激光位移傳感器的工作原理

1、,.ZLDS10X可定制激光位移傳感器量程 : 2 1000mm（可定制）精度 :最高 0.1%（玻璃 0.2%）分 辨 率:最高 0.03%頻率響應(yīng)基本原理是光學(xué)三角法：半導(dǎo)體激光器 1 被鏡片 2 聚焦到被測(cè)物體 6。反射光被鏡片 3 收集，投射到 CCD 陣列 4 上；信號(hào)處理器 5 通過三角函數(shù)計(jì)算陣列 4 上的光點(diǎn)位置得到距物體的距離。激光傳感器原理與應(yīng)用激光傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。 它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等。激光和激光器 激光是 20 世紀(jì) 60 年代

2、出現(xiàn)的最重大的科學(xué)技術(shù)成就之一。 它發(fā)展迅速，已廣泛應(yīng)用于國防、生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)和非電測(cè)量等各方面。激光與普通光不同，需要用激光器產(chǎn)生。激光器的工作物質(zhì)，在正常狀態(tài)下，多數(shù)原子處于穩(wěn)定的低能級(jí) E1, 在適當(dāng)頻率的外界光線的作用下， 處于低能級(jí)的原子吸收光子能量受激發(fā)而躍遷到高能級(jí) E2。光子能量 E=E2-E1=hv,式中 h 為普朗克常數(shù)， v 為光子頻率。反之，在頻率為 v 的光的誘發(fā)下，處于能級(jí) E2 的原子會(huì)躍遷到低能級(jí)釋放能量而發(fā)光， 稱為受激輻射。 激光器首先使工作物質(zhì)的原子反常地多數(shù)處于高能級(jí)（即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布），就能使受激輻射過程占優(yōu)勢(shì)，從而使頻率為 v 的誘發(fā)光得到增強(qiáng) , 并可

3、通過平行的反射鏡形成雪崩式的放大作用而產(chǎn)生強(qiáng)大的受激輻射光，簡(jiǎn)稱激光。激光具有3 個(gè)重要特性：（ 1）高方向性（即高定向性，光速發(fā)散角?。?，激光束在幾公里外的擴(kuò)展范圍不過幾厘米；（ 2）高單色性，激光的頻率寬度比普通光小 10 倍以上；（ 3）高亮度，利用激光束會(huì)聚最高可產(chǎn)生達(dá)幾百萬度的溫度。;.,.激光器按工作物質(zhì)可分為4 種：（ 1）固體激光器：它的工作物質(zhì)是固體。常用的有紅寶石激光器、摻釹的釔鋁石榴石激光器 ( 即 YAG激光器 ) 和釹玻璃激光器等。它們的結(jié)構(gòu)大致相同，特點(diǎn)是小而堅(jiān)固、 功率高，釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件， 已達(dá)到數(shù)十兆瓦。（ 2）氣體激光器：它的工作物質(zhì)

4、為氣體?，F(xiàn)已有各種氣體原子、離子、金屬蒸氣、氣體分子激光器。 常用的有二氧化碳激光器、 氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形狀如普通放電管， 特點(diǎn)是輸出穩(wěn)定， 單色性好 , 壽命長(zhǎng) , 但功率較小， 轉(zhuǎn)換效率較低。（ 3）液體激光器 : 它又可分為螯合物激光器、 無機(jī)液體激光器和有機(jī)染料激光器，其中最重要的是有機(jī)染料激光器，它的最大特點(diǎn)是波長(zhǎng)連續(xù)可調(diào)。（ 4）半導(dǎo)體激光器： 它是較年輕的一種激光器， 其中較成熟的是砷化鎵激光器。特點(diǎn)是效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適宜于在飛機(jī)、軍艦、坦克上以及步兵隨身攜帶?？芍瞥蓽y(cè)距儀和瞄準(zhǔn)器。但輸出功率較小、定向性較差、受環(huán)境溫度影響較大。應(yīng)用利用激光的高方

5、向性、 高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測(cè)量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等。激光測(cè)長(zhǎng)精密測(cè)量長(zhǎng)度是精密機(jī)械制造工業(yè)和光學(xué)加工工業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)之一。 現(xiàn)代長(zhǎng)度計(jì)量多是利用光波的干涉現(xiàn)象來進(jìn)行的， 其精度主要取決于光的單色性的好壞。 激光是最理想的光源，它比以往最好的單色光源（氪-86 燈）還純 10 萬倍。因此激光測(cè)長(zhǎng)的量程大、精度高。由光學(xué)原理可知單色光的最大可測(cè)長(zhǎng)度L 與波長(zhǎng) 和譜線寬度 之間的關(guān)系是 L=2/ 。用氪 86 燈可測(cè)最大長(zhǎng)度為 38.5 厘米，對(duì)于較長(zhǎng)物體就需分段測(cè)量而使精度降低。 若用氦氖氣體激光器， 則

6、最大可測(cè)幾十公里。一般測(cè)量數(shù)米之內(nèi)的長(zhǎng)度，其精度可達(dá) 0.1 微米。激光測(cè)距它的原理與無線電雷達(dá)相同，將激光對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射出去后，測(cè)量它的往返時(shí)間，再乘以光速即得到往返距離。 由于激光具有高方向性、 高單色性和高功率等優(yōu)點(diǎn)，這些對(duì)于測(cè)遠(yuǎn)距離、 判定目標(biāo)方位、 提高接收系統(tǒng)的信噪比、 保證測(cè)量精度等都是很關(guān)鍵的，因此激光測(cè)距儀日益受到重視。 在激光測(cè)距儀基礎(chǔ)上發(fā)展起來的激光雷達(dá)不僅能測(cè)距， 而且還可以測(cè)目標(biāo)方位、 運(yùn)運(yùn)速度和加速度等， 已成功地用于人造衛(wèi)星的測(cè)距和跟蹤，例如采用紅寶石激光器的激光雷達(dá)，測(cè)距范圍為500 2000 公里 , 誤差僅幾米。目前常采用紅寶石激光器、釹玻璃激光器、二氧化碳激

7、光器以及砷化鎵激光器作為激光測(cè)距儀的光源。激光測(cè)厚利用三角測(cè)距原理，上位于C 型架的上、下方分割有一個(gè)精密激光測(cè)距傳感器，由激光器發(fā)射出的調(diào)制激光打到被測(cè)物的表面，通過對(duì)線陣CCD的信號(hào)進(jìn)行采;.,.樣處理，線陣 CCD攝像機(jī)在控制電路的控制下同步得到被測(cè)物到 C 型架之間的距離，通過傳感器反饋的數(shù)據(jù)來計(jì)算中間被測(cè)物的厚度。由于檢測(cè)是連續(xù)進(jìn)行的，因此就可以得到被測(cè)物的連續(xù)動(dòng)態(tài)厚度值。影響激光測(cè)厚精度的安裝因素：和其它傳感器測(cè)厚一樣， 要實(shí)現(xiàn)精密測(cè)厚需要注意以下條件， 否則再好的傳感器也測(cè)不準(zhǔn)。精密測(cè)厚，選精密激光位移傳感器很重要， 但如果兩個(gè)傳感器不能同步工作，安裝不同軸，則根本測(cè)不準(zhǔn)：（ 1

8、）單激光位移傳感器測(cè)厚被測(cè)體放在測(cè)量平臺(tái)上， 測(cè)量出傳感器到平臺(tái)表面距離， 然后再測(cè)出傳感器到被測(cè)體表面間距， 經(jīng)計(jì)算后測(cè)出厚度。 要求被測(cè)體與測(cè)量平臺(tái)之間無氣隙， 被測(cè)體無翹起。這些嚴(yán)格要求只有在離線情況能實(shí)現(xiàn)。（ 2）雙激光位移傳感器測(cè)厚在被測(cè)體上方和下方各安裝一個(gè)激光位移傳感器， 被測(cè)體厚度 D=C-(A+B)。其中，C是兩個(gè)傳感器之間距離， A 是上面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y(cè)體之間距離， B 是下面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y(cè)體之間距離。 在線厚度測(cè)量用這種方法優(yōu)點(diǎn)是可消除被測(cè)體振動(dòng)對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。但同時(shí)對(duì)傳感器安裝和性能有要求。 保證測(cè)量準(zhǔn)確性的條件是： 兩個(gè)傳感器發(fā)射光束必須同軸，以及兩個(gè)傳感器掃描必須同步

9、。同軸是靠安裝實(shí)現(xiàn)，而同步要靠選擇有同步端激光傳感器。不同步將代來很大誤差： 如果被測(cè)體存在振動(dòng)頻率 20HZ，振幅 1mm，如果信號(hào)不同步延遲 1ms，那么就會(huì)帶來 125m誤差。安裝使兩個(gè)激光同軸， 不但確保被測(cè)體同一位置上的厚度，同時(shí)降低了被測(cè)體傾斜帶來的誤差。以被測(cè)體運(yùn)動(dòng)方向不同軸為例，當(dāng)不同軸 1mm，被測(cè)體傾斜 2 可帶來 35m誤差。激光三角漫反射位移傳感器用于測(cè)厚有明顯優(yōu)點(diǎn)：（ 1）非常小的測(cè)量光斑，是點(diǎn)光斑面積，它比面積型非接觸電容、電渦流傳感器需要的面積小很多，對(duì)被測(cè)體面積幾乎無要求， 適合測(cè)量非常小面積尺寸厚度；（ 2）較遠(yuǎn)的測(cè)量范圍起始間距。它比非接觸電容、電渦流傳感器

10、起始間距大很多。這樣傳感器可以遠(yuǎn)離被測(cè)體，免受碰壞，及被測(cè)體熱輻射影響；（ 3）有很大的測(cè)量范圍，這是其它傳感器很難做到的；（ 4）與被測(cè)體材料無關(guān)，即金屬非金屬體，非透明有漫反射條件表面都能測(cè)。（ 5）用激光測(cè)厚取代同位素測(cè)厚，可以消除對(duì)用戶的放射性損害。激光測(cè)振它基于多普勒原理測(cè)量物體的振動(dòng)速度。 多普勒原理是指： 若波源或接收波的觀察者相對(duì)于傳播波的媒質(zhì)而運(yùn)動(dòng)， 那么觀察者所測(cè)到的頻率不僅取決于波源發(fā)出的振動(dòng)頻率而且還取決于波源或觀察者的運(yùn)動(dòng)速度的大小和方向。 所測(cè)頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。 在振動(dòng)方向與方向一致時(shí)多普頻移 fd=v/ ，式中 v 為振動(dòng)速度、 為波長(zhǎng)。在激光多

11、普勒振動(dòng)速度測(cè)量?jī)x中，由于光往返的原因 ,fd =2v/ 。這種測(cè)振儀在測(cè)量時(shí)由光學(xué)部分將物體的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的多普勒頻移 , 并由光檢測(cè)器將此頻移轉(zhuǎn)換為電信號(hào), 再由電路部分作適當(dāng)處理后送往多普勒信號(hào)處理器將多普勒頻移信號(hào)變換為與振動(dòng)速度相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)，最后記錄于磁帶。這種測(cè)振儀采用波長(zhǎng)為 6328 埃( ) 的氦氖激光器，用聲光調(diào)制器進(jìn)行光頻調(diào)制， 用石英晶體振蕩器加功率放大電路作為聲光調(diào)制器的驅(qū)動(dòng)源， 用;.,.光電倍增管進(jìn)行光電檢測(cè)， 用頻率跟蹤器來處理多普勒信號(hào)。 它的優(yōu)點(diǎn)是使用方便，不需要固定參考系 , 不影響物體本身的振動(dòng) , 測(cè)量頻率范圍寬、 精度高、動(dòng)態(tài)范圍大。缺點(diǎn)是測(cè)量過程

12、受其他雜散光的影響較大。激光測(cè)速它也是基多普勒原理的一種激光測(cè)速方法 , 用得較多的是激光多普勒流速計(jì) ( 見激光流量計(jì) ), 它可以測(cè)量風(fēng)洞氣流速度、火箭燃料流速、飛行器噴射氣流流速、大氣風(fēng)速和化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及匯聚速度等。多普勒測(cè)速系統(tǒng)（ Doppler velocity-measuring system）原理：從開過來的機(jī)車所聽到的聲波間的距離被壓縮了，就好像一個(gè)人正在關(guān)手風(fēng)琴。這個(gè)動(dòng)作的結(jié)果產(chǎn)生一個(gè)明顯的較高的音調(diào)。 當(dāng)火車離去時(shí)， 聲波傳播開來， 就出現(xiàn)了較低的聲音 - 這種現(xiàn)象被稱為“多普勒”效應(yīng)。檢查機(jī)動(dòng)車速度的雷達(dá)測(cè)速儀也是利用這種多普勒效應(yīng)。 從測(cè)速儀里射出一束射線，射到

13、汽車上再返回測(cè)速儀。 測(cè)速儀里面的微型信息處理機(jī)把返回的波長(zhǎng)與原波長(zhǎng)進(jìn)行比較。 返回波長(zhǎng)越緊密， 前進(jìn)的汽車速度也越快 - 那就證明駕駛員超速駕駛的可能性也越大。激光多普勒測(cè)速儀是測(cè)量通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號(hào)， 再根據(jù)速度與多普勒頻率的關(guān)系得到速度。 由于是激光測(cè)量， 對(duì)于流場(chǎng)沒有干擾， 測(cè)速范圍寬，而且由于多普勒頻率與速度是線性關(guān)系， 和該點(diǎn)的溫度， 壓力沒有關(guān)系， 是目前世界上速度測(cè)量精度最高的儀器。多普勒測(cè)速工作原理可以用干涉條紋來說明。 當(dāng)聚焦透鏡把兩束入射光以某角會(huì)聚后，由干激光束良好的相干性， 在會(huì)聚點(diǎn)上形成明暗相間的干涉條紋， 條紋間隔正比干光波波長(zhǎng)， 而反比干半交角的

14、正弦值。 當(dāng)流體中的粒子從條紋區(qū)的方向經(jīng)過時(shí)，會(huì)依次散射出光強(qiáng)隨時(shí)間變化的一列散射光波， 稱為多普勒信號(hào)。 這列光波強(qiáng)度變化的頻率稱為多普勒頻移。 經(jīng)過條紋區(qū)粒子的速度愈高， 多普勒頻移就愈高。將垂直于條紋方向上的粒子速度， 除以條紋間隔， 考慮到流體的折射率就能得到多普勒頻移與流體速度之間線性關(guān)系。 多普勒測(cè)速系統(tǒng)就是利用速度與多譜勒頻移的線性關(guān)系來確定速度的。 各個(gè)方向上的多普勒頻率的相位差和粒子的直徑成正比，利用監(jiān)測(cè)到的相位差可以來確定粒徑。光學(xué)測(cè)速測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的測(cè)速測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)（編碼器或測(cè)速電機(jī)）的優(yōu)勢(shì)是：（ 1）編碼器或測(cè)速馬達(dá)測(cè)量都是依靠測(cè)速輥與被測(cè)量物體的摩擦來實(shí)現(xiàn)的，存在摩擦

15、的地方就會(huì)有相對(duì)滑動(dòng)的存在，尤其是在速度變化的過程中滑動(dòng)更明顯，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生較明顯的誤差； 而多普勒測(cè)量系統(tǒng)是非接觸測(cè)量， 從原理上消除了這個(gè)誤差。（ 2）接觸式測(cè)量過程中，當(dāng)生產(chǎn)的產(chǎn)品為對(duì)表面光潔度要求非常高的產(chǎn)品時(shí)，比如不銹鋼板帶，容易對(duì)表面產(chǎn)生損傷，而采用多普勒測(cè)量系統(tǒng)完全避免。（ 3）編碼器或測(cè)速馬達(dá)是機(jī)械類產(chǎn)品，長(zhǎng)期的運(yùn)轉(zhuǎn)存在機(jī)械磨損，從而影響到測(cè)量精度，而多普勒測(cè)量系統(tǒng)屬于光學(xué)儀器， 內(nèi)部沒有機(jī)械磨損， 不存在隨運(yùn)行時(shí)間而測(cè)量精度變化的問題。（ 4）在鋼鐵的軋機(jī)或平整機(jī)運(yùn)行過程中，由于在板帶上有巨大的張力，在高速運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生高頻振動(dòng)， 對(duì)接觸式的測(cè)速系統(tǒng)影響非常大。 比如在平整機(jī)上，

16、 采用編碼器對(duì)平整機(jī)的延長(zhǎng)率進(jìn)行控制時(shí)， 實(shí)際測(cè)量的結(jié)果是板帶平整后的延長(zhǎng)率是在 3%-15%之間變化，升速或降速時(shí)編碼器信號(hào)由于摩擦打滑的影響無法參與;.,.控制。冷軋板帶的延長(zhǎng)率直接影響的是深沖性能， 延長(zhǎng)率控制不好， 生產(chǎn)的成品板帶的質(zhì)量級(jí)別無法提高， 無法滿足比如家電生產(chǎn)企業(yè)， 汽車生產(chǎn)企業(yè)等對(duì)深沖成型性能要求非常高的企業(yè)的要求。 采用多普勒測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行控制時(shí)， 延長(zhǎng)率一般可以控制在目標(biāo)值的 0.25%左右波動(dòng)，優(yōu)勢(shì)非常明顯。而且軋機(jī)的升速，降速對(duì)其性能無任何影響， 所以整卷鋼帶的成材率可以高達(dá) 97%以上，效益非常明顯。而采用編碼器時(shí)，由于受到諸多限制，成材率一般低于85%。材料表面

17、反射系數(shù)對(duì)激光傳感器的影響激光漫反射位移傳感器正常工作的前提是要求被測(cè)物體表面具有漫反射條件， 出廠時(shí)廠家是用白陶瓷作為標(biāo)準(zhǔn)面。反射系數(shù)是光輸入到表面能量與返回能量之比。 光亮表面反射系數(shù)高， 例如白紙就高，粗糙或黑色表面反射系數(shù)低， 例如黑橡膠就低。 并不是反射系數(shù)愈大愈好，當(dāng)反射系數(shù) 100%時(shí)，例如鏡面時(shí)，激光成像光斑被 100%反射回到激光光源，而接受漫反射的 CCD端無成像光，所以鏡面就不能正常工作。反之當(dāng)反射系數(shù)為0%時(shí)絕對(duì)黑體，入射光被百分百吸收，無反射光，傳感器也不能工作。只有反射系數(shù) 0%之間，激光漫反射傳感器才能可靠工作。各種材料表面反射系數(shù)：白陶瓷約 95%白紙約 75-

18、80%金屬材料約 55-60%黑紙約 5%黑橡膠約 3-5%黑絨布約 0.5%激光傳感器所能解決其它技術(shù)無法解決的問題激光傳感器可用于其它技術(shù)無法應(yīng)用的場(chǎng)合。 例如，當(dāng)目標(biāo)很近時(shí)， 計(jì)算來自目標(biāo)反射光的普通光電傳感器也能完成大量的精密位置檢測(cè)任務(wù)。 但是，當(dāng)目標(biāo)距離較遠(yuǎn)內(nèi)或目標(biāo)顏色變化時(shí)，普通光電傳感器就難以應(yīng)付了。雖然先進(jìn)的背景噪聲抑制傳感器和三角測(cè)量傳感器在目標(biāo)顏色變化的情況下能較好地工作，但是，在目標(biāo)角度不固定或目標(biāo)太亮?xí)r，其性能的可預(yù)測(cè)性變差。此外，普通光電三角測(cè)量傳感器一般量程只限于 0.5m 以內(nèi)。超聲波傳感器雖然也經(jīng)常用于檢測(cè)距離較遠(yuǎn)的物體，而且由于它不是光學(xué)裝置，所以不受顏色變

19、化的影響。 但是，超聲波傳感器是依據(jù)聲速測(cè)量距離的， 因此存在一些固有的缺點(diǎn)，不能用于以下場(chǎng)合。（ 1）待測(cè)目標(biāo)與傳感器的換能器不相垂直的場(chǎng)合。因?yàn)槌暡z測(cè)的目標(biāo)必須處于與傳感器垂直方位偏角不大于 10角以內(nèi)。（ 2）需要光束直徑很小的場(chǎng)合。 因?yàn)橐话愠暡ㄊ陔x開傳感器 2m遠(yuǎn)時(shí)直徑為0.76cm。（ 3）需要可見光斑進(jìn)行位置校準(zhǔn)的場(chǎng)合。（ 4）多風(fēng)的場(chǎng)合。（ 5）真空?qǐng)龊?。?6）溫度梯度較大的場(chǎng)合。因?yàn)檫@種情況下會(huì)造成聲速的變化。（ 7）需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合。;.,.而激光傳感器能解決上述所有場(chǎng)合的檢測(cè)。激光產(chǎn)品危險(xiǎn)等級(jí)劃分激光產(chǎn)品危險(xiǎn)等級(jí)分類是描述激光系統(tǒng)對(duì)人體造成傷害程度的界定指標(biāo)。

20、分類從第 I 類激光（無傷害）到第 IV 類激光器如 2000 瓦二氧化碳激光器 （可以切割厚鋼板 ) 。制造商必須在第 II 類，第 III 類和第 IV 類激光產(chǎn)品上貼有帶激光危險(xiǎn)等級(jí)分類字樣的警告標(biāo)簽。第 I 類激光產(chǎn)品沒有生物性危害。 任何可能觀看的光束都是被屏蔽的， 且在激光暴露時(shí)激光系統(tǒng)是互鎖的。（大型激光打印機(jī)如DEC LPS-40是由 10 毫瓦（ IIIb 類）氦氖激光驅(qū)動(dòng)的， 盡管實(shí)際的激光器是 IIIb 類，但打印機(jī)是互鎖的，以避免和暴露的激光束發(fā)生任何接觸， 因此，該設(shè)備不產(chǎn)生任何生物性危害。 這也適用于 CD 播放器和小型激光打印機(jī)，他們都是第一類設(shè)備）。第 II 類激光產(chǎn)品輸出功率 1 毫瓦。不會(huì)灼傷皮膚，不會(huì)引起火災(zāi)。由于眼睛反射可以防止一些眼部損害， 所以這類激光器不被視為危險(xiǎn)的光學(xué)設(shè)備。 （例如當(dāng)眼遇到明亮的光線時(shí)， 會(huì)自動(dòng)眨眼， 或者轉(zhuǎn)動(dòng)頭部以避開這些強(qiáng)光線。 這就是所謂的反射行為或反射時(shí)間。在這段時(shí)間內(nèi)這類激光產(chǎn)品不會(huì)對(duì)眼睛造成傷害。盡管如此，一個(gè)人也不會(huì)愿意較長(zhǎng)時(shí)間盯著看它）。在這類激光設(shè)備