激光位移傳感器原理及應(yīng)用

　前言

　　激光位移傳感器能夠利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光位移傳感器（磁致伸縮位移傳感器）就是利用激光的這些優(yōu)點(diǎn)制成的新型測(cè)量?jī)x表，它的出現(xiàn)，使位移測(cè)量的精度、可靠性得到極大的提高，也為非接觸位移測(cè)量提供了有效的測(cè)量方法。

　　激光位移傳感器因其較高的測(cè)量精度和非接觸測(cè)量特性，廣泛應(yīng)用于高校和研究機(jī)構(gòu)、汽車(chē)工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè)、航空與軍事工業(yè)、冶金和材料工業(yè)的精密測(cè)量檢測(cè)。激光位移傳感器可精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化，主要應(yīng)用于檢測(cè)物的位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量的測(cè)量。按照測(cè)量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測(cè)量法和激光回波分析法,激光三角測(cè)量法一般適用于高精度、短距離的測(cè)量，而激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量，下面分別介紹激光位移傳感器的兩種測(cè)量原理。

　　激光位移傳感器的測(cè)量原理

　　激光三角法測(cè)量原理

圖1 激光三角法測(cè)量原理圖

　　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(guò)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。

　　激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接受器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接受，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度即知的激光和相機(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)物之間的距離。

　　同時(shí)，光束在接收元件的位置通過(guò)模擬和數(shù)字電路處理，并通過(guò)微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。如果使用開(kāi)關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開(kāi)關(guān)量輸出可設(shè)置獨(dú)立檢測(cè)窗口。

　　激光回波分析法測(cè)量原理

　　激光位移傳感器采用回波分析原理來(lái)測(cè)量距離可以達(dá)到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接受器等部分組成。激光位移傳感器通過(guò)激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)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)物并返回接收器所需時(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。

圖2 激光回波分析法測(cè)量原理圖

　　激光位移傳感器的應(yīng)用

　　激光傳感器（直線位移傳感器）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，利用了激光具有高方向性、高單色性和高亮度的特點(diǎn)，它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)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。

　　1.尺寸測(cè)定：微小零件的位置識(shí)別;傳送帶上有無(wú)零件的監(jiān)測(cè);材料重疊和覆蓋的探測(cè);機(jī)械手位置(工具中心位置)的控制;器件狀態(tài)檢測(cè);器件位置的探測(cè)(通過(guò)小孔);液位的監(jiān)測(cè);厚度的測(cè)量;振動(dòng)分析;碰撞試驗(yàn)測(cè)量;汽車(chē)相關(guān)試驗(yàn)等。

　　2.金屬薄片和薄板的厚度測(cè)量：激光傳感器測(cè)量金屬薄片(薄板)的厚度。厚度的變化檢出可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋，小洞或者重疊，以避免機(jī)器發(fā)生故障。

　　3.氣缸筒的測(cè)量，同時(shí)測(cè)量：角度，長(zhǎng)度，內(nèi)、外直徑偏心度，圓錐度，同心度以及表面輪廓。

　　4.長(zhǎng)度的測(cè)量：將測(cè)量的組件放在指定位置的輸送帶上，激光傳感器檢測(cè)到該組件并與觸發(fā)的激光掃描儀同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，最后得到組件的長(zhǎng)度。

　　5.均勻度的檢查：在要測(cè)量的工件運(yùn)動(dòng)的傾斜方向一行放幾個(gè)激光傳感器，直接通過(guò)一個(gè)傳感器進(jìn)行度量值的輸出，另外也可以用一個(gè)軟件計(jì)算出度量值，并根據(jù)信號(hào)或數(shù)據(jù)讀出結(jié)果。

　　6.電子元件的檢查：用兩個(gè)激光掃描儀，將被測(cè)元件擺放在兩者之間，最后通過(guò)傳感器讀出數(shù)據(jù)，從而檢測(cè)出該元件尺寸的精確度及完整性。

　　7.生產(chǎn)線上灌裝級(jí)別的檢查：激光傳感器集成到灌裝產(chǎn)品的生產(chǎn)制造中，當(dāng)灌裝產(chǎn)品經(jīng)過(guò)傳感器時(shí)，就可以檢測(cè)到是否填充滿。傳感器用激光束反射表面的擴(kuò)展程序就能精確的識(shí)別灌裝產(chǎn)品填充是否合格以及產(chǎn)品的數(shù)量。

　　結(jié)語(yǔ)

　　激光位移傳感器是目前精準(zhǔn)度最高的位移傳感器，但是由于它的體積較大、安裝復(fù)雜，這些都極大的限制了激光位移傳感器的應(yīng)用范圍。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，相信激光位移傳感器的應(yīng)用范圍將更加廣闊。