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1、1激光位移传感器激光位移传感器CD5CD5系列系列郑耀涛郑耀涛2一、激光位移传感器简介一、激光位移传感器简介激光位移传感器可精确非接触测量被激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量。量。 激光位移传感器是利用激光的激光位移传感器是利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点实现无接高方向性、高单色性和高亮度等特点实现无接触测量。激光位移传感器就是利用激光的这些触测量。激光位移传感器就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表，它的出现，使位移优点制
2、成的新型测量仪表，它的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。接触位移测量提供了有效的测量方法。3二、激光位移传感器测量原理二、激光位移传感器测量原理 1.激光三角法测量原理激光三角法测量原理 半导体激光器半导体激光器1被镜片被镜片2聚焦到聚焦到被测物体被测物体6。反射光被镜片。反射光被镜片3收集，收集，投射到投射到CCD阵列阵列4上上;信号处理器信号处理器5通通过三角函数计算阵列过三角函数计算阵列4上的光点位置上的光点位置得到距物体的距离。得到距物体的距离。 激光发射器通过镜头将可见红色激光发射器通过镜头将
3、可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下线性相机可以在不同的角度下“看见看见”这个光点。这个光点。4二、激光位移传感器测量原理二、激光位移传感器测量原理 根据这个角度即得知激光和相根据这个角度即得知激光和相机之间的距离，数字信号处理器就机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距能计算出传感器和被测物之间的距离。离。 同时，光束在接收元件的位置同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过
4、通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗量与开关量输出可设置独立检测窗口。口。5二、激光位移传感器测量原理二、激光位移传感器测量原理 激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理
5、器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。器等部分组成。2.2.激光回波分析法测量原理激光回波分析法测量原理6二、激光位移传感器测量原理二、激光位移传感器测量原理 激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回接收器所需时间，以此计算出接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回接收器所需时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。即所谓的脉冲时间距离值，该输出值是将上千次
6、的测量结果进行的平均输出。即所谓的脉冲时间法测量的。激光回波分析法适合于长距离检测，但测量精度相对于激光三角测法测量的。激光回波分析法适合于长距离检测，但测量精度相对于激光三角测量法要低，最远检测距离可达量法要低，最远检测距离可达250m。7三、三、CD5CD5系列激光位移传感器简介系列激光位移传感器简介1.最长工作距离最长工作距离 2000mm2.最高线性度最高线性度 0.05%3.最大量程最大量程 1000mm4.满量程最高采样满量程最高采样 10KHZ8三、三、CD5CD5系列激光位移传感器简介系列激光位移传感器简介5.各种不同各种不同CD5系列位移传感器及参数系列位移传感器及参数9三、
7、三、CD5CD5系列激光位移传感器简介系列激光位移传感器简介10四、激光位移传感器应用四、激光位移传感器应用1.测旋转体跳动测旋转体跳动2.仿生肌肉形变仿生肌肉形变3.冲击试验冲击试验4.材料变形材料变形11四、激光位移传感器应用四、激光位移传感器应用5.板材厚度板材厚度6.机械臂定位机械臂定位7.振动台试验振动台试验8.磨损量测量磨损量测量9.铁路检测铁路检测10.涂胶厚度涂胶厚度11.形状测量形状测量12四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感器应注意的问题1.激光位移传感器中接收器件激光位移传感器中接收器件PSD和和CCD对比对比 PSDPSD以进入光线元件以进入光线元件的整个光点
8、分布来决定光的整个光点分布来决定光点的中心，并以此作为目点的中心，并以此作为目标物体的位置。标物体的位置。CCDCCD则会则会对每个像素点检测光点的对每个像素点检测光点的光量分布之峰值，并将其光量分布之峰值，并将其识别为目标物体的位置。识别为目标物体的位置。因此，因此，CCDCCD可以不管光点可以不管光点的光量分布，而提供稳定的光量分布，而提供稳定且高精度的位移测量。且高精度的位移测量。13四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感器应注意的问题2.激光位移传感器中各角度问题激光位移传感器中各角度问题 如图，如图，为垂直线与接收透镜为垂直线与接收透镜光轴的夹角光轴的夹角,为接收透镜光轴与光
9、为接收透镜光轴与光点检测器之间的夹角。点检测器之间的夹角。为接收透为接收透镜光学系统的横向放大率。应满足镜光学系统的横向放大率。应满足ScheimpflyScheimpfly条件：条件： tan tan = = tan tan 一般取一般取3030度到度到6060度度一般取一般取3030度到度到5050度度14四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感器应注意的问题 接收透镜与光点检测器所接收透镜与光点检测器所组成的整形系统中，作用是将组成的整形系统中，作用是将激光器发出的光束汇聚在工作激光器发出的光束汇聚在工作范围内，使汇聚的光斑尽量小范围内，使汇聚的光斑尽量小而均匀。一般接收透镜选用柱
10、而均匀。一般接收透镜选用柱面镜或者非球面镜。面镜或者非球面镜。 越小，成像透镜接收到越小，成像透镜接收到的散射光强度越大，但角度过的散射光强度越大，但角度过小对探测器分辨率要求及制作小对探测器分辨率要求及制作工艺上都有较高难度，要综合工艺上都有较高难度，要综合考虑选取的考虑选取的值。值。15四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感器应注意的问题3.激光位移传感器在测量厚度中的方法及应该注激光位移传感器在测量厚度中的方法及应该注意的问题意的问题 方法方法1 1：在激光探头的检测过：在激光探头的检测过程，先扫描标准块，将上下表面程，先扫描标准块，将上下表面标定为零点基准面，再用激光探标定为零
11、点基准面，再用激光探头测量出板材厚度与标准样块头测量出板材厚度与标准样块( (量量块块) )的差值，该差值信号由传感器的差值，该差值信号由传感器的扩展模块的扩展模块( (控制器控制器) )采集后，通采集后，通过和差运算，得到板材厚度的绝过和差运算，得到板材厚度的绝对值。对值。16四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感器应注意的问题 和其它传感器测厚一样，要实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，否现精密测厚需要注意以下条件，否则再好的传感器也测不准。保证测则再好的传感器也测不准。保证测量准确性的条件是：两个传感器发量准确性的条件是：两个传感器发射光束必须同轴，以及两个传
12、感器射光束必须同轴，以及两个传感器扫描必须同步。同轴是靠安装实现，扫描必须同步。同轴是靠安装实现，而同步要靠选择有同步端激光传感而同步要靠选择有同步端激光传感器。安装使两个激光同轴，不但确器。安装使两个激光同轴，不但确保被测体同一位置上的厚度，同时保被测体同一位置上的厚度，同时降低了被测体倾斜带来的误差。精降低了被测体倾斜带来的误差。精密测厚，选精密激光位移传感器很密测厚，选精密激光位移传感器很重要，但如果两个传感器不能同步重要，但如果两个传感器不能同步工作，安装不同轴，则根本测不准工作，安装不同轴，则根本测不准。17四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感器应注意的问题方法方法2 2：
13、CD5CD5系列测量透明物体厚度系列测量透明物体厚度 无需连接控制器即可独立检测玻璃的表面并测量其厚度无需连接控制器即可独立检测玻璃的表面并测量其厚度18四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感器应注意的问题4.激光位移传感器激光位移传感器测头的选择测头的选择直射式：接收散射直射式：接收散射及漫反射光，用于及漫反射光，用于表面粗糙度不太高表面粗糙度不太高的物体。的物体。19四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感器应注意的问题斜射式：接收正反射斜射式：接收正反射光，用于表面粗糙度光，用于表面粗糙度近于镜面的被测物。近于镜面的被测物。20四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感
14、器应注意的问题5.激光位移传感器中激光强度对测量的影响激光位移传感器中激光强度对测量的影响 三角测量是对激光器出射光束打在被测面形成光斑的散射光强就行感知，如果激光光束质量不高，会使散射光斑的信号强度分布出现毛刺，多峰和中心偏离等现象，使探测器上的实际成像中心与理论中心偏离，这就造成了测量误差；若激光信号太强或太弱，都会使散射光斑的光强超过探测器的感知范围，将会造成接收不到数据。 CCD采用实时自动补偿光技术，使CCD接收信号维持在一个稳定的范围内。保证信号中心不受光强变化影响，从而确保其能够准确反映被测物体位移变化，来适应不同情况被测面。21四、激光位移传感器应注意的问题四、激光位移传感器应
15、注意的问题5.激光位移传感器中光束直径大小对测量的影响激光位移传感器中光束直径大小对测量的影响 如果光束直径过大，散射光斑受到被测物体表面特性影响大，将造成散射光斑光能质心与光斑几何中心不重合。如果光束直径太小，则散射光相当于反射光来讲，散射光能量分布太弱，光点探测器件将检测不到信号。6.激光位移传感器被测面颜色对测量的影响激光位移传感器被测面颜色对测量的影响 激光器出射为接近红外部分的红色半导体激光器时，被测体表面为红色时，精度最高；为绿色时，误差偏大；为黑色时，误差最大。这是因为黑色物体吸收光能最多，散射光斑强最弱，位置探测器得到的光能很少，引起较大的非线性误差。22五、总结五、总结 激光有直线度好的优良特性，同样激光位移传感器相对于我们已知的超声波传感器有更高的精度，激光位移传感器是目前精准度最高的位移传感器。但是，激光的产生装置相对比较复杂且体积较大，因此会对激光位移传感器的应用范围要求较苛刻，这些都极大的限制了激光位移传感器的应用范围。随着技术的不断进步，相信激光位移传感器的应用范围将更加广阔。23
