激光位移傳感器三角法位移測量原理的流程講解
二極管發(fā)出的激光束照射被測物體表面，反射光通過一組透鏡投射到光敏元件矩陣上。光敏部分可以是CCD(電荷耦合器件)、CMOS(互補金屬氧化物半導(dǎo)體)或PSD(位置敏感檢測器)元件。并且反射光的強度取決于被測物體的表面特性。激光位移傳感器還可以測量被測物體的厚度、振動、距離、直徑等幾何量。
根據(jù)測量原理，有激光三角測量法和激光回波分析法。前一種方法一般適用于高精度短距離測量，后一種方法適用于長距離測量。
1、三角法位移測量
最簡單的三角法位移測量系統(tǒng)是從光源發(fā)出一束光照射到物體表面，通過在另一個方向成像觀察反射點的位置來檢測物體的位移。由于入射光和反射光形成一個三角形，這種方法稱為三角測量法。根據(jù)入射光與被測物體表面的夾角，分為直下式和傾斜式。
激光器發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡聚焦后，垂直入射到被測物體表面，物體的移動或表面變化使入射光斑沿入射光軸移動。來自透鏡入射點的散射光被接收并成像在光斑位置檢測器(如PSD和CDD)的敏感表面上。然而，傳感器的激光束垂直于被測表面。所以只有一個準(zhǔn)確的對焦位置，其他位置的圖像都處于不同程度的高對焦。另外，高焦距會造成像點的分散，從而降低測量精度。
為了提高精度，θ1和θ2必須滿足:tgθ1=Utgθ2，其中U為橫向放大倍數(shù)。此時可以將一定景深范圍內(nèi)的側(cè)點聚焦在探測器上，保證精度。如果光點在成像平面上的位移是x’，則使用相似三角形的邊之間的比例關(guān)系。被測表面的位移可根據(jù)以下公式獲得:
其中α是從激光束的光軸和接收光軸的交點到接收透鏡的前主表面的距離，B是從接收透鏡的后主表面到中心點的距離的成像表面。θ1是激光束的光軸和接收透鏡的光軸之間的角度，θ2是測量法線和接收透鏡的光軸之間的角度。
發(fā)射的激光與被測表面的法線方向成一定角度入射到被測表面上，被測表面在該點的散射光或反射光也被接收透鏡接收。應(yīng)滿足條件:tg(θ1+θ2)=Utgθ3
如果光點的圖像在探測器的敏感表面上移動x’,利用相似三角形的比例關(guān)系，物體表面沿著探測器從法線方向的移動距離為:
激光發(fā)射器通過透鏡向被測物體表面發(fā)射可見的紅色激光。被物體表面散射的激光穿過接收器透鏡，被內(nèi)部的CCD線性照相機接收。根據(jù)不同的距離，相機可以設(shè)置在不同的角度來跟蹤這個光點。根據(jù)這個角度和已知的激光器與攝像機之間的距離，數(shù)字信號處理器就可以計算出傳感器與被測物體之間的距離。
同時，光束在接收元件上的位置由模擬和數(shù)字電路處理，由微處理器分析計算出相應(yīng)的輸出值。最后在用戶設(shè)定的模擬窗口中按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號。如果使用開關(guān)輸出，將在設(shè)定窗口內(nèi)打開，在窗口外關(guān)閉。此外，可以為模擬輸出和開關(guān)輸出獨立設(shè)置檢測窗口。
采用三角法的激光位移傳感器的最大線性度和分辨率可分別達到1um和0.1um。比如ZLDS100傳感器可以達到0.01%的高分辨率，0.1%的高線性度，9.4KHz的高響應(yīng)，可以適應(yīng)惡劣的環(huán)境。
2、回聲分析
激光位移傳感器利用回波分析的原理來測量距離，以達到一定的精度。該傳感器由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器和激光接收器組成。激光位移傳感器通過激光發(fā)射器向檢測對象發(fā)射每秒一百萬個激光脈沖，并返回接收器。
處理器計算激光脈沖到達檢測對象并返回接收器所需的時間，以計算距離。輸出是數(shù)千個測量結(jié)果的平均輸出。它是通過所謂的脈沖時間法測量的。激光回波分析適用于遠距離探測，但其測量精度低于激光三角測量。
