激光三角测量传感器

激光三角测量传感器根据其性能和用途可分为两类。高分辨率激光器通常用于位移和位置监测应用，高精度，稳定性和低温漂移是必需的。这些激光传感器经常用于过程监测和闭环反馈控制系统。接近型激光三角测量传感器要便宜得多，通常用于检测一个部件的存在，或用于计数应用。

• 能够解决一微米以下的测量，而成本是其他高性能技术的一小部分
• 大量测量范围是允许各种应用要求
• 大的操作距离，提供足够的对峙，以减少接触移动目标可能造成的损害

激光三角测量传感器包含一个固态激光光源和一个PSD或CMOS/CCD探测器。激光束投射到被测量的目标上，激光束的一部分通过聚焦光学反射到探测器上。当目标移动时，激光束在探测器上按比例移动。

探测器的信号用来确定与目标的相对距离。这些信息通常可以通过模拟输出、数字(二进制)接口或数字显示进行处理。

激光三角测量原理

CMOS和CCD类型传感器检测传感器像素阵列上的光量峰值分布来识别目标位置，而PSD类型传感器基于阵列上的整个反射光斑计算光束质心。因此，PSD型传感器更容易受到来自变化的表面条件的杂散反射，这可以降低其精度。然而，当测量到理想的哑光饰面或镜面目标时，其分辨率是无与伦比的。CCD和CMOS系统通常在更广泛的表面上更精确，因为只有来自反射光束的最高电荷像素被用于计算位置。较低的电荷像素通常是由被测表面光学特性的变化引起的不必要的反射激发的，在信号处理过程中很容易被忽略。这允许它们在更广泛的应用程序中使用。图2显示了CMOS和PSD技术之间的信号分布差异，突出了PSD类型传感器的潜在精度问题。

PSD型激光传感器可能产生的误差

激光三角测量传感器也可以用于高反射或镜面表面，通常称为镜面。对于这些表面，典型的三角测量传感器，如激光三角测量原理所示，不能使用，因为激光会直接反射回自身。在这种情况下，有必要将光束以一定角度射向目标。光束将以相等但相反的角度从目标反射，聚焦到探测器上。我们生产的激光头专门为镜面或任何我们的激光器可以安装在一个角度，并在“镜面模式”操作，如果需要。

镜面激光头的工作原理

非接触式

激光位移传感器采用非接触式设计。也就是说，它们能够在不接触物体的情况下精确测量物体的位置或位移。因此，被测物体不会被扭曲或损坏，目标运动也不会被减弱。此外，激光位移传感器可以测量高频运动，因为传感器的任何部分都不需要与物体保持接触，使它们成为振动测量或高速生产线应用的理想选择。

范围/距离

激光三角测量系统有一个理想的工作点，有时称为距离。在这一点上，激光是在其最尖锐的焦点和反射点是在探测器的中心。当目标移动时，光斑将向探测器的末端移动，允许在特定范围内进行测量。传感器的距离和距离是由其光学设计决定的。由于光斑在焦点处最小，且高度集中在探测器上，因此在隔离距离处获得最佳性能。检测算法纠正任何不准确造成时，略有偏离焦点和大多数制造商指定的性能超过完整的测量范围。

对于给定的长度检测器，较小的验收角度提供更大的测量范围和操作距离。更大的角度提供相反的角度，但是由于光学杠杆而可以获得更高的灵敏度。

这个简化的图表显示了两个不同的接受角度传感器之间的差异

灵敏度

在测量系统中，灵敏度通常由每个测量单位发生的位移量来定义，通常用微米/毫伏来表示。在大多数情况下，灵敏度越高(用较低的数字表示)越好，因为可以获得更高的分辨率。为了达到最高的灵敏度，理想的做法是让激光束在应用测量范围内穿过探测器的完整长度。灵敏度由传感器输出响应的斜率决定。

图中描述了两个不同灵敏度传感器的输出。请注意，每条曲线的斜率代表各自的灵敏度因子，曲线A的灵敏度是曲线A的两倍。

决议

激光位移传感器的分辨率定义为能够可靠测量的最小距离变化量。如果设计得当，激光三角测量传感器可以提供极高的分辨率和稳定性，通常接近昂贵和复杂的激光干涉仪系统。由于它们能够检测这样的小运动，它们已经成功地应用于许多要求高、高精度的测量应用中。

确定分辨率的主要因素是系统的电噪声。如果传感器和目标之间的距离是恒定的，则由于系统的白噪声，输出仍将略微波动。假设在没有外部信号处理的情况下，一个人不能检测到仪器的随机噪声的输出中的偏移。因此，基于噪声的峰值到峰值值呈现大多数分辨率值，并且可以由特定公式表示：

分辨率=灵敏度x噪声

根据这个公式，很明显，对于一个固定的灵敏度，分辨率完全依赖于系统的噪声。噪音越低，分辨率越高。

噪声量取决于系统的带宽。这是因为噪声通常在广泛的频率上随机分布并限制滤波器的带宽将消除一些不需要的更高频率波动。

我们的激光传感器还提供数字格式的位移值。数字输出分辨率的计算方法是将位移范围除以处理器比特率。例如，具有2000微米范围的传感器的分辨率为2000/ 2e16，或16位系统的分辨率为0.03微米。如果使用12位转换器，2000/2E12或0.5微米的分辨率会更差。

下面的数字显示了具有不同低通滤波器的两个相同系统的输出的差异。我们所有的激光三角测量系统都有软件可调低通滤波器，可轻松调整该领域。

放大器输出噪声与20kHz低通滤波器

放大器输出噪声带100Hz低通滤波器

带宽

系统的带宽或截止频率通常被定义为输出被抑制的点-3dB。这大致等于实际值的30％的输出电压降。换句话说，如果目标在5kHz处具有1mm的幅度振动，并且激光传感器的带宽设定为5 kHz，则实际输出将为1mm×70％= 0.70mm。因此，将系统的频率响应更重要，比预期目标运动高。我们所有的激光传感器都具有可调节的过滤器设置。应选择适当的过滤器以防止输出的任何衰减。我们的应用工程师可以帮助选择适当的过滤器设置。

空间分辨率

当进行测量时，激光传感器提供的距离大约等于激光光斑内的平均表面位置。它们不能准确地检测出小于光斑大小的特征的位置，但可以对粗糙表面进行重复测量。因此，激光光斑应该总是比你要测量的最小特征小大约25%。较小的斑点可以分辨物体上较小的特征。

线性

在理想的情况下，任何传感器的输出都是完美的线性，在任何一点上都不会偏离直线。然而，在现实中会有轻微的偏离这条线，它定义了系统的线性。通常，线性度被指定为满量程测量范围(FSR)的百分比。在标定过程中，将激光头的输出与高精度标准的输出进行比较，并记录差异。通过使用查找表，这些差异会自动得到纠正。我们的微轨道II激光传感器提供了当今最高的线性度。大多数系统超过+/-0.05% FSR，有些达到+/-0.01%或更好。

准确性是线性，分辨率，温度稳定性和漂移的函数，线性度是主要的贡献者。我们传感器的线性响应是非常可重复的。校准报告提供可用于校正具有廉价计算机和校正软件的系统的非线性的数据，如果需要，导致精度提高。

材料和完成

当应用激光传感器，首先要确定表面反射率。当使用漫射头时，一致的磨砂效果是最好的。如果使用高度抛光或镜面抛光，我们强烈建议使用镜面激光头。

目标形状

为了理想的性能，目标应以90度定位到激光头以防止倾斜误差。倾斜的影响将取决于表面反射性能。理想的漫射目标将允许正常倾斜30度或更多的正常操作。然而，如果倾斜度变化只要1度，则镜像目标将产生错误。应在夹具设计和操作期间进行护理，以最大限度地减少任何目标倾斜。

激光传感器也可用于测量弯曲目标。为了获得最佳结果，光束应直接定位朝向曲率的中心。这几乎将消除激光器的任何倾斜。另外，头部的取向应该使得弯曲表面不会歪斜激光三角剖视角。

下图显示了系统减少倾斜效果的正确方向。注意激光束如何通过目标形状偏转。

在测量前要了解目标的特征，以确保激光返回光不被阻挡。下图显示了正确和错误的方式定位激光传感器。

环境条件

由于激光三角测量系统属于光学型传感器，因此保持光路的干净、无障碍物和异物是非常重要的。灰尘和烟雾会影响测量结果，甚至使传感器完全无用。应注意消除此类污染，必要时应使用清洁空气净化系统。如果这种系统不可能，定期清洁外晶状体是很重要的，以避免并发症。

影响激光传感器精度的最常见的环境问题是温度。不仅电子器件表现出温度漂移，而且机械元件和夹具的膨胀和收缩也会在物理上改变传感器的间隙。我们所有的Microtrak II传感器在0到40℃的温度变化范围内的温度稳定性小于全量程测量范围的±0.05%。

夹具

重要的是，保持激光三角测量传感器的夹具是稳定的。考虑到温度变化会导致膨胀和收缩，导致目标距离变化，固定装置应由适当的材料制成，以最小化这种效果。夹具支撑件也应该尽可能短，应避免长的悬臂，以最小化温度问题，而是还可以减少振动。

我们的激光传感器具有可用于安装和固定激光头的孔。应使固定装置匹配这些孔的位置并将激光头垂直于感兴趣的目标维持。

同步

当用2个激光头进行差动厚度测量时，重要的是在完全同时从两个头部进行测量。该程序消除了振动带来的不需要的结果。如果目标是移动，并且测量略有不同的时间，则处理后的结果可能报告稍微稀释的目标或较厚的目标。我们的MicroTrak II线激光传感器具有同步头部消除此问题的规定。