3D線(xiàn)激光傳感器技術(shù)原理（一）

激光位移傳感器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，主要應用于檢測物體的位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量的測量。

按照測量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法,激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量，下面分別介紹激光位移傳感器原理的兩種測量方式。 

激光****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激光位移傳感器之間的距離，數字信號處理器就能計算出激光位移傳感器和被測物體之間的距離。同時(shí)，光束在接收元件的位置通過(guò)模擬和數字電路處理，并通過(guò)微處理器分析，計算出相應的輸出值，并在用戶(hù)設定的模擬量窗口內，按比例輸出標準數據信號。如果使用開(kāi)關(guān)量輸出，則在設定的窗口內導通，窗口之外截止。另外，模擬量與開(kāi)關(guān)量輸出可獨立設置檢測窗口。

采取三角測量法的激光位移傳感器最高線(xiàn)性度可達1um，分辨率更是可達到0.1um的水平。比如ZLDS100類(lèi)型的傳感器，它可以達到0.01%高分辨率，0.1%高線(xiàn)性度，9.4KHz高響應，適應惡劣環(huán)境。 激光位移傳感器采用回波分析原理來(lái)測量距離以達到一定程度的精度。傳感器內部是由處理器單元、回波處理單元、激光****、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過(guò)激光****每秒****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。激光回波分析法適合于長(cháng)距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低，最遠檢測距離可達250m。

二、3D線(xiàn)激光輪廓傳感器采用激光三角反射原理。首先使用一束激光照射到被測物體表面，反射光經(jīng)過(guò)光學(xué)透鏡組在感光元件表面形成光斑，不同高度的表面反射形成的光斑位置各不相同。如下圖所示，當被檢測表面偏高時(shí)，測量激光光斑位置會(huì )右移；反之，如果被檢測表面偏低時(shí)，測量激光光斑位置會(huì )左移。3D線(xiàn)激光輪廓傳感器采用的不是點(diǎn)激光光源，而是一條激光線(xiàn)，測量光激光斑也是一條線(xiàn)，所以俗稱(chēng)線(xiàn)激光。線(xiàn)激光還可以面掃描，快速形成3D輪廓。

三、激光位移傳感器，是位移傳感器中的一種，適用于長(cháng)距離檢測，因而逐漸取代了拉線(xiàn)位移傳感器，在工業(yè)自動(dòng)化、交通、鋼鐵 、建筑、碼頭等需要進(jìn)行自動(dòng)距離位移測量和位置控制中應用。它可以快速、準確的測量到目標地距離，測量結果可以通過(guò)各種接口傳輸到設備上，以便進(jìn)行檢測、控制等應用，同時(shí)激光位移傳感器的控制也可通過(guò)計算機或其他與其相連的設備來(lái)完成。

激光位移傳感器可以測量位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等精密的幾何測量。激光有直線(xiàn)度好的優(yōu)良特性，同樣激光位移傳感器相對于我們已知的超聲波傳感器有更高的精度。但是，激光的產(chǎn)生裝置相對比較復雜且體積較大，因此會(huì )對激光位移傳感器的應用范圍要求較苛刻。

激光位移傳感器原理

一般激光位移傳感器采用的基本原理是光學(xué)三角法：半導體激光器①被鏡片②聚焦到被測物體⑥。反射光被鏡片③收集，投射到CMOS陣列④上；信號處理器⑤通過(guò)三角函數計算陣列④上的光點(diǎn)位置得到距物體的距離。

按照測量原理， 激光位移傳感器分為激光三角測量法和激光回波分析法， 激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量，下面分別介紹激光三角測量原理和激光回波分析原理。

1．激光位移傳感器原理之激光三角測量法原理

激光****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激光位移傳感器和被測物體之間的距離。

同時(shí)，光束在接收元件的位置通過(guò)模擬和數字電路處理，并通過(guò)微處理器分析，計算出相應的輸出值，并在用戶(hù)設定的模擬量窗口內，按比例輸出標準數據信號。如果使用開(kāi)關(guān)量輸出，則在設定的窗口內導通，窗口之外截止。另外，模擬量與開(kāi)關(guān)量輸出可獨立設置檢測窗口。

采取三角測量法的激光位移傳感器最高線(xiàn)性度可達1um，分辨率更是可達到0．1um的水平。比如ZLDS100類(lèi)型的傳感器，它可以達到0．01％高分辨率，0．1％高線(xiàn)性度，9．4KHz高響應，適應惡劣環(huán)境。

2．激光位移傳感器原理之激光回波分析原理

激光位移傳感器采用回波分析原理來(lái)測量距離以達到一定程度的精度。傳感器內部是由處理器單元、回波處理單元、激光****、激光接收器等部分組成。激光位移傳感器通過(guò)激光****每秒****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。激光回波分析法適合于長(cháng)距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低，最遠檢測距離可達250m。

激光位移傳感器因為是****激光來(lái)進(jìn)行檢測的，所以在使用過(guò)程中有很多事項需要注意，如

1、對準太陽(yáng)或其它強光物體測量會(huì )產(chǎn)生錯誤結果;

2、在強反射環(huán)境中測量較差反射表面的物體也會(huì )產(chǎn)生錯誤結果;

3、量強反射表面會(huì )產(chǎn)生錯誤結果;

4、透過(guò)透明物測量，如玻璃、光學(xué)濾光器、樹(shù)脂玻璃，會(huì )產(chǎn)生不正確數據;

5、迅速改變測量環(huán)境也會(huì )產(chǎn)生假數據。

四、線(xiàn)狀激光三角測距原理：

將激光光條的中心點(diǎn)P1、成像點(diǎn)P1′、攝像頭、激光頭作為基準面，中心點(diǎn)P1就符合單點(diǎn)結構光測距。對于任一點(diǎn)（該點(diǎn)不在基準面上），也可由三角測距得出。將激光光條的中心點(diǎn)P1、成像點(diǎn)P1′、攝像頭、激光頭作為基準面，中心點(diǎn)P1就符合單點(diǎn)結構光測距。對于任一點(diǎn)（該點(diǎn)不在基準面上），也可由三角測距得出。

五、傳統的激光三角法基本原理如圖2.4所示，采用直射型，光電探測器采用的是CCD，當散射光通過(guò)成像透鏡時(shí)，如果將CCD以垂直于激光束入射的位置進(jìn)行安裝耦合，則成像到CCD上的光點(diǎn)會(huì )由于沒(méi)有完全聚焦而出現彌散斑，測量并不完全。

于是為了光點(diǎn)所成的像在接收器表面上每一點(diǎn)都清晰，則要求透鏡光軸與接收面之間必須形成一定的夾角，所以我們選用CCD接收器為傾斜式的方式，即完全聚焦的激光三角法測量,如圖2.5所示。

圖中PO為入射光源,光線(xiàn)經(jīng)準直透鏡后垂直入射到物體表面，反射后經(jīng)過(guò)成像透鏡中心點(diǎn)M成像在CCD接收面上，入射光PO與反射光以的夾角為θ，反射光OA與CCD成像平面的夾角為φ，P點(diǎn)成像于CCD平面上的B點(diǎn)，O點(diǎn)成像于CCD平面上的A點(diǎn)，由圖中可知，P點(diǎn)與O點(diǎn)高度不同，所成的像投射到光敏面上的位置也是不同的，設O點(diǎn)所在平面為基準面，A為CCD成像平面上的成像基準點(diǎn)，則光線(xiàn)PO上的點(diǎn)與CCD平面上的投影點(diǎn)是一一對應的。因此，只要知道光線(xiàn)PO上的任何一點(diǎn)在CCD成像面上的位置就可以求出該點(diǎn)的高度信息。由圖2.5，可列出以下關(guān)系式

式中：

PO一一物點(diǎn)的高度信息;

AB一一P點(diǎn)在CCD成像平面的成像點(diǎn)與成像基準點(diǎn)A的偏移量;

OM一一O點(diǎn)成像PO物距;

MA一一O點(diǎn)成像像距;

激光束垂直投射到被測物面，所形成的漫反射光斑作為傳感信號，用透鏡成像將收集到的漫反射光會(huì )聚到像平面的光接收器上形成像點(diǎn)。當被測物面移動(dòng)時(shí),入射光斑也會(huì )隨之移動(dòng)，像點(diǎn)也會(huì )在光接收面上做相應的移動(dòng)，根據像移大小和系統結構參數可以確定被測物面的位移量，從而還可以獲取其它方面信息。本系統中，為使光接收器上的像點(diǎn)不存在盲點(diǎn),光接收器的光敏面必須與成像光軸成一夾角φ。這樣既可以保證入射光斑與其像斑位移具有的關(guān)系精確，還可以使成像點(diǎn)最小，有利于提高測量精度。同時(shí)為了提高測量精度，φ和θ必須滿(mǎn)足沙姆。

圖2.6物一像位移軌跡圖

圖中d0為基準點(diǎn)的物距,di為基準點(diǎn)的象距，O’為O經(jīng)成像透鏡的像點(diǎn),A、B分別為a、b經(jīng)成像透鏡的像點(diǎn),θ為光入射角, 為成像角,l為成像透鏡,焦距為F。

當激光光束照射到a點(diǎn)時(shí)，由圖3.7可知:

綜合上面可得,

式中,符號“+”對應于圖2.6由o移至b,符號“─ ”對應物面由o移至a。 式中,符號“+”對應于圖2.6由o移至a,符號“─ ”對應物面由o移至b。

由Z-I關(guān)系公式可得Z-I關(guān)系曲線(xiàn)，圖2.7所示。從圖中可以看出I該曲線(xiàn)為非線(xiàn)性曲線(xiàn)，只有當物面在O點(diǎn)附近較小范圍移動(dòng)時(shí)，上述曲線(xiàn)可近似按線(xiàn)性關(guān)系處理。

以上介紹了激光位移傳感器原理，下面來(lái)看看具體參數（以L(fǎng)MI為例）

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