激光位移传感器

研究生课程考核试卷

（适用于课程论文、提交报告）

科目：机电系统设计与分析教师： XXX 姓名： XXX 学号： 201407020XX 专业：机械工程类别：学术

考生成绩：

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阅卷教师 (签名)

重庆大学研究生院制

激光位移传感器

摘要：激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量系统,它具有适应性强、速度快、

精度高等特点,适用于检测各种回转体、箱体零件的尺寸和形位误差。

且随着21世纪的到来，人们开始进入了以知识经济为特征的信息时代。激光位移传感

器等作为工业自动化技术工具的自动化仪表及装置正向数字化、智能化、网络化发展。这也

推进了激光位移传感器在机械产品中应用的进程[1]。

本文前半部分介绍激光位移传感器的分类及其原理，后半部分介绍其在机械产品中的应

用。

关键字：激光位移传感器；原理；应用

1 激光位移传感器原理及特点

按照测量原理，激光位移传感器原理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，下面分别

介绍激光位移传感器原理的两种测量方式。其实物图如图1.1所示。

图1.1 激光位移传感器

1.1激光三角测量法

三角测量法的工作原理图如图1.2所示。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[1][2]。

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。

图1.2 激光三角测量法原理图

采取三角测量法的激光位移传感器最高线性度可达1um，分辨率更是可达到0.1um的水平。比如ZLDS100类型的传感器，它可以达到0.01%高分辨率，0.1%高线性度，9.4KHz 高响应，适应恶劣环境。

1.2 激光回波分析法

激光回波分析法的原理图如图1.3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[3]。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。即所谓的脉冲时间法测量的。

图1.3 激光回波分析法原理图

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，最远检测距离可达250m。

1.3 激光位移传感器的特点

激光具有高方向性、高单光性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光位移传感器就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪器，他的优点是是能实现无接触的远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。

2 激光位移传感器的应用

激光位移传感器在机械领域中主要用于产品的尺寸测定，金属薄片的厚度测量和电子元件的检测等工作。

2.1 在车轮弯曲疲劳试验中的应用[4]

如图2.1所示为车轮弯曲疲劳试验的原理图。试验过程中，车轮固定不动，载荷旋转。随着试验的进行车轮的刚度将会不断下降，车轮的变形量加大，与车轮连接的加载轴的摆动幅度变大，所以加载轴的摆动幅度的大小即可直接反应被试车轮的刚度变化情况。加载臂圆

周上任意一点在该点的静态位置附近做等幅振动。因此，只需在试验前记录传感器的静态测量值，并在试验过程中将传感器的动态测量值与所记录的静态值相减，即可得到测量点的振动位移值。由于加载臂在工作过程处于摆动状态，很难应用接触式位移传感器直接测量摆臂的偏移量，所以采用非接触式传感器，使得无需直接接触加载轴就可以对其偏移量进行测量。

图2.1车轮弯曲疲劳试验原理图

如图2.2所示为双位移传感器检测加载轴偏移量的原理图。在加载臂圆周上布置两个位移传感器，两个传感器感测头的轴线相交于一点，建立测量坐标系XOY ，传感器S1处于X 轴的正半轴上，传感器S2与S1的夹角为α。加载臂圆周上任意一点A 到圆心的连线OA 与X 轴的夹角为θ，则：

()1()S A S x θθ=+ (1)

()()2()S cos y sin B S x θθαθα=++ (2)

其中1()S θ、2()S θ分别为两个位移传感器采集的数据，A S 、B S 为静止状态下传感器S1、S2采集到的数据()x θ、()y θ为加载臂圆周上任意一点A 的偏移量()D θ在X 、Y 方向的分量。

整理得到：

上式为采用两个位移传感器时，加载臂圆周上任意一点的振动偏移量的计算式。考虑到由于车轮刚度的不均匀性，可能导致加载臂圆周上各点的振动偏移量有所差别。因此需对测得的各点偏移量求和后取均值，将平均值作为最终检测结果。

图2.2 双传感器检测示意图

2.2 在列车车轮直径动态测量上的应用[5][6]

车轮作为铁路车辆重要的走行部件，对于铁路的安全运输起着关键性的作用，特别是随着列车速度的不断提高，列车车轮各种磨耗及直径变化的速度加快，给列车的运行安全带来隐患 。一种基于激光位移传感器在线动态测量车轮直径的方法，可以很好的解决车轮直径动态测量的问题。

使用单个激光位移传感器动态测量车轮直径的原理如图2.3所示，R 为车轮半径。设激光位移传感器的安装位置 A 为坐标系的原点，车轮圆周的最低点与x 轴（即钢轨） 相切于 C 点，C 点与原点 A 间的距离为 1L 。 激光位移传感器发出的激光以 α 的角度照射在车轮踏面上在 B 点形成光斑，可得到该传感器与 B 点之间的距离1l

图 2.3 单个激光位移传感器测量直径原理图

此模型对应的车轮半径公式为：

所以，在激光位移传感器较大α 和车轮圆周的最低点C 与激光位移传感器之间的距离1L 确定的情况下，可以通过测量1l 得到车轮半径R 。

除单传感器的测量方法外还有一种双传感器的测量方法。使用两个激光位移传感器动态测量车轮直径的原理如图 3 所示，实际测量系统的构成如图 2.4 所示 。设车轮圆周的最

低点与 x 轴( 即钢轨) 相切于 C 点，C 点与原点 A 间的距离为1L ，C 点与右侧激光位移传感器安装位置 G 点的距离为 2L 。左侧激光位移传感器发出的激光以 α 的角度照射在车轮踏面上，得到激光位移传感器到 B 点之间的距离为 1l ；右侧激光位移传感器发出的激光以 β 的角度照射在车轮踏面上，得到激光位移传感器到 E 点之间的距离为2l 。

图 2.4 两个激光位移传感器测量直径原理

为简化，使αβ= ，123L L L == ，则有计算公式

通过比较和实验验证我们可以发现使用双激光位移传感器的方法测量直径可以在较大程度上提升测量精度。

2.3 在物体表面形状测量中的应用[7]

物体形状测量在工业制造领域有强烈的需求，特别是非接触式的测量方式，在精密制造、航空航天、军事等许多领域都具有广泛的应用。对于物体形状的测量可以分为接触式和非接触式的测量方法。接触式测量是测量头与工件表面直接进行接触测量，沿着工件形状进行扫描运动。目前主要是采用三坐标机进行测量，其主要缺点是对被测对象表面容易造成不同程度的损伤。由于激光测量技术的发展，非接触式测量方式逐渐成为主流。

激光位移传感器测量形状系统组成如图2.5所示：

图2.5 激光位移传感器测量形状框图

电位移平台带动激光位移传感器沿导轨移动方向运动，传感器每前进一步，激光位移传感器可以得出一个距离值，最终可以扫描出物体的形状。

图2.6给出了激光位移传感器测量形状的基本原理图。激光位移传感器沿着X 轴移动， 可以测量出如图所建立的坐标系的Y 轴坐标，一维电位移平台可以测量出X 轴坐标，已知物体截面的二维坐标，即可画出截面图。

图2.6 激光位移传感器测量形状原理图

Y 坐标可以通过激光位移传感器直接给出，由于采用高精度激光位移传感器，Y 轴坐标具有较高的精度。X 方向采用一维电位移平台带动激光位移传感器运动，精度可以通过使用激光位移传感器进行标定，实验中通过调整速度令步进电机带动位移传感器运动一定距离，得到65536个测量数据，通过这种细分方法可实现很高精度的X 坐标值。

3 总结

本文在前面一节介绍了激光位移传感器的种类，并分布介绍了激光三角测量法和激光回波分析法两种原理的机构位移传感器。

本文在第二小节选择了激光位移传感器在车轮弯曲疲劳试验，列车车轮直径动态测量和物体形状测量上的应用，用以说明激光位移传感器在机械及其附属领域的应用。

参考文献

[1] 金国藩，李景镇. 激光测量学[M].北京科学出版社，1998.

[2] 苏成志，徐洪吉. 基于激光位移传感器的车轮弯曲疲劳试验加载轴偏移量检测系统设计

[J]. 工业控制计算机：2011(24).

[3] 华艳秋，庄慧忠，黄立新，诸瑾. 光学测量传感器的设计与分析[J]. 工业控制计算机：

2009(01)

[4] 汤思佳. 基于激光三角法厚度绝对测量技术研究[D]. 长春理工大学，2010

[5] 黄睿. 激光位移传感器及输出特性的研究[D]. 北京交通大学，2010

[6] 朱万彬. 激光位移传感器在物体表面形状测量中的应用[J]. 光机电信息：2010(10)

[7] 马自军,杨双莲. 激光位移传感器测量原理及应用研究展望[J]. 甘肃科技：2012(02)