【技术文章】激光三角测量传感器简介

激光三角测量传感器通过测量来自目标表面的反射光来确定目标的位置。根据它们的预期应用和性能，这些传感器可以分为两类。高分辨率激光器通常用于需要稳定性、高精度和低温漂移的位置和位移监测应用。接近式激光三角测量传感器通常用于检测组件的存在，或用于计数应用。与其他高性能技术相比，它们也更便宜。本文介绍了高分辨率解决方案的特性、它们的优缺点、工作原理和应用。

工作原理

激光三角测量传感器包括CMOS/CCD或PSD检测器和固态激光光源。它们的工作原理是将激光束投射到被测目标上，然后该光束的一部分通过聚焦光学器件反射到检测器上。当目标移动时，激光束会在探测器上移动（图1）。

图1.激光三角测量原理

检测器发送信号，用于测量与物体或目标的相对距离。该数据通常可通过数字（二进制）接口、模拟输出或数字显示器进行处理。

PSD型传感器可以根据阵列上的整个反射点确定光束质心，而CCD和CMOS型传感器能够检测传感器像素阵列上光量的峰值分布以找到目标位置。因此，PSD型传感器对来自变化表面的伪影高度敏感，这反过来会降低其精度。然而，这些传感器在测量镜面反射目标或理想的哑光饰面时提供了出色的分辨率。CCD和CMOS类型传感器在更广泛的表面范围内更精确。这是因为通常使用来自反射光束的最大电荷像素来确定位置。具有较低电荷的像素通常会因被测表面变化光学特性的伪影而激发，并且可以在信号处理过程中排除掉。PSD和CMOS之间的信号分布变化如图2所示，说明了PSD类型传感器潜在的精度问题。

图2.PSD型激光传感器引起的潜在误差

此外，还可以在高反射表面上使用激光三角测量系统。这通常称为镜面反射。但是，标准三角测量传感器不能用于这些表面，因为激光会呈特定角度反射。在这种情况下，光束应该以一定角度指向物体或目标。该光束将以相等但相反的角度从物体反射，并打在成像器件上。如图3所示。

图3镜面激光三角测量原理

激光传感器的特性

范围/间隔距离

激光三角测量传感器有一个理想的工作点，也称为参考工作距离。在这个工作点，反射点位于探测器的中间，此时的光斑焦点最锐利。传感器的光学设计决定了它的范围和距离。图4显示了设想两种类型接受角传感器之间变化的图表。

图4.激光接受角决定了灵敏度和测量范围

非接触式

激光位移传感器本质上是非接触式的，这意味着它们可以在没有接触物体的情况下准确测量物体的位移或位置。

灵敏度

在测量解决方案的上下文中，灵敏度定义为每测量单位发生的位移之比，通常以微米/毫伏表示。在大多数情况下，高灵敏度导致更高的分辨率。具有不同灵敏度的两个传感器的输出如图5所示。

图5.灵敏度由传感器输出响应的斜率决定

分辨度

如果激光三角测量传感器设计得当，它们可以提供出色的稳定性和分辨率。分辨率是指可以轻松确定的最小距离变化量。用于确定分辨率的主要因素是系统的电噪声。

横向空间分辨率

在测量过程中，激光传感器提供的距离大致相当于激光光斑内的典型表面位置。尽管这些系统无法精确检测特征的位置，但它们可以重复测量不平整的表面。一般要求激光光斑必须比被测特征小25%。

线性度

在合适的条件下，传感器的输出将是完全线性的，在任何情况下都不会偏离直线。但是，与定义系统线性度的这条线会有很小的偏差。线性度通常表示为满量程测量范围(FSR)的百分比。

优点和缺点

激光传感器的一个主要优势是，与其他技术相比，它们可以以更低的成本解析小于一微米的测量值。它们的测量范围也很大，这使它们能够满足广泛的应用要求。由于操作距离大，因此有足够的间距来减少接触移动物体造成的潜在损坏。

但是，重要的是要确保激光系统干净且没有灰尘和其他异物，否则精度会受到影响。由于激光头具有高度敏感的电子元件，因此它们的工作温度受到一定限制。

应用

激光三角测量传感器用于以下应用：

•      位置传感：机器人定位、铁路轨道对齐、路面和混凝土路面轮廓以及焊头位置

•      动态测量：压电特性、主轴跳动分析、在线过程监控和超声波振动测量

•      厚度和尺寸测量：混凝土砌块制造过程中的质量控制、木材厚度、制动转子厚度和滚筒之间的分离距离的过程监控

结论

激光三角测量传感器是高分辨率系统，通常用于需要低温漂移、出色稳定性和高精度的位置和位移监测应用。

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。