3D線激光傳感器技術原理（一）

發(fā)布人：Magichan 時間：2022-04-22 來源：工程師

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激光位移傳感器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，主要應用于檢測物體的位移、厚度、振動、距離、直徑等幾何量的測量。

按照測量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法,激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量，下面分別介紹激光位移傳感器原理的兩種測量方式。

激光****通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內部的CCD線性相機接收，根據不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據這個角度及已知的激光和激光位移傳感器之間的距離，數字信號處理器就能計算出激光位移傳感器和被測物體之間的距離。同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數字電路處理，并通過微處理器分析，計算出相應的輸出值，并在用戶設定的模擬量窗口內，按比例輸出標準數據信號。如果使用開關量輸出，則在設定的窗口內導通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關量輸出可獨立設置檢測窗口。

采取三角測量法的激光位移傳感器最高線性度可達1um，分辨率更是可達到0.1um的水平。比如ZLDS100類型的傳感器，它可以達到0.01%高分辨率，0.1%高線性度，9.4KHz高響應，適應惡劣環(huán)境。激光位移傳感器采用回波分析原理來測量距離以達到一定程度的精度。傳感器內部是由處理器單元、回波處理單元、激光****、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過激光****每秒****一百萬個激光脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并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。即所謂的脈沖時間法測量的。激光回波分析法適合于長距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低，最遠檢測距離可達250m。

二、3D線激光輪廓傳感器采用激光三角反射原理。首先使用一束激光照射到被測物體表面，反射光經過光學透鏡組在感光元件表面形成光斑，不同高度的表面反射形成的光斑位置各不相同。如下圖所示，當被檢測表面偏高時，測量激光光斑位置會右移；反之，如果被檢測表面偏低時，測量激光光斑位置會左移。3D線激光輪廓傳感器采用的不是點激光光源，而是一條激光線，測量光激光斑也是一條線，所以俗稱線激光。線激光還可以面掃描，快速形成3D輪廓。

三、激光位移傳感器，是位移傳感器中的一種，適用于長距離檢測，因而逐漸取代了拉線位移傳感器，在工業(yè)自動化、交通、鋼鐵、建筑、碼頭等需要進行自動距離位移測量和位置控制中應用。它可以快速、準確的測量到目標地距離，測量結果可以通過各種接口傳輸到設備上，以便進行檢測、控制等應用，同時激光位移傳感器的控制也可通過計算機或其他與其相連的設備來完成。

激光位移傳感器可以測量位移、厚度、振動、距離、直徑等精密的幾何測量。激光有直線度好的優(yōu)良特性，同樣激光位移傳感器相對于我們已知的超聲波傳感器有更高的精度。但是，激光的產生裝置相對比較復雜且體積較大，因此會對激光位移傳感器的應用范圍要求較苛刻。

激光位移傳感器原理

一般激光位移傳感器采用的基本原理是光學三角法：半導體激光器①被鏡片②聚焦到被測物體⑥。反射光被鏡片③收集，投射到CMOS陣列④上；信號處理器⑤通過三角函數計算陣列④上的光點位置得到距物體的距離。

按照測量原理，激光位移傳感器分為激光三角測量法和激光回波分析法，激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量，下面分別介紹激光三角測量原理和激光回波分析原理。

1．激光位移傳感器原理之激光三角測量法原理

激光****通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內部的CCD線性相機接收，根據不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數字信號處理器就能計算出激光位移傳感器和被測物體之間的距離。

同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數字電路處理，并通過微處理器分析，計算出相應的輸出值，并在用戶設定的模擬量窗口內，按比例輸出標準數據信號。如果使用開關量輸出，則在設定的窗口內導通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關量輸出可獨立設置檢測窗口。

采取三角測量法的激光位移傳感器最高線性度可達1um，分辨率更是可達到0．1um的水平。比如ZLDS100類型的傳感器，它可以達到0．01％高分辨率，0．1％高線性度，9．4KHz高響應，適應惡劣環(huán)境。

2．激光位移傳感器原理之激光回波分析原理

激光位移傳感器采用回波分析原理來測量距離以達到一定程度的精度。傳感器內部是由處理器單元、回波處理單元、激光****、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過激光****每秒****一百萬個激光脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并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。即所謂的脈沖時間法測量的。激光回波分析法適合于長距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低，最遠檢測距離可達250m。

激光位移傳感器因為是****激光來進行檢測的，所以在使用過程中有很多事項需要注意，如

1、對準太陽或其它強光物體測量會產生錯誤結果;

2、在強反射環(huán)境中測量較差反射表面的物體也會產生錯誤結果;

3、量強反射表面會產生錯誤結果;

4、透過透明物測量，如玻璃、光學濾光器、樹脂玻璃，會產生不正確數據;

5、迅速改變測量環(huán)境也會產生假數據。

四、線狀激光三角測距原理：

將激光光條的中心點P1、成像點P1′、攝像頭、激光頭作為基準面，中心點P1就符合單點結構光測距。對于任一點（該點不在基準面上），也可由三角測距得出。將激光光條的中心點P1、成像點P1′、攝像頭、激光頭作為基準面，中心點P1就符合單點結構光測距。對于任一點（該點不在基準面上），也可由三角測距得出。

五、傳統(tǒng)的激光三角法基本原理如圖2.4所示，采用直射型，光電探測器采用的是CCD，當散射光通過成像透鏡時，如果將CCD以垂直于激光束入射的位置進行安裝耦合，則成像到CCD上的光點會由于沒有完全聚焦而出現彌散斑，測量并不完全。

于是為了光點所成的像在接收器表面上每一點都清晰，則要求透鏡光軸與接收面之間必須形成一定的夾角，所以我們選用CCD接收器為傾斜式的方式，即完全聚焦的激光三角法測量,如圖2.5所示。

圖中PO為入射光源,光線經準直透鏡后垂直入射到物體表面，反射后經過成像透鏡中心點M成像在CCD接收面上，入射光PO與反射光以的夾角為θ，反射光OA與CCD成像平面的夾角為φ，P點成像于CCD平面上的B點，O點成像于CCD平面上的A點，由圖中可知，P點與O點高度不同，所成的像投射到光敏面上的位置也是不同的，設O點所在平面為基準面，A為CCD成像平面上的成像基準點，則光線PO上的點與CCD平面上的投影點是一一對應的。因此，只要知道光線PO上的任何一點在CCD成像面上的位置就可以求出該點的高度信息。由圖2.5，可列出以下關系式

式中：

PO一一物點的高度信息;

AB一一P點在CCD成像平面的成像點與成像基準點A的偏移量;

OM一一O點成像PO物距;

MA一一O點成像像距;

激光束垂直投射到被測物面，所形成的漫反射光斑作為傳感信號，用透鏡成像將收集到的漫反射光會聚到像平面的光接收器上形成像點。當被測物面移動時,入射光斑也會隨之移動，像點也會在光接收面上做相應的移動，根據像移大小和系統(tǒng)結構參數可以確定被測物面的位移量，從而還可以獲取其它方面信息。本系統(tǒng)中，為使光接收器上的像點不存在盲點,光接收器的光敏面必須與成像光軸成一夾角φ。這樣既可以保證入射光斑與其像斑位移具有的關系精確，還可以使成像點最小，有利于提高測量精度。同時為了提高測量精度，φ和θ必須滿足沙姆。