2021年激光位移传感器的工作原理

ZLDS10X可定制激光位移传感器

量程: 2～1000mm（可定制）

精度: 最高0.1%（玻璃0.2%）

分辨率: 最高0.03%

频率响应: 2K.5K.8K.10K

欧阳光明（2021.03.07）

基来源根基理是光学三角法：

半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置获得距物体的距离。

激光传感器原理与应用

激光传感器是利用激光技术进行丈量的传感器。它由激光器、激光检测器和丈量电路组成。激光传感器是新型丈量仪表，它的优点是能实现无接触远距离丈量，速度快，精度高，量程年夜，抗光、电干扰能力强等。

激光和激光器——激光是20世纪60年代呈现的最重年夜的科学技术成绩之一。它成长迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电丈量等各方面。激光与普通光不合，需要用激光器产生。激光器的工作物质，在正常状态下，大都原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E2。光子能量

E=E2E1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级E2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。激光器首先使工作物质的原子变态地大都处于高能级（即粒子数反转散布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v的诱发光获得增强,并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放年夜作用而产生强年夜的受激辐射光，简称激光。激光具有3个重要特性：

（1）高标的目的性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展规模不过几厘米；

（2）高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上；

（3）高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。

激光器按工作物质可分为4种：

（1）固体激光器：它的工作物质是固体。经常使用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器(即YAG激光器)和钕玻璃激光器等。它们的结构年夜致相同，特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。

（2）气体激光器：它的工作物质为气体。现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器。经常使用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器，其形状如普通放电管，特点是输出稳定，单色性好,寿命长,但功率较小，转换效率较低。

（3）液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中最重要的是有机染料激光器，它的最年夜特点是波长连续可调。

（4）半导体激光器：它是较年轻的一种激光器，其中较成熟的是砷化镓激光器。特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单，适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带。可制成测距仪和瞄准器。但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较年夜。

应用——利用激光的高标的目的性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离丈量。激光传感器经常使用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的丈量，还可用于探伤和年夜气污染物的监测等。

激光测长——

精密丈量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一。现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的，其精度主要取决于光的单色性的好坏。激光是最理想的光源，它比以往最好的单色光源（氪86灯）还纯10万倍。因此激光测长的量程年夜、精度高。由光学原理可知单色光的最年夜可测长度L与波长λ和谱线宽度δ之间的关系是L=λ2/δ。用氪－86灯可测最年夜长度为38.5厘米，对较长物体就需分段丈量而使精度降低。若用氦氖气体激光器，则最年夜可测几十公里。一般丈量数米之内的长度，其精度可达0.1微米。

激光测距——

它的原理与无线电雷达相同，将激光瞄准目标发射出去后，丈量它的往返时间，再乘以光速即获得往返距离。由于激光具有高标的目的性、高单色性和高功率等优点，这些对测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、包管丈量精度等都是很关键的，因此激光测距仪日益受到重视。在激光测距仪基础上成长起来的激光雷达不但能测距，并且还可以测目标方位、运运速度和加速度等，已胜利地用于人造卫星的测距和跟踪，例如采取红宝石激光器的激光雷达，测距规模为500～2000公里,误差仅几米。目前常采取红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源。

激光测厚——

利用三角测距原理，上位于C型架的上、下方联系有一个精密激光测距传感器，由激光器发射出的调制激光打到被测物的概略，通过对线阵CCD的信号进行采样处理，线阵CCD摄像机在控制电路的控制下同步获得被测物到C型架之间的距离，通过传感器反响的数据来计算中间被测物的厚度。由于检测是连续进行的，因此就可以获得被测物的连续静态厚度值。

影响激光测厚精度的装置因素：

和其它传感器测厚一样，要实现精密测厚需要注意以下条件，不然再好的传感器也测禁绝。精密测厚，选精密激光位移传感器很重要，但如果两个传感器不克不及同步工作，装置不合轴，则根本测禁绝：

（1）单激光位移传感器测厚

被测体放在丈量平台上，丈量出传感器到平台概略距离，然后再测出传感器到被测体概略间

距，经计算后测出厚度。要求被测体与丈量平台之间无气隙，被测体无翘起。这些严格要求只有在离线情况能实现。

（2）双激光位移传感器测厚

在被测体上方和下方各装置一个激光位移传感器，被测体厚度D=C(A+B)。其中，C是两个传感器之间距离，A是上面传感器到被测体之间距离，B是下面传感器到被测体之间距离。在线厚度丈量用这种办法优点是可消除被测体振动对丈量结果的影响。但同时对传感器装置和性能有要求。包管丈量准确性的条件是：两个传感器发射光束必须同轴，以及两个传感器扫描必须同步。同轴是靠装置实现，而同步要靠选择有同步端激光传感器。

不合步将代来很年夜误差：如果被测体存在振动频率20HZ，振幅1mm，如果信号不合步延迟1ms，那么就会带来125µm误差。

装置使两个激光同轴，不单确保被测体同一位置上的厚度，同时降低了被测体倾斜带来的误差。以被测体运动标的目的不合轴为例，当不合轴1mm，被测体倾斜2°可带来35µm误差。激光三角漫反射位移传感器用于测厚有明显优点：

（1）很是小的丈量光斑，是点光斑面积，它比面积型非接触电容、电涡流传感器需要的面积小很多，对被测体面积几乎无要求，适合丈量很是小面积尺寸厚度；

（2）较远的丈量规模起始间距。它比非接触电容、电涡流传感器起始间距年夜很多。这样传感器可以远离被测体，免受碰坏，及被测体热辐射影响；

（3）有很年夜的丈量规模，这是其它传感器很难做到的；

（4）与被测体资料无关，即金属非金属体，非透明有漫反射条件概略都能测。

（5）用激光测厚取代同位素测厚，可以消除对用户的放射性损害。

激光测振——

它基于多普勒原理丈量物体的振动速度。多普勒原理是指：若波源或接收波的观察者相对传播波的媒质而运动，那么观察者所测到的频率不但取决于波源收回的振动频率并且还取决于波源或观察者的运动速度的年夜小和标的目的。所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移。在振动标的目的与标的目的一致时多普频移fd=v/λ，式中v 为振动速度、λ为波长。在激光多普勒振动速度丈量仪中，由于光往返的原因,fd =2v/λ。这种测振仪在丈量时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移,并由光检测器将此频移转换为电信号,再由电路部分作适

当处理后送往多普勒信号处理器将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号，最后记录于磁带。这种测振仪采取波长为6328埃(┱)的氦氖激光器，用声光调制器进行光频调制，用石英晶体振荡器加功率放年夜电路作为声光调制器的驱动源，用光电倍增管进行光电检测，用频率跟踪器来处理多普勒信号。它的优点是使用便利，不需要固定参考系,不影响物体自己的振动,丈量频率规模宽、精度高、静态规模年夜。缺点是丈量过程受其他杂散光的影响较年夜。

激光测速——

它也是基多普勒原理的一种激光测速办法,用得较多的是激光多普勒流速计(见激光流量计),它可以丈量风洞气流速度、火箭燃料流速、遨游翱翔器喷射气流流速、年夜气风速和化学反响中粒子的年夜小及汇聚速度等。

多普勒测速系统（Doppler velocitymeasuring system）原理：

从开过来的机车所听到的声波间的距离被压缩了，就好像一个人正在关手风琴。这个举措的结果产生一个明显的较高的音调。当火车离去时，声波传播开来，就呈现了较低的声音这种现象被称为“多普勒”效应。

检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应。从测速仪里射出一束射线，射到汽