原创激光位移传感器

 2014-5-6 16:06  1631 2 4 分类: 电源/新能源

自60年代激光产生以后，其高方向性和高亮度的优越性就一直吸引着人们不断探索它在各方面的应用，其中，工业生产中的非接触、在线测量是非常重要的应用领域，它可以完成许多用接触式测量手段无法完成的检测任务。近年来,超声波测距传感器应用的越来越多,但在实际应用中也越来越受到它本身的不足而制约着进一步的推广,尤其是在温度的不稳定下去测量,往往得到的是不准确的数据,这给工作进程带来很多麻烦;还有就是在稍微远些的项目测量就显得很尴尬,达不到预定要求,测量范围过窄小,等等这些实际问题,而针对这些北京金石激光科技有限公司已经开发出了新一代的更新产品--金石激光测距传感器激光测距传感器，也叫激光距离传感器，激光位移传感器，下面简单介绍激光距离传感器的发展历史、原理及应用。

　　一、激光距离传感器的发展
　　激光在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，对社会生产和生活的影响也十分明显。激光测距是激光最早的应用之一。这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（384401km）误差只有250m。1969年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月之距，误差只有15cm。
　　利用激光传输时间来测量距离的基本原理是通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。即通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离。
　激光测距虽然原理简单、结构简单，但以前主要用于军事和科学研究方面，在工业自动化方面却很少见。因为激光测距传感器售价太高，一般在几千美元。实际上，所有工业用户都在寻找一种能在较远距离实现精密距离检测的传感器。因为许多情况下近距离安装传感器会受物理位置及生产环境的限制，如今的激光测距传感器将为这类场合的工程师排忧解难。

　　二、工作原理
　　激光测距技术按照测程可以分为绝对距离测量法和微位移测量法；按照测距方法细分，绝对距离测距法主要有脉冲式激光测距和相位式激光测距，微位移测量法主要有三角法激光测距和干涉法激光测距。
　　脉冲激光测距的原理是：由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光(主波)，经过待测距离L后射到被测目标，有一部分能量会被反射回来，被反射回来的脉冲激光称为回波。回波返回测距仪。由光电探测器接收。根据主波信号和回波信号之间的间隔。即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t，就可以算出待测目标的距离。
　　D=1/2ct
　　式中c为光速。脉冲法精度一般在米量级。例如，光速约为3108m/s，要想使分辨率达到1mm，则测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：
　　0.001m(3108m/s)=3ps
　　要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。但是如今廉价的激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。
　　相位激光测距的原理是：对发射的激光进行光强调制，利用激光空间传播时调制信号的相位变化量。根据调制波的波长，计算出该相位延迟所代表的距离。即用相位延迟测量的间接方法代替直接测量激光往返所需的时间，实现距离的测量。这种方法精度可达到毫米级。

　　三角法激光测距是由激光器发出的光线，经过会聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上，接收透镜接收来自入射光点处的散射光，并将其成像在光电位置探测器敏感面上。当物体移动时，通过光点在成像面上的位移来计算出物体移动的相对距离。在80年代末90年代初，人们开始激光与三角测量的原理相结合，形成了激光三角测距器。它的优点是分辨率很高,精度高，可以达到微米数量级,不受被测物的材料、质地、型状、反射率的限制。从白色到黑色，从金属到陶瓷、塑料都可以测量。

激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。过去，由于成本和体积等问题的限制，其应用未能普及。随着近年来电子技术的飞速发展，特别是半导体激光器和CCD等图象探测用电子芯片的发展，激光三角侧距器在性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用，从实验室走向实际。

　　干涉法激光测距是通过移动被测目标并对相干光进行测量，经计数完成距离增量的测量，因此干涉法测量的灵敏度非常高，可以达到纳米级。激光传感器工作时，先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。
　　
　　三、解决其它技术无法解决的问题
　　激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合。例如，当目标很近时，计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是，当目标距离较远内或目标颜色变化时，普通光电传感器就难以应付了。
　　虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差。此外，三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内。
　　超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体，而且由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响。但是，超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合。
　　①待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内。
　　②需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm。
　　③需要可见光斑进行位置校准的场合。
　　④多风的场合。
　　⑤真空场合。
　　⑥温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。
　　⑦需要快速响应的场合。
　　而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测。
　　四、在自动化领域的广泛用途
　　如今，自动检测和控制的方法中，除了超声波传感器和普通光电传感器外，又增加了一个能解决长距离测量和检验的新方法—激光距离传感器。它为各种不同场合提供了应用的灵活性，这些场合可包括如下：
　　①设备定位。
　　②测量料包的料位。
　　③测量传送带上的物体距离和物体高度。
　　④测量原木直径。
　　⑤保护高架起重机免于碰撞。
　　⑥无误差检查场合。
　　五、几个应用实例
　　1、测量传送带上箱子的宽度
　　使用两个激光传感器，在传送带的两侧面对面安装。因为尺寸变化的箱子落到传送带上的位置是不固定的，这样，每个传感器都测量出自己与箱子的距离，设一个距离为L1，另一个为L2。此信息送给PLC，PLC将两个传感器间总的距离减去L1和L2，从而可计算出箱子的宽度W。
　　2、保护液压成型冲模
　　机械手把一根预成型的管材放进液压成型机的下部冲模中，操作者必须保证每次放的位置准确。在上部冲模落下之前，一个发散型传感器测量出距离管子临界段的距离，这样可保证冲模闭合前处于正确位置。
　　3、二轴起重机定位
　　用两个反射型传感器面对反射器安装，反射器安装在桥式起重机的两个移动单元上。一个单元前后运动，另一个左右运动。当起重机驱动板架辊时，两个传感器监测各自到反射器的距离，通过PLC能连续跟踪起重机的精确位置。
    4，车辆限高检测
    5，油管长度测量
    6，铁路接触网测量
    7，防碰撞系统
　　有了这种新式廉价激光测距传感器（激光距离传感器），反射性或多颜色的目标长距离位置检测即使在检测角度变化的情况下也没问题了。