激光位移传感器的工作原理

1、ZLDS10X可定制激光位移传感器 M 程：21000mm （可左制） 精度:最髙0.1% （玻璃0.2% ） 分辨率：最高0.03%频率响应：2K.5K.8K.10K时间:2021.03. 11创作：欧阳音基来源根基理是光学三角法：半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射 到CCD阵列4上：信号处理器5通过三角函数讣算阵列4上的光点位置 获得距物体的距离。激光传感器原理与应用激光传感器是利用激光技术进行丈量的传感器。它由激光器、激光检测器 和丈量电路组成。激光传感器是新型丈疑仪表，它的优点是能实现无接触 远距离丈量，速度快，精度高，呈:程年夜，抗光、电干扰能力强等。激

2、光和激光器激光是20世纪60年代呈现的最重年夜的科学技术成绩 之一。它成长迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电丈量等各方而。 激光与普通光不合，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态 下，大都原子处于稳左的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下，处 于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到髙能级E2.光子能量 E=E2El=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光 的诱发下，处于能级E2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受 激辐射。激光器首先使工作物质的原子变态地大都处于高能级（即粒子数 反转散布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v的诱发光获得

3、增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放年夜作用而产生强年夜的受 激辐射光，简称激光。激光具有3个重要特性：（1）高标的目的性（即髙左向性，光速发散角小），激光束在几公里外的 扩展规模不过几厘米：（2）高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上：（3）髙亮度，利用激光朿会聚最高可产生达几百万度的温度。激光器按工作物质可分为4种：（1）固体激光器：它的工作物质是固体。经常使用的有红宝石激光器、 掺钱的铉铝石榴石激光器（即YAG激光器）和钱玻璃激光器等。它们的结 构年夜致相同，特点是小而坚固、功率高，钱玻璃激光器是目前脉冲输出 功率最高的器件，已达到数十兆瓦。（2）气体激光器：它的工作物质为气体

4、。现已有各种气体原子、离子、 金属蒸气、气体分子激光器。经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，英形状如普通放电管，特点是输出稳泄，单色性好， 寿命长，但功率较小，转换效率较低。（3）液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料 激光器，英中最重要的是有机染料激光器，它的最年夜特点是波长连续可 调。（4）半导体激光器：它是较年轻的一种激光器，其中较成熟的是碑化稼 激光器。特点是效率髙、体积小、重量轻、结构简单，适宜于在飞机、军 舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、 定向性较差、受环境温度影响较年夜。应用利用激光的髙标的目的性、高单

5、色性和髙亮度等特点可实现无接 触远距离丈量。激光传感器经常使用于长度、距离、振动、速度、方位等 物理量的丈量，还可用于探伤和年夜气污染物的监测等。激光测长精密丈量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代 长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色 性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源（氮86灯） 还纯10万倍。因此激光测长的量程年夜、精度髙。由光学原理可知单色 光的最年夜可测长度L与波长入和谱线宽度6之间的关系是LEc2/6。用 氟一86灯可测最年夜长度为38.5厘米，对较长物体就需分段丈量而使精 度降低。若用氫氛气体激光器，则最年夜可测几

6、十公里。一般丈疑数米之 内的长度，英精度可达0.1微米。激光测距它的原理与无线电雷达相同，将激光瞄准目标发射出去后，丈量它的往返 时间，再乘以光速即获得往返距离。由于激光具有髙标的目的性、髙单色 性和高功率等优点，这些对测远距离、判泄目标方位、提高接收系统的信 噪比、包管丈量精度等都是很关键的，因此激光测距仪日益受到重视。在 激光测距仪基础上成长起来的激光雷达不但能测距，并且还可以测目标方 位、运运速度和加速度等，已胜利地用于人造卫星的测距和跟踪，例如采 取红宝石激光器的激光雷达，测距规模为5002000公里,误差仅几米。目 前常采取红宝石激光器、钱玻璃激光器、二氧化碳激光器以及碑化稼激光 器

7、作为激光测距仪的光源。激光测厚利用三角测距原理，上位于C型架的上、下方联系有一个精密激光测距传 感器，由激光器发射岀的调制激光打到被测物的概略，通过对线阵CCD 的信号进行采样处理，线阵CCD摄像机在控制电路的控制下同步获得被 测物到C型架之间的距离，通过传感器反响的数据来计算中间被测物的厚 度。由于检测是连续进行的，因此就可以获得被测物的连续静态厚度值。 影响激光测厚精度的装置因素：和其它传感器测厚一样，要实现精密测厚需要注意以下条件，不然再好的 传感器也测禁绝。精密测厚，选精密激光位移传感器很重要，但如果两个 传感器不克不及同步工作，装置不合轴，则根本测禁绝：（1）单激光位移传感器测厚被测

8、体放在丈疑平台上，丈量出传感器到平台槪略距离，然后再测岀传感 器到被测体概略间距，经计算后测出厚度。要求被测体与丈量平台之间无 气隙，被测体无翘起。这些严格要求只有在离线情况能实现。（2）双激光位移传感器测厚在被测体上方和下方各装置一个激光位移传感器，被测体厚度D=C（A+B）O 其中，C是两个传感器之间距离，A是上面传感器到被测体之间距离，B 是下而传感器到被测体之间距离。在线厚度丈量用这种办法优点是可消除 被测体振动对丈量结果的影响。但同时对传感器装置和性能有要求。包管 丈量准确性的条件是：两个传感器发射光朿必须冋轴，以及两个传感器扫 描必须同步。同轴是靠装置实现，而同步要靠选择有同步端激

9、光传感器。 不合步将代来很年夜误差：如果被测体存在振动频率20H乙振幅1mm, 如果信号不合步延迟1ms,那么就会带来125pm误差。装豊使两个激光同轴，不单确保被测体同一位苣上的厚度，同时降低了被 测体倾斜带来的误差。以被测体运动标的目的不合轴为例，当不合轴1mm, 被测体倾斜2。可带来35pm误差。激光三角漫反射位移传感器用于测厚有明显优点：（1）很是小的丈量光斑，是点光斑面积，它比面积型非接触电容、电涡 流传感器需要的而枳小很多，对被测体而积几乎无要求，适合丈量很是小 而积尺寸厚度：（2）较远的丈量规模起始间距。它比非接触电容、电涡流传感器起始间 距年夜很多。这样传感器可以远离被测体，免

10、受碰坏，及被测体热辐射影 响：（3）有很年夜的丈量规模，这是其它传感器很难做到的：（4）与被测体资料无关，即金属非金属体，非透明有漫反射条件概略都 能测。（5）用激光测厚取代同位素测厚，可以消除对用户的放射性损害。激光测振它基于多普勒原理丈量物体的振动速度。多普勒原理是指：若波源或接收 波的观察者相对传播波的媒质而运动，那么观察者所测到的频率不但取决 于波源收回的振动频率并且还取决于波源或观察者的运动速度的年夜小 和标的目的。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振动标的目 的与标的目的一致时多普频移fd=vA,式中v为振动速度、入为波长。在 激光多普勒振动速度丈量仪中，由于光往返的原因,

11、fd =2v/Xo这种测振仪 在丈虽时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移，并由光检测 器将此频移转换为电信号，再由电路部分作适当处理后送往多普勒信号处 理器将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号，最后记录于磁 带。这种测振仪采取波长为6328埃（丁）的氮氛激光器，用声光调制器进行 光频调制，用石英晶体振荡器加功率放年夜电路作为声光调制器的驱动 源，用光电倍增管进行光电检测，用频率跟踪器来处理多普勒信号。它的 优点是使用便利，不需要固定参考系，不影响物体自己的振动，丈量频率规 模宽、精度髙、静态规模年夜。缺点是丈量过程受其他杂散光的影响较年 夜。激光测速它也是基多普勒原理的一种

12、激光测速办法，用得较多的是激光多普勒流速 计（见激光流量计）,它可以丈量风洞气流速度、火箭燃料流速、遨游翱翔器 喷射气流流速、年夜气风速和化学反响中粒子的年夜小及汇聚速度等。 多普勒测速系统（Doppler velocitymcasuring system）原理： 从开过来的机车所听到的声波间的距离被压缩了，就好像一个人正在关手 风琴。这个举措的结果产生一个明显的较高的音调。当火车离去时，声波 传播开来，就呈现了较低的声音这种现象被称为“多普勒效应。检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。从测速仪里射出 一束射线，射到汽车上再前往测速仪。测速仪里而的微型信息处理机把前 往的波长与原波

13、长进行比较。前往波长越紧密，前进的汽车速度也越快那 就证明驾驶员超速驾驶的可能性也越年夜。激光多普勒测速仪是丈捲通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据 速度与多普勒频率的关系获得速度。由于是激光丈量，对流场没有扰， 测速规模宽，并且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压 力没有关系，是目前世界上速度丈量精度最高的仪器。多普勒测速工作原理可以用干涉条纹来说明。当聚焦透镜把两束入射光以 某角会聚后，由干激光朿良好的相干性，在会聚点上形成明暗相间的干涉 条纹，条纹间隔正比干光波波长，而正比干半交角的正弦值。当流体中的 粒子从条纹区的标的目的经过时，会依次散射出光强随时间变更的一列散 射

14、光波，称为多普勒信号。这列光波强度变更的频率称为多普勒频移。经 过条纹区粒子的速度愈髙，多普勒频移就愈高。将垂直于条纹标的目的上 的粒子速度，除以条纹间隔，考虑到流体的折射率就能获很多普勒频移与 流体速度之间线性关系。多普勒测速系统就是利用速度与多谱勒频移的线 性关系来确左速度的。各个标的目的上的多普勒频率的相位差和粒子的直 径成正比，利用监测到的相位差可以来确左粒径。光学测速测长系统相对传统的测速测长系统（编码器或测速机电）的优势 是：（1）编码器或测速马达丈量都是依靠测速牡与被丈量物体的摩擦来实现 的，存在摩擦的处所就会有相对滑动的存在，尤其是在速度变更的过程中 滑动更明显，此时会产生较明

15、显的误差：而多普勒丈量系统是非接触丈量, 从原理上消除这个误差。（2）接触式丈量过程中，当生产的产品为对概略光洁度要求很是髙的产 品时，比方不锈钢板带，容易对概略产生损伤，而采取多普勒丈量系统完 全避免。（3）编码器或测速马达是机械类产品，长期的运转存在机械磨损，从而 影响到丈量精度，而多普勒丈量系统属于光学仪器，内部没有机械磨损， 不存在随运行时间而丈疑精度变更的问题。（4）在钢铁的轧机或平整机运行过程中，由于在板带上有巨年夜的张力, 在高速运行中会产生髙频振动，对接触式的测速系统影响很是年夜。比方 在平整机上，采取编码器对平整机的延长率进行控制时，实际丈量的结果 是板带平整后的延长率是在3

16、%15%之间变更，升速或降速时编码器信号 由于摩擦打滑的影响无法介入控制。冷轧板带的延长率直接影响的是深冲 性能，延长率控制欠好，生产的制品板带的质量级別无法提高，无法满足 比方家电生产企业，汽车生产企业等对深冲成型性能要求很是高的企业的 要求。采取多普勒丈疑系统进行控制时，延长率一般可以控制在目标值的 0.25%左右摆荡，优势很是明显。并且轧机的升速，降速对其性能无任何 影响，所以整卷钢带的成材率可以高达97%以上，效益很是明显。而采取 编码器时，由于受到诸多限制，成材率一般低于85%。资料概略反射系数对激光传感器的影响激光漫反射位移传感器正常工作的前提是要求被测物体概略具有漫反射 条件，出

17、厂时厂家是用白陶瓷作为标准面。反射系数是光输入到槪略能量与前往能量之比。光亮概略反射系数髙，例 如白纸就高，粗糙或黑色概略反射系数低，例如黑橡胶就低。其实不是反 射系数愈年夜愈好，当反射系数100%时，例如镜而时，激光成像光斑被 100%反射回到激光光源，而接受漫反射的CCD端无成像光，所以镜而就 不克不及正常工作。反之当反射系数为0%时绝对黑体，入射光被百分百 吸收，无反射光，传感器也不克不及工作。只有反射系数100%,和0%之 间，激光漫反射传感器才干可靠工作。各种资料概略反射系数：白陶瓷 约95%白纸 约7580%金属资料约5560%黑纸 约5%黑橡胶 约35%黑绒布 约0.5%激光传感

18、器所能解决其它技术无法解决的问题激光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年夜量的精密位置检测任务。可是，当目标距离较远内或目标颜色变更时，普通光电传感器就难以应付 了。虽然先进的布景噪声抑制传感器和三角丈虽传感器在目标颜色变更的情 况下能较好地工作，可是，在目标角度不固左或目标太亮时，瓦性能的可 预测性变差。另外，普通光电三角丈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经常使用于检测距禽较远的物体，并且由于它不是 光学装置，所以不受颜色变更的影响。可是，超声波传感器是依据声速丈 量距离的，因此存在一些固有的缺点，不

19、克不及用于以下场合。（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年夜于10。角以内。（2）需要光朿直径很小的场合。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）温度梯度较年夜的场合。因为这种情况下会造成声速的变更。（7）需要快速响应的场合。而激光传感器能解决上述所有场合的检测。激光产品危险品级划分激光产品危险品级分类是描述激光系统对人体造成伤害水平的界立指标。 分类从第I类激光（无伤害）到第IV类激光器如2000瓦二氧化碳激光器（可以切割厚钢板）。制造

20、商必须在第II类，第III类和第IV类激光产品 上贴有带激光危险品级分类字样的警告标签。第I类激光产品没有生物性危害。任何可能观看的光束都是被屏蔽的, 且在激光流需时激光系统是互锁的。（年夜型激光打印机如DEC LPS40是 由10亳瓦（Illb类）氨氣激光驱动的，尽管实际的激光器是Illb类，但打 印机是互锁的，以避免和流露的激光朿产生任何接触，因此，该设备不产 生任何生物性危害。这也适用于CD播放器和小型激光打印机，他们都是 第一类设备）。第II类激光产品输出功率1亳瓦。不会灼伤皮肤，不会引起火灾。由 于眼睛反射可以避免一些眼部损害，所以这类激光器不被视为危险的光学 设备。（例如当眼遇到明亮的光线时，会自动眨眼，或者转动头部以避开 这些强光线。这就是所谓的反射行为或反射时间。在这段时间内这类激光 产品不会对眼睛造成伤害。尽管如此，一个人也不会愿意较长时间盯