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- 關(guān)于高精度激光三角位移傳感器的技術(shù)現(xiàn)狀
- 來源：賽斯維傳感器網(wǎng) 發(fā)表于 2014/8/1
摘要：三角測量法是一種傳統(tǒng)的位移測量方法，隨著激光器、光電探測器和計算機的發(fā)展，三角測量法有了很 多新的進展和應(yīng)用。對激光三角位移測量系統(tǒng)進行概述和討論。根據(jù)光線的不同人射方式激光三角位移傳感器主 要分為兩種：直人射式和斜人射式。分別介紹了這兩種方法的測量原理，并對它們各自的特點進行了比較。最后闡述了高精度激光三角位移傳感器的應(yīng)用方向及發(fā)展趨勢。
關(guān)鍵詞：三角測量法；高精度激光位移傳感器；光電探測器；非接觸測量
引 言
三角測量法是一種位移測量方法，其最大優(yōu)點 是非接觸性測量。隨著激光器的誕生及新的光電掃 描技術(shù)與陣列型光電探測器的發(fā)展，計算機控制與 數(shù)據(jù)處理使這種傳統(tǒng)的方法有了很多新的進展和應(yīng)用。
1 激光三角位移測置法的分類及原理
最簡單的三角位移測量系統(tǒng)是從光源發(fā)射一束光到被測物體表面，在另一方向通過成像觀察反 射光點的位置，從而計算出物點的位移。由于入射 和反射光構(gòu)成一個三角形，所以這種方法被稱為三 角測量法，又可按入射光線與被測工件表面法線的 關(guān)系分為直射式和斜射式。
直射式三角法測量等效光路如圖1所示。激光 器發(fā)出的光線，經(jīng)會聚透鏡聚焦后垂直入射到被測 物體表面上，物體移動或表面變化導(dǎo)致入射光點沿 人射光軸移動。接收透鏡接收來自入射光點處的散 射光，并將其成像在光點位置探測器(如PSD、CCD)敏感面上。但由于傳感器激光光束與被測面垂 直，因此只有一個準(zhǔn)確的調(diào)焦位置，其余位置的像都處于不同程度的離焦?fàn)顟B(tài)。離焦將引起像點的彌 散，從而降低了系統(tǒng)的測量精度。為了提高精度，和必須滿足Scheimpflug條件，即
式中，為橫向放大率。此時一定景深范圍內(nèi)的被測點都能正焦成像在探測器上，從而保證了精度。
圖1直射式光路圖
若光點在成像面上的位移為x，利用相似三角 形各邊之間的比例關(guān)系，按下式可求出被測面的位移：
式中，a為激光束光軸和接收光軸的交點到接收 透鏡前主面的距離；6為接收透鏡后主面到成像 面中心點的距離；a為激光束光軸與接收透鏡光軸之間的夾角，•氏為探測器與接收透鏡光軸之間的夾角。
1.2 斜射式
圖2為斜射式三角測量原理圖。激光器發(fā)出的光與被測面的法線方向成一定角度入射到被測面 上，同樣用接收透鏡接收光點在被測面的散射光或 反射光。此時應(yīng)滿足的Scheimpflug條件為
若光點的像在探測器敏感面上移動I'，利用相 似三角形的比例關(guān)系，則物體表面沿法線方向的移動距離為
式中，A為激光束光軸與被測面法線之間的夾角； A為成像透鏡光軸與被測面法線之間的夾角；A 為探測器光軸與成像透鏡光軸之間的夾角。
當(dāng)&為0°時，此時為斜射直接收式，如圖3 所示。光點移動Y時，被測面沿法線方向移動的距離為
式中各個參數(shù)的含義與圖2所示相同，它屬于斜射式傳感器的一個特例。
圖3斜入射直接收式光路圖
2 兩種三角位移傳感器特性的比較
基于三角測量法的傳感器稱為激光三角位移傳感器，具體可分為直射式激光三角位移傳感器和 斜射式激光三角位移傳感器。這兩種傳感器都可以 對被測面進行高精度、高速度的非接觸測量，但比 較起來有以下幾點區(qū)別:
(1)斜射式可接收來自被測物體的正反射光，
比較適合測量表面接近鏡面的物體。直射式由于其 接收散射光的特點，適合于測量散射性能好的表 面，如果表面較為平滑，則可能由于耦合到光電探 測器的散射光強過弱，使測量無法進行，也就是說 可能存在測量盲區(qū)。
(2)在被測物體表面發(fā)生如圖3所示位移X 時，斜射式人射光光點照射在物體不同的點上，因 此無法直接知道被測物體某點的位移情況，而直射 式可以。當(dāng)然，斜射式也可以通過標(biāo)定的方法得出位移。
(3)直射式的優(yōu)點是光斑較小，光強集中，不 會因被測面不垂直而擴大光斑，而且一般體積較 小。斜射式傳感器分辨率高于直射式，但它的測量 范圍較小，體積較大。斜人射直接收式傳感器的體 積和直人射式相當(dāng)，并且分辨率高于直射式，因此 較為常用。
通常用超小型、高效率、結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜的 半導(dǎo)體激光器作為光源，光電探測器可以采用陣列 光電探測器CCD或非陣列半導(dǎo)體光電探測器 PSD。在具體的應(yīng)用中，應(yīng)該根據(jù)實際情況，如被測 面的粗糙度、工作距離、測量范圍、安裝位置、精度 要求等來決定選擇哪種類型。
3 應(yīng)用方向與發(fā)展趨勢
目前國內(nèi)外有很多公司都有這方面的產(chǎn)品，直射式有Keyence生產(chǎn)的LC系列和LB系列，德國 Micro-Epsilon 公司的 optoNCDT系列，美國MTI 公司的MicroTRAK系列等多種型號；斜射式激光 位移傳感器有日本Keyence公司的LD系列。表1 列出了目前市場上常見的幾種激光三角位移傳感 器的技術(shù)指標(biāo)。
表1激光三角位移傳感器的技術(shù)指標(biāo)
高精度激光三角位移傳感器常見的應(yīng)用有以下4個方面：
(1)振動、偏移、間隙、振蕩、經(jīng)向振擺、厚度;
(2)彎曲、變形、平整度、斜度；
(3)尺寸、公差、分選、另件分選；
(4)生產(chǎn)過程質(zhì)量控制和尺寸檢驗。
這只是無數(shù)應(yīng)用中一些基本的應(yīng)用。已經(jīng)研究的另一些更復(fù)雜的形貌測量技術(shù)，包括Moire輪廓 術(shù)、Fouriei•變換輪廓術(shù)、相位測量輪廓術(shù)等也最終 歸結(jié)于三角測量法，只不過在不同的測量技術(shù)中采 用不同的方式從觀察光場中提取三角計算中所需的幾何參數(shù)。
由于三角位移傳感器屬于非接觸測量，因此對 被測材料無特殊要求，既可測金屬材料，也可測非 金屬及柔軟材料[7]，并且還可測量易污染、易磨損 的材料[8]。在惡劣環(huán)境下也可進行測量。大量研究 表明，光學(xué)三角法更適于加工表面粗糙度的非接觸 測量。
基于三角測量法的雙三角測量法，可以進行靜 態(tài)三維測量。它采用兩個光電探測器，目標(biāo)點 分別在成一定角度的兩個探測器上成像，這樣就可 以得到目標(biāo)點的空間坐標(biāo)[11]。
由三角測量法的原理可知三角位移測量是采 用激光光點作為探頭[12]，且為非接觸測量，測量速 度快，加之計算機在測量中的應(yīng)用，使得激光三角 位移傳感器在動態(tài)掃描測量[13]方面也有長足的發(fā) 展。動態(tài)掃描測量是把激光擴束成多線光投射到被 測表面上，用光電探測器采集物體表面漫反射光， 然后轉(zhuǎn)變成電信號輸人計算機，利用三角幾何量之 間的關(guān)系，得出物體表面的三維坐標(biāo)，實現(xiàn)對被測 面的動態(tài)掃描測量。
隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，激光位移傳感器將向著 高速度、高精度、多功能、多參數(shù)、小尺寸的方向發(fā) 展。它將在機器視覺、自動加工、工業(yè)在線檢測、產(chǎn) 品質(zhì)量控制、實物仿形、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有重要 的意義和廣闊的應(yīng)用前景。（作者：馮俊艷，馮其波，匡萃方）
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