激光位移传感器课件.ppt

1 1激光位移传感器—CD5系列郑耀涛2 2一、激光位移一、激光位移传感器感器简介介￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿激光位移激光位移激光位移激光位移传传感器可精确非接触感器可精确非接触感器可精确非接触感器可精确非接触测测量被量被量被量被测测物物物物体的位置、位移等体的位置、位移等体的位置、位移等体的位置、位移等变变化，主要化，主要化，主要化，主要应应用于用于用于用于检测检测物体的位物体的位物体的位物体的位移、厚度、振移、厚度、振移、厚度、振移、厚度、振动动、距离、直径等几何量距离、直径等几何量距离、直径等几何量距离、直径等几何量 激光位移激光位移激光位移激光位移传传感器是利用激光的高方向性、高感器是利用激光的高方向性、高感器是利用激光的高方向性、高感器是利用激光的高方向性、高单单色性和高亮度等特点色性和高亮度等特点色性和高亮度等特点色性和高亮度等特点实现实现无接触无接触无接触无接触测测量激光位移量激光位移量激光位移量激光位移传传感器就是利用激光的感器就是利用激光的感器就是利用激光的感器就是利用激光的这这些些些些优优点制成的新型点制成的新型点制成的新型点制成的新型测测量量量量仪仪表，表，表，表，它的出它的出它的出它的出现现，使位移，使位移，使位移，使位移测测量的精度、可靠性得到极大的量的精度、可靠性得到极大的量的精度、可靠性得到极大的量的精度、可靠性得到极大的提高，也提高，也提高，也提高，也为为非接触位移非接触位移非接触位移非接触位移测测量提供了有效的量提供了有效的量提供了有效的量提供了有效的测测量方法。

量方法3 3二、激光位移二、激光位移传感器感器测量原理量原理￿ ￿1.激激光光三三角角法法测量原理量原理 半导体激光器半导体激光器半导体激光器半导体激光器1 1被镜片被镜片被镜片被镜片2 2聚焦到聚焦到聚焦到聚焦到被测物体被测物体被测物体被测物体6 6反射光被镜片反射光被镜片反射光被镜片反射光被镜片3 3收集，收集，收集，收集，投射到投射到投射到投射到CCDCCD阵列阵列阵列阵列4 4上上上上; ;信号处理器信号处理器信号处理器信号处理器5 5通过三角函数计算阵列通过三角函数计算阵列通过三角函数计算阵列通过三角函数计算阵列4 4上的光点位上的光点位上的光点位上的光点位置得到距物体的距离置得到距物体的距离置得到距物体的距离置得到距物体的距离 激光发射器通过镜头将可见红激光发射器通过镜头将可见红激光发射器通过镜头将可见红激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射色激光射向物体表面，经物体反射色激光射向物体表面，经物体反射色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的的激光通过接受器镜头，被内部的的激光通过接受器镜头，被内部的的激光通过接受器镜头，被内部的CCDCCD线性相机接受，根据不同的距线性相机接受，根据不同的距线性相机接受，根据不同的距线性相机接受，根据不同的距离，离，离，离，CCDCCD线性相机可以在不同的角线性相机可以在不同的角线性相机可以在不同的角线性相机可以在不同的角度下度下度下度下“ “看见看见看见看见” ”这个光点。

这个光点这个光点这个光点4 4二、激光位移二、激光位移传感器感器测量原理量原理 根据这个角度即得知激光和相根据这个角度即得知激光和相根据这个角度即得知激光和相根据这个角度即得知激光和相机之间的距离，数字信号处理器机之间的距离，数字信号处理器机之间的距离，数字信号处理器机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间就能计算出传感器和被测物之间就能计算出传感器和被测物之间就能计算出传感器和被测物之间的距离 同时，光束在接收元件的位置同时，光束在接收元件的位置同时，光束在接收元件的位置同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通通过模拟和数字电路处理，并通通过模拟和数字电路处理，并通通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的过微处理器分析，计算出相应的过微处理器分析，计算出相应的过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量输出值，并在用户设定的模拟量输出值，并在用户设定的模拟量输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信窗口内，按比例输出标准数据信窗口内，按比例输出标准数据信窗口内，按比例输出标准数据信号。

如果使用开关量输出，则在号如果使用开关量输出，则在号如果使用开关量输出，则在号如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截设定的窗口内导通，窗口之外截设定的窗口内导通，窗口之外截设定的窗口内导通，窗口之外截止另外，模拟量与开关量输出止另外，模拟量与开关量输出止另外，模拟量与开关量输出止另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口可设置独立检测窗口可设置独立检测窗口可设置独立检测窗口5 5二、激光位移二、激光位移传感器感器测量原理量原理 激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可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收器等部分组成收器等部分组成。

收器等部分组成2.激光回波分析法测量原理6 6二、激光位移二、激光位移传感器感器测量原理量原理 激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个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接收器所需时间，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7 7三、三、CD5系列激光位移系列激光位移传感器感器简介介1.1.最长工作距离最长工作距离最长工作距离最长工作距离 2000mm2000mm2.2.最高线性度最高线性度最高线性度最高线性度 0.05%0.05%3.3.最大量程最大量程最大量程最大量程 1000mm1000mm4.4.满量程最高采样满量程最高采样满量程最高采样满量程最高采样 10KHZ10KHZ8 8三、三、CD5系列激光位移系列激光位移传感器感器简介介5.5.各种不同各种不同各种不同各种不同CD5CD5系列位移传感器及参数系列位移传感器及参数系列位移传感器及参数系列位移传感器及参数9 9三、三、CD5系列激光位移系列激光位移传感器感器简介介1010四、激光位移四、激光位移传感器感器应用用1.1.测测旋旋旋旋转转体跳体跳体跳体跳动动2.2.仿生肌肉形仿生肌肉形仿生肌肉形仿生肌肉形变变3.3.冲冲冲冲击试验击试验4.4.材料材料材料材料变变形形形形1111四、激光位移四、激光位移传感器感器应用用5.5.板材厚度板材厚度板材厚度板材厚度6.6.机械臂定位机械臂定位机械臂定位机械臂定位7.7.振振振振动动台台台台试验试验8.8.磨磨磨磨损损量量量量测测量量量量9.9.铁铁路路路路检测检测10.10.涂胶厚度涂胶厚度涂胶厚度涂胶厚度11.11.形状形状形状形状测测量量量量1212四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题1.1.激光位移激光位移激光位移激光位移传传感器中接收器件感器中接收器件感器中接收器件感器中接收器件PSDPSD和和和和CCDCCD对对比比比比 PSD以进入光线元件的整个光点分布来决定光点的中心，并以此作为目标物体的位置。

CCD则会对每个像素点检测光点的光量分布之峰值，并将其识别为目标物体的位置因此，CCD可以不管光点的光量分布，而提供稳定且高精度的位移测量1313四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题2.2.激光位移激光位移激光位移激光位移传传感器中各角度感器中各角度感器中各角度感器中各角度问题问题 如图，α为垂直线与接收透镜光轴的夹角,β为接收透镜光轴与光点检测器之间的夹角θ为接收透镜光学系统的横向放大率应满足Scheimpfly条件： tan α = θ tan βα一般取30度到60度β一般取30度到50度1414四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题￿￿￿￿￿￿￿￿接收透接收透镜与光与光点点检测器所器所组成的成的整形系整形系统中，作用中，作用是将激光器是将激光器发出的出的光束光束汇聚在工作范聚在工作范围内，使内，使汇聚的光聚的光斑尽量小而均匀斑尽量小而均匀一般接收透一般接收透镜选用用柱面柱面镜或者非球面或者非球面镜 α越小，成像透越小，成像透镜接收到的散射光接收到的散射光强度越大，但角度度越大，但角度过小小对探探测器分辨器分辨率要求及制作工率要求及制作工艺上都有上都有较高高难度，度，要要综合考合考虑选取的取的α值。

1515四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题3.3.激光位移激光位移激光位移激光位移传传感器在感器在感器在感器在测测量厚度中的方法及量厚度中的方法及量厚度中的方法及量厚度中的方法及应该应该注意的注意的注意的注意的问题问题 方法1：在激光探头的检测过程，先扫描标准块，将上下表面标定为零点基准面，再用激光探头测量出板材厚度与标准样块(量块)的差值，该差值信号由传感器的扩展模块(控制器)采集后，通过和差运算，得到板材厚度的绝对值1616四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿和其它和其它和其它和其它传传感器感器感器感器测测厚一厚一厚一厚一样样，要，要，要，要实实现现精密精密精密精密测测厚需要注意以下条件，否厚需要注意以下条件，否厚需要注意以下条件，否厚需要注意以下条件，否则则再好的再好的再好的再好的传传感器也感器也感器也感器也测测不准保证测证测量准确性的条件是：两个量准确性的条件是：两个量准确性的条件是：两个量准确性的条件是：两个传传感器感器感器感器发发射光束必射光束必射光束必射光束必须须同同同同轴轴，以及两个，以及两个，以及两个，以及两个传传感器感器感器感器扫扫描必描必描必描必须须同步。

同同步同轴轴是靠安装是靠安装是靠安装是靠安装实现实现，，，，而同步要靠而同步要靠而同步要靠而同步要靠选择选择有同步端激光有同步端激光有同步端激光有同步端激光传传感感感感器安装使两个激光同器安装使两个激光同器安装使两个激光同器安装使两个激光同轴轴，不但确，不但确，不但确，不但确保被保被保被保被测测体同一位置上的厚度，同体同一位置上的厚度，同体同一位置上的厚度，同体同一位置上的厚度，同时时降低了被降低了被降低了被降低了被测测体体体体倾倾斜斜斜斜带带来的来的来的来的误误差精密密密密测测厚，厚，厚，厚，选选精密激光位移精密激光位移精密激光位移精密激光位移传传感器很感器很感器很感器很重要，但如果两个重要，但如果两个重要，但如果两个重要，但如果两个传传感器不能同步感器不能同步感器不能同步感器不能同步工作，安装不同工作，安装不同工作，安装不同工作，安装不同轴轴，，，，则则根本根本根本根本测测不准不准不准不准1717四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题方法方法方法方法2 2：：：：CD5CD5系列系列系列系列测测量透明物体厚度量透明物体厚度量透明物体厚度量透明物体厚度￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿￿无需无需无需无需连连接控制器即可独立接控制器即可独立接控制器即可独立接控制器即可独立检测检测玻璃的表面并玻璃的表面并玻璃的表面并玻璃的表面并测测量其厚度量其厚度量其厚度量其厚度1818四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题4.4.激光位移激光位移激光位移激光位移传传感器感器感器感器测头测头的的的的选择选择直射式：接收散射直射式：接收散射直射式：接收散射直射式：接收散射及漫反射光，用于及漫反射光，用于及漫反射光，用于及漫反射光，用于表面粗糙度不太高表面粗糙度不太高表面粗糙度不太高表面粗糙度不太高的物体。

的物体1919四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题斜射式：接收正反射斜射式：接收正反射斜射式：接收正反射斜射式：接收正反射光，用于表面粗糙度光，用于表面粗糙度光，用于表面粗糙度光，用于表面粗糙度近于近于近于近于镜镜面的被面的被面的被面的被测测物2020四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题5.5.激光位移激光位移激光位移激光位移传传感器中激光感器中激光感器中激光感器中激光强强度度度度对测对测量的影响量的影响量的影响量的影响 三角测量是对激光器出射光束打在被测面形成光斑的散射光强就行感知，如果激光光束质量不高，会使散射光斑的信号强度分布出现毛刺，多峰和中心偏离等现象，使探测器上的实际成像中心与理论中心偏离，这就造成了测量误差；若激光信号太强或太弱，都会使散射光斑的光强超过探测器的感知范围，将会造成接收不到数据 CCD采用实时自动补偿光技术，使CCD接收信号维持在一个稳定的范围内保证信号中心不受光强变化影响，从而确保其能够准确反映被测物体位移变化，来适应不同情况被测面2121四、激光位移四、激光位移传感器感器应注意的注意的问题5.5.激光位移激光位移激光位移激光位移传传感器中光束直径大小感器中光束直径大小感器中光束直径大小感器中光束直径大小对测对测量的影响量的影响量的影响量的影响 如果光束直径过大，散射光斑受到被测物体表面特性影响大，将造成散射光斑光能质心与光斑几何中心不重合。

如果光束直径太小，则散射光相当于反射光来讲，散射光能量分布太弱，光点探测器件将检测不到信号6.6.激光位移激光位移激光位移激光位移传传感器被感器被感器被感器被测测面面面面颜颜色色色色对测对测量的影响量的影响量的影响量的影响 激光器出射为接近红外部分的红色半导体激光器时，被测体表面为红色时，精度最高；为绿色时，误差偏大；为黑色时，误差最大这是因为黑色物体吸收光能最多，散射光斑强最弱，位置探测器得到的光能很少，引起较大的非线性误差2222五、五、总结 激光有直线度好的优良特性，同样激光位移传感器相对于我们已知的超声波传感器有更高的精度，激光位移传感器是目前精准度最高的位移传感器但是，激光的产生装置相对比较复杂且体积较大，因此会对激光位移传感器的应用范围要求较苛刻，这些都极大的限制了激光位移传感器的应用范围随着技术的不断进步，相信激光位移传感器的应用范围将更加广阔2323。