激光三角测量传感器

激光三角测量传感器可根据其性能和预期用途分为两类。高分辨率激光器通常用于需要高精度、稳定性和低温漂移的位移和位置监测应用。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，通常用于检测零件的存在，或用于计数应用。

• 能够在其他高性能技术的成本下分解测量值以下的测量值
• 一个大的测量范围是允许各种应用需求
• 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伤害

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。激光束投射在被测目标上，一部分激光束通过聚焦光学反射到探测器上。当目标移动时，激光束按比例在探测器上移动。

探测器发出的信号用来确定与目标的相对距离。这些信息通常通过模拟输出、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型传感器检测传感器像素阵列上的光量的峰值分布，以识别目标位置，而PSD型传感器基于阵列上的整个反射点计算光束质心。因此，PSD型传感器更容易受到改变表面条件的虚假反射，这可以降低其精度。但是，当测量理想的哑光饰面或其分辨率的镜面目标是无与伦比的。CCD和CMOS系统通常在更宽的各种表面上更准确，因为只有来自反射光束的最高带电像素用于计算位置。较低的带电像素通常通过不需要的反射通过改变所测量的表面的光学性质而通电，并且在信号处理期间可以容易地忽略。这允许它们用于更广泛的应用程序。图2显示了CMOS和PSD技术之间的信号分布差异，突出了与PSD型传感器相关的潜在精度问题。

PSD型激光传感器诱导的潜在误差

激光三角测量传感器也可用于高反射或镜面表面，通常称为镜面表面。在这些表面上，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，因为激光会直接反弹回自身。在这种情况下，必须使光束以一定的角度射向目标。光束将以相等但相反的角度从目标反射到探测器上。我们生产专门为镜面设计的激光头，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

非联系人

激光位移传感器设计为非接触式。也就是说，他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，目标运动也不会受到抑制。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，这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，这个工作点有时被称为距离。在这一点上，激光处于其最尖锐的焦点，而反射光斑在探测器的中心。随着目标移动，光点将移动到探测器的末端，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。由于光斑在其焦点处最小，且高度集中在探测器上，因此在距离处获得最佳性能。检测算法纠正任何不准确造成的操作时，轻微的焦点和大多数制造商指定的性能在完整的测量范围。

对于给定的长度检测器，较小的接收角提供较大的测量范围和操作距离。然而，更大的角度则相反，由于光学杠杆作用，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收角度传感器之间的差异

灵敏度

在测量系统中，灵敏度通常由每单位测量发生多少位移来定义，通常以微米/毫伏表示。灵敏度越高(用较低的数字描述)，在大多数情况下效果越好，因为可以获得更大的分辨率。为了达到最高的灵敏度，理想的做法是让激光束穿越整个探测器的长度，超过应用测量范围。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的传感器的输出。请注意，每条曲线的斜率代表各自的灵敏度因子，曲线A的灵敏度是它的两倍。

决议

激光位移传感器的分辨率定义为可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。由于它们能够检测如此小的运动，它们已经成功地应用于许多要求高、高精度的测量应用。

决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，由于系统的白噪声，输出仍然会有轻微的波动。假设，没有外部信号处理，一个人不能检测到输出的位移小于仪器的随机噪声。因此，大多数分辨率值都是根据噪声的峰-峰值来表示的，可以用一个具体的公式表示:

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。

噪音的大小取决于系统的带宽。这是因为噪声通常是随机分布在广泛的频率范围内，通过滤波限制带宽将消除一些不需要的更高的频率波动。

我们的激光传感器还提供数字格式的位移值。数字输出分辨率是通过将位移范围除以处理器比特率来计算的。例如，一个范围为2000微米的传感器的分辨率为2000/ 2e16，或者对于16位系统的分辨率为0.03微米。如果使用12位转换器，分辨率将在2000/2E12或0.5微米时更差。

下图显示了两个具有不同低通滤波器的相同系统输出的差异。我们所有的激光三角测量系统都有软件可调的低通滤波器，便于在现场进行调整。

放大器输出噪声与20kHz低通滤波器

放大器输出噪声具有100Hz低通滤波器

带宽

系统的带宽或截止频率通常定义为输出衰减为-3dB的点。这大约等于输出电压降为实际值的30%。也就是说，如果目标在5kHz时以1mm的振幅振动，而激光传感器的带宽设置为5kHz，则实际输出为1mm X 70% = 0.70mm。因此，将系统的频率响应设置为高于预期目标运动是很重要的。我们所有的激光传感器都有可调节的过滤设置。应该为应用程序选择适当的滤波器，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

在进行测量时，激光传感器提供的距离近似等于激光光斑内的平均表面位置。它们不能准确地检测出比光斑大小小的特征的位置，但可以对粗糙表面重复测量。正因为如此，激光光斑应该总是比你试图测量的最小特征大约小25%。小点可以分辨物体上较小的特征。

线性

在理想的世界中，来自任何传感器的输出将是完全线性的，而不是在任何时候偏离直线。然而，实际上，将略有偏离这条线，其定义了系统线性度。通常，线性度被指定为满量程测量范围（FSR）的百分比。在校准期间，将来自激光头的输出与高精度标准的输出进行比较，并注意到差异。通过使用查找表自动纠正这些差异。我们的MicroTrak II激光传感器提供了今天的最高线性。大多数系统超过+/- 0.05％FSR，一些达到+/- 0.01％或更好。

精度是线性度、分辨率、温度稳定性和漂移的函数，其中线性度是主要因素。我们的传感器的线性响应是非常可重复的。校准报告提供的数据可以用便宜的计算机和校正软件对系统的非线性进行校正，从而在需要时提高精度。

材料和完成

申请A.激光传感器，首先要确定表面反射率。当使用扩散头时，一致的哑光处理是最好的性能。如果使用高度抛光或镜面抛光，我们强烈推荐镜面激光头。

目标形状

为了达到理想的性能，目标应该与激光头成90度，以防止倾斜错误。倾斜的影响将取决于表面的反射属性。理想的漫射目标将允许适当的操作表面倾斜30度或更多的正常。然而，镜面目标将产生误差，如果倾斜的变化只有1度。在夹具设计和操作过程中要小心，尽量减少任何目标倾斜。

激光传感器也可以用来测量弯曲的目标。为了达到最好的效果，梁的位置应该直接朝向弯曲的中心。这实际上会消除激光看到的任何倾斜。此外，头部的方向应使曲面不倾斜激光三角测量角。

下图显示了适当的方向系统，以减少倾斜的影响。注意激光束是如何因目标形状而偏转的。

在测量前要注意目标的特征，以确保激光返回的光没有被阻挡。下图显示了正确和错误的方式来定位激光传感器。

环境条件

因为激光三角测量系统是光学型传感器，所以保持光路清洁和不含障碍物或异物非常重要。污垢，灰尘和烟雾会影响测量结果甚至完全无用的传感器。应注意消除这些污染，应在需要时使用清洁空气吹扫系统。如果这种类型的系统是不可能的，重要的是要定期清洁外部镜头以避免并发症。

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，而且机械部件的膨胀和收缩和固定可以物理上改变传感器间隙。我们所有的Microtrak II传感器在温度变化为0至40℃时的温度稳定性小于满量程测量范围的+/-0.05%。

卡具

保持激光三角测量传感器的夹具稳定是很重要的。考虑到温度变化会引起膨胀和收缩，导致到目标的距离改变，夹具应该用合适的材料来减少这种影响。夹具支撑也应尽可能短，并应避免长悬臂，不仅减少温度问题，也减少振动。

我们的激光传感器有小孔，可以用来安装和固定激光头。固定装置应与这些孔的位置相匹配，并保持激光头垂直于感兴趣的目标。

同步

当用两个激光头进行不同厚度测量时，重要的是要同时从两个头进行测量和加工。这一过程消除了振动带来的不良后果。如果目标在移动，并且测量的时间略有不同，处理后的结果可能会报告一个略薄或稍厚的目标。我们的Microtrak II系列激光传感器可以同步头部，消除这个问题。