеряйте как босс: максимально эффективно используйте свой лазерный дальномер 📏

О боже, я люблю инновации… Особенно когда они преображают практические инструменты, которые мы уже используем, и удивляют нас значительными улучшениями.

Одним из инструментов, прекрасно демонстрирующих это, является вездесущая и надежная рулетка.

Я почти уверен, что почти у каждого была возможность найти хорошее применение рулетке. Ничего в этом нет, верно? Вы просто растягиваете ее, помещаете начало ленты на один конец и смотрите на размер на другом. Очень просто. Пока это не так…

Рулетка все еще имеет свои ограничения

Рулетка на самом деле может оказаться немного не простой. Когда вы проводите длительные измерения и нет устойчивой точки, за которую можно зацепить рулетку, и вам нужно, чтобы кто-то другой держал ее для вас, чтобы рулетка оставалась на месте, и вы действительно могли провести измерение.

Давайте сделаем еще один шаг. Как насчет измерения потолка для световых инсталляций? Для этого вам нужна лестница… верно? И мы знаем, насколько страшной может быть действительно вытянутая рулетка, когда вы пытаетесь ее убрать! Не на моем лице!!!

А еще есть проблема с препятствиями. Рулетка бесполезна, если есть препятствия, такие как мебель или столбы, преграждающие путь от начальной точки до конца измерения.

Измерение лазерной рулеткой

Лазерная рулетка (или лазерный дальномер) представляет собой инновацию старой рулетки, сделанную правильно. Он не удаляет основные функции полезного измерительного инструмента, вместо этого он устраняет некоторые ограничения рулетки. А затем он добавляет некоторые функции, облегчающие измерения. Сейчас это то, что я называю настоящей инновацией!

Как работает лазерный дальномер?

Лазерный дальномер (LDM) или лазерная рулетка измеряет расстояние между двумя точками. Он использует импульс света для цели, а затем вычисляет расстояние по времени, которое требуется отражению, чтобы вернуться.

Поскольку он использует свет, он устраняет ограничения физической ленты старой школьной рулетки и дает вам следующие преимущества:

  • Измеряйте большие расстояния без второго человека, если лазер может достичь конечной точки. А как насчет этого? Вы можете сделать это одной рукой.
  • Измерение потолков или других высоких мест без лестниц. (Я научу вас, как это сделать далее на странице.)
  • Измерение в ограниченном пространстве. Пока у лазера есть возможность добраться до цели, вы все равно можете точно измерять. Так что лестничные пролеты и небольшие препятствия не проблема.

Лазерная лента Измеряйте как босс

Лазерный дальномер Ennologic использует лазерный свет и измерительное программное обеспечение для точного измерения расстояний до 196 футов или 60 метров с точностью до 1/64 дюйма или 1,5 миллиметра.

Возможно, у вас уже есть лазерный дальномер ennoLogic eD560L, но вам еще только предстоит полностью раскрыть его потенциал. Или, может быть, вы подумываете о лазерной рулетке, но хотите понять, на что она действительно способна — подождите… вы серьезно? Вы еще не получили его?

Ладно, ладно! Я прощаю тебя!

В любом случае, давайте поможем вам максимально эффективно использовать лазерную рулетку ennoLogic или будущую лазерную рулетку. 🤪

Начнем с самого начала, вроде логичное место…

Как пользоваться лазерной рулеткой

Включение/выключение питания

Чтобы включить его, нажмите кнопку MEAS . Удерживайте нажатой клавишу CLR , чтобы выключить его. Он также автоматически выключится, если бездействует в течение 3 минут.

 

Настройка для измерения

Перед началом измерения проверьте настройку единицы измерения. В противном случае ваши измерения будут казаться далекими.

Выберите нужную единицу измерения, нажав кнопку Клавиша Unit для переключения между вариантами измерения LDM в метрах-футах-дюймах. Каждый раз, когда вы нажимаете клавишу Unit , отображается следующая единица измерения. Итак, сначала метры, затем футы и, наконец, дюймы. Вы даже можете изменить единицы измерения между измерениями или после них, так что не беспокойтесь!

Далее вам нужно определить, с какой части LDM начнется измерение. Нажмите клавишу Reference для переключения между измерениями от заднего и переднего края LDM. Ссылкой по умолчанию является задний край. Использование настройки заднего края означает, что длина дальномера будет частью измерения.

 

Нажатие клавиши Эталон  переключит эталон измерения с заднего края на передний край и наоборот. Для этого нажмите и удерживайте ту же клавишу Reference .

Основные измерения

Готовы к измерению? Нажмите клавишу MEAS , чтобы включить измеритель, нажмите клавишу MEAS еще раз, чтобы запустить измерение. Измерением будет расстояние от эталонного края до красной лазерной точки.

Вы можете использовать это для любого базового измерения расстояния, например, расстояния до стены.

Непрерывное измерение и максимальное/минимальное значение

Чтобы перевести измеритель в режим непрерывного измерения, удерживайте нажатой клавишу MEAS , пока не услышите звуковой сигнал. Теперь вы можете использовать измеритель для сканирования области или угла. Во время сканирования прибор также будет записывать максимальное и минимальное значения.

 

Примеры непрерывного измерения

Режим непрерывного измерения позволяет определить максимальное или минимальное расстояние, например, измерение расстояния по диагонали (максимальное значение) или вертикального расстояния (минимальное значение) комнаты.

 

 

В дополнительной области дисплея будут отображаться максимальные и минимальные значения, а в основной области дисплея будет отображаться значение измерения в реальном времени.

Максимальные и минимальные значения со значением измерения в реальном времени в режиме непрерывного измерения

Нажмите клавишу MEAS или CLR , чтобы отменить непрерывное сканирование измерений.

Сложение и вычитание нескольких измерений расстояния

Бывают ситуации, когда вам нужно сложить или вычесть несколько измерений. Например, если вы стоите в комнате и хотите измерить расстояние между двумя противоположными стенами. Вы будете стоять лицом к первой стене и сделаете первое измерение, а затем повернетесь лицом к другой стене и сделаете второе измерение. Если вы сделаете это с помощью функции «Сложение» счетчика, он добавит эти два числа, чтобы вы получили общее расстояние от одной стены до другой.

Чтобы использовать функцию сложения, измерьте первое расстояние, затем нажмите клавишу «+» (ДОБАВИТЬ) и выполните второе измерение, снова нажав клавишу MEAS . Результат появится в виде большого числа в нижней части дисплея. Отдельные измерения, которые вы сделали, будут отображаться в виде меньших чисел выше.

И вы можете продолжать с этим. Продолжайте нажимать клавиши «+» (ADD) и MEAS , чтобы продолжать добавлять измерения. Нужно вычесть измерение? Аналогичным образом работает функция вычитания. Просто нажмите «-» (ВЫЧИТАНИЕ) , затем выполните измерение, которое вы хотите вычесть из общей суммы.

Вы можете использовать функции сложения и вычитания взаимозаменяемо, продолжая измерения.

 

Нажмите клавишу CLR , чтобы отменить операцию. Нажмите клавишу CLR еще раз, чтобы выйти из режима сложения или вычитания.

… и не только! С помощью лазерной рулетки можно измерять не только расстояние, но и площадь, и объем!

Измерение площади

Для измерения площади нажмите кнопку Площадь/Объем один раз. Вы увидите значок 

 . Нажмите клавишу MEAS , чтобы измерить первое расстояние (например, длину). Нажмите клавишу MEAS еще раз, чтобы измерить второе расстояние (например, ширину).

 

Измеритель сделает всю тяжелую работу за вас и выдаст расчетную площадь на основе двух предыдущих измерений. Ваша традиционная рулетка не может этого сделать!

Измерение площади наиболее полезно для планировки пола, измерения ковровых покрытий и других напольных покрытий, а также для аналогичных целей.

Измерение объема

Теперь приступим к 3D. Чтобы измерить объем, дважды нажмите клавишу Area/Volume  и появится значок

 . Нажмите клавишу MEAS для измерения первого расстояния (длины), еще раз для второго расстояния (ширины) и еще раз для третьего (высоты). Счетчик рассчитает объем и отобразит его в кубических метрах, кубических футах или кубических дюймах в зависимости от выбранной вами единицы измерения.

Измерение объема полезно для расчета охвата ОВКВ, требований к вентиляции или измерения больших объемов воды (бассейны, аквариумы и т. д.).

Измерения площади и объема позволяют складывать и вычитать последующие измерения площади и объема. Еще один потрясающий подарок для вас от богов измерения!

«Инновация» до лазерного дальномера
Непрямые измерения

Хотите измерить высоту стены без лестницы? Или высота здания без попадания на крышу? Вот ответ для других невозможных измерительных ситуаций. Пусть лазер сделает восхождение за вас!

Этот режим вычисляет измерения косвенно, используя теорему Пифагора. Теорема Пифагора утверждает, что для прямоугольного треугольника квадрат гипотенузы (сторона, противоположная прямому углу) равен сумме квадратов двух других сторон.

Хватит технических штучек! В школе это есть только у математических гениев, но не волнуйтесь — вы освоите это, следуя приведенным ниже инструкциям.

Косвенный метод измерения 1

Для измерения расстояния с использованием сторон треугольника требуется два измерения. Нажмите клавишу Indirect Measurement один раз, и появится значок

с мигающей гипотенузой.

Косвенный метод измерения 1

Следуйте указаниям мигающего значка и нажмите клавишу MEAS , чтобы измерить гипотенузу («а» на диаграмме). Значок треугольника теперь изменится, и один из углов треугольника будет мигать («b» на диаграмме). Нажмите MEAS Нажмите клавишу еще раз, чтобы измерить расстояние, которое представляет этот край.

(Примечание: при измерении прямоугольного ребра треугольника держите инструмент как можно более горизонтально.)

После завершения этих двух измерений автоматически выполняется вычисление Пифагора. Если результаты измерений удовлетворяют требованиям теоремы Пифагора (расстояние гипотенузы больше, чем расстояние до прямоугольных ребер), расчетная длина
третьей стороны треугольника («x» на диаграмме) будет отображаться в виде большого числа внизу экрана.

Значения измерений гипотенузы и прямых углов будут отображаться в виде меньших чисел выше.

Косвенный метод измерения 2

 

Косвенный метод измерения 2

Дважды нажмите клавишу Косвенное измерение , и появится значок

 .

 

Следуйте указаниям мигающего значка. Нажмите MEAS нажмите один раз, чтобы измерить гипотенузу первого треугольника (направленного вверх).

Нажмите клавишу MEAS еще раз, чтобы измерить общую прямоугольную сторону двух треугольников. Держите инструмент максимально горизонтально.

Нажмите кнопку MEAS в третий раз, чтобы измерить гипотенузу второго треугольника (направленного вниз).

Если результат измерения соответствует требованиям теоремы Пифагора, рассчитанная высота «x» будет отображаться в виде большого числа внизу экрана. Отдельные значения измерения гипотенузы и сторон прямого угла (a, b и c) будут отображаться в виде меньших чисел выше.

Метод косвенного измерения 3

Этот метод используется для измерения расстояния между контрольной точкой и верхним краем высоты треугольника. Не уверен, что это значит? Допустим, вы стоите снаружи и хотите измерить высоту окна второго этажа от его нижнего края до верхнего края. Этот третий метод позволяет вам сделать это.

Чтобы использовать его, нажмите клавишу Indirect Measurement три раза, после чего отобразится значок

 .

Косвенный метод измерения 3

Следуйте указаниям мигающего значка, чтобы измерить следующие три стороны треугольника:

Нажмите клавишу MEAS один раз, чтобы измерить гипотенузу первого треугольника.

Нажмите клавишу MEAS еще раз, чтобы измерить общую сторону двух треугольников
.

Нажмите клавишу MEAS в третий раз, чтобы измерить общую прямоугольную сторону двух треугольников.

Если результат измерения соответствует требованиям теоремы Пифагора, рассчитанная высота «x» будет отображаться в виде большого числа внизу экрана.

Отдельные значения измерений сторон треугольника будут отображаться в виде меньших чисел выше.

(Примечание: при проведении измерений в пифагорейском режиме длина стороны прямого угла должна быть меньше длины гипотенузы. В противном случае прибор будет отображать «ошибку вычисления» (Er.dE) .)

Кроме того, при использовании режима Пифагора убедитесь, что все измерения производятся из одной и той же начальной точки. При измерении прямоугольных сторон треугольников убедитесь, что прямоугольная сторона перпендикулярна измеряемой поверхности.

Просмотр исторических данных

Вы сделали важное измерение и забыли его записать? Лазерный дальномер ennoLogic сохраняет 20 последних выполненных измерений. И сохраняет их даже после выключения — как же это круто!

Для просмотра сохраненных значений просто нажмите клавишу Исторические данные . Затем нажмите клавиши + или , чтобы просмотреть их.

На что следует обратить внимание

Теперь, когда вы знакомы с функциями измерителя, давайте рассмотрим несколько полезных советов, которые помогут вам максимально эффективно использовать лазерную рулетку:

Другие важные советы:
  • Для достижения наилучших результатов при измерении расстояния лазером необходимо видеть точку лазера на цели. Это помогает, если цель непрозрачна. Если мишень прозрачная или полупрозрачная (стекло и т. д.), вам может понадобиться использовать визирную пластину или любой другой вариант, упомянутый выше.
  • Ознакомьтесь с клавишами + и –. Они пригодятся, когда вы измеряете площадь труднодоступных или нестандартных пространств. Вы можете разделить измеряемую площадь на несколько разных частей, а затем объединить их, чтобы получить общую площадь.
  • Правильный уход за линзой в верхней части глюкометра обеспечит точность ваших измерений. Как и любое другое оптическое оборудование, пыль ухудшает качество измерения LDM. Очистите объектив так же, как объектив фотоаппарата. Лучше всего использовать ручку для линз, в которой есть кисточка и средство для удаления пятен.
  • Проявляйте творческий подход, сталкиваясь с препятствиями во время измерения. Опция косвенного измерения дает вам возможность обхода объектов на вашем пути. Например, вы хотите измерить расстояние от одной стены до другой, но на пути стоит большой предмет мебели. Предполагая, что пол ровный, вы можете косвенно измерить расстояние от стены до стены, измерив расстояние от первой стены на уровне пола до второй стены на уровне потолка (гипотенуза прямоугольного треугольника). Затем измерьте высоту от пола до потолка (одна из сторон прямоугольного треугольника), чтобы получить результат, расстояние между двумя стенами (другая сторона прямоугольного треугольника). Ваш лазерный дальномер рассчитает это автоматически в режиме косвенного измерения.

Профессиональное использование лазерного дальномера

Лазерные дальномеры пользуются популярностью у агентов по недвижимости, подрядчиков, электриков, сантехников — практически у всех, кто занимается недвижимостью, обустройством дома, жилым или коммерческим строительством. Легко понять, почему. Теперь один человек может быстро и точно измерить практически любое пространство или расстояние, сэкономив время и деньги.

Геодезия, недвижимость и реконструкция

Подрядчики по реконструкции, агенты по недвижимости и геодезисты экономят время, переключаясь на лазерную рулетку.

Там, где раньше для сложных измерительных работ требовалось два человека и лестница, теперь профессионалы могут работать в одиночку и выполнять все необходимые измерения за короткое время. Это позволяет им обслуживать больше клиентов и быть более эффективными.

Прочие области применения:
  • Измерение размеров здания
  • Проверка чертежей и фактических данных
  • Планировка парковок

Электрика

конструкций), где они должны оценить длину кабелей, которые должны быть установлены. Существующие кабели и другие препятствия больше не представляют проблемы. И угадайте, что?! Им больше не нужно втискиваться в тесное пространство, чтобы провести измерения!

Другое применение:
  • Измерение высоты высоковольтных линий для проверки надлежащего зазора
  • Измерение расстояний для расчета падения напряжения (в источнике питания)
  • Определение длины имеющегося кабеля
  • Определение точного расстояния обрывов подземных кабелей
  • Измерение для правильного размещения осветительных приборов

Инженерная и эксплуатационная безопасность

Измерение с помощью лазерной ленты стало основным выбором для инженеров-строителей и других руководителей крупномасштабных проектов из-за многоцелевого использования этого инструмента.


Learn more