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激光位移傳感原理解析以及工業(yè)激光傳感器新方案
來(lái)源:
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作者:、小小志
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發(fā)布時(shí)間: 2019-03-19
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由于激光位移傳感器精度能夠達(dá)到納米級(jí)，也是被眾多工業(yè)所應(yīng)用
要實(shí)現(xiàn)激光精準(zhǔn)實(shí)時(shí)測(cè)量在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)用，則離不開(kāi)各種激光傳感器的研發(fā)和推廣。毫無(wú)疑問(wèn)，當(dāng)代制造業(yè)已經(jīng)是一個(gè)傳感器驅(qū)動(dòng)的世界，基本上在任何的制造過(guò)程中，精確的實(shí)時(shí)測(cè)量在很大程度上有賴于傳感器。在引入光學(xué)技術(shù)后，傳感器向著更迅速、更精準(zhǔn)、更靠譜的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)測(cè)量方法對(duì)比，光學(xué)測(cè)量傳感器，尤其是激光測(cè)量傳感器因其非接觸且快速測(cè)量的能力在工業(yè)生產(chǎn)中獲得普遍的應(yīng)用。其中最典型的應(yīng)用例子就是高精度的激光位移傳感器。
激光位移傳感器市場(chǎng)狀況
激光位移傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的精確測(cè)量，還可用以探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等。通過(guò)激光位移傳感器測(cè)量金屬薄片（薄板）的厚度變化，可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋、小洞或者重疊，防止設(shè)備發(fā)生故障；而在微小零件的位置識(shí)別、傳送帶上有沒(méi)有零件的監(jiān)測(cè)、機(jī)械手位置（工具中心位置）的控制等方面的應(yīng)用，則還可以保證設(shè)備、產(chǎn)線的高效率運(yùn)行；在灌裝產(chǎn)品線上，可利用激光束反射表面的擴(kuò)展程序來(lái)精準(zhǔn)的識(shí)別灌裝產(chǎn)品填充是不是合格，在監(jiān)測(cè)數(shù)量的同時(shí)也可以保證灌裝質(zhì)量。除此之外，在絕對(duì)距離測(cè)量、相對(duì)位移測(cè)量、遠(yuǎn)程振動(dòng)測(cè)量或振動(dòng)頻譜測(cè)量、輪廓檢測(cè)、厚度測(cè)量、曲率測(cè)量、透明物體的厚度測(cè)量等方面，激光位移傳感器都擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)對(duì)比，我國(guó)傳感器技術(shù)在科研開(kāi)發(fā)上要落后10年，在生產(chǎn)技術(shù)上要落后15年。但近些年我國(guó)陸續(xù)制訂有益于傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并建立了多個(gè)傳感技術(shù)、機(jī)器人國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)也有千余家企業(yè)選擇從事專業(yè)傳感器的生產(chǎn)和產(chǎn)品研發(fā)，國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程隨之加快?，F(xiàn)階段中國(guó)從事激光傳感器的公司多以中小企業(yè)為主，主要集中在長(zhǎng)三角地區(qū)，大型企業(yè)數(shù)量偏少。代表性企業(yè)既有一定規(guī)模的余姚舜宇光學(xué)、北京創(chuàng)想智控、武漢承拓電子等，也有如蘇州摯感光子等采用先進(jìn)集成光學(xué)技術(shù)的新創(chuàng)企業(yè)。
激光位移傳感器詳細(xì)介紹
現(xiàn)階段已有很多技術(shù)能實(shí)現(xiàn)精確的光學(xué)位移測(cè)量，而工業(yè)化的激光位移傳感器通常采用激光三角測(cè)量法和激光回波分析法二種方法，除此之外還可利用彩色共焦和干涉測(cè)量原理進(jìn)行精準(zhǔn)的位移測(cè)量。除此之外，激光位移傳感器也被用來(lái)進(jìn)行非接觸振動(dòng)測(cè)量。但對(duì)于特定的測(cè)量條件和測(cè)量要求，以上方法都各有缺點(diǎn)。
對(duì)激光位移傳感器而言，激光三角測(cè)量法適用于高精度、短距離的測(cè)量，激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。在當(dāng)今的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，一般選用三角測(cè)量法，這種方法最高線性度可達(dá)1um，分辨率可達(dá)到0.1um的水準(zhǔn)。
激光三角法是一種由角度計(jì)算得到單點(diǎn)或多維的距離測(cè)量。通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)還可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。
回波分析法則是通過(guò)激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)激光脈沖到檢測(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回至接收器所需的時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出，即所謂的脈沖時(shí)間法測(cè)量的，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)250m。
而在精準(zhǔn)的振動(dòng)測(cè)量方面，常用的激光多普勒振動(dòng)儀（LDV）的工作原理是在光學(xué)干涉的基礎(chǔ)上，通過(guò)兩束相干光束I1和I2的疊加來(lái)進(jìn)行測(cè)量。疊加后的光強(qiáng)不是簡(jiǎn)單的兩束光強(qiáng)之和，而且包括一個(gè)相干調(diào)制項(xiàng)。調(diào)制項(xiàng)與兩束光之間的路徑長(zhǎng)度有關(guān)。
盡管激光三角法測(cè)量位移相對(duì)簡(jiǎn)單靠譜，但其缺點(diǎn)是測(cè)量精度隨著測(cè)量距離和范圍的增大而降低，因此測(cè)量范圍受到限制。此外，還需要一定的開(kāi)放空間來(lái)滿足三角法的測(cè)量需求，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)在深溝或深孔中的應(yīng)用。而激光回波分析法則適合于長(zhǎng)距離檢測(cè)，但測(cè)量精度相對(duì)于激光三角測(cè)量法要低。在振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用方面，前面這兩種位移／距離測(cè)量技術(shù)的檢測(cè)能力（頻率范圍／振動(dòng)量范圍／精度）比較有限。而LDV雖可進(jìn)行非常精確的振動(dòng)測(cè)量及瞬時(shí)位移測(cè)量，但是欠缺測(cè)量絕對(duì)位移或距離的能力，且成本也相當(dāng)高。
激光傳感新方案
基于這樣的現(xiàn)狀，利用集成光學(xué)芯片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)了一種小型激光傳感平臺(tái)，將這兩種主流的傳感功能結(jié)合在1個(gè)光學(xué)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量和振動(dòng)測(cè)量等多種功能，在保持高精度測(cè)量的同時(shí)還極大降低了模塊尺寸和成本費(fèi)。
現(xiàn)階段光學(xué)元器件通常體積大且價(jià)格昂貴，而且在與其他電子元器件的連接過(guò)程需要定制精確的裝配流程。而光學(xué)元件集成化還可以使其在低成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和更多的功能。集成光學(xué)芯片可以在一個(gè)單一的光學(xué)基底上包含數(shù)十到數(shù)百個(gè)光學(xué)元件，包括激光器、調(diào)制器、光電探測(cè)器和濾波器，現(xiàn)已成為一種有效的解決方案，為現(xiàn)有和新興市場(chǎng)提供創(chuàng)新的光學(xué)模組。隨著現(xiàn)代制造對(duì)光學(xué)傳感器技術(shù)需求的不斷增長(zhǎng)，集成光學(xué)芯片可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得傳感器可以進(jìn)行更快速、更準(zhǔn)確的測(cè)量，而且成本更低。
激光位移傳感器市場(chǎng)狀況
激光位移傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的精確測(cè)量，還可用以探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等。通過(guò)激光位移傳感器測(cè)量金屬薄片（薄板）的厚度變化，可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋、小洞或者重疊，防止設(shè)備發(fā)生故障；而在微小零件的位置識(shí)別、傳送帶上有沒(méi)有零件的監(jiān)測(cè)、機(jī)械手位置（工具中心位置）的控制等方面的應(yīng)用，則還可以保證設(shè)備、產(chǎn)線的高效率運(yùn)行；在灌裝產(chǎn)品線上，可利用激光束反射表面的擴(kuò)展程序來(lái)精準(zhǔn)的識(shí)別灌裝產(chǎn)品填充是不是合格，在監(jiān)測(cè)數(shù)量的同時(shí)也可以保證灌裝質(zhì)量。除此之外，在絕對(duì)距離測(cè)量、相對(duì)位移測(cè)量、遠(yuǎn)程振動(dòng)測(cè)量或振動(dòng)頻譜測(cè)量、輪廓檢測(cè)、厚度測(cè)量、曲率測(cè)量、透明物體的厚度測(cè)量等方面，激光位移傳感器都擁有無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。
與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)對(duì)比，我國(guó)傳感器技術(shù)在科研開(kāi)發(fā)上要落后10年，在生產(chǎn)技術(shù)上要落后15年。但近些年我國(guó)陸續(xù)制訂有益于傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并建立了多個(gè)傳感技術(shù)、機(jī)器人國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)也有千余家企業(yè)選擇從事專業(yè)傳感器的生產(chǎn)和產(chǎn)品研發(fā)，國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程隨之加快?，F(xiàn)階段中國(guó)從事激光傳感器的公司多以中小企業(yè)為主，主要集中在長(zhǎng)三角地區(qū)，大型企業(yè)數(shù)量偏少。代表性企業(yè)既有一定規(guī)模的余姚舜宇光學(xué)、北京創(chuàng)想智控、武漢承拓電子等，也有如蘇州摯感光子等采用先進(jìn)集成光學(xué)技術(shù)的新創(chuàng)企業(yè)。
激光位移傳感器詳細(xì)介紹
現(xiàn)階段已有很多技術(shù)能實(shí)現(xiàn)精確的光學(xué)位移測(cè)量，而工業(yè)化的激光位移傳感器通常采用激光三角測(cè)量法和激光回波分析法二種方法，除此之外還可利用彩色共焦和干涉測(cè)量原理進(jìn)行精準(zhǔn)的位移測(cè)量。除此之外，激光位移傳感器也被用來(lái)進(jìn)行非接觸振動(dòng)測(cè)量。但對(duì)于特定的測(cè)量條件和測(cè)量要求，以上方法都各有缺點(diǎn)。
對(duì)激光位移傳感器而言，激光三角測(cè)量法適用于高精度、短距離的測(cè)量，激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。在當(dāng)今的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，一般選用三角測(cè)量法，這種方法最高線性度可達(dá)1um，分辨率可達(dá)到0.1um的水準(zhǔn)。
激光三角法是一種由角度計(jì)算得到單點(diǎn)或多維的距離測(cè)量。通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)還可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。
回波分析法則是通過(guò)激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)激光脈沖到檢測(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回至接收器所需的時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出，即所謂的脈沖時(shí)間法測(cè)量的，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)250m。
而在精準(zhǔn)的振動(dòng)測(cè)量方面，常用的激光多普勒振動(dòng)儀（LDV）的工作原理是在光學(xué)干涉的基礎(chǔ)上，通過(guò)兩束相干光束I1和I2的疊加來(lái)進(jìn)行測(cè)量。疊加后的光強(qiáng)不是簡(jiǎn)單的兩束光強(qiáng)之和，而且包括一個(gè)相干調(diào)制項(xiàng)。調(diào)制項(xiàng)與兩束光之間的路徑長(zhǎng)度有關(guān)。
盡管激光三角法測(cè)量位移相對(duì)簡(jiǎn)單靠譜，但其缺點(diǎn)是測(cè)量精度隨著測(cè)量距離和范圍的增大而降低，因此測(cè)量范圍受到限制。此外，還需要一定的開(kāi)放空間來(lái)滿足三角法的測(cè)量需求，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)在深溝或深孔中的應(yīng)用。而激光回波分析法則適合于長(zhǎng)距離檢測(cè)，但測(cè)量精度相對(duì)于激光三角測(cè)量法要低。在振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用方面，前面這兩種位移／距離測(cè)量技術(shù)的檢測(cè)能力（頻率范圍／振動(dòng)量范圍／精度）比較有限。而LDV雖可進(jìn)行非常精確的振動(dòng)測(cè)量及瞬時(shí)位移測(cè)量，但是欠缺測(cè)量絕對(duì)位移或距離的能力，且成本也相當(dāng)高。
激光傳感新方案
基于這樣的現(xiàn)狀，利用集成光學(xué)芯片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)了一種小型激光傳感平臺(tái)，將這兩種主流的傳感功能結(jié)合在1個(gè)光學(xué)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量和振動(dòng)測(cè)量等多種功能，在保持高精度測(cè)量的同時(shí)還極大降低了模塊尺寸和成本費(fèi)。
現(xiàn)階段光學(xué)元器件通常體積大且價(jià)格昂貴，而且在與其他電子元器件的連接過(guò)程需要定制精確的裝配流程。而光學(xué)元件集成化還可以使其在低成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和更多的功能。集成光學(xué)芯片可以在一個(gè)單一的光學(xué)基底上包含數(shù)十到數(shù)百個(gè)光學(xué)元件，包括激光器、調(diào)制器、光電探測(cè)器和濾波器，現(xiàn)已成為一種有效的解決方案，為現(xiàn)有和新興市場(chǎng)提供創(chuàng)新的光學(xué)模組。隨著現(xiàn)代制造對(duì)光學(xué)傳感器技術(shù)需求的不斷增長(zhǎng)，集成光學(xué)芯片可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得傳感器可以進(jìn)行更快速、更準(zhǔn)確的測(cè)量，而且成本更低。
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