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激光位移传感原理解析以及工业激光传感器新方案
来源: | 作者:、小小志 | 发布时间: 2019-03-19 | 479 次浏览 | 分享到:
由于激光位移传感器精度能够达到纳米级,也是被众多工业所应用
要实现激光精准实时测量在工业领域的实际运用,则离不开各种激光传感器的研发和推广。毫无疑问,当代制造业已经是一个传感器驱动的世界,基本上在任何的制造过程中,精确的实时测量在很大程度上有赖于传感器。在引入光学技术后,传感器向着更迅速、更精准、更靠谱的方向发展。与传统测量方法对比,光学测量传感器,尤其是激光测量传感器因其非接触且快速测量的能力在工业生产中获得普遍的应用。其中最典型的应用例子就是高精度的激光位移传感器。


激光位移传感器市场状况


激光位移传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的精确测量,还可用以探伤和大气污染物的监测等。通过激光位移传感器测量金属薄片(薄板)的厚度变化,可以帮助发现皱纹、小洞或者重叠,防止设备发生故障;而在微小零件的位置识别、传送带上有没有零件的监测、机械手位置(工具中心位置)的控制等方面的应用,则还可以保证设备、产线的高效率运行;在灌装产品线上,可利用激光束反射表面的扩展程序来精准的识别灌装产品填充是不是合格,在监测数量的同时也可以保证灌装质量。除此之外,在絕對距离测量、相对位移测量、远程振动测量或振动频谱测量、轮廓检测、厚度测量、曲率测量、透明物体的厚度测量等方面,激光位移传感器都拥有无可比拟的优势。

与国外先进企业对比,我国传感器技术在科研开发上要落后10年,在生产技术上要落后15年。但近些年我国陆续制订有益于传感器产业发展的政策,并建立了多个传感技术、机器人国家重点实验室,同时也有千余家企业选择从事专业传感器的生产和产品研发,国内传感器产业化进程随之加快。现阶段中国从事激光传感器的公司多以中小企业为主,主要集中在长三角地区,大型企业数量偏少。代表性企业既有一定规模的余姚舜宇光学、北京创想智控、武汉承拓电子等,也有如苏州挚感光子等采用先进集成光学技术的新创企业。


激光位移传感器详细介绍


现阶段已有很多技术能实现精确的光学位移测量,而工业化的激光位移传感器通常采用激光三角测量法和激光回波分析法二种方法,除此之外还可利用彩色共焦和干涉测量原理进行精准的位移测量。除此之外,激光位移传感器也被用来进行非接触振动测量。但对于特定的测量条件和测量要求,以上方法都各有缺点。


对激光位移传感器而言,激光三角测量法适用于高精度、短距离的测量,激光回波分析法则用于远距离测量。在当今的工业机器人应用中,一般选用三角测量法,这种方法最高线性度可达1um,分辨率可达到0.1um的水准。


激光三角法是一种由角度计算得到单点或多维的距离测量。通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面,经物体反射的激光通过接收器镜头,被內部的CCD线性相机接收,根据不同的距离,CCD线性相机还可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离,数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。


回波分析法则是通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器,处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间,以此计算出距离值,该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出,即所谓的脉冲时间法测量的,最远检测距离可达250m。


而在精准的振动测量方面,常用的激光多普勒振动仪(LDV)的工作原理是在光学干涉的基础上,通过两束相干光束I1和I2的叠加来进行测量。叠加后的光强不是简单的两束光强之和,而且包括一个相干调制项。调制项与两束光之间的路径长度有关。


尽管激光三角法测量位移相对简单靠谱,但其缺点是测量精度随着测量距离和范围的增大而降低,因此测量范围受到限制。此外,还需要一定的开放空间来满足三角法的测量需求,故无法实现在深沟或深孔中的应用。而激光回波分析法则适合于长距离检测,但测量精度相对于激光三角测量法要低。在振动测量应用方面,前面这两种位移/距离测量技术的检测能力(频率范围/振动量范围/精度)比较有限。而LDV虽可进行非常精确的振动测量及瞬时位移测量,但是欠缺测量绝对位移或距离的能力,且成本也相当高。


激光传感新方案


基于这样的现状,利用集成光学芯片技术的优势开发了一种小型激光传感平台,将这两种主流的传感功能结合在1个光学平台上,可实现位移测量和振动测量等多种功能,在保持高精度测量的同时还极大降低了模块尺寸和成本费。


现阶段光学元器件通常体积大且价格昂贵,而且在与其他电子元器件的连接过程需要定制精确的装配流程。而光学元件集成化还可以使其在低成本的基础上,实现更复杂的设计和更多的功能。集成光学芯片可以在一个单一的光学基底上包含数十到数百个光学元件,包括激光器、调制器、光电探测器和滤波器,现已成为一种有效的解决方案,为现有和新兴市场提供创新的光学模组。随着现代制造对光学传感器技术需求的不断增长,集成光学芯片可以简化系统设计,使得传感器可以进行更快速、更准确的测量,而且成本更低。

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