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激光位移傳感原理解析以及工業激光傳感器新方案
來源:
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作者:、小小志
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發布時間: 2019-03-19
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由于激光位移傳感器精度能夠達到納米級，也是被眾多工業所應用
要實現激光精準實時測量在工業領域的實際運用，則離不開各種激光傳感器的研發和推廣。毫無疑問，當代制造業已經是一個傳感器驅動的世界，基本上在任何的制造過程中，精確的實時測量在很大程度上有賴于傳感器。在引入光學技術后，傳感器向著更迅速、更精準、更靠譜的方向發展。與傳統測量方法對比，光學測量傳感器，尤其是激光測量傳感器因其非接觸且快速測量的能力在工業生產中獲得普遍的應用。其中最典型的應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狀況
激光位移傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的精確測量，還可用以探傷和大氣污染物的監測等。通過激光位移傳感器測量金屬薄片（薄板）的厚度變化，可以幫助發現皺紋、小洞或者重疊，防止設備發生故障；而在微小零件的位置識別、傳送帶上有沒有零件的監測、機械手位置（工具中心位置）的控制等方面的應用，則還可以保證設備、產線的高效率運行；在灌裝產品線上，可利用激光束反射表面的擴展程序來精準的識別灌裝產品填充是不是合格，在監測數量的同時也可以保證灌裝質量。除此之外，在絕對距離測量、相對位移測量、遠程振動測量或振動頻譜測量、輪廓檢測、厚度測量、曲率測量、透明物體的厚度測量等方面，激光位移傳感器都擁有無可比擬的優勢。
與國外先進企業對比，我國傳感器技術在科研開發上要落后10年，在生產技術上要落后15年。但近些年我國陸續制訂有益于傳感器產業發展的政策，并建立了多個傳感技術、機器人國家重點實驗室，同時也有千余家企業選擇從事專業傳感器的生產和產品研發，國內傳感器產業化進程隨之加快。現階段中國從事激光傳感器的公司多以中小企業為主，主要集中在長三角地區，大型企業數量偏少。代表性企業既有一定規模的余姚舜宇光學、北京創想智控、武漢承拓電子等，也有如蘇州摯感光子等采用先進集成光學技術的新創企業。
激光位移傳感器詳細介紹
現階段已有很多技術能實現精確的光學位移測量，而工業化的激光位移傳感器通常采用激光三角測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量原理進行精準的位移測量。除此之外，激光位移傳感器也被用來進行非接觸振動測量。但對于特定的測量條件和測量要求，以上方法都各有缺點。
對激光位移傳感器而言，激光三角測量法適用于高精度、短距離的測量，激光回波分析法則用于遠距離測量。在當今的工業機器人應用中，一般選用三角測量法，這種方法最高線性度可達1um，分辨率可達到0.1um的水準。
激光三角法是一種由角度計算得到單點或多維的距離測量。通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內部的CCD線性相機接收，根據不同的距離，CCD線性相機還可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。
回波分析法則是通過激光發射器每秒發射一百萬個激光脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并返回至接收器所需的時間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結果進行的平均輸出，即所謂的脈沖時間法測量的，最遠檢測距離可達250m。
而在精準的振動測量方面，常用的激光多普勒振動儀（LDV）的工作原理是在光學干涉的基礎上，通過兩束相干光束I1和I2的疊加來進行測量。疊加后的光強不是簡單的兩束光強之和，而且包括一個相干調制項。調制項與兩束光之間的路徑長度有關。
盡管激光三角法測量位移相對簡單靠譜，但其缺點是測量精度隨著測量距離和范圍的增大而降低，因此測量范圍受到限制。此外，還需要一定的開放空間來滿足三角法的測量需求，故無法實現在深溝或深孔中的應用。而激光回波分析法則適合于長距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低。在振動測量應用方面，前面這兩種位移／距離測量技術的檢測能力（頻率范圍／振動量范圍／精度）比較有限。而LDV雖可進行非常精確的振動測量及瞬時位移測量，但是欠缺測量絕對位移或距離的能力，且成本也相當高。
激光傳感新方案
基于這樣的現狀，利用集成光學芯片技術的優勢開發了一種小型激光傳感平臺，將這兩種主流的傳感功能結合在1個光學平臺上，可實現位移測量和振動測量等多種功能，在保持高精度測量的同時還極大降低了模塊尺寸和成本費。
現階段光學元器件通常體積大且價格昂貴，而且在與其他電子元器件的連接過程需要定制精確的裝配流程。而光學元件集成化還可以使其在低成本的基礎上，實現更復雜的設計和更多的功能。集成光學芯片可以在一個單一的光學基底上包含數十到數百個光學元件，包括激光器、調制器、光電探測器和濾波器，現已成為一種有效的解決方案，為現有和新興市場提供創新的光學模組。隨著現代制造對光學傳感器技術需求的不斷增長，集成光學芯片可以簡化系統設計，使得傳感器可以進行更快速、更準確的測量，而且成本更低。
激光位移傳感器市場狀況
激光位移傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的精確測量，還可用以探傷和大氣污染物的監測等。通過激光位移傳感器測量金屬薄片（薄板）的厚度變化，可以幫助發現皺紋、小洞或者重疊，防止設備發生故障；而在微小零件的位置識別、傳送帶上有沒有零件的監測、機械手位置（工具中心位置）的控制等方面的應用，則還可以保證設備、產線的高效率運行；在灌裝產品線上，可利用激光束反射表面的擴展程序來精準的識別灌裝產品填充是不是合格，在監測數量的同時也可以保證灌裝質量。除此之外，在絕對距離測量、相對位移測量、遠程振動測量或振動頻譜測量、輪廓檢測、厚度測量、曲率測量、透明物體的厚度測量等方面，激光位移傳感器都擁有無可比擬的優勢。
與國外先進企業對比，我國傳感器技術在科研開發上要落后10年，在生產技術上要落后15年。但近些年我國陸續制訂有益于傳感器產業發展的政策，并建立了多個傳感技術、機器人國家重點實驗室，同時也有千余家企業選擇從事專業傳感器的生產和產品研發，國內傳感器產業化進程隨之加快。現階段中國從事激光傳感器的公司多以中小企業為主，主要集中在長三角地區，大型企業數量偏少。代表性企業既有一定規模的余姚舜宇光學、北京創想智控、武漢承拓電子等，也有如蘇州摯感光子等采用先進集成光學技術的新創企業。
激光位移傳感器詳細介紹
現階段已有很多技術能實現精確的光學位移測量，而工業化的激光位移傳感器通常采用激光三角測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量原理進行精準的位移測量。除此之外，激光位移傳感器也被用來進行非接觸振動測量。但對于特定的測量條件和測量要求，以上方法都各有缺點。
對激光位移傳感器而言，激光三角測量法適用于高精度、短距離的測量，激光回波分析法則用于遠距離測量。在當今的工業機器人應用中，一般選用三角測量法，這種方法最高線性度可達1um，分辨率可達到0.1um的水準。
激光三角法是一種由角度計算得到單點或多維的距離測量。通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內部的CCD線性相機接收，根據不同的距離，CCD線性相機還可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。
回波分析法則是通過激光發射器每秒發射一百萬個激光脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并返回至接收器所需的時間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結果進行的平均輸出，即所謂的脈沖時間法測量的，最遠檢測距離可達250m。
而在精準的振動測量方面，常用的激光多普勒振動儀（LDV）的工作原理是在光學干涉的基礎上，通過兩束相干光束I1和I2的疊加來進行測量。疊加后的光強不是簡單的兩束光強之和，而且包括一個相干調制項。調制項與兩束光之間的路徑長度有關。
盡管激光三角法測量位移相對簡單靠譜，但其缺點是測量精度隨著測量距離和范圍的增大而降低，因此測量范圍受到限制。此外，還需要一定的開放空間來滿足三角法的測量需求，故無法實現在深溝或深孔中的應用。而激光回波分析法則適合于長距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低。在振動測量應用方面，前面這兩種位移／距離測量技術的檢測能力（頻率范圍／振動量范圍／精度）比較有限。而LDV雖可進行非常精確的振動測量及瞬時位移測量，但是欠缺測量絕對位移或距離的能力，且成本也相當高。
激光傳感新方案
基于這樣的現狀，利用集成光學芯片技術的優勢開發了一種小型激光傳感平臺，將這兩種主流的傳感功能結合在1個光學平臺上，可實現位移測量和振動測量等多種功能，在保持高精度測量的同時還極大降低了模塊尺寸和成本費。
現階段光學元器件通常體積大且價格昂貴，而且在與其他電子元器件的連接過程需要定制精確的裝配流程。而光學元件集成化還可以使其在低成本的基礎上，實現更復雜的設計和更多的功能。集成光學芯片可以在一個單一的光學基底上包含數十到數百個光學元件，包括激光器、調制器、光電探測器和濾波器，現已成為一種有效的解決方案，為現有和新興市場提供創新的光學模組。隨著現代制造對光學傳感器技術需求的不斷增長，集成光學芯片可以簡化系統設計，使得傳感器可以進行更快速、更準確的測量，而且成本更低。
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