3D線激光傳感器技術(shù)原理（一）

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)物體的位移、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原理的兩種測(cè)量方式。 

激光****通過鏡頭將可見紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，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)可以在不同的角度下“看見”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和激光位移傳感器之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出激光位移傳感器和被測(cè)物體之間的距離。同時(shí)，光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并通過微處理器分析，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，模擬量與開關(guān)量輸出可獨(dú)立設(shè)置檢測(cè)窗口。

采取三角測(cè)量法的激光位移傳感器最高線性度可達(dá)1um，分辨率更是可達(dá)到0.1um的水平。比如ZLDS100類型的傳感器，它可以達(dá)到0.01%高分辨率，0.1%高線性度，9.4KHz高響應(yīng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境。 激光位移傳感器采用回波分析原理來測(cè)量距離以達(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****、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過激光****每秒****一百萬個(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。激光回波分析法適合于長(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，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)250m。

二、3D線激光輪廓傳感器采用激光三角反射原理。首先使用一束激光照射到被測(cè)物體表面，反射光經(jīng)過光學(xué)透鏡組在感光元件表面形成光斑，不同高度的表面反射形成的光斑位置各不相同。如下圖所示，當(dāng)被檢測(cè)表面偏高時(shí)，測(cè)量激光光斑位置會(huì)右移；反之，如果被檢測(cè)表面偏低時(shí)，測(cè)量激光光斑位置會(huì)左移。3D線激光輪廓傳感器采用的不是點(diǎn)激光光源，而是一條激光線，測(cè)量光激光斑也是一條線，所以俗稱線激光。線激光還可以面掃描，快速形成3D輪廓。

三、激光位移傳感器，是位移傳感器中的一種，適用于長(zhǎng)距離檢測(cè)，因而逐漸取代了拉線位移傳感器，在工業(yè)自動(dòng)化、交通、鋼鐵 、建筑、碼頭等需要進(jìn)行自動(dòng)距離位移測(cè)量和位置控制中應(yīng)用。它可以快速、準(zhǔn)確的測(cè)量到目標(biāo)地距離，測(cè)量結(jié)果可以通過各種接口傳輸?shù)皆O(shè)備上，以便進(jìn)行檢測(cè)、控制等應(yīng)用，同時(shí)激光位移傳感器的控制也可通過計(jì)算機(jī)或其他與其相連的設(shè)備來完成。

激光位移傳感器可以測(cè)量位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等精密的幾何測(cè)量。激光有直線度好的優(yōu)良特性，同樣激光位移傳感器相對(duì)于我們已知的超聲波傳感器有更高的精度。但是，激光的產(chǎn)生裝置相對(duì)比較復(fù)雜且體積較大，因此會(huì)對(duì)激光位移傳感器的應(yīng)用范圍要求較苛刻。

激光位移傳感器原理

一般激光位移傳感器采用的基本原理是光學(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CMOS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。

按照測(cè)量原理， 激光位移傳感器分為激光三角測(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，下面分別介紹激光三角測(cè)量原理和激光回波分析原理。

1．激光位移傳感器原理之激光三角測(cè)量法原理

激光****通過鏡頭將可見紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，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)可以在不同的角度下“看見”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)算出激光位移傳感器和被測(cè)物體之間的距離。

同時(shí)，光束在接收元件的位置通過模擬和數(shù)字電路處理，并通過微處理器分析，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，模擬量與開關(guān)量輸出可獨(dú)立設(shè)置檢測(cè)窗口。

采取三角測(cè)量法的激光位移傳感器最高線性度可達(dá)1um，分辨率更是可達(dá)到0．1um的水平。比如ZLDS100類型的傳感器，它可以達(dá)到0．01％高分辨率，0．1％高線性度，9．4KHz高響應(yīng)，適應(yīng)惡劣環(huán)境。

2．激光位移傳感器原理之激光回波分析原理

激光位移傳感器采用回波分析原理來測(cè)量距離以達(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****、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過激光****每秒****一百萬個(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。激光回波分析法適合于長(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，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)250m。

激光位移傳感器因?yàn)槭?***激光來進(jìn)行檢測(cè)的，所以在使用過程中有很多事項(xiàng)需要注意，如

1、對(duì)準(zhǔn)太陽或其它強(qiáng)光物體測(cè)量會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果;

2、在強(qiáng)反射環(huán)境中測(cè)量較差反射表面的物體也會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果;

3、量強(qiáng)反射表面會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤結(jié)果;

4、透過透明物測(cè)量，如玻璃、光學(xué)濾光器、樹脂玻璃，會(huì)產(chǎn)生不正確數(shù)據(jù);

5、迅速改變測(cè)量環(huán)境也會(huì)產(chǎn)生假數(shù)據(jù)。

四、線狀激光三角測(cè)距原理：

將激光光條的中心點(diǎn)P1、成像點(diǎn)P1′、攝像頭、激光頭作為基準(zhǔn)面，中心點(diǎn)P1就符合單點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測(cè)距。對(duì)于任一點(diǎn)（該點(diǎn)不在基準(zhǔn)面上），也可由三角測(cè)距得出。將激光光條的中心點(diǎn)P1、成像點(diǎn)P1′、攝像頭、激光頭作為基準(zhǔn)面，中心點(diǎn)P1就符合單點(diǎn)結(jié)構(gòu)光測(cè)距。對(duì)于任一點(diǎn)（該點(diǎn)不在基準(zhǔn)面上），也可由三角測(cè)距得出。

五、傳統(tǒng)的激光三角法基本原理如圖2.4所示，采用直射型，光電探測(cè)器采用的是CCD，當(dāng)散射光通過成像透鏡時(shí)，如果將CCD以垂直于激光束入射的位置進(jìn)行安裝耦合，則成像到CCD上的光點(diǎn)會(huì)由于沒有完全聚焦而出現(xiàn)彌散斑，測(cè)量并不完全。

于是為了光點(diǎn)所成的像在接收器表面上每一點(diǎn)都清晰，則要求透鏡光軸與接收面之間必須形成一定的夾角，所以我們選用CCD接收器為傾斜式的方式，即完全聚焦的激光三角法測(cè)量,如圖2.5所示。

圖中PO為入射光源,光線經(jīng)準(zhǔn)直透鏡后垂直入射到物體表面，反射后經(jīng)過成像透鏡中心點(diǎn)M成像在CCD接收面上，入射光PO與反射光以的夾角為θ，反射光OA與CCD成像平面的夾角為φ，P點(diǎn)成像于CCD平面上的B點(diǎn)，O點(diǎn)成像于CCD平面上的A點(diǎn)，由圖中可知，P點(diǎn)與O點(diǎn)高度不同，所成的像投射到光敏面上的位置也是不同的，設(shè)O點(diǎn)所在平面為基準(zhǔn)面，A為CCD成像平面上的成像基準(zhǔn)點(diǎn)，則光線PO上的點(diǎn)與CCD平面上的投影點(diǎn)是一一對(duì)應(yīng)的。因此，只要知道光線PO上的任何一點(diǎn)在CCD成像面上的位置就可以求出該點(diǎn)的高度信息。由圖2.5，可列出以下關(guān)系式

式中：

PO一一物點(diǎn)的高度信息;

AB一一P點(diǎn)在CCD成像平面的成像點(diǎn)與成像基準(zhǔn)點(diǎn)A的偏移量;

OM一一O點(diǎn)成像PO物距;

MA一一O點(diǎn)成像像距;

激光束垂直投射到被測(cè)物面，所形成的漫反射光斑作為傳感信號(hào)，用透鏡成像將收集到的漫反射光會(huì)聚到像平面的光接收器上形成像點(diǎn)。當(dāng)被測(cè)物面移動(dòng)時(shí),入射光斑也會(huì)隨之移動(dòng)，像點(diǎn)也會(huì)在光接收面上做相應(yīng)的移動(dòng)，根據(jù)像移大小和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)可以確定被測(cè)物面的位移量，從而還可以獲取其它方面信息。本系統(tǒng)中，為使光接收器上的像點(diǎn)不存在盲點(diǎn),光接收器的光敏面必須與成像光軸成一夾角φ。這樣既可以保證入射光斑與其像斑位移具有的關(guān)系精確，還可以使成像點(diǎn)最小，有利于提高測(cè)量精度。同時(shí)為了提高測(cè)量精度，φ和θ必須滿足沙姆。

圖2.6物一像位移軌跡圖

圖中d0為基準(zhǔn)點(diǎn)的物距,di為基準(zhǔn)點(diǎn)的象距，O’為O經(jīng)成像透鏡的像點(diǎn),A、B分別為a、b經(jīng)成像透鏡的像點(diǎn),θ為光入射角, 為成像角,l為成像透鏡,焦距為F。

當(dāng)激光光束照射到a點(diǎn)時(shí)，由圖3.7可知:

綜合上面可得,

式中,符號(hào)“+”對(duì)應(yīng)于圖2.6由o移至b,符號(hào)“─ ”對(duì)應(yīng)物面由o移至a。 式中,符號(hào)“+”對(duì)應(yīng)于圖2.6由o移至a,符號(hào)“─ ”對(duì)應(yīng)物面由o移至b。

由Z-I關(guān)系公式可得Z-I關(guān)系曲線，圖2.7所示。從圖中可以看出I該曲線為非線性曲線，只有當(dāng)物面在O點(diǎn)附近較小范圍移動(dòng)時(shí)，上述曲線可近似按線性關(guān)系處理。

以上介紹了激光位移傳感器原理，下面來看看具體參數(shù)（以LMI為例）

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