雷射三角測量感測器的原理與應用

雷射三角測量感測器可根據其性能和預期用途分為兩類。高解析度雷射通常用於位移和位置監測應用，需要高精度、穩定性和低溫度漂移。這些雷射感測器經常用於製程監測和閉環回饋控制系統。接近型雷射三角測量感測器成本較低，通常用於檢測零件存在或用於計數應用。

雷射三角測量感測器應用

位置感測

一般定位是雷射三角測量感測器最常見的應用。其快速、高度線性的響應使其非常適合靜態和主動回饋定位應用。大的工作距離和測量範圍為製程和品質控制監測提供了靈活性。典型應用包括：

• 路面和混凝土道路剖面
• 鐵軌對準
• 機器人定位
• 焊接頭位置

積體電路上的引腳位置和間距

機器人和定位系統的閉環控制

動態量測

非接觸式雷射三角測量感測器非常適合測量移動目標，因為它們具有高頻響應，且不會因增加質量而阻尼目標運動。我們的雷射感測器設計採用40 kHz採樣頻率和真正的20 kHz頻率響應，非常適合高速應用，如：

• 主軸跳動分析
• 壓電特性測試
• 超音波振動測量
• 在線製程監測

罐裝工業真空密封完整性

各種材料的表面輪廓

厚度和尺寸測量

在線生產厚度測量傳統上使用直接接觸式測量系統。感測器（如LVDT）定位在被測材料上方和下方以追蹤表面位置。感測器輸出通過軟體或求和設備組合，從而確定厚度。不幸的是，接觸式方法會造成測量問題。不僅可能損壞被測材料，還會發生感測器磨損。此外，接觸式感測器速度慢，可能無法正確追蹤可能移動或振動的目標，使我們的雷射系統非常適合這些應用。

如果材料的一側可以固定在參考平面上，則可進行單側厚度測量，但為獲得最佳結果，建議進行雙側測量。這是因為雙側方法可消除材料移動或振動可能引入的任何誤差。我們的雙感測器方法同步兩個感測器的數據採樣，確保正確的厚度讀數。此類系統提供模擬（0-10V）、（4-20 ma）和數位輸出（RS-485二進位格式）。兩者都可用於提供厚度結果，但如需高頻（>100Hz）厚度，模擬輸出是首選。

成功應用包括：

• 木材厚度製程監測
• 混凝土塊製造品質控制
• 滾輪間距
• 剎車盤厚度

片材和網狀材料厚度

採用雷射三角測量感測技術的產品

ProTrak™ 2D 3D

ProTrakTM 2D 3D雷射感測器系列非常適合金屬或塑料焊接、3D材料檢測、元件對準、輪胎深度等品質控制和生產應用。角度測量

Microtrak™ 3

Microtrak™ 3 的高解析度、高速雷射位移感測器（非接觸式線性位移感測器）採用最新的CMOS感測器技術，可應對最困難的測量應用。

Microtrak™ 4

Microtrak™ 4 是測量高度、厚度、位移、振動等的最佳雷射感測器。它通過單一USB電纜提供數據輸出和電源。

優勢

• 能夠解析低於一微米的測量，成本僅為其他高性能技術的一小部分
• 具有大測量範圍，可滿足各種應用需求
• 大的工作距離，提供足夠的間距以減少接觸移動目標可能造成的損壞

雷射三角測量感測器的工作原理

雷射三角測量感測器包含固態雷射光源和PSD或CMOS/CCD檢測器。雷射光束投射到被測目標上，部分光束通過聚焦光學系統反射到檢測器上。當目標移動時，雷射光束在檢測器上按比例移動。

檢測器的信號用於確定與目標的相對距離。這些信息通常可通過模擬輸出、數字（二進制）接口或數字顯示進行處理。

雷射三角測量原理

CMOS/CCD和PSD感測器的差異

CMOS和CCD類型感測器通過檢測感測器像素陣列上的光量峰值分佈來識別目標位置，而PSD類型感測器則根據整個反射點在陣列上計算光束質心。因此，PSD類型感測器更容易受到表面條件變化引起的虛假反射的影響，這可能會降低其精度。然而，在測量理想的啞光表面或鏡面目標時，其分辨率是無與倫比的。CCD和CMOS系統通常在更多種類的表面上更準確，因為它們只使用反射光束中電荷最高的像素來計算位置。較低電荷的像素通常是由表面變化的光學特性引起的不需要的反射所激發，並且可以在信號處理過程中輕鬆忽略。這使它們可以用於更廣泛的應用。圖2顯示了CMOS和PSD技術之間的信號分佈差異，突出了PSD類型感測器可能存在的精度問題。

PSD類型雷射感測器誘發的潛在誤差

雷射三角測量感測器的特性

非接觸

雷射位移感測器在設計上是非接觸的。也就是說，它們能夠精確地測量物體的位置或位移，而無需接觸它。因此，被測物體不會被變形或損壞，且目標運動不會被阻尼。此外，由於感測器不需要與物體保持接觸，雷射位移感測器可以測量高頻運動，使其非常適合振動測量或高速生產線應用。

範圍/工作距離

雷射三角測量系統有一個理想的工作點，有時稱為工作距離。在這一點上，雷射處於最清晰的焦點，反射點位於檢測器的中心。當目標移動時，光點將移向檢測器的末端，從而允許在特定範圍內進行測量。感測器的範圍和工作距離都由其光學設計決定。在工作距離處可獲得最佳性能，因為光點在焦點處最小，並高度集中在檢測器上。偵測演算法可以校正在略微失焦時造成的任何不準確性，大多數製造商都會在完整的測量範圍內指定性能。

對於給定長度的偵測器，較小的接受角度可提供更大的測量範圍和工作距離。較大的角度則相反，但由於光學槓桿作用，可以獲得更高的靈敏度。

這個簡化的圖表可視覺化兩種不同接受角度感測器之間的差異

靈敏度

在測量系統中，靈敏度通常定義為每單位測量的位移量，通常以微米/毫伏特表示。靈敏度越高（用較低的數字表示），在大多數情況下越好，因為可以獲得更高的解析度。為了達到最高的靈敏度，理想情況是讓雷射光束在應用測量範圍內橫跨整個偵測器長度。靈敏度由感測器輸出響應的斜率決定。

圖表中展示了兩個具有不同靈敏度的感測器的輸出。請注意，每條曲線的斜率代表各自的靈敏度係數，曲線A的靈敏度是曲線B的兩倍。

解析度

雷射位移感測器的解析度定義為可靠測量的最小距離變化。當設計得當時，雷射三角測量感測器可提供極高的解析度和穩定性，常常接近昂貴且複雜的雷射干涉儀系統。由於能夠檢測如此微小的運動，它們已成功應用於許多要求嚴格的高精度測量領域。

決定解析度的主要因素是系統的電子雜訊。如果感測器與目標之間的距離保持恆定，輸出仍會因系統的白雜訊而略微波動。假設在沒有外部信號處理的情況下，無法檢測到小於儀器隨機雜訊的輸出變化。因此，大多數解析度值是基於雜訊的峰峰值呈現，可以用特定公式表示：

解析度 = 靈敏度 × 雜訊

根據公式，對於固定的靈敏度，解析度完全取決於系統的雜訊。雜訊越低，解析度越好。

雜訊量取決於系統的頻寬。這是因為雜訊通常在廣泛的頻率範圍內隨機分佈，通過濾波限制頻寬可以去除一些不需要的高頻波動。

我們的雷射感測器還提供數位格式的位移值。數位輸出解析度的計算方法是將位移範圍除以處理器位元率。例如，具有2000微米範圍的感測器在16位系統中的解析度為2000/2E16，即0.03微米。如果使用12位轉換器，解析度將惡化為2000/2E12，即0.5微米。

下圖顯示了兩個具有不同低通濾波器的相同系統的輸出差異。我們所有的雷射三角測量系統都具有可軟體調整的低通濾波器，便於現場調整。

20kHz低通濾波器的放大器輸出雜訊

100Hz低通濾波器的放大器輸出雜訊

頻寬

系統的頻寬或截止頻率通常定義為輸出被-3dB衰減的點。這大約等於實際值的30%電壓降。換句話說，如果目標以1mm的振幅在5kHz頻率振動，而雷射感測器的頻寬設定為5 kHz，實際輸出將是1mm × 70% = 0.70mm。因此，將系統的頻率響應設定高於預期的目標運動是很重要的。我們所有的雷射感測器都有可調節的濾波器設置。應為應用選擇適當的濾波器，以防止輸出衰減。我們的應用工程師可以協助選擇適當的濾波器設置。

空間解析度

在進行測量時，雷射感測器提供的距離大致等於雷射點內的平均表面位置。它們無法準確檢測小於點大小的特徵位置，但可以重複測量粗糙表面。因此，雷射點應始終比您要測量的最小特徵小約25%。較小的點可以區分物體上更小的特徵。

線性度

在理想世界中，任何感測器的輸出都將完全線性，並且在任何點都不會偏離直線。然而，在現實中，會有與該線略微偏離的情況，這定義了系統的線性度。通常，線性度以全量程測量範圍（FSR）的百分比指定。在校準期間，雷射頭的輸出與高精度標準的輸出進行比較，並記錄差異。這些差異通過使用查找表自動校正。我們的Microtrak II雷射感測器提供目前可用的最高線性度。大多數系統超過±0.05% FSR，有些甚至達到±0.01%或更好。

準確度是線性度、解析度、溫度穩定性和漂移的函數，其中線性度是主要貢獻者。我們感測器的線性響應非常可重複。校準報告提供的數據可用於通過廉價電腦和校正軟體糾正系統的非線性，如果需要，可以提高準確度。

應用雷射三角測量感測器

材料和表面處理

在應用雷射感測器時，首先需要確定表面反射率。使用漫反射頭時，一致的啞光表面是最佳性能的理想選擇。如果將使用高拋光或鏡面，我們強烈建議使用鏡面雷射頭。

目標形狀

為獲得理想性能，目標應垂直於雷射頭放置，以防止傾斜誤差。傾斜的影響將取決於表面反射特性。理想的漫反射目標允許在偏離法線30度或更多的表面上正常運作。然而，鏡面目標如果傾斜角度變化僅為1度就會產生誤差。在夾具設計和操作期間，應注意最小化任何目標傾斜。

雷射感測器還可用於測量曲面目標。為獲得最佳結果，光束應面對曲率中心。這將幾乎消除雷射看到的任何傾斜。此外，頭部的方向應使曲面不會使雷射三角測量角度扭曲。

下圖顯示了降低傾斜效應的系統正確方向。注意雷射光束如何可能被目標形狀偏轉。

測量前要注意目標的特徵，以確保雷射返回光不被阻擋。下圖顯示了根據目標的預期地形/表面特徵，定向雷射感測器的正確和錯誤方式。

環境條件

由於雷射三角測量系統是光學類型的感測器，保持光學路徑清潔且無阻礙或異物非常重要。髒污、灰塵和煙霧可能會影響測量結果，甚至使感測器完全無法使用。應注意消除此類污染，並在需要時使用清潔空氣吹掃系統。如果無法使用此類系統，定期清潔外部鏡頭以避免併發症就很重要。

雷射感測器精確度最常受影響的環境問題是溫度。不僅電子元件表現出溫度漂移，機械元件和固定裝置的膨脹和收縮還可能實際改變感測器間隙。我們所有的Microtrak II感測器在0至40°C的溫度變化範圍內，溫度穩定性小於滿量程測量範圍的±0.05%。

固定裝置

固定雷射三角測量感測器的支架必須穩定。考慮到溫度變化可能導致膨脹和收縮，從而改變目標距離，支架應由適當的材料製成以最小化此效應。支架支撐點應盡可能短，並避免長懸臂，以不僅減少溫度問題，還能降低振動。

我們的雷射感測器具有可用於安裝和固定雷射頭的通孔。支架應按這些孔的位置製作，並保持雷射頭垂直於目標。

同步

使用2個雷射頭進行差異厚度測量時，同時從兩個頭擷取和處理測量非常重要。此程序可消除因振動帶來的不需要的結果。如果目標正在移動，且測量在稍微不同的時間進行，處理後的結果可能會報告略薄或略厚的目標。我們的Microtrak II系列雷射感測器具有同步頭的功能，消除了這個問題。