【技术文章】使用激光位移传感器进行精密测量时需要考虑的“关键因素​”

当今市场上的大多数非接触式激光三角位移传感器都使用相同的测量原理，即激光三角测量技术，将目标距离转换为输出信号。然而，传感器机械、光学、机械稳定性和信号处理算法的个性化设计可能因供应商而异。

有许多因素在确定实际激光传感器精度方面都起着重要作用。因此，不仅要了解这些因素以及它们在多大程度上影响传感器精度，而且还要了解传感器供应商最近开发的创新技术，以帮助克服这些潜在错误，这一点至关重要。

目标光学特性的动态变化

现在可以实时补偿从目标表面接收到的反射光从不断变化的表面进入激光的变化。对于每个测量值，曝光时间或激光产生的光量可以与目标表面的反射特性进行最佳匹配，而无需应用任何平均滤波器。这导致曝光与被测量的表面条件完美匹配，从而产生稳定和正确的测量值。然而，并非所有传感器供应商都能提供这种自动实时表面补偿功能，从而导致输出测量值出现错误。

标准的市售激光三角位移传感器通常采用时移控制进行操作，该控制对从先前测量周期接收到的强度值进行操作。在这种情况下，来自先前测量的反射量（通常为3到5）被平均，然后用于预测下一次测量所需的激光强度量。对于变化的或有纹理的表面，这种表面补偿方法产生的测量值与实际测量值明显不同。

优化表面粗糙度

在表面有微小微加工痕迹的闪亮金属或加工表面上进行测量时，不建议使用小的激光光斑。这是因为微加工表面特征会使来自小点的反射光失真，从而导致测量信号嘈杂或不稳定。克服这个问题的一个解决方案是生产具有不同光斑几何形状的激光位移传感器。简单地移动到更大的激光光斑可能会克服上述一些问题，但这会产生降低传感器分辨率的不利影响。通常，具有大光斑的激光传感器具有较大的测量范围，这会导致较大的线性误差。

因此，一些激光传感器制造商制造了具有仅几毫米宽的短“激光线”光斑的高分辨率激光传感器。结合特定的软件算法，这种组合可以极好地滤除亚微米范围内由表面粗糙度、缺陷、压痕或孔洞引起的任何干扰，尤其是在抛光金属上。

此外，这些类型的传感器非常适合在结构化表面上进行测量，其中需要测量到表面的距离而不是结构本身，即距离测量不应受表面结构的影响，而应提供与目标的距离的恒定、可靠值。

滤波

为了在动态测量中获得最高性能，一些供应商为其传感器提供针对特定测量条件的预定义功能。这些功能可能包括视频信号显示的查看和输出、单个信号峰值和感兴趣区域(ROI)的选择。这些功能允许滤除来自“测量区域”之外的干扰信号。先进的实时表面补偿、中值、递归、平均值和“尖峰校正”等高级过滤器可确保将由于表面颜色、纹理或几何形状变化而导致的误差降至最低。

标准激光传感器通常使用简单的均值或递归平均滤波器工作。虽然这可能会降低输出信号的噪声水平，但也会降低传感器对目标距离或几何形状变化的响应。在大多数动态应用中应避免这种类型的过滤，但在测量连续产品（例如带材产品）时，长期趋势优于短期动态响应。

测量速度

大多数供应商只能提供具有固定测量速率的传感器，制造商将其选为“最佳案例”。这意味着对于除哑光白以外的大多数表面，从表面到激光的测量光照射并不理想，这会导致测量值通常更嘈杂。然后，用户必须依靠平均测量数据来降低输出的噪声水平或误差。这种方法只会导致较差的数据被平均到一个较低的值；它没有提供更准确的数据。然而，一些供应商使用软件算法来使激光传感器测量速率能够针对不同的目标表面进行调整。例如，降低测量速率将导致测量输出上的噪声水平低得多。然后不需要或很少需要过滤。

更快的测量速率并不总是最好的，因为在使用高速测量速率时，激光传感器精度可能会在难以测量的表面上受到影响。较慢的测量速率允许更多的曝光时间用于低反射率表面，例如亚光黑色或闪亮的镜面物体。

温度稳定性

查看技术数据表，您可能会发现大多数低成本激光传感器供应商并未说明其传感器的“温度稳定性”。通常，由于温度变化导致的测量误差比传感器在整个工作温度范围内的线性度大一个数量级。那么，你如何知道实际测量误差或如何纠正您的结果？一个好的经验法则是，如果没有在技术文献中说明，它会很高。通常，激光传感器的测量误差可高达400-500ppm/K。

另一方面，高性能激光传感器的供应商更有可能在数据表上说明传感器的温度稳定性。此外，传感器还可以采用主动温度补偿算法，将温度误差降低至100ppm/K。误差小5倍将导致测量性能提高5倍。

测量输出类型

考虑激光位移传感器可用的不同输出类型也很重要。所有供应商都将提供模拟、串行或数字输出选项，有些供应商可以从同一传感器提供这两种输出选项。模拟输出传感器往往具有有限的电缆长度（通常长达10-20m），并且可能会因接线电路中的电气连接而受到固有噪声水平的影响，这会降低输出信号的分辨率。然而，串行输出信号的分辨率往往不会下降太多，并且可以在更长的电缆长度（长达100m）上运行。一些传感器供应商还提供以太网和/或EtherCAT等数字输出，这在几乎无限的电缆长度上不会降低分辨率。这些激光传感器还使用专用IP地址运行，从而实现远程连接和配置。

同步和触发

对于许多应用，需要使用多个传感器同时测量或采集数据。例如，需要真正的同步测量来精确测量移动或振荡物体的厚度或差分测量。在这种情况下，一个激光位移传感器充当“主”，为第二个传感器（从）提供相应的循环脉冲。

触发也很重要，特别是在生产和过程自动化环境中，永久测量输出通常不是最佳方法。启动测量或测量数据的受控输出将减少任何下游监测和控制单元的系统负载。相反，传感器应等待来自外部源（例如编码器）的信号，该信号指定测量发生的时间，从而启动数据输出。

振动测量

在测量振动或振动幅度（具有正弦输出）时，重要的是寻找提供“真正模拟”激光位移传感器的传感器供应商。这意味着传感器在高速模拟电路中使用PSD（光敏检测器），而不是基于CCD或CMOS的传感器，后者依赖数字微处理器以固定测量速率转换和输出测量信号。

今天几乎所有的激光传感器都是基于CCD或CMOS数字处理器开发的，它们不是为测量振动而设计的。真正的模拟激光传感器将提供更真实的表现。在技术数据表上，识别真正模拟的、基于PSD的激光传感器的一个关键指标是数据表是否包含“频率响应”声明，通常为-3dB级别而不是“测量速度/速率”。

一体化

对于安装传感器的可用空间有限或受限的位移测量任务，传感器的尺寸至关重要。尽管在激光传感器头中有一个完全集成的控制器，但非接触式激光位移传感器现在可以提供非常紧凑的尺寸。

结束语

苏州创视智能技术有限公司自主研发生产的TS-P系列激光三角位移传感器，能够实现0.05µm的重复精度，±0.02% of F.S.的线性精度，70kHz的测量速度，支持485、模拟量、外部电平触发、USB、以太网等数据传输接口，其中前三种可以直接从探头接出。产品被广泛应用于3C电子、半导体、光伏、新能源、汽车制造、市政检测等行业。

产品型号支持根据客户需求定制，定制参数范围包括参考距离10~1500mm，测量范围5~2500mm，重复精度20ppm of F.S.，线性度低于±0.02% of F.S.，采样频率最高160kHz。