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1、基於鐳射位移感測器的測試應用 振聯科技有限公司 從建華一、前言近日，“嫦娥三號”成為各大媒體最炙手可熱的話題，“嫦娥三號”搭載“玉兔號”月球車成功實現月球軟著陸以及“玉兔號”月球車與“嫦娥三號”的器件分離，承載了中華民族幾千年的探月夢終得實現。在“嫦娥三號”探測器由環月軌道進入預定的月面著陸準備軌道的整個過程中，由起初的100公里環月圓軌道，到近月15公里的橢圓軌道，到3公里高度時啟動探測器底部的反推火箭，再到100米高度時的探測器懸停，最後到4米高度時關閉發動機進行軟著陸，探測器到月球表面的距離參數貫穿了整個著陸過程，據專家介紹，“嫦娥三號”對於這個距離的測量方法有多種方式進行配合測量，其中
2、就包括用鐳射位移感測器來檢測探測器距離月面的距離及其輪廓。自60年代鐳射產生以後，其高方向性和高亮度的優越性就一直吸引著人們不斷探索它在各方面的應用，其中，工業生產中的非接觸、線上測量是非常重要的應用領域，它可以完成許多用接觸式測量手段無法完成的檢測任務。普通的光學測量在大地測繪、建築工程方面有悠久的應用歷史，其中距離測量的方法就是利用基本的三角幾何學。在80年代末90年代初，人們開始鐳射與三角測量的原理相結合，形成了鐳射三角測距器。它的優點是精度高，不受被測物的材料、質地、形狀、反射率的限制。從白色到黑色，從金屬到陶瓷、塑膠都可以測量。二、鐳射位移感測器的原理介紹鐳射位移感測器分為鐳射三角測
3、量法和鐳射回波分析法,鐳射三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而鐳射回波分析法則用於遠距離測量。1、鐳射三角測量法原理如圖1所示，鐳射三角測量法原理是，用一束鐳射以某一角度聚焦在被測物體表面，然後從另一角度對物體表面上的鐳射光斑進行成像，物體表面鐳射照射點的位置高度不同，所接受散射或反射光線的角度也不同，用CCD光電探測器測出光斑像的位置，就可以計算出主光線的角度，從而計算出物體表面鐳射照射點的位置高度。當物體沿鐳射線方向發生移動時，測量結果就將發生改變，從而實現用鐳射測量物體的位移。過去，由於成本和體積等問題的限制，其應用未能普及。隨著近年來電子技術的飛速發展，特別是半導體雷射器和CC
4、D等圖像探測用電子晶片的發展，鐳射三角位移感測器在性能改進的同時，體積不斷縮小，成本不斷降低，正逐步從研究走向實際應用，從實驗室走向實際。圖1鐳射三角測量法原理示意圖2、鐳射回波分析法原理如圖2所示，鐳射位移感測器採用回波分析原理來測量距離以達到一定程度的精度。感測器內部是由處理器單元、回波處理單元、鐳射發射器、鐳射接收器等部分組成。鐳射位移 感測器通過鐳射發射器每秒發射一百萬個雷射脈衝到檢測物並返回至接收器，處理器計算雷射脈衝遇到檢測物並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。鐳射回波分析法適合於長距離檢測，但測量精度相對於鐳射三角測量法要低。圖
5、2鐳射回波分析法原理示意圖三、鐳射位移感測器參數介紹目前市場上的鐳射位移感測器可謂玲琅滿目，其產品性能參數也是參差不齊，下面以我們較為熟悉的美國MTI鐳射位移感測器（圖3所示）為例，簡單介紹一下鐳射位移感測器的性能參數。美國MTI鐳射位移感測器是鐳射三角測量法的鐳射產品，具有該類型鐳射位移感測器高精度、短距離的共性。圖3 美國MTI鐳射位移感測器1、量程有2、4、10、20、40、100、200mm可供選擇；2、線性度為0.03%滿量程；3、解析度最小可達0.0381um；4、採樣頻率為40KHZ,回應頻率為0-20KHZ；5、數位輸出:RS-485,類比電壓輸出為0-10V；6、供電電壓：1
6、5-28V。四、鐳射位移感測器應用介紹鐳射位移感測器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，常用於各種不同材料表面輪廓的檢測；高度、厚度、直徑等外形參數的測量；馬達、機床主軸的振動；路面距離檢測；IC、電路板管腳檢測；輪胎花紋深度檢測；PCB板的熱變形檢測等等常規應用。隨著人們對於鐳射位移感測器不斷的深入瞭解和實驗，鐳射位移感測器的應用範圍和領域在不斷的擴張，使得這個產品性能變得越來越完善、功能越來越強大。下面，結合自己工作中遇到的實際案例，給大家介紹兩種新興的基於鐳射位移感測器的測試應用。1、鐳射位移感測器測量水面波動純淨透明的水面是無法直接進行位移測量的，垂直照射的雷射光束可以透過水面
7、直接照射到容器底部，這時我們需要進行一些輔助手段，一般可以有兩種方法：一個方法是在水面漂浮一個不透明的懸浮物，讓鐳射點落在懸浮物上，這個是針對於靜態的水面；另一個方法是給透明的水進行染色，選擇乳白色的溶液為最佳，這樣鐳射就可以在水面發生漫反射，這個是針對於動態的水面。如圖4所示為鐳射位移感測器測量水面波動示意圖，振動臺上圓筒玻璃容器內裝有一定量的水，往水裏加入乳白色溶液並攪拌均勻，感測器支架固定在筒壁上，鐳射位移感測器固定在液面的正上方確保其可以垂直入射到液面上。當振動臺以固定頻率在水準方向上做往復運動時，容器裏的液面會產生波動，而經過染色處理的液面是可以用鐳射位移感測器來進行波動測量的。圖4
8、 鐳射位移感測器測量水面波動示意圖圖5所示為振動頻率1.2HZ的液面波動曲線：圖5 振動頻率1.2HZ的液面波動曲線圖6所示為振動頻率1.5HZ的液面波動曲線：圖6 振動頻率1.5HZ的液面波動曲線2、鐳射位移感測器測量GFRP材料變形GFRP（Glassfiber Reinforced Plastic,也叫GRP或FRP,中文名玻璃纖維增強塑膠,俗稱玻璃鋼）,是一種有機非金屬跟無機非金屬複合的塑膠基複合材料,包含機體和增強體兩部分，如圖7所示為一塊GFRP材料板。GFRP具有良好的電絕緣性能和粘結性能,較高的機械強度和耐熱性,可塑性極強,成型收縮率小,體積較輕,施工方便，已成為混凝土、鋼材等
9、傳統結構材料的重要補充。圖7 GFRP材料板本次應用是將該材料板用於橋樑建設，鋪設在混凝土下方用作橋面板，而材料板與板之間是通過螺栓來連接的，所以在實驗階段需要去研究在不同拉力情況下GFRP材料板螺栓孔位置處的變形量。如圖8所示為鐳射位移感測器測量GFRP材料變形示意圖，三塊GFRP材料板用兩根螺栓連接，材料板底部固定在拉力試驗機底座的夾具上，材料板的頂端裝夾在拉力試驗機上進行拉伸。在拉伸過程中，材料板上螺栓孔位置處的伸長量是大於材料板上其他位置的，所以我們不能簡單的去測量整個材料板的伸長量，而應該嚴格的去測量螺栓孔上下沿的位置變化。根據鐳射三角測量法原理，我們無法直接用鐳射位移感測器去測量螺
10、栓孔上下沿的位置變化，而需要做一個輔助測量，如圖8所示，我們在螺栓孔上下沿附近，緊貼著上下沿的位置處分別貼上兩片垂直於材料板形變方向剛性金屬薄片，用兩個鐳射位移感測器去分別測量兩塊剛性金屬薄片的位移，用類似厚度檢測的原理去實現在拉力作用下GFRP材料板螺栓孔位置處材料形變的檢測。同樣的，對於另外一個螺栓孔，我們也用相同的方法，這樣我們就用4個鐳射位移感測器實現了對GFRP材料板兩個螺栓孔位置處材料形變的檢測。圖8 鐳射位移感測器測量GFRP材料變形示意圖五、結論隨著時代的發展和科技的進步，人們對於實驗和生產的要求越來越高，輔助研發與生產的檢測產品也一代代推陳出新。鐳射位移感測器作為非接觸位移測量的代表產品，取得了高速發展和廣泛應用。把鐳射位移感測器比作一棵大樹，科技的進步精進了它的性能，讓它根強莖壯；實踐的積累豐富了它的應用，讓它枝繁葉茂。這棵高速生長的大樹，正在也將繼續給人們帶來陰涼和福祉。参考文献：1、MTI产品资料2、Betterway产品资料
