激光位移傳感技術(shù)解析

當(dāng)前，世界上主要的工業(yè)大國(guó)都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，而現(xiàn)代工業(yè)的升級(jí)與激光技術(shù)密不可分。除了在生產(chǎn)加工方面發(fā)揮著巨大作用外，激光技術(shù)還在精確實(shí)時(shí)測(cè)量方面有著重要應(yīng)用，為電子產(chǎn)品尺寸、透明元器件曲率、汽車飛機(jī)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(zhǔn)測(cè)量，大大提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。

采用激光測(cè)量技術(shù)的手機(jī)玻璃曲率檢測(cè)示意圖

要實(shí)現(xiàn)激光精確實(shí)時(shí)測(cè)量在工業(yè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用，則離不開各類激光傳感器的研發(fā)和推廣。眾所周知，現(xiàn)代制造業(yè)已經(jīng)是一個(gè)傳感器驅(qū)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(cè)量在很大程度上依賴于傳感器。在引入光學(xué)技術(shù)后，傳感器朝著更快速、更精確、更可靠的方向發(fā)展。與傳統(tǒng)測(cè)量方式相比，光學(xué)測(cè)量傳感器，尤其是激光測(cè)量傳感器因其非接觸且快速測(cè)量的能力在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。其中最典型的應(yīng)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(xiàn)狀

激光位移傳感器常用于長(zhǎng)度、距離、振動(dòng)、速度、方位等物理量的測(cè)量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測(cè)等。通過(guò)激光位移傳感器測(cè)量金屬薄片（薄板）的厚度變化，可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋、小洞或者重疊，避免機(jī)器發(fā)生故障;而在微小零件的位置識(shí)別、傳送帶上有無(wú)零件的監(jiān)測(cè)、機(jī)械手位置（工具中心位置）的控制等方面的應(yīng)用，則可以確保設(shè)備、產(chǎn)線的高效運(yùn)轉(zhuǎn);在灌裝產(chǎn)品線上，可利用激光束反射表面的擴(kuò)展程序來(lái)精確的識(shí)別灌裝產(chǎn)品填充是否合格，在監(jiān)測(cè)數(shù)量的同時(shí)也能保證灌裝質(zhì)量。此外，在絕對(duì)距離測(cè)量、相對(duì)位移測(cè)量、遠(yuǎn)程振動(dòng)測(cè)量或振動(dòng)頻譜測(cè)量、輪廓檢測(cè)、厚度測(cè)量、曲率測(cè)量、透明物體的厚度測(cè)量等方面，激光位移傳感器都有著無(wú)可比擬的優(yōu)勢(shì)。

據(jù)數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)通用激光位移傳感器市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)120億，且每年保持20%的增速，但99.87%的國(guó)內(nèi)市場(chǎng)被國(guó)外廠商占據(jù)，以歐美日等發(fā)達(dá)國(guó)家企業(yè)居多，如美國(guó)通用電氣、邦納、德國(guó)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(jí)以保持市場(chǎng)地位。我國(guó)工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成商雖然對(duì)該器件的認(rèn)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(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比，我國(guó)傳感器技術(shù)在科研開發(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(guó)陸續(xù)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(jī)器人國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程隨之加快。目前國(guó)內(nèi)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(zhǎng)三角地區(qū)，大型企業(yè)數(shù)量較少。代表性企業(yè)既有一定規(guī)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(xiàn)精確的光學(xué)位移測(cè)量，而工業(yè)化的激光位移傳感器一般采用激光三角測(cè)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(cè)量原理進(jìn)行精確的位移測(cè)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(cè)量。但對(duì)于特定的測(cè)量條件和測(cè)量要求，以上方法都各有缺陷。

對(duì)激光位移傳感器而言，激光三角測(cè)量法適用于高精度、短距離的測(cè)量，激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。在當(dāng)前的工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用中，通常采用三角測(cè)量法，這種方法最高線性度可達(dá)1um，分辨率可達(dá)到0.1um的水平。

激光三角法是一種由角度計(jì)算得到單點(diǎn)或多維的距離測(cè)量。通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向被測(cè)物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度及已知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)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(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回至接收器所需的時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出，即所謂的脈沖時(shí)間法測(cè)量的，最遠(yuǎn)檢測(cè)距離可達(dá)250m。

而在精確的振動(dòng)測(cè)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(chǔ)上，通過(guò)兩束相干光束I1和I2的疊加來(lái)進(jìn)行測(cè)量。疊加后的光強(qiáng)不是簡(jiǎn)單的兩束光強(qiáng)之和，而且包括一個(gè)相干調(diào)制項(xiàng)。調(diào)制項(xiàng)與兩束光之間的路徑長(zhǎng)度有關(guān)。

盡管激光三角法測(cè)量位移相對(duì)簡(jiǎn)單可靠，但其缺點(diǎn)是測(cè)量精度隨著測(cè)量距離和范圍的增大而降低，因此測(cè)量范圍受到限制。此外，還需要一定的開放空間來(lái)滿足三角法的測(cè)量需求，故無(wú)法實(shí)現(xiàn)在深溝或深孔中的應(yīng)用。 而激光回波分析法則適合于長(zhǎng)距離檢測(cè)，但測(cè)量精度相對(duì)于激光三角測(cè)量法要低。在振動(dòng)測(cè)量應(yīng)用方面，前面這兩種位移/距離測(cè)量技術(shù)的檢測(cè)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(cè)量及瞬時(shí)位移測(cè)量，但是欠缺測(cè)量絕對(duì)位移或距離的能力，且成本也相當(dāng)高。

激光傳感新方案

基于這樣的現(xiàn)狀，摯感光子依靠核心團(tuán)隊(duì)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(shì)開發(fā)了一種小型激光傳感平臺(tái)，將這兩種主流的傳感功能結(jié)合在一個(gè)光學(xué)平臺(tái)上，可實(shí)現(xiàn)位移測(cè)量和振動(dòng)測(cè)量等多種功能，在保持高精度測(cè)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(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的設(shè)計(jì)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(shù)十到數(shù)百個(gè)光學(xué)元件，包括激光器、調(diào)制器、光電探測(cè)器和濾波器，現(xiàn)已成為一種有效的解決方案，為現(xiàn)有和新興市場(chǎng)提供創(chuàng)新的光學(xué)模組。隨著現(xiàn)代制造對(duì)光學(xué)傳感器技術(shù)需求的不斷增長(zhǎng)，集成光學(xué)芯片可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，使得傳感器可以進(jìn)行更快速、更準(zhǔn)確的測(cè)量，而且成本更低。

摯感光子的小型激光傳感平臺(tái)原理圖

如傳感器平臺(tái)的原理圖所示，具有不同延遲線的光學(xué)干涉儀最先在集成光學(xué)芯片上實(shí)現(xiàn)，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(cè)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(tái)通過(guò)專有的數(shù)字信號(hào)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(cè)量等多種功能，此外還可以實(shí)現(xiàn)與常規(guī)三角法激光位移傳感器一樣的絕對(duì)位移/距離的測(cè)量， 并具有同等甚至更優(yōu)的測(cè)量精度。

激光同軸位移傳感器（左）與傳統(tǒng)的三角法激光位移傳感器（右）對(duì)比

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

據(jù)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)的非線性調(diào)頻連續(xù)波調(diào)制解調(diào)（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(cè)量范圍廣（可以測(cè)量從幾厘米到4米范圍內(nèi)的物體）、測(cè)量精度高（1米外的位移測(cè)量，重復(fù)精度通常小于0.01μm）、抗干擾性強(qiáng)（只對(duì)自身光源波長(zhǎng)敏感，可以抵抗任何環(huán)境光的干擾）、激光同軸設(shè)計(jì)（能夠測(cè)量傳統(tǒng)三角法傳感器難以測(cè)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(cè)量的距離和范圍非常廣，卻能保持與近距離測(cè)量相同的精度，這是傳統(tǒng)的三角法無(wú)法實(shí)現(xiàn)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(cè)器（封裝內(nèi)）、集成光學(xué)芯片及光學(xué)透鏡組成。光學(xué)透鏡是可調(diào)的，并可根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行更換。標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)測(cè)量距離為2米時(shí)光斑半徑為1mm左右。如果用戶需要，還可以支持準(zhǔn)直配置。例如安裝一個(gè)直徑為6.5mm的透鏡并支持準(zhǔn)直型測(cè)量，光斑半徑為3.5mm，可同時(shí)滿足用戶準(zhǔn)直測(cè)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(xiàn)三角法無(wú)法完成的深孔測(cè)量。

深孔檢測(cè)示意圖

此外，MX-G系列激光同軸振動(dòng)傳感器可實(shí)現(xiàn)納米級(jí)的遠(yuǎn)距準(zhǔn)確測(cè)振，測(cè)振頻率范圍及振幅靈敏度可與常用LDV相當(dāng)，具有光收發(fā)一體、同軸測(cè)量、安裝方便、抗干擾性強(qiáng)，不受粉塵或測(cè)量面光強(qiáng)度變化影響等特點(diǎn)，可用于喇叭振幅檢測(cè)、軸承振動(dòng)檢測(cè)、車床振動(dòng)監(jiān)測(cè)、汽車振動(dòng)檢測(cè)等方面。

振動(dòng)檢測(cè)示意圖

如文章開頭介紹，此類傳感器在測(cè)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(cè)量，而測(cè)振模式下（也是一種相位測(cè)量模式）則可以進(jìn)行剝離彎曲度的快速檢測(cè)。