整理—激光位移传感器原理

1、组成：

激光位移传感器是由激光器、激光检测器和测量电路组成。

2、外观图：

它能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化。可以测量位移、厚度、振动、距离、直径等精密的几何测量。

3、激光位移传感器原理——原理分类

激光位移传感器按照测量原理分，可以分为激光三角测量法和激光回波分析法两种。

激光回波分析法则用于远距离测量。

激光三角测量法适用于高精度、短距离的测量。（我们用到的就是高精度短距离的激光三角测量法）

4、激光三角测量法原理

激光位移传感器的激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。

根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。

同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可独立设置检测窗口。

5、测量方式（直射式、斜射式）

最简单的三角位移测量系统是从光源发射一束光到被测物体表面 ,在另一方向通过成像观察反射光点的位置 ,从而计算出物点的位移。由于入射和反射光构成一个三角形 ,所以这种方法被称为三角测量法 ,又可按入射光线与被测工件表面法线的关系分为直射式和斜射式。

（1）直射式

直射式三角法测量等效光路如图 1所示。

激光器发出的光线 ,经会聚透镜聚焦后垂直入射到被测物体表面上 ,物体移动或表面变化导致入射光点沿入射光轴移动。接收透镜接收来自入射光点处的散射光 ,并将其成像在光点位置探测器 (如 PSD、CCD)敏感面上。但由于传感器激光光束与被测面垂直 ,因此只有一个准确的调焦位置 ,其余位置的像都处于不同程度的离焦状态。离焦将引起像点的弥散 ,从而降低了系统的测量精度。为了提高精度 , θ1 和θ2 必须满足tgθ1= Utgθ2 ；

式中 ,U为横向放大率。此时一定景深范围内的被测点都能正焦成像在探测器上 ,从而保证了精度。

若光点在成像面上的位移为 x′ ,利用相似三角形各边之间的比例关系 ,按下式可求出被测面的位移:

式中 , a 为激光束光轴和接收光轴的交点到接收透镜前主面的距离; b 为接收透镜后主面到成像面中心点的距离; θ1为激光束光轴与接收透镜光轴之间的夹角 ; θ2 为探测器与接收透镜光轴之间的夹角。

（2）斜射式

图 2为斜射式三角测量原理图。

激光器发出的光与被测面的法线方向成一定角度入射到被测面上 ,同样用接收透镜接收光点在被测面的散射光或反射光。此时应满足

tg(θ1+ θ2 )= Utgθ3 ；

若光点的像在探测器敏感面上移动 x′,利用相似三角形的比例关系 ,则物体表面沿法线方向的移动距离为

式中 , θ1为激光束光轴与被测面法线之间的夹角;θ2 为成像透镜光轴与被测面法线之间的夹角; θ3为探测器光轴与成像透镜光轴之间的夹角。

（3）斜射式特例

当θ2为 0°时 ,此时为斜入射直接收式 ,如图 3所示。

光点移动 x 时 ,被测面沿法线方向移动的距离为

式中各个参数的含义与图 2所示相同 ,它属于斜入射式传感器的一个特例。