Um scanner laser mede a distância enviando um feixe laser para uma superfície e analisando a luz que regressa, seja medindo o seu tempo de percurso (tempo de voo), seja comparando a sua fase (diferença de fase). Ao rodar o feixe e registar o ângulo de cada ponto, constrói um mapa do espaço.
Todos os instrumentos de medição laser, desde um medidor laser de distâncias de bolso até um scanner de qualidade topográfica, assentam na mesma ideia: enviar luz para uma superfície, observar o que regressa e transformar a diferença numa distância. O que distingue os instrumentos é a forma como fazem essa observação e como combinam distâncias isoladas numa forma.
Este artigo debruça-se sobre a técnica em si. Explica os três principais métodos de medição, como o ângulo e a distância se transformam em coordenadas, porque é que o espaçamento entre pontos e o erro angular aumentam com o alcance e o que significam realmente exatidão, precisão e resolução numa ficha técnica.
A luz como fita métrica
A luz desloca-se a quase 300 000 km por segundo, o que corresponde a cerca de 30 cm num nanossegundo. Um instrumento que sabe quando a sua luz partiu e consegue determinar quando, ou em que estado, ela regressou, pode calcular o comprimento do percurso de ida e volta. Metade desse percurso é, portanto, a distância até à superfície.
O desafio é a escala de tempo. Distinguir um único milímetro significa diferenciar intervalos de poucos picossegundos, milionésimos de milionésimo de segundo. Assim, cada um dos métodos abaixo é uma resposta diferente a este problema de medição do tempo.
Três formas de um laser medir a distância
| Método | O que o instrumento observa | Alcance típico | Utilização típica |
|---|---|---|---|
| Tempo de voo | O tempo que um impulso curto demora a regressar | Longo, até centenas de metros | Levantamentos topográficos no exterior, digitalização de longo alcance |
| Diferença de fase | O desfasamento de uma onda contínua modulada no seu regresso | Curto a médio, até dezenas de metros | Medidores de distâncias e instrumentos para interiores |
| Triangulação | O ponto onde a mancha refletida incide num sensor ao lado do laser | De milímetros até cerca de um metro | Sensores industriais e inspeção de peças |
Tempo de voo
O instrumento emite um impulso e um relógio rápido aguarda o eco. O método é direto e tem grande alcance, porque o detetor continua a conseguir captar um impulso curto e forte após um percurso longo. No entanto, o seu limite é o relógio: a resolução milimétrica exige uma medição do tempo extremamente precisa, pelo que os instrumentos de impulsos fazem muitas vezes a média de vários retornos.
Diferença de fase
Em vez de um único impulso, o laser envia um feixe contínuo cujo brilho sobe e desce como uma onda. O instrumento compara depois a onda que regressa com a que foi emitida, e o desfasamento entre ambas dá a distância. Como uma onda se repete, o instrumento utiliza várias frequências de modulação para eliminar a ambiguidade. Consequentemente, obtém uma resolução muito fina a distâncias à escala de uma divisão, razão pela qual a maioria dos instrumentos de interior precisos funciona desta forma.
Triangulação
Neste método, um sensor colocado a uma pequena distância lateral observa a mancha do laser. À medida que o alvo se aproxima ou se afasta, a mancha desloca-se no sensor, e uma geometria simples transforma essa posição numa distância. É extremamente preciso; no entanto, só funciona em alcances curtos, razão pela qual aparece em linhas de produção e não em divisões.
De distâncias isoladas a coordenadas
Antes de mais, uma leitura dá uma distância numa direção. Para descrever uma forma, o instrumento tem também de conhecer a direção. Um instrumento de digitalização roda a sua cabeça de medição em passos angulares fixos e guarda cada distância juntamente com o ângulo dessa leitura.
Por outras palavras, cada par é uma coordenada polar. A conversão é trigonometria básica: a distância multiplicada pelo cosseno do ângulo dá a posição X, e a distância multiplicada pelo seno dá Y. Já um instrumento 3D acrescenta um segundo ângulo, vertical, razão pela qual produz uma nuvem de pontos no espaço e não um contorno num plano.
Porque é que o espaçamento entre pontos e o erro aumentam com a distância
Como o instrumento lê em ângulos fixos, o intervalo entre pontos vizinhos aumenta à medida que estes incidem mais longe do instrumento. O erro angular comporta-se da mesma forma: uma pequena incerteza na direção transforma-se num desvio lateral maior numa parede distante. A tabela utiliza como exemplo um passo de 0,18° e uma exatidão angular de ±0,03°.
| Distância | Intervalo entre pontos (passo de 0,18°) | Desvio lateral com ±0,03° |
|---|---|---|
| 2 m | cerca de 6 mm | cerca de 1 mm |
| 5 m | cerca de 16 mm | cerca de 3 mm |
| 10 m | cerca de 31 mm | cerca de 5 mm |
| 20 m | cerca de 63 mm | cerca de 10 mm |
A lição prática é que a distância conta duas vezes: uma pelo erro de alcance do próprio laser e outra pela geometria. Por esta razão, medir espaços grandes a partir de mais do que uma posição mantém todas as superfícies suficientemente próximas para uma cobertura densa.
Exatidão, precisão e resolução não são a mesma coisa
As fichas técnicas utilizam estas três palavras como se fossem intermutáveis. Na realidade, descrevem coisas diferentes, e confundi-las é a razão mais comum para um resultado desiludir.
- A exatidão indica quão próxima está uma medição do valor real. Uma exatidão de ±2 mm significa que a leitura deve ficar a menos de dois milímetros da distância real.
- A precisão indica quão próximas estão entre si medições repetidas. Por exemplo, um instrumento pode ser preciso mas inexato, se repetir sempre o mesmo valor errado.
- A resolução é o menor incremento que o visor ou o ficheiro consegue apresentar. Uma leitura apresentada com 0,1 mm não tem necessariamente uma exatidão de 0,1 mm.
Ao comparar instrumentos, procure a exatidão indicada para uma determinada distância. Caso contrário, um valor sem distância refere-se normalmente ao melhor caso a curta distância.
O que a superfície faz ao feixe
O laser só mede o que regressa, por isso o alvo tem tanta influência como o instrumento. Superfícies mate e de cor clara devolvem uma mancha nítida. Pelo contrário, acabamentos escuros ou brilhantes devolvem menos luz ou dispersam-na, o que torna as leituras mais ruidosas, e uma luz ambiente muito intensa sobre o alvo reduz o alcance mensurável de um laser visível.
Já o vidro transparente e os espelhos são um caso à parte: o feixe atravessa-os ou é desviado, pelo que o instrumento pode registar uma superfície que não é a pretendida. O ângulo também conta. Um feixe que atinge uma parede de forma quase rasante espalha-se numa mancha alongada, enquanto uma parede virada para o instrumento dá a leitura mais nítida.
Como testar um instrumento
Felizmente, não é preciso um laboratório para verificar se um instrumento laser tem o desempenho anunciado. Dois testes simples revelam a maior parte dos problemas.
- Distância de referência. Marque uma distância de alguns metros entre dois pontos fixos e meça-a cuidadosamente com uma fita métrica de aço calibrada. Meça a mesma distância várias vezes com o laser. A média mostra a exatidão; a dispersão mostra a precisão.
- Superfícies diferentes. Repita a medição numa parede branca, uma superfície escura e uma superfície brilhante, à mesma distância. A diferença entre elas indica quanto o alvo afeta o seu instrumento.
A medição laser é segura?
Os instrumentos para trabalho em interiores utilizam lasers visíveis de baixa potência, normalmente de Classe 2 segundo a IEC 60825-1, muitas vezes com um comprimento de onda vermelho de cerca de 635 nm. Os especialistas consideram a Classe 2 segura em caso de exposição acidental, porque o reflexo natural de pestanejar protege o olho. Ainda assim, é boa prática nunca olhar deliberadamente para o feixe nem apontá-lo para a cara das pessoas.
Perguntas frequentes
Qual é o método mais exato?
Para alcances curtos, a triangulação. A distâncias à escala de uma divisão, a diferença de fase oferece normalmente o melhor equilíbrio entre exatidão e rapidez. Por fim, em distâncias longas, o tempo de voo é a escolha prática, porque continua a funcionar onde os outros métodos perdem eficácia.
Porque é que um laser tem menor alcance sob luz solar intensa?
O instrumento tem de distinguir a sua própria luz refletida do fundo. Por isso, a luz solar intensa sobre o alvo aumenta esse fundo, e o retorno fraco de uma superfície distante torna-se mais difícil de detetar.
Um maior número de pontos significa maior exatidão?
Não. Mais pontos dão um contorno mais denso e mostram pequenos pormenores. No entanto, cada ponto é apenas tão exato quanto a medição individual que lhe deu origem. Densidade e exatidão são qualidades distintas.
Conclusão
A medição laser é um problema de medição do tempo resolvido de três formas diferentes, seguido de geometria simples. Assim, saber que método utiliza um instrumento, como os seus erros aumentam com a distância e o que a sua ficha técnica realmente indica torna muito mais fácil escolher a ferramenta certa e confiar nos números que fornece.
Para saber como estes princípios se aplicam às plantas, leia sobre o scanner laser 2D, compare as ferramentas de medição laser utilizadas em interiores ou veja as diferenças entre a digitalização de divisões 3D e 2D.
