激光位移傳感器的工作原理

1、ZLDS10X可定制激光位移傳感器 M 程：21000mm （可左制） 精度:最髙0.1% （玻璃0.2% ） 分辨率：最高0.03%頻率響應：2K.5K.8K.10K時間:2021.03. 11創(chuàng)作：歐陽音基來源根基理是光學三角法：半導體激光器1被鏡片2聚焦到被測物體6。反射光被鏡片3收集，投射 到CCD陣列4上：信號處理器5通過三角函數訃算陣列4上的光點位置 獲得距物體的距離。激光傳感器原理與應用激光傳感器是利用激光技術進行丈量的傳感器。它由激光器、激光檢測器 和丈量電路組成。激光傳感器是新型丈疑儀表，它的優(yōu)點是能實現無接觸 遠距離丈量，速度快，精度高，呈:程年夜，抗光、電干擾能力強等。激

2、光和激光器激光是20世紀60年代呈現的最重年夜的科學技術成績 之一。它成長迅速，已廣泛應用于國防、生產、醫(yī)學和非電丈量等各方而。 激光與普通光不合，需要用激光器產生。激光器的工作物質，在正常狀態(tài) 下，大都原子處于穩(wěn)左的低能級E1,在適當頻率的外界光線的作用下，處 于低能級的原子吸收光子能量受激發(fā)而躍遷到髙能級E2.光子能量 E=E2El=hv,式中h為普朗克常數，v為光子頻率。反之，在頻率為v的光 的誘發(fā)下，處于能級E2的原子會躍遷到低能級釋放能量而發(fā)光，稱為受 激輻射。激光器首先使工作物質的原子變態(tài)地大都處于高能級（即粒子數 反轉散布），就能使受激輻射過程占優(yōu)勢，從而使頻率為v的誘發(fā)光獲得

3、增強，并可通過平行的反射鏡形成雪崩式的放年夜作用而產生強年夜的受 激輻射光，簡稱激光。激光具有3個重要特性：（1）高標的目的性（即髙左向性，光速發(fā)散角小），激光束在幾公里外的 擴展規(guī)模不過幾厘米：（2）高單色性，激光的頻率寬度比普通光小10倍以上：（3）髙亮度，利用激光朿會聚最高可產生達幾百萬度的溫度。激光器按工作物質可分為4種：（1）固體激光器：它的工作物質是固體。經常使用的有紅寶石激光器、 摻錢的鉉鋁石榴石激光器（即YAG激光器）和錢玻璃激光器等。它們的結 構年夜致相同，特點是小而堅固、功率高，錢玻璃激光器是目前脈沖輸出 功率最高的器件，已達到數十兆瓦。（2）氣體激光器：它的工作物質為氣體

4、?，F已有各種氣體原子、離子、 金屬蒸氣、氣體分子激光器。經常使用的有二氧化碳激光器、氨氛激光器 和一氧化碳激光器，英形狀如普通放電管，特點是輸出穩(wěn)泄，單色性好， 壽命長，但功率較小，轉換效率較低。（3）液體激光器:它又可分為螯合物激光器、無機液體激光器和有機染料 激光器，英中最重要的是有機染料激光器，它的最年夜特點是波長連續(xù)可 調。（4）半導體激光器：它是較年輕的一種激光器，其中較成熟的是碑化稼 激光器。特點是效率髙、體積小、重量輕、結構簡單，適宜于在飛機、軍 艦、坦克上以及步兵隨身攜帶。可制成測距儀和瞄準器。但輸出功率較小、 定向性較差、受環(huán)境溫度影響較年夜。應用利用激光的髙標的目的性、高單

5、色性和髙亮度等特點可實現無接 觸遠距離丈量。激光傳感器經常使用于長度、距離、振動、速度、方位等 物理量的丈量，還可用于探傷和年夜氣污染物的監(jiān)測等。激光測長精密丈量長度是精密機械制造工業(yè)和光學加工工業(yè)的關鍵技術之一?，F代 長度計量多是利用光波的干涉現象來進行的，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（氮86燈） 還純10萬倍。因此激光測長的量程年夜、精度髙。由光學原理可知單色 光的最年夜可測長度L與波長入和譜線寬度6之間的關系是LEc2/6。用 氟一86燈可測最年夜長度為38.5厘米，對較長物體就需分段丈量而使精 度降低。若用氫氛氣體激光器，則最年夜可測幾

6、十公里。一般丈疑數米之 內的長度，英精度可達0.1微米。激光測距它的原理與無線電雷達相同，將激光瞄準目標發(fā)射出去后，丈量它的往返 時間，再乘以光速即獲得往返距離。由于激光具有髙標的目的性、髙單色 性和高功率等優(yōu)點，這些對測遠距離、判泄目標方位、提高接收系統的信 噪比、包管丈量精度等都是很關鍵的，因此激光測距儀日益受到重視。在 激光測距儀基礎上成長起來的激光雷達不但能測距，并且還可以測目標方 位、運運速度和加速度等，已勝利地用于人造衛(wèi)星的測距和跟蹤，例如采 取紅寶石激光器的激光雷達，測距規(guī)模為5002000公里,誤差僅幾米。目 前常采取紅寶石激光器、錢玻璃激光器、二氧化碳激光器以及碑化稼激光 器

7、作為激光測距儀的光源。激光測厚利用三角測距原理，上位于C型架的上、下方聯系有一個精密激光測距傳 感器，由激光器發(fā)射岀的調制激光打到被測物的概略，通過對線陣CCD 的信號進行采樣處理，線陣CCD攝像機在控制電路的控制下同步獲得被 測物到C型架之間的距離，通過傳感器反響的數據來計算中間被測物的厚 度。由于檢測是連續(xù)進行的，因此就可以獲得被測物的連續(xù)靜態(tài)厚度值。 影響激光測厚精度的裝置因素：和其它傳感器測厚一樣，要實現精密測厚需要注意以下條件，不然再好的 傳感器也測禁絕。精密測厚，選精密激光位移傳感器很重要，但如果兩個 傳感器不克不及同步工作，裝置不合軸，則根本測禁絕：（1）單激光位移傳感器測厚被測

8、體放在丈疑平臺上，丈量出傳感器到平臺槪略距離，然后再測岀傳感 器到被測體概略間距，經計算后測出厚度。要求被測體與丈量平臺之間無 氣隙，被測體無翹起。這些嚴格要求只有在離線情況能實現。（2）雙激光位移傳感器測厚在被測體上方和下方各裝置一個激光位移傳感器，被測體厚度D=C（A+B）O 其中，C是兩個傳感器之間距離，A是上面?zhèn)鞲衅鞯奖粶y體之間距離，B 是下而傳感器到被測體之間距離。在線厚度丈量用這種辦法優(yōu)點是可消除 被測體振動對丈量結果的影響。但同時對傳感器裝置和性能有要求。包管 丈量準確性的條件是：兩個傳感器發(fā)射光朿必須冋軸，以及兩個傳感器掃 描必須同步。同軸是靠裝置實現，而同步要靠選擇有同步端激

9、光傳感器。 不合步將代來很年夜誤差：如果被測體存在振動頻率20H乙振幅1mm, 如果信號不合步延遲1ms,那么就會帶來125pm誤差。裝豊使兩個激光同軸，不單確保被測體同一位苣上的厚度，同時降低了被 測體傾斜帶來的誤差。以被測體運動標的目的不合軸為例，當不合軸1mm, 被測體傾斜2?？蓭?5pm誤差。激光三角漫反射位移傳感器用于測厚有明顯優(yōu)點：（1）很是小的丈量光斑，是點光斑面積，它比面積型非接觸電容、電渦 流傳感器需要的而枳小很多，對被測體而積幾乎無要求，適合丈量很是小 而積尺寸厚度：（2）較遠的丈量規(guī)模起始間距。它比非接觸電容、電渦流傳感器起始間 距年夜很多。這樣傳感器可以遠離被測體，免

10、受碰壞，及被測體熱輻射影 響：（3）有很年夜的丈量規(guī)模，這是其它傳感器很難做到的：（4）與被測體資料無關，即金屬非金屬體，非透明有漫反射條件概略都 能測。（5）用激光測厚取代同位素測厚，可以消除對用戶的放射性損害。激光測振它基于多普勒原理丈量物體的振動速度。多普勒原理是指：若波源或接收 波的觀察者相對傳播波的媒質而運動，那么觀察者所測到的頻率不但取決 于波源收回的振動頻率并且還取決于波源或觀察者的運動速度的年夜小 和標的目的。所測頻率與波源的頻率之差稱為多普勒頻移。在振動標的目 的與標的目的一致時多普頻移fd=vA,式中v為振動速度、入為波長。在 激光多普勒振動速度丈量儀中，由于光往返的原因,

11、fd =2v/Xo這種測振儀 在丈雖時由光學部分將物體的振動轉換為相應的多普勒頻移，并由光檢測 器將此頻移轉換為電信號，再由電路部分作適當處理后送往多普勒信號處 理器將多普勒頻移信號變換為與振動速度相對應的電信號，最后記錄于磁 帶。這種測振儀采取波長為6328埃（丁）的氮氛激光器，用聲光調制器進行 光頻調制，用石英晶體振蕩器加功率放年夜電路作為聲光調制器的驅動 源，用光電倍增管進行光電檢測，用頻率跟蹤器來處理多普勒信號。它的 優(yōu)點是使用便利，不需要固定參考系，不影響物體自己的振動，丈量頻率規(guī) 模寬、精度髙、靜態(tài)規(guī)模年夜。缺點是丈量過程受其他雜散光的影響較年 夜。激光測速它也是基多普勒原理的一種

12、激光測速辦法，用得較多的是激光多普勒流速 計（見激光流量計）,它可以丈量風洞氣流速度、火箭燃料流速、遨游翱翔器 噴射氣流流速、年夜氣風速和化學反響中粒子的年夜小及匯聚速度等。 多普勒測速系統（Doppler velocitymcasuring system）原理： 從開過來的機車所聽到的聲波間的距離被壓縮了，就好像一個人正在關手 風琴。這個舉措的結果產生一個明顯的較高的音調。當火車離去時，聲波 傳播開來，就呈現了較低的聲音這種現象被稱為“多普勒效應。檢查機動車速度的雷達測速儀也是利用這種多普勒效應。從測速儀里射出 一束射線，射到汽車上再前往測速儀。測速儀里而的微型信息處理機把前 往的波長與原波

13、長進行比較。前往波長越緊密，前進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年夜。激光多普勒測速儀是丈捲通過激光探頭的示蹤粒子的多普勒信號，再根據 速度與多普勒頻率的關系獲得速度。由于是激光丈量，對流場沒有擾， 測速規(guī)模寬，并且由于多普勒頻率與速度是線性關系，和該點的溫度，壓 力沒有關系，是目前世界上速度丈量精度最高的儀器。多普勒測速工作原理可以用干涉條紋來說明。當聚焦透鏡把兩束入射光以 某角會聚后，由干激光朿良好的相干性，在會聚點上形成明暗相間的干涉 條紋，條紋間隔正比干光波波長，而正比干半交角的正弦值。當流體中的 粒子從條紋區(qū)的標的目的經過時，會依次散射出光強隨時間變更的一列散 射

14、光波，稱為多普勒信號。這列光波強度變更的頻率稱為多普勒頻移。經 過條紋區(qū)粒子的速度愈髙，多普勒頻移就愈高。將垂直于條紋標的目的上 的粒子速度，除以條紋間隔，考慮到流體的折射率就能獲很多普勒頻移與 流體速度之間線性關系。多普勒測速系統就是利用速度與多譜勒頻移的線 性關系來確左速度的。各個標的目的上的多普勒頻率的相位差和粒子的直 徑成正比，利用監(jiān)測到的相位差可以來確左粒徑。光學測速測長系統相對傳統的測速測長系統（編碼器或測速機電）的優(yōu)勢 是：（1）編碼器或測速馬達丈量都是依靠測速牡與被丈量物體的摩擦來實現 的，存在摩擦的處所就會有相對滑動的存在，尤其是在速度變更的過程中 滑動更明顯，此時會產生較明

15、顯的誤差：而多普勒丈量系統是非接觸丈量, 從原理上消除這個誤差。（2）接觸式丈量過程中，當生產的產品為對概略光潔度要求很是髙的產 品時，比方不銹鋼板帶，容易對概略產生損傷，而采取多普勒丈量系統完 全避免。（3）編碼器或測速馬達是機械類產品，長期的運轉存在機械磨損，從而 影響到丈量精度，而多普勒丈量系統屬于光學儀器，內部沒有機械磨損， 不存在隨運行時間而丈疑精度變更的問題。（4）在鋼鐵的軋機或平整機運行過程中，由于在板帶上有巨年夜的張力, 在高速運行中會產生髙頻振動，對接觸式的測速系統影響很是年夜。比方 在平整機上，采取編碼器對平整機的延長率進行控制時，實際丈量的結果 是板帶平整后的延長率是在3

16、%15%之間變更，升速或降速時編碼器信號 由于摩擦打滑的影響無法介入控制。冷軋板帶的延長率直接影響的是深沖 性能，延長率控制欠好，生產的制品板帶的質量級別無法提高，無法滿足 比方家電生產企業(yè)，汽車生產企業(yè)等對深沖成型性能要求很是高的企業(yè)的 要求。采取多普勒丈疑系統進行控制時，延長率一般可以控制在目標值的 0.25%左右擺蕩，優(yōu)勢很是明顯。并且軋機的升速，降速對其性能無任何 影響，所以整卷鋼帶的成材率可以高達97%以上，效益很是明顯。而采取 編碼器時，由于受到諸多限制，成材率一般低于85%。資料概略反射系數對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物體概略具有漫反射 條件，出

17、廠時廠家是用白陶瓷作為標準面。反射系數是光輸入到槪略能量與前往能量之比。光亮概略反射系數髙，例 如白紙就高，粗糙或黑色概略反射系數低，例如黑橡膠就低。其實不是反 射系數愈年夜愈好，當反射系數100%時，例如鏡而時，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，所以鏡而就 不克不及正常工作。反之當反射系數為0%時絕對黑體，入射光被百分百 吸收，無反射光，傳感器也不克不及工作。只有反射系數100%,和0%之 間，激光漫反射傳感器才干可靠工作。各種資料概略反射系數：白陶瓷 約95%白紙 約7580%金屬資料約5560%黑紙 約5%黑橡膠 約35%黑絨布 約0.5%激光傳感

18、器所能解決其它技術無法解決的問題激光傳感器可用于其它技術無法應用的場合。例如，當目標很近時，計算 來自目標反射光的普通光電傳感器也能完成年夜量的精密位置檢測任務?？墒牵斈繕司嚯x較遠內或目標顏色變更時，普通光電傳感器就難以應付 了。雖然先進的布景噪聲抑制傳感器和三角丈雖傳感器在目標顏色變更的情 況下能較好地工作，可是，在目標角度不固左或目標太亮時，瓦性能的可 預測性變差。另外，普通光電三角丈量傳感器一般量程只限于0.5m以內。 超聲波傳感器雖然也經經常使用于檢測距禽較遠的物體，并且由于它不是 光學裝置，所以不受顏色變更的影響。可是，超聲波傳感器是依據聲速丈 量距離的，因此存在一些固有的缺點，不

19、克不及用于以下場合。（1）待測目標與傳感器的換能器不相垂直的場合。因為超聲波檢測的目 標必須處于與傳感器垂直方位偏角不年夜于10。角以內。（2）需要光朿直徑很小的場合。因為一般超聲波束在離開傳感器2m遠時 直徑為0.76cm。（3）需要可見光斑進行位置校準的場合。（4）多風的場合。（5）真空場合。（6）溫度梯度較年夜的場合。因為這種情況下會造成聲速的變更。（7）需要快速響應的場合。而激光傳感器能解決上述所有場合的檢測。激光產品危險品級劃分激光產品危險品級分類是描述激光系統對人體造成傷害水平的界立指標。 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

20、商必須在第II類，第III類和第IV類激光產品 上貼有帶激光危險品級分類字樣的警告標簽。第I類激光產品沒有生物性危害。任何可能觀看的光束都是被屏蔽的, 且在激光流需時激光系統是互鎖的。（年夜型激光打印機如DEC LPS40是 由10亳瓦（Illb類）氨氣激光驅動的，盡管實際的激光器是Illb類，但打 印機是互鎖的，以避免和流露的激光朿產生任何接觸，因此，該設備不產 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，他們都是 第一類設備）。第II類激光產品輸出功率1亳瓦。不會灼傷皮膚，不會引起火災。由 于眼睛反射可以避免一些眼部損害，所以這類激光器不被視為危險的光學 設備。（例如當眼遇到明亮的光線時，會自動眨眼，或者轉動頭部以避開 這些強光線。這就是所謂的反射行為或反射時間。在這段時間內這類激光 產品不會對眼睛造成傷害。盡管如此，一個人也不會愿意較長時間盯