基于激光位移传感器的测试应用

基于激光位移传感器的测试应用

振联科技有限公司从建华

一、前言

近日，“嫦娥三号”成为各大媒体最炙手可热的话题，“嫦娥三号”搭载“玉兔号”月球车成功实现月球软着陆以及“玉兔号”月球车与“嫦娥三号”的器件分离，承载了中华民族几千年的探月梦终得实现。在“嫦娥三号”探测器由环月轨道进入预定的月面着陆准备轨道的整个过程中，由起初的100公里环月圆轨道，到近月15公里的椭圆轨道，到3公里高度时启动探测器底部的反推火箭，再到100米高度时的探测器悬停，最后到4米高度时关闭发动机进行软着陆，探测器到月球表面的距离参数贯穿了整个着陆过程，据专家介绍，“嫦娥三号”对于这个距离的测量方法有多种方式进行配合测量，其中就包括用激光位移传感器来检测探测器距离月面的距离及其轮廓。

自60年代激光产生以后，其高方向性和高亮度的优越性就一直吸引着人们不断探索它在各方面的应用，其中，工业生产中的非接触、在线测量是非常重要的应用领域，它可以完成许多用接触式测量手段无法完成的检测任务。普通的光学测量在大地测绘、建筑工程方面有悠久的应用历史，其中距离测量的方法就是利用基本的三角几何学。在80年代末90年代初，人们开始激光与三角测量的原理相结合，形成了激光三角测距器。它的优点是精度高，不受被测物的材料、质地、形状、反射率的限制。从白色到黑色，从金属到陶瓷、塑料都可以测量。

二、激光位移传感器的原理介绍

激光位移传感器分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

1、激光三角测量法原理

如图1所示，激光三角测量法原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。过去，由于成本和体积等问题的限制，其应用未能普及。随着近年来电子技术的飞速发展，特别是半导体激光器和CCD 等图像探测用电子芯片的发展，激光三角位移传感器在性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用，从实验室走向实际。

图1激光三角测量法原理示意图

2、激光回波分析法原理

如图2所示，激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。激光回波分析法适合于长距离检测，但测量精度相对于激光三角测量法要低。

图2激光回波分析法原理示意图

三、激光位移传感器参数介绍

目前市场上的激光位移传感器可谓玲琅满目，其产品性能参数也是参差不齐，下面以我们较为熟悉的美国MTI激光位移传感器（图3所示）为例，简单介绍一下激光位移传感器的性能参数。美国MTI激光位移传感器是激光三角测量法的激光产品，具有该类型激光位移传感器高精度、短距离的共性。

图3 美国MTI激光位移传感器

1、量程有

2、4、10、20、40、100、200mm可供选择；

2、线性度为0.03%满量程；

3、分辨率最小可达±0.0381um；

4、采样频率为40KHZ,响应频率为0-20KHZ；

5、数字输出:RS-485,模拟电压输出为0-10V；

6、供电电压：15-28V。

四、激光位移传感器应用介绍

激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，常用于各种不同材料表面轮廓的检测；高度、厚度、直径等外形参数的测量；马达、机床主轴的振动；路面距离检测；IC、电路板管脚检测；轮胎花纹深度检测；PCB板的热变形检测等等常规应用。随着人们对于激光位移传感器不断的深入了解和实验，激光位移传感器的应用范围和领域在不断的扩张，使得这个产品性能变得越来越完善、功能越来越强大。下面，结合自己工作中遇

到的实际案例，给大家介绍两种新兴的基于激光位移传感器的测试应用。

1、激光位移传感器测量水面波动

纯净透明的水面是无法直接进行位移测量的，垂直照射的激光束可以透过水面直接照射到容器底部，这时我们需要进行一些辅助手段，一般可以有两种方法：一个方法是在水面漂浮一个不透明的悬浮物，让激光点落在悬浮物上，这个是针对于静态的水面；另一个方法是给透明的水进行染色，选择乳白色的溶液为最佳，这样激光就可以在水面发生漫反射，这个是针对于动态的水面。

如图4所示为激光位移传感器测量水面波动示意图，振动台上圆筒玻璃容器内装有一定量的水，往水里加入乳白色溶液并搅拌均匀，传感器支架固定在筒壁上，激光位移传感器固定在液面的正上方确保其可以垂直入射到液面上。当振动台以固定频率在水平方向上做往复运动时，容器里的液面会产生波动，而经过染色处理的液面是可以用激光位移传感器来进行波动测量的。

图4 激光位移传感器测量水面波动示意图

图5所示为振动频率1.2HZ的液面波动曲线：

图5 振动频率1.2HZ的液面波动曲线

图6所示为振动频率1.5HZ的液面波动曲线：

图6 振动频率1.5HZ的液面波动曲线

2、激光位移传感器测量GFRP材料变形

GFRP（Glassfiber Reinforced Plastic,也叫GRP或FRP,中文名玻璃纤维增强塑料,俗称玻璃钢）,是一种有机非金属跟无机非金属复合的塑料基复合材料,包含机体和增强体两部分，如图7所示为一块GFRP材料板。GFRP具有良好的电绝缘性能和粘结性能,较高的机械强度和耐热性,可塑性极强,成型收缩率小,体积较轻,施工方便，已成为混凝土、钢材等传统结构材料的重要补充。

图7 GFRP材料板

本次应用是将该材料板用于桥梁建设，铺设在混凝土下方用作桥面板，而材料板与板之间是通过螺栓来连接的，所以在实验阶段需要去研究在不同拉力情况下GFRP材料板螺栓孔位置处的变形量。如图8所示为激光位移传感器测量GFRP材料变形示意图，三块GFRP 材料板用两根螺栓连接，材料板底部固定在拉力试验机底座的夹具上，材料板的顶端装夹在拉力试验机上进行拉伸。在拉伸过程中，材料板上螺栓孔位置处的伸长量是大于材料板上其他位置的，所以我们不能简单的去测量整个材料板的伸长量，而应该严格的去测量螺栓孔上下沿的位置变化。根据激光三角测量法原理，我们无法直接用激光位移传感器去测量螺栓孔上下沿的位置变化，而需要做一个辅助测量，如图8所示，我们在螺栓孔上下沿附近，紧贴着上下沿的位置处分别贴上两片垂直于材料板形变方向刚性金属薄片，用两个激光位移传感器去分别测量两块刚性金属薄片的位移，用类似厚度检测的原理去实现在拉力作用下GFRP 材料板螺栓孔位置处材料形变的检测。同样的，对于另外一个螺栓孔，我们也用相同的方法，这样我们就用4个激光位移传感器实现了对GFRP材料板两个螺栓孔位置处材料形变的检测。

图8 激光位移传感器测量GFRP材料变形示意图