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激光位移傳感器
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激光位移傳感器是利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器是新型測(cè)量?jī)x表。能夠精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化?梢詼y(cè)量位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等精密的幾何測(cè)量。激光有直線度好的優(yōu)良特性,同樣激光位移傳感器相對(duì)于我們已知的超聲波傳感器有更高的精度。但是,激光的產(chǎn)生裝置相對(duì)比較復(fù)雜且體積較大,因此會(huì)對(duì)激光位移傳感器的應(yīng)用范圍要求較苛刻。

按照測(cè)量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測(cè)量法和激光回波分析法,激光三角測(cè)量法一般適用于高精度、短距離的測(cè)量,而激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。

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。通過鏡頭將可見紅色激光射向被測(cè)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(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”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。

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)。




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