激光位移傳感技術(shù)是啥，看完下文你就懂了

　　當前，世界上主要的工業(yè)大國都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級，而現代工業(yè)的升級與激光技術(shù)密不可分。除了在生產(chǎn)加工方面發(fā)揮著(zhù)巨大作用外，激光技術(shù)還在精確實(shí)時(shí)測量方面有著(zhù)重要應用，為電子產(chǎn)品尺寸、透明元器件曲率、汽車(chē)飛機等大型三維物體的振動(dòng)頻譜、軸承同心度、偏心度及振動(dòng)等提供精準測量，大大提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。

　　采用激光測量技術(shù)的手機玻璃曲率檢測示意圖

　　要實(shí)現激光精確實(shí)時(shí)測量在工業(yè)領(lǐng)域的具體應用，則離不開(kāi)各類(lèi)激光傳感器的研發(fā)和推廣。眾所周知，現代制造業(yè)已經(jīng)是一個(gè)傳感器驅動(dòng)的世界，幾乎在所有的制造過(guò)程中，精確的實(shí)時(shí)測量在很大程度上依賴(lài)于傳感器。在引入光學(xué)技術(shù)后，傳感器朝著(zhù)更快速、更精確、更可靠的方向發(fā)展。與傳統測量方式相比，光學(xué)測量傳感器，尤其是激光測量傳感器因其非接觸且快速測量的能力在工業(yè)中得到廣泛的應用。其中最典型的應用例子就是高精度的激光位移傳感器。

　　激光位移傳感器市場(chǎng)現狀

　　激光位移傳感器常用于長(cháng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監測等。通過(guò)激光位移傳感器測量金屬薄片(薄板)的厚度變化，可以幫助發(fā)現皺紋、小洞或者重疊，避免機器發(fā)生故障;而在微小零件的位置識別、傳送帶上有無(wú)零件的監測、機械手位置(工具中心位置)的控制等方面的應用，則可以確保設備、產(chǎn)線(xiàn)的高效運轉;在灌裝產(chǎn)品線(xiàn)上，可利用激光束反射表面的擴展程序來(lái)精確的識別灌裝產(chǎn)品填充是否合格，在監測數量的同時(shí)也能保證灌裝質(zhì)量。此外，在絕對距離測量、相對位移測量、遠程振動(dòng)測量或振動(dòng)頻譜測量、輪廓檢測、厚度測量、曲率測量、透明物體的厚度測量等方面，激光位移傳感器都有著(zhù)無(wú)可比擬的優(yōu)勢。

　　據數據顯示，國內通用激光位移傳感器市場(chǎng)規模已達120億，且每年保持20%的增速，但99.87%的國內市場(chǎng)被國外廠(chǎng)商占據，以歐美日等發(fā)達國家企業(yè)居多，如美國通用電氣、邦納、德國西克、日本基恩士等等。這些企業(yè)不斷通過(guò)技術(shù)創(chuàng )新和產(chǎn)品升級以保持市場(chǎng)地位。我國工業(yè)自動(dòng)化系統集成商雖然對該器件的認知率超過(guò)95%以上，但由于價(jià)格昂貴、適配困難等原因，實(shí)際使用率不足10%。

　　與國外先進(jìn)企業(yè)相比，我國傳感器技術(shù)在科研開(kāi)發(fā)上要落后10年，在生產(chǎn)技術(shù)上要落后15年。但近年來(lái)我國陸續制定有利于傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并建立了多個(gè)傳感技術(shù)、機器人國家重點(diǎn)實(shí)驗室，同時(shí)也有千余家企業(yè)選擇從事傳感器的生產(chǎn)和研發(fā)，國內傳感器產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程隨之加快。目前國內從事激光傳感器的企業(yè)多以中小企業(yè)為主，主要集中在長(cháng)三角地區，大型企業(yè)數量較少。代表性企業(yè)既有一定規模的余姚舜宇光學(xué)、北京創(chuàng )想智控、武漢承拓電子等，也有如蘇州摯感光子等采用先進(jìn)集成光學(xué)技術(shù)的新創(chuàng )企業(yè)。

　　激光位移傳感器介紹

　　目前已有很多技術(shù)能實(shí)現精確的光學(xué)位移測量，而工業(yè)化的激光位移傳感器一般采用激光三角測量法和激光回波分析法兩種方法，此外還可利用彩色共焦和干涉測量原理進(jìn)行精確的位移測量。此外，激光位移傳感器也被用來(lái)進(jìn)行非接觸振動(dòng)測量。但對于特定的測量條件和測量要求，以上方法都各有缺陷。

　　對激光位移傳感器而言，激光三角測量法適用于高精度、短距離的測量，激光回波分析法則用于遠距離測量。在當前的工業(yè)機器人應用中，通常采用三角測量法，這種方法最高線(xiàn)性度可達1um，分辨率可達到0.1um的水平。

　　激光三角法是一種由角度計算得到單點(diǎn)或多維的距離測量。通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收器鏡頭，被內部的CCD線(xiàn)性相機接收，根據不同的距離，CCD線(xiàn)性相機可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據這個(gè)角度及已知的激光和相機之間的距離，數字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。

　　回波分析法則是通過(guò)激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)激光脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并返回至接收器所需的時(shí)間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結果進(jìn)行的平均輸出，即所謂的脈沖時(shí)間法測量的，最遠檢測距離可達250m。

　　而在精確的振動(dòng)測量方面，常用的激光多普勒振動(dòng)儀(LDV)的工作原理是在光學(xué)干涉的基礎上，通過(guò)兩束相干光束I1和I2的疊加來(lái)進(jìn)行測量。疊加后的光強不是簡(jiǎn)單的兩束光強之和，而且包括一個(gè)相干調制項。調制項與兩束光之間的路徑長(cháng)度有關(guān)。

　　盡管激光三角法測量位移相對簡(jiǎn)單可靠，但其缺點(diǎn)是測量精度隨著(zhù)測量距離和范圍的增大而降低，因此測量范圍受到限制。此外，還需要一定的開(kāi)放空間來(lái)滿(mǎn)足三角法的測量需求，故無(wú)法實(shí)現在深溝或深孔中的應用。 而激光回波分析法則適合于長(cháng)距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低。在振動(dòng)測量應用方面，前面這兩種位移/距離測量技術(shù)的檢測能力(頻率范圍/振動(dòng)量范圍/精度)比較有限。而LDV雖可進(jìn)行非常精確的振動(dòng)測量及瞬時(shí)位移測量，但是欠缺測量絕對位移或距離的能力，且成本也相當高。

　　激光傳感新方案

　　基于這樣的現狀，摯感光子依靠核心團隊在光電通信領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累，利用集成光學(xué)芯片技術(shù)的優(yōu)勢開(kāi)發(fā)了一種小型激光傳感平臺，將這兩種主流的傳感功能結合在一個(gè)光學(xué)平臺上，可實(shí)現位移測量和振動(dòng)測量等多種功能，在保持高精度測量的同時(shí)還極大降低了模塊尺寸和成本。

　　目前光學(xué)元器件通常體積大且價(jià)格昂貴，并且在與其他電子元器件的連接過(guò)程需要定制精確的裝配流程。而光學(xué)元件集成化可以使其在低成本的基礎上，實(shí)現更復雜的設計和更多的功能。集成光學(xué)芯片可以在一個(gè)單一的光學(xué)基底上包含數十到數百個(gè)光學(xué)元件，包括激光器、調制器、光電探測器和濾波器，現已成為一種有效的解決方案，為現有和新興市場(chǎng)提供創(chuàng )新的光學(xué)模組。隨著(zhù)現代制造對光學(xué)傳感器技術(shù)需求的不斷增長(cháng)，集成光學(xué)芯片可以簡(jiǎn)化系統設計，使得傳感器可以進(jìn)行更快速、更準確的測量，而且成本更低。

　　摯感光子的小型激光傳感平臺原理圖

　　如傳感器平臺的原理圖所示，具有不同延遲線(xiàn)的光學(xué)干涉儀最先在集成光學(xué)芯片上實(shí)現，并通過(guò)一個(gè)一體化封裝將集成光學(xué)芯片、激光二極管、探測器陣列和光學(xué)透鏡組成一個(gè)小型化激光傳感模組。摯感光子自主研發(fā)的激光傳感平臺通過(guò)專(zhuān)有的數字信號處理(DSP)算法，可提供LDV技術(shù)中的瞬時(shí)位移、振動(dòng)和光學(xué)相位測量等多種功能，此外還可以實(shí)現與常規三角法激光位移傳感器一樣的絕對位移/距離的測量， 并具有同等甚至更優(yōu)的測量精度。

　　激光同軸位移傳感器(左)與傳統的三角法激光位移傳感器(右)對比

　　基于這一結合了瞬時(shí)位移、振動(dòng)、光學(xué)相位測量和絕對位移/距離的測量的小型化激光傳感平臺，摯感光子還研發(fā)了一系列的激光傳感模塊(見(jiàn)圖)。

　　據了解，摯感光子自主研發(fā)的MX-G系列激光同軸傳感器采用自主研發(fā)的非線(xiàn)性調頻連續波調制解調(FMCW)技術(shù)，基于光學(xué)相干接收原理，具有光功率極低(距離15cm外輸出光功率僅需5mW)、動(dòng)態(tài)測量范圍廣(可以測量從幾厘米到4米范圍內的物體)、測量精度高(1米外的位移測量，重復精度通常小于0.01μm)、抗干擾性強(只對自身光源波長(cháng)敏感，可以抵抗任何環(huán)境光的干擾)、激光同軸設計(能夠測量傳統三角法傳感器難以測量的物體，如盲孔)、敏感度高等優(yōu)點(diǎn)。MX-G系列傳感器可測量的距離和范圍非常廣，卻能保持與近距離測量相同的精度，這是傳統的三角法無(wú)法實(shí)現的。

　　MX-G系列激光同軸位移傳感器

　　摯感光子技術(shù)人員向OFweek激光網(wǎng)介紹，MX-G系列激光同軸位移傳感器的關(guān)鍵部件是其光模組。它由激光器、光電探測器(封裝內)、集成光學(xué)芯片及光學(xué)透鏡組成。光學(xué)透鏡是可調的，并可根據不同的應用進(jìn)行更換。標準配置的鏡片(直徑8.5mm)適用于150mm的聚焦光束，光斑半徑為0.05mm，當測量距離為2米時(shí)光斑半徑為1mm左右。如果用戶(hù)需要，還可以支持準直配置。例如安裝一個(gè)直徑為6.5mm的透鏡并支持準直型測量，光斑半徑為3.5mm，可同時(shí)滿(mǎn)足用戶(hù)準直測量和較小光斑的需求。尤為突出的一點(diǎn)是，這種技術(shù)能實(shí)現三角法無(wú)法完成的深孔測量。

　　深孔檢測示意圖

　　此外，MX-G系列激光同軸振動(dòng)傳感器可實(shí)現納米級的遠距準確測振，測振頻率范圍及振幅靈敏度可與常用LDV相當，具有光收發(fā)一體、同軸測量、安裝方便、抗干擾性強，不受粉塵或測量面光強度變化影響等特點(diǎn)，可用于喇叭振幅檢測、軸承振動(dòng)檢測、車(chē)床振動(dòng)監測、汽車(chē)振動(dòng)檢測等方面。

　　振動(dòng)檢測示意圖

　　如文章開(kāi)頭介紹，此類(lèi)傳感器在測位移模式下可以直接進(jìn)行透明物體(如薄膜，玻璃板或玻璃鏡頭)厚度的測量，而測振模式下(也是一種相位測量模式)則可以進(jìn)行剝離彎曲度的快速檢測?？梢哉f(shuō)，摯感光子的新型傳感技術(shù)和傳感平臺代表了我國在工業(yè)級激光傳感器技術(shù)方面的一個(gè)創(chuàng )新力。具體的技術(shù)細節可通過(guò)他們的官網(wǎng)去了解。

　　資本涌入 前景廣闊

　　總體而言，我國傳感器技術(shù)相對落后，但近年來(lái)我國陸續制定有利于傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并建立了多個(gè)傳感技術(shù)、機器人國家重點(diǎn)實(shí)驗室。此外資本市場(chǎng)(包括政府的基金) 也加大了對激光傳感行業(yè)的投入，良好的政策土壤與資本關(guān)注將為傳感器企業(yè)帶來(lái)良好的生存環(huán)境。

　　在未來(lái)，以激光位移傳感器為代表的的各類(lèi)激光傳感器需求總體將保持快速增長(cháng)的態(tài)勢，而隨著(zhù)國內各項鼓勵政策的落實(shí)，激光技術(shù)的持續創(chuàng )新進(jìn)步和激光位移傳感器產(chǎn)品性能的不斷提升，我國激光位移傳感器的大規模商業(yè)化應用將很快成為現實(shí)。