In un impianto di frantumazione, il livello del materiale in una tramoggia da dodici metri cambia di continuo e nessun operatore può affacciarsi a controllarlo. In un magazzino automatico, un carro ponte deve fermarsi a pochi millimetri dalla posizione nominale mentre viaggia a due metri al secondo. In entrambi i casi si misura una distanza senza contatto con un fascio laser, ma il sensore corretto non è lo stesso: cambia il principio con cui il tempo di percorrenza della luce viene tradotto in metri.
La luce percorre circa trenta centimetri per nanosecondo. Misurare una distanza di cento metri con una risoluzione di un millimetro significa quindi discriminare intervalli temporali dell’ordine dei picosecondi, oppure aggirare il problema misurando una grandezza diversa. Da qui nascono le quattro famiglie che questo articolo mette a confronto: l’impulso diretto, la modulazione di fase, la triangolazione ottica e l’interferometria. Un tempo di volo e telemetria laser confronto metodi impostato correttamente parte dal riconoscere che portata, accuratezza e frequenza di aggiornamento sono legate fra loro e non si possono massimizzare insieme.
I distanziometri industriali della serie Astech LDM42 e LDM301A appartengono alla famiglia a impulso diretto e rendono espliciti questi compromessi: portate da alcune decine a diverse centinaia di metri su bersaglio naturale, frequenze di misura fino all’ordine delle centinaia di hertz, uscite analogiche e seriali per l’integrazione diretta in PLC. Sono il riferimento pratico con cui, nelle pagine che seguono, verranno confrontati i limiti fisici di ciascun metodo.
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Che cosa misura davvero un telemetro laser
Nessun telemetro misura una lunghezza: misura un ritardo, uno sfasamento o un angolo, e lo converte in distanza attraverso la velocità della luce nel mezzo. Il metodo a impulso diretto emette lampi di pochi nanosecondi e cronometra il ritorno dell’eco ottica; l’incertezza dipende dalla ripidità del fronte e dal rapporto segnale-rumore del ricevitore, non dalla distanza in sé, per questo l’accuratezza resta quasi costante su tutta la portata. Il metodo a modulazione di fase illumina il bersaglio con luce modulata in ampiezza e confronta la fase del segnale ricevuto con quella emessa: la risoluzione è una frazione della lunghezza d’onda di modulazione, quindi molto fine, ma il valore restituito è noto solo a meno di un numero intero di periodi. La grandezza intermedia scelta determina tutto il resto: portata utile, sensibilità alla riflettività e comportamento dinamico.
Tempo di volo e telemetria laser: confronto fra i metodi di misura in campo
Messi in fila, i quattro principi coprono scale diverse e non sono alternative equivalenti. L’impulso diretto è l’unico che lavora su decine o centinaia di metri contro una superficie non preparata, perché concentra molta energia in un tempo brevissimo e tollera un eco debole. La modulazione di fase è più precisa a parità di potenza ma perde efficacia quando il segnale di ritorno si attenua, e la sua portata utile resta legata alla frequenza di modulazione. La triangolazione, che ricava la distanza dalla posizione dello spot su un sensore d’immagine, arriva a risoluzioni micrometriche solo entro poche decine di centimetri, oltre le quali l’angolo di parallasse diventa troppo piccolo. L’interferometria, infine, misura spostamenti e non distanze assolute: serve a tarare gli altri strumenti, non a sostituirli in impianto.
| Metodo | Portata tipica | Accuratezza | Aggiornamento | Campo di impiego |
|---|---|---|---|---|
| Impulso diretto (pulsed ToF) | da 0,2 m a oltre 300 m su bersaglio naturale | da qualche millimetro a qualche centimetro | da decine a centinaia di Hz | livelli in silos e tramogge, posizione di carri ponte e gru, sicurezza anticollisione |
| Modulazione di fase (phase-shift) | tipicamente fino a qualche decina di metri | frazioni di millimetro | medio-bassa | metrologia dimensionale, topografia, misure statiche su bersaglio cooperativo |
| Triangolazione ottica | da pochi millimetri a circa 1 m | micrometrica nel campo breve | fino a diversi kHz | profilo, spessore, planarità, controllo di forma in linea |
| Interferometria | alcuni metri con percorso controllato | nanometrica | elevata, ma su spostamento relativo | taratura di macchine, banchi di riferimento, laboratorio |
Errore di ambiguità, superfici scure e bersagli in movimento
Tre anomalie ricorrenti distinguono le famiglie in esercizio. La prima è l’errore di ambiguità: nella misura di fase la distanza è determinata a meno di metà della lunghezza d’onda di modulazione, quindi lo strumento può restituire un valore corretto in apparenza ma spostato di un periodo intero; si risolve con più frequenze di modulazione combinate, al prezzo di tempi di misura più lunghi. La seconda riguarda la riflettività: una superficie nera o bagnata può rinviare meno dell’uno per cento della luce incidente e una parete umida si comporta da specchio, deviando il fascio se l’incidenza non è quasi perpendicolare. La terza è il bersaglio in movimento: con una frequenza di aggiornamento insufficiente il valore letto si riferisce a una posizione già superata, e l’errore cresce in proporzione alla velocità.
Polvere, nebbia e vapore negli ambienti estrattivi e nei silos
Negli impianti di cava, nei silos di cemento e nei sili di cereali il mezzo attraversato dal fascio non è aria pulita. Polvere sospesa, nebbia e vapore attenuano il segnale e, soprattutto, generano echi parassiti a distanza ravvicinata: parte della luce torna al ricevitore prima di raggiungere il materiale. Qui il vantaggio dell’impulso diretto è strutturale, perché separa nel tempo l’eco spuria da quella utile e consente di scartare la prima con una finestra di misura, oltre a scegliere l’ultimo eco valido invece del più forte. La misura di fase, che integra tutta la luce ricevuta, tende invece a restituire una media falsata verso il sensore. Restano validi gli accorgimenti di installazione: canna di protezione, aria di soffiaggio sull’ottica e allineamento che eviti la parete del silo.
Nastri trasportatori e carri ponte: come si traduce la scelta del principio
Su un nastro trasportatore si misura il profilo del materiale o la presenza del carico: il bersaglio scorre, la superficie è irregolare e serve una lettura rapida e ripetibile più che accuratissima, condizione tipica dell’impulso diretto con uscita analogica continua. Su un carro ponte o su un traslo di magazzino si misura la posizione lungo la via di corsa, spesso oltre i cento metri contro un catarifrangente, con esigenza combinata di portata e di aggiornamento veloce per la frenatura controllata. Nessuno dei due casi è risolvibile con la triangolazione, che lavora su scala centimetrica, o con l’interferometria, che richiede un percorso ottico protetto.
Il quadro completo dei principi di misura, delle configurazioni ottiche e dei criteri di installazione è raccolto nella pagina dedicata a Tempo di volo e telemetria laser, utile come riferimento tecnico prima di definire una specifica.
Prodotti utilizzati in questa applicazione
DISTANZIOMETRI LASER ASTECH
Astech LDM42
Telemetro a impulso diretto per misure su bersaglio naturale e su catarifrangente, con frequenza di misura elevata e uscite analogica e seriale per collegamento diretto al PLC. Impiego tipico su nastri, tramogge e assi di traslazione in ambienti industriali.
DISTANZIOMETRI LASER ASTECH
Astech LDM301A
Versione a lunga portata della famiglia LDM, progettata per misure su distanze estese anche contro superfici poco riflettenti. Custodia robusta per impianti estrattivi e siderurgici, interfacce seriali e analogiche configurabili, gestione dell’eco in presenza di polvere.
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