簡介激光位移傳感技術的發展和創新

瀏覽次數：1588　發布日期：2022-9-1　來源：昊量光電

在煙盒大小微型傳感器中集成光學芯片，讓高精度位移和振動測量成為可能！

激光位移傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量，還可用于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，避免機器發生故障；而在微小零件的位置識別、傳送帶上有無零件的監測、機械手位置（工具中心位置）的控制等方面的應用，則可以確保設備、產線的高效運轉；在灌裝產品線上，可利用激光束反射表面的擴展程序來精確的識別灌裝產品填充是否合格，在監測數量的同時也能保證灌裝質量。此外，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，激光位移傳感器都有著無可比擬的優勢。

一．激光位移傳感器介紹

目前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一般采用激光三角測量法和激光回波分析法兩種方法，此外還可利用彩色共焦和干涉測量原理進行精確的位移測量。此外，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，以上方法都各有缺陷。

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。在當前的工業機器人應用中，通常采用三角測量法，這種方法最高線性度可達1um，分辨率可達到0.1um的水平。

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。

而在精確的振動測量方面，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可靠，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。

二．激光傳感新方案

昊量光電全新推出的激光位移傳感器是一種小型激光傳感平臺，將這兩種主流的傳感功能結合在一個光學平臺上，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。

目前光學元器件通常體積大且價格昂貴，并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。

微型激光傳感平臺原理圖

如傳感器平臺的原理圖所示，具有不同延遲線的光學干涉儀最先在集成光學芯片上實現，并通過一個一體化封裝將集成光學芯片、激光二極管、探測器陣列和光學透鏡組成一個小型化激光傳感模組。摯感光子自主研發的激光傳感平臺通過專有的數字信號處理（DSP）算法，可提供LDV技術中的瞬時位移、振動和光學相位測量等多種功能，此外還可以實現與常規三角法激光位移傳感器一樣的絕對位移／距離的測量，并具有同等甚至更優的測量精度。