近日,激光位移传感器成了投资界热点,领势投资宣布战略入股创想智控,助力创想智控布局激光位移传感器系统及工业大数据服务赛道,共同扩大其在智能传感器行业的影响力。激光位移传感器被称为机器人的眼睛,在焊接、毛坯制造、机械加工、热处理、上下料、装配等作业中,都具有不可替代的作用。那么,什么是激光位移传感器呢?

激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器,由激光器、激光检测器和测量电路组成。作为新型测量设备,激光位移传感器能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化,还可测量位移、厚度、振动、距离、直径等精密的几何测量。

目前,激光位移传感器按照原理可分为激光三角测量法和激光回波分析法两种,其中激光三角测量法适用于高精度、短距离的测量,激光回波分析法则用于远距离测量。在当前的工业机器人应用中,通常采用三角测量法,这种方法最高线性度可达1um,分辨率可达到0.1um的水平。

三角测量法的原理是通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面,经物体反射的激光通过接收器镜头,被内部的CCD线性相机接收,根据不同的距离,CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离,数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。

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可独立设置检测窗口。

回波分析法则是通过激光发射器每秒发射一百万个激光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至接收器所需的时间,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。

有数据显示,国内通用激光位移传感器市场规模已达120亿,且每年保持20%的增速,但99.87%的国内市场被国外厂商占据,以欧美日等发达国家企业居多,如美国通用电气、德国西克、日本基恩士等等。这些企业不断通过技术创新和产品升级以保持市场地位。我国工业自动化系统集成商虽然对该器件的认知率超过95%以上,由于价格昂贵、适配困难等原因,实际使用率不足10%。

与国外先进企业相比,我国传感器技术在科研开发上要落后10年,则在生产技术上要落后15年。但近年来我国陆续制定有利于传感器产业发展的政策,并建立了多个传感技术、机器人国家重点实验室,同时也有千余家企业选择从事传感器的生产和研发,国内传感器产业化进程随之加快。可以说,良好的政策土壤为企业带来良好的生存环境,随着打破国外垄断成为国内技术企业的发展方向,激光位移传感器要成为新的突破点,自然也离不开资本的支持。

在未来,激光位移传感器的需求总体将保持快速增长的态势,而随着国内各项鼓励政策的落实,激光技术的持续创新进步和激光位移传感器产品性能的不断提升,我国激光位移传感器的大规模商业化应用将很快成为现实。

【激光位移传感器】

激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表。能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化。

可以测量位移、厚度、振动、距离、直径等精密的几何测量。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。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。

激光位移传感器基本原理

激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化,主要应用于检测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。

按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量,而激光回波分析法则用于远距离测量,下面分别介绍激光位移传感器原理的两种测量方式。

三角测量法

激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面,经物体反射的激光通过接收器镜头,被内部的CCD线性相机接收,根据不同的距离,CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离,数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。

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可独立设置检测窗口。

采取三角测量法的激光位移传感器最高线性度可达1um,分辨率更是可达到0.1um的水平。比如ZLDS100类型的传感器,它可以达到0.01%高分辨率,0.1%高线性度,9.4KHz高响应,适应恶劣环境。

回波分析法

激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离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、激光接收器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个激光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至接收器所需的时间,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。

激光位移传感器测量应用

激光位移传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量,还可用于探伤和大气污染物的监测等.

1.尺寸测定:微小零件的位置识别;传送带上有无零件的监测;材料重叠和覆盖的探测;机械手位置(工具中心位置)的控制;器件状态检测;器件位置的探测(通过小孔);液位的监测;厚度的测量;振动分析;碰撞试验测量;汽车相关试验等。

2.金属薄片和薄板的厚度测量:激光传感器测量金属薄片(薄板)的厚度。厚度的变化检出可以帮助发现皱纹,小洞或者重叠,以避免机器发生故障。

3.气缸筒的测量,同时测量:角度,长度,内、外直径偏心度,圆锥度,同心度以及表面轮廓。

4.长度的测量:将测量的组件放在指定位置的输送带上,激光传感器检测到该组件并与触发的激光扫描仪同时进行测量,最后得到组件的长度。

5.均匀度的检查:在要测量的工件运动的倾斜方向一行放几个激光传感器,直接通过一个传感器进行度量值的输出,另外也可以用一个软件计算出度量值,并根据信号或数据读出结果。

6.电子元件的检查:用两个激光扫描仪,将被测元件摆放在两者之间,最后通过传感器读出数据,从而检测出该元件尺寸的精确度及完整性。

7.生产线上灌装级别的检查:激光传感器集成到灌装产品的生产制造中,当灌装产品经过传感器时,就可以检测到是否填充满。传感器用激光束反射表面的扩展程序就能精确的识别灌装产品填充是否合格以及产品的数量。

8.传感器测量物体的直线度 :首先你需要2-3个激光位移传感器来进行组合式的测量,如图所示。然后将3个激光位移传感器安装在于产线平行的一条直线上,并根据你所需要的测量精度来确定三个激光位移传感器之间的间距。最后,你需要让这一个物体以平行于激光位移传感器安装线上的方向前进。当产线与传感器的安装线是平行的情况下,三个传感器测出来的距离差别越大则此物体的直线度越差,三个传感器测出来的距离差别越小,说明此物体的直线度越好,你可以根据你所要测量物体的长度,以及三个传感器安装间的间距等数据来确立一个直线度的百分比,从而得到量化的信号输出,已达到检测物体直线度的目的。

其他

电涡流位移传感器

分辨率:电涡流传感器的分辨率最高也可达到0.1um,与激光位移传感器基本相当

线性度:电涡流传感器的线性度一般较低,为量程的1%左右,高端激光位移传感器则一般为0.1%

测量条件:电涡流传感器要求被测体为导体而且非导磁,即不导磁的导体,例如铝、铜等,铁则不行;激光位移传感器则对无论被测体是否导磁、是否导电都能测。

电容位移传感器

电容式位移传感器精度非常高,远高于激光位移传感器,但是电容位移传感器的量程很小一般小于1mm,激光位移传感器的量程最大可做到2m。

光纤位移传感器

光纤位移传感器的测量原理为通过测量物体因位移导致其表面反射回来的光通量和光强度的变化来测量物体的位移情况,其探头由发射光纤和接收光纤两部分组成。对于尺寸很小的物体的位移和振动情况,常规的非接触式位移传感器收到反射面积的限制导致测量效果不是很理想,而光纤位移传感器则可以做成很小的探头(最小0.2mm直径),此外还可以做成直线发射和接收的形式,通过测量物体在位移过程中对光纤的遮挡程度来计算位移的数值,精度可达0.01um,量程最大4mm。