激光位移傳感技術(shù)是啥，看完下文你就懂了

　　當(dāng)前，世界上主要的工業(yè)大國(guó)都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，而現(xiàn)代工業(yè)的升級(jí)與激光技術(shù)密不可分。除了在生產(chǎn)加工方面發(fā)揮著巨大作用外，激光技術(shù)還在精確實(shí)時(shí)測(cè)量方面有著重要應(yīng)用，為電子產(chǎn)品尺寸、透明元器件曲率、汽車飛機(jī)等大型三維物體的振動(dòng)頻譜、軸承同心度、偏心度及振動(dòng)等提供精準(zhǔn)測(cè)量，大大提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。

　　采用激光測(cè)量技術(shù)的手機(jī)玻璃曲率檢測(cè)示意圖

　　要實(shí)現(xiàn)激光精確實(shí)時(shí)測(cè)量在工業(yè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用，則離不開各類激光傳感器的研發(fā)和推廣。眾所周知，現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)是一個(gè)傳感器驅(qū)動(dòng)的世界，幾乎在所有的制造過程中，精確的實(shí)時(shí)測(cè)量在很大程度上依賴于傳感器。在引入光學(xué)技術(shù)后，傳感器朝著更快速、更精確、更可靠的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，光學(xué)測(cè)量傳感器，尤其是激光測(cè)量傳感器因其非接觸且快速測(cè)量的能力在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。其中最典型的應(yīng)用例子就是高精度的激光位移傳感器。

　　激光位移傳感器市場(chǎng)現(xiàn)狀

　　激光位移傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測(cè)量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等。通過激光位移傳感器測(cè)量金屬薄片(薄板)的厚度變化，可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋、小洞或者重疊，避免機(jī)器發(fā)生故障;而在微小零件的位置識(shí)別、傳送帶上有無零件的監(jiān)測(cè)、機(jī)械手位置(工具中心位置)的控制等方面的應(yīng)用，則可以確保設(shè)備、產(chǎn)線的高效運(yùn)轉(zhuǎn);在灌裝產(chǎn)品線上，可利用激光束反射表面的擴(kuò)展程序來精確的識(shí)別灌裝產(chǎn)品填充是否合格，在監(jiān)測(cè)數(shù)量的同時(shí)也能保證灌裝質(zhì)量。此外，在絕對(duì)距離測(cè)量、相對(duì)位移測(cè)量、遠(yuǎn)程振動(dòng)測(cè)量或振動(dòng)頻譜測(cè)量、輪廓檢測(cè)、厚度測(cè)量、曲率測(cè)量、透明物體的厚度測(cè)量等方面，激光位移傳感器都有著無可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　據(jù)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)通用激光位移傳感器市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)120億，且每年保持20%的增速，但99.87%的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被國(guó)外廠商占據(jù)，以歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)居多，如美國(guó)通用電氣、邦納、德國(guó)西克、日本基恩士等等。這些企業(yè)不斷通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級(jí)以保持市場(chǎng)地位。我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成商雖然對(duì)該器件的認(rèn)知率超過95%以上，但由于價(jià)格昂貴、適配困難等原因，實(shí)際使用率不足10%。

　　與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比，我國(guó)傳感器技術(shù)在科研開發(fā)上要落后10年，在生產(chǎn)技術(shù)上要落后15年。但近年來我國(guó)陸續(xù)制定有利于傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并建立了多個(gè)傳感技術(shù)、機(jī)器人國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，同時(shí)也有千余家企業(yè)選擇從事傳感器的生產(chǎn)和研發(fā)，國(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程隨之加快。目前國(guó)內(nèi)從事激光傳感器的企業(yè)多以中小企業(yè)為主，主要集中在長(zhǎng)三角地區(qū)，大型企業(yè)數(shù)量較少。代表性企業(yè)既有一定規(guī)模的余姚舜宇光學(xué)、北京創(chuàng)想智控、武漢承拓電子等，也有如蘇州摯感光子等采用先進(jìn)集成光學(xué)技術(shù)的新創(chuàng)企業(yè)。

　　激光位移傳感器介紹

　　目前已有很多技術(shù)能實(shí)現(xiàn)精確的光學(xué)位移測(cè)量，而工業(yè)化的激光位移傳感器一般采用激光三角測(cè)量法和激光回波分析法兩種方法，此外還可利用彩色共焦和干涉測(cè)量原理進(jìn)行精確的位移測(cè)量。此外，激光位移傳感器也被用來進(jìn)行非接觸振動(dòng)測(cè)量。但對(duì)于特定的測(cè)量條件和測(cè)量要求，以上方法都各有缺陷。

　　對(duì)激光位移傳感器而言，激光三角測(cè)量法適用于高精度、短距離的測(cè)量，激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。在當(dāng)前的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，通常采用三角測(cè)量法，這種方法最高線性度可達(dá)1um，分辨率可達(dá)到0.1um的水平。

　　激光三角法是一種由角度計(jì)算得到單點(diǎn)或多維的距離測(cè)量。通過鏡頭將可見紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物體之間的距離。

　　回波分析法則是通過激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬個(gè)激光脈沖到檢測(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回至接收器所需的時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出，即所謂的脈沖時(shí)間法測(cè)量的，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)250m。

　　而在精確的振動(dòng)測(cè)量方面，常用的激光多普勒振動(dòng)儀(LDV)的工作原理是在光學(xué)干涉的基礎(chǔ)上，通過兩束相干光束I1和I2的疊加來進(jìn)行測(cè)量。疊加后的光強(qiáng)不是簡(jiǎn)單的兩束光強(qiáng)之和，而且包括一個(gè)相干調(diào)制項(xiàng)。調(diào)制項(xiàng)與兩束光之間的路徑長(zhǎng)度有關(guān)。

　　盡管激光三角法測(cè)量位移相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，但其缺點(diǎn)是測(cè)量精度隨著測(cè)量距離和范圍的增大而降低，因此測(cè)量范圍受到限制。此外，還需要一定的開放空間來滿足三角法的測(cè)量需求，故無法實(shí)現(xiàn)在深溝或深孔中的應(yīng)用。 而激光回波分析法則適合于長(zhǎng)距離檢測(cè)，但測(cè)量精度相對(duì)于激光三角測(cè)量法要低。在振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用方面，前面這兩種位移/距離測(cè)量技術(shù)的檢測(cè)能力(頻率范圍/振動(dòng)量范圍/精度)比較有限。而LDV雖可進(jìn)行非常精確的振動(dòng)測(cè)量及瞬時(shí)位移測(cè)量，但是欠缺測(cè)量絕對(duì)位移或距離的能力，且成本也相當(dāng)高。

　　激光傳感新方案

　　基于這樣的現(xiàn)狀，摯感光子依靠核心團(tuán)隊(duì)在光電通信領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累，利用集成光學(xué)芯片技術(shù)的優(yōu)勢(shì)開發(fā)了一種小型激光傳感平臺(tái)，將這兩種主流的傳感功能結(jié)合在一個(gè)光學(xué)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量和振動(dòng)測(cè)量等多種功能，在保持高精度測(cè)量的同時(shí)還極大降低了模塊尺寸和成本。

　　目前光學(xué)元器件通常體積大且價(jià)格昂貴，并且在與其他電子元器件的連接過程需要定制精確的裝配流程。而光學(xué)元件集成化可以使其在低成本的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)和更多的功能。集成光學(xué)芯片可以在一個(gè)單一的光學(xué)基底上包含數(shù)十到數(shù)百個(gè)光學(xué)元件，包括激光器、調(diào)制器、光電探測(cè)器和濾波器，現(xiàn)已成為一種有效的解決方案，為現(xiàn)有和新興市場(chǎng)提供創(chuàng)新的光學(xué)模組。隨著現(xiàn)代制造對(duì)光學(xué)傳感器技術(shù)需求的不斷增長(zhǎng)，集成光學(xué)芯片可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得傳感器可以進(jìn)行更快速、更準(zhǔn)確的測(cè)量，而且成本更低。

　　摯感光子的小型激光傳感平臺(tái)原理圖

　　如傳感器平臺(tái)的原理圖所示，具有不同延遲線的光學(xué)干涉儀最先在集成光學(xué)芯片上實(shí)現(xiàn)，并通過一個(gè)一體化封裝將集成光學(xué)芯片、激光二極管、探測(cè)器陣列和光學(xué)透鏡組成一個(gè)小型化激光傳感模組。摯感光子自主研發(fā)的激光傳感平臺(tái)通過專有的數(shù)字信號(hào)處理(DSP)算法，可提供LDV技術(shù)中的瞬時(shí)位移、振動(dòng)和光學(xué)相位測(cè)量等多種功能，此外還可以實(shí)現(xiàn)與常規(guī)三角法激光位移傳感器一樣的絕對(duì)位移/距離的測(cè)量， 并具有同等甚至更優(yōu)的測(cè)量精度。

　　激光同軸位移傳感器(左)與傳統(tǒng)的三角法激光位移傳感器(右)對(duì)比

　　基于這一結(jié)合了瞬時(shí)位移、振動(dòng)、光學(xué)相位測(cè)量和絕對(duì)位移/距離的測(cè)量的小型化激光傳感平臺(tái)，摯感光子還研發(fā)了一系列的激光傳感模塊(見圖)。

　　據(jù)了解，摯感光子自主研發(fā)的MX-G系列激光同軸傳感器采用自主研發(fā)的非線性調(diào)頻連續(xù)波調(diào)制解調(diào)(FMCW)技術(shù)，基于光學(xué)相干接收原理，具有光功率極低(距離15cm外輸出光功率僅需5mW)、動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍廣(可以測(cè)量從幾厘米到4米范圍內(nèi)的物體)、測(cè)量精度高(1米外的位移測(cè)量，重復(fù)精度通常小于0.01μm)、抗干擾性強(qiáng)(只對(duì)自身光源波長(zhǎng)敏感，可以抵抗任何環(huán)境光的干擾)、激光同軸設(shè)計(jì)(能夠測(cè)量傳統(tǒng)三角法傳感器難以測(cè)量的物體，如盲孔)、敏感度高等優(yōu)點(diǎn)。MX-G系列傳感器可測(cè)量的距離和范圍非常廣，卻能保持與近距離測(cè)量相同的精度，這是傳統(tǒng)的三角法無法實(shí)現(xiàn)的。

　　MX-G系列激光同軸位移傳感器

　　摯感光子技術(shù)人員向OFweek激光網(wǎng)介紹，MX-G系列激光同軸位移傳感器的關(guān)鍵部件是其光模組。它由激光器、光電探測(cè)器(封裝內(nèi))、集成光學(xué)芯片及光學(xué)透鏡組成。光學(xué)透鏡是可調(diào)的，并可根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行更換。標(biāo)準(zhǔn)配置的鏡片(直徑8.5mm)適用于150mm的聚焦光束，光斑半徑為0.05mm，當(dāng)測(cè)量距離為2米時(shí)光斑半徑為1mm左右。如果用戶需要，還可以支持準(zhǔn)直配置。例如安裝一個(gè)直徑為6.5mm的透鏡并支持準(zhǔn)直型測(cè)量，光斑半徑為3.5mm，可同時(shí)滿足用戶準(zhǔn)直測(cè)量和較小光斑的需求。尤為突出的一點(diǎn)是，這種技術(shù)能實(shí)現(xiàn)三角法無法完成的深孔測(cè)量。

　　深孔檢測(cè)示意圖

　　此外，MX-G系列激光同軸振動(dòng)傳感器可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的遠(yuǎn)距準(zhǔn)確測(cè)振，測(cè)振頻率范圍及振幅靈敏度可與常用LDV相當(dāng)，具有光收發(fā)一體、同軸測(cè)量、安裝方便、抗干擾性強(qiáng)，不受粉塵或測(cè)量面光強(qiáng)度變化影響等特點(diǎn)，可用于喇叭振幅檢測(cè)、軸承振動(dòng)檢測(cè)、車床振動(dòng)監(jiān)測(cè)、汽車振動(dòng)檢測(cè)等方面。

　　振動(dòng)檢測(cè)示意圖

　　如文章開頭介紹，此類傳感器在測(cè)位移模式下可以直接進(jìn)行透明物體(如薄膜，玻璃板或玻璃鏡頭)厚度的測(cè)量，而測(cè)振模式下(也是一種相位測(cè)量模式)則可以進(jìn)行剝離彎曲度的快速檢測(cè)。可以說，摯感光子的新型傳感技術(shù)和傳感平臺(tái)代表了我國(guó)在工業(yè)級(jí)激光傳感器技術(shù)方面的一個(gè)創(chuàng)新力。具體的技術(shù)細(xì)節(jié)可通過他們的官網(wǎng)去了解。

　　資本涌入 前景廣闊

　　總體而言，我國(guó)傳感器技術(shù)相對(duì)落后，但近年來我國(guó)陸續(xù)制定有利于傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并建立了多個(gè)傳感技術(shù)、機(jī)器人國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。此外資本市場(chǎng)(包括政府的基金) 也加大了對(duì)激光傳感行業(yè)的投入，良好的政策土壤與資本關(guān)注將為傳感器企業(yè)帶來良好的生存環(huán)境。

　　在未來，以激光位移傳感器為代表的的各類激光傳感器需求總體將保持快速增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，而隨著國(guó)內(nèi)各項(xiàng)鼓勵(lì)政策的落實(shí)，激光技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新進(jìn)步和激光位移傳感器產(chǎn)品性能的不斷提升，我國(guó)激光位移傳感器的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用將很快成為現(xiàn)實(shí)。