激光位移傳感技術(shù)是啥，看完下文你就懂了

　　當前，世界上主要的工業(yè)大國都在進行產(chǎn)業(yè)升級，而現(xiàn)代工業(yè)的升級與激光技術(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)還在精確實時測量方面有著重要應(yīng)用，為電子產(chǎn)品尺寸、透明元器件曲率、汽車飛機等大型三維物體的振動頻譜、軸承同心度、偏心度及振動等提供精準測量，大大提高了產(chǎn)品產(chǎn)量和生產(chǎn)效率。

　　采用激光測量技術(shù)的手機玻璃曲率檢測示意圖

　　要實現(xiàn)激光精確實時測量在工業(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)是一個傳感器驅(qū)動的世界，幾乎在所有的制造過程中，精確的實時測量在很大程度上依賴于傳感器。在引入光學技術(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)測量方式相比，光學測量傳感器，尤其是激光測量傳感器因其非接觸且快速測量的能力在工業(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現(xiàn)狀

　　激光位移傳感器常用于長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量，還可用于探傷和大氣污染物的監(jiān)測等。通過激光位移傳感器測量金屬薄片(薄板)的厚度變化，可以幫助發(fā)現(xiàn)皺紋、小洞或者重疊，避免機器發(fā)生故障;而在微小零件的位置識別、傳送帶上有無零件的監(jiān)測、機械手位置(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)線的高效運轉(zhuǎn);在灌裝產(chǎn)品線上，可利用激光束反射表面的擴展程序來精確的識別灌裝產(chǎn)品填充是否合格，在監(jiān)測數(shù)量的同時也能保證灌裝質(zhì)量。此外，在絕對距離測量、相對位移測量、遠程振動測量或振動頻譜測量、輪廓檢測、厚度測量、曲率測量、透明物體的厚度測量等方面，激光位移傳感器都有著無可比擬的優(yōu)勢。

　　據(jù)數(shù)據(jù)顯示，國內(nèi)通用激光位移傳感器市場規(guī)模已達120億，且每年保持20%的增速，但99.87%的國內(nèi)市場被國外廠商占據(jù)，以歐美日等發(fā)達國家企業(yè)居多，如美國通用電氣、邦納、德國西克、日本基恩士等等。這些企業(yè)不斷通過技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品升級以保持市場地位。我國工業(yè)自動化系統(tǒng)集成商雖然對該器件的認知率超過95%以上，但由于價格昂貴、適配困難等原因，實際使用率不足10%。

　　與國外先進企業(yè)相比，我國傳感器技術(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。但近年來我國陸續(xù)制定有利于傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并建立了多個傳感技術(shù)、機器人國家重點實驗室，同時也有千余家企業(yè)選擇從事傳感器的生產(chǎn)和研發(fā)，國內(nèi)傳感器產(chǎn)業(yè)化進程隨之加快。目前國內(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、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集成光學技術(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)能實現(xiàn)精確的光學位移測量，而工業(yè)化的激光位移傳感器一般采用激光三角測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量原理進行精確的位移測量。此外，激光位移傳感器也被用來進行非接觸振動測量。但對于特定的測量條件和測量要求，以上方法都各有缺陷。

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

　　激光三角法是一種由角度計算得到單點或多維的距離測量。通過鏡頭將可見紅色激光射向被測物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過接收器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機接收，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據(jù)這個角度及已知的激光和相機之間的距離，數(shù)字信號處理器就能計算出傳感器和被測物體之間的距離。

　　回波分析法則是通過激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬個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間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結(jié)果進行的平均輸出，即所謂的脈沖時間法測量的，最遠檢測距離可達250m。

　　而在精確的振動測量方面，常用的激光多普勒振動儀(LDV)的工作原理是在光學干涉的基礎(chǔ)上，通過兩束相干光束I1和I2的疊加來進行測量。疊加后的光強不是簡單的兩束光強之和，而且包括一個相干調(diào)制項。調(diào)制項與兩束光之間的路徑長度有關(guān)。

　　盡管激光三角法測量位移相對簡單可靠，但其缺點是測量精度隨著測量距離和范圍的增大而降低，因此測量范圍受到限制。此外，還需要一定的開放空間來滿足三角法的測量需求，故無法實現(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距離檢測，但測量精度相對于激光三角測量法要低。在振動測量應(yīng)用方面，前面這兩種位移/距離測量技術(shù)的檢測能力(頻率范圍/振動量范圍/精度)比較有限。而LDV雖可進行非常精確的振動測量及瞬時位移測量，但是欠缺測量絕對位移或距離的能力，且成本也相當高。

　　激光傳感新方案

　　基于這樣的現(xiàn)狀，摯感光子依靠核心團隊在光電通信領(lǐng)域的深厚技術(shù)積累，利用集成光學芯片技術(shù)的優(yōu)勢開發(fā)了一種小型激光傳感平臺，將這兩種主流的傳感功能結(jié)合在一個光學平臺上，可實現(xiàn)位移測量和振動測量等多種功能，在保持高精度測量的同時還極大降低了模塊尺寸和成本。

　　目前光學元器件通常體積大且價格昂貴，并且在與其他電子元器件的連接過程需要定制精確的裝配流程。而光學元件集成化可以使其在低成本的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)更復雜的設(shè)計和更多的功能。集成光學芯片可以在一個單一的光學基底上包含數(shù)十到數(shù)百個光學元件，包括激光器、調(diào)制器、光電探測器和濾波器，現(xiàn)已成為一種有效的解決方案，為現(xiàn)有和新興市場提供創(chuàng)新的光學模組。隨著現(xiàn)代制造對光學傳感器技術(shù)需求的不斷增長，集成光學芯片可以簡化系統(tǒng)設(shè)計，使得傳感器可以進行更快速、更準確的測量，而且成本更低。

　　摯感光子的小型激光傳感平臺原理圖

　　如傳感器平臺的原理圖所示，具有不同延遲線的光學干涉儀最先在集成光學芯片上實現(xiàn)，并通過一個一體化封裝將集成光學芯片、激光二極管、探測器陣列和光學透鏡組成一個小型化激光傳感模組。摯感光子自主研發(fā)的激光傳感平臺通過專有的數(shù)字信號處理(DSP)算法，可提供LDV技術(shù)中的瞬時位移、振動和光學相位測量等多種功能，此外還可以實現(xiàn)與常規(guī)三角法激光位移傳感器一樣的絕對位移/距離的測量， 并具有同等甚至更優(yōu)的測量精度。

　　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)對比

　　基于這一結(jié)合了瞬時位移、振動、光學相位測量和絕對位移/距離的測量的小型化激光傳感平臺，摯感光子還研發(fā)了一系列的激光傳感模塊(見圖)。

　　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)、動態(tài)測量范圍廣(可以測量從幾厘米到4米范圍內(nèi)的物體)、測量精度高(1米外的位移測量，重復精度通常小于0.01μm)、抗干擾性強(只對自身光源波長敏感，可以抵抗任何環(huán)境光的干擾)、激光同軸設(shè)計(能夠測量傳統(tǒng)三角法傳感器難以測量的物體，如盲孔)、敏感度高等優(yōu)點。MX-G系列傳感器可測量的距離和范圍非常廣，卻能保持與近距離測量相同的精度，這是傳統(tǒng)的三角法無法實現(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、光電探測器(封裝內(nèi))、集成光學芯片及光學透鏡組成。光學透鏡是可調(diào)的，并可根據(jù)不同的應(yīng)用進行更換。標準配置的鏡片(直徑8.5mm)適用于150mm的聚焦光束，光斑半徑為0.05mm，當測量距離為2米時光斑半徑為1mm左右。如果用戶需要，還可以支持準直配置。例如安裝一個直徑為6.5mm的透鏡并支持準直型測量，光斑半徑為3.5mm，可同時滿足用戶準直測量和較小光斑的需求。尤為突出的一點是，這種技術(shù)能實現(xiàn)三角法無法完成的深孔測量。

　　深孔檢測示意圖

　　此外，MX-G系列激光同軸振動傳感器可實現(xiàn)納米級的遠距準確測振，測振頻率范圍及振幅靈敏度可與常用LDV相當，具有光收發(fā)一體、同軸測量、安裝方便、抗干擾性強，不受粉塵或測量面光強度變化影響等特點，可用于喇叭振幅檢測、軸承振動檢測、車床振動監(jiān)測、汽車振動檢測等方面。

　　振動檢測示意圖

　　如文章開頭介紹，此類傳感器在測位移模式下可以直接進行透明物體(如薄膜，玻璃板或玻璃鏡頭)厚度的測量，而測振模式下(也是一種相位測量模式)則可以進行剝離彎曲度的快速檢測。可以說，摯感光子的新型傳感技術(shù)和傳感平臺代表了我國在工業(yè)級激光傳感器技術(shù)方面的一個創(chuàng)新力。具體的技術(shù)細節(jié)可通過他們的官網(wǎng)去了解。

　　資本涌入 前景廣闊

　　總體而言，我國傳感器技術(shù)相對落后，但近年來我國陸續(xù)制定有利于傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展的政策，并建立了多個傳感技術(shù)、機器人國家重點實驗室。此外資本市場(包括政府的基金) 也加大了對激光傳感行業(yè)的投入，良好的政策土壤與資本關(guān)注將為傳感器企業(yè)帶來良好的生存環(huán)境。

　　在未來，以激光位移傳感器為代表的的各類激光傳感器需求總體將保持快速增長的態(tài)勢，而隨著國內(nèi)各項鼓勵政策的落實，激光技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新進步和激光位移傳感器產(chǎn)品性能的不斷提升，我國激光位移傳感器的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用將很快成為現(xiàn)實。