激光位移傳感技術解析:工業激光傳感新方案

2020-01-09

當前,世界上主要的工業大國都在進行產業升級,而現代工業的升級與激光技術密不可分。除了在生產加工方面發揮著巨大作用外,激光技術還在*實時測量方面有著重要應用,為電子產品尺寸、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,大大提高了產品產量和生產效率。

    要實現激光*實時測量在工業領域的具體應用,則離不開各類激光傳感器的研發和推廣。眾所周知,現代制造業已經是一個傳感器驅動的世界,幾乎在所有的制造過程中,*的實時測量在很大程度上依賴于傳感器。在引入光學技術后,傳感器朝著更快速、更*、更可靠的方向發展。與傳統測量方式相比,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中得到廣泛的應用。其中*典型的應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,可以幫助發現皺紋、小洞或者重疊,避免機器發生故障;而在微小零件的位置識別、傳送帶上有無零件的監測、機械手位置(工具中心位置)的控制等方面的應用,則可以確保設備、產線的高效運轉;在灌裝產品線上,可利用激光束反射表面的擴展程序來*的識別灌裝產品填充是否合格,在監測數量的同時也能保證灌裝質量。此外,在距離測量、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勢。

    據數據顯示,國內通用激光位移傳感器市場規模已達120億,且每年保持20%的增速,但99.87%的國內市場被國外廠商占據,以歐美日等發達國家企業居多,如美國通用電氣、邦納、德國西克、日本基恩士等等。這些企業不斷通過技術創新和產品升級以保持市場地位。我國工業自動化系統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%。

    與國外先進企業相比,我國傳感器技術在科研開發上要落后10年,在生產技術上要落后15年。但近年來我國陸續制定有利于傳感器產業發展的政策,并建立了多個傳感技術、機器人國家重點實驗室,同時也有千余家企業選擇從事傳感器的生產和研發,國內傳感器產業化進程隨之加快。目前國內從事激光傳感器的企業多以中小企業為主,主要集中在長三角地區,大型企業數量較少。代表性企業既有一定規模的余姚舜宇光學、北京創想智控、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的新創企業。

    激光位移傳感器介紹

    目前已有很多技術能實現*的光學位移測量,而工業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*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。在當前的工業機器人應用中,通常采用三角測量法,這種方法高線性度可達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,經物體反射的激光通過接收器鏡頭,被內部的CCD線性相機接收,根據不同的距離,CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據這個角度及已知的激光和相機之間的距離,數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射器每秒發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果進行的平均輸出,即所謂的脈沖時間法測量的,*遠檢測距離可達250m。

    而在*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制項。調制項與兩束光之間的路徑長度有關。

    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,故無法實現在深溝或深孔中的應用。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。在振動測量應用方面,前面這兩種位移/距離測量技術的檢測能力(頻率范圍/振動量范圍/精度)比較有限。而LDV雖可進行非常*的振動測量及瞬時位移測量,但是欠缺測量位移或距離的能力,且成本也相當高。

    激光傳感新方案

    基于這樣的現狀,摯感光子依靠核心團隊在光電通信領域的深厚技術積累,利用集成光學芯片技術的優勢開發了一種小型激光傳感平臺,將這兩種主流的傳感功能結合在一個光學平臺上,可實現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*的裝配流程。而光學元件集成化可以使其在低成本的基礎上,實現更復雜的設計和更多的功能。集成光學芯片可以在一個單一的光學基底上包含數十到數百個光學元件,包括激光器、調制器、光電探測器和濾波器,現已成為一種有效的解決方案,為現有和新興市場提供創新的光學模組。隨著現代制造對光學傳感器技術需求的不斷增長,集成光學芯片可以簡化系統設計,使得傳感器可以進行更快速、更準確的測量,而且成本更低。

    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先在集成光學芯片上實現,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。摯感光子自主研發的激光傳感平臺通過專有的數字信號處理(DSP)算法,可提供LDV技術中的瞬時位移、振動和光學相位測量等多種功能,此外還可以實現與常規三角法激光位移傳感器一樣的位移/距離的測量,并具有同等甚至更優的測量精度。

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

    據OFweek激光網了解,摯感光子自主研發的MX-G系列激光同軸傳感器采用自主研發的非線性調頻連續波調制解調(FMCW)技術,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)、動態測量范圍廣(可以測量從幾厘米到4米范圍內的物體)、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,可以抵抗任何環境光的干擾)、激光同軸設計(能夠測量傳統三角法傳感器難以測量的物體,如盲孔)、敏感度高等優點。

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,這是傳統的三角法無法實現的。

    摯感光子技術人員向OFweek激光網介紹,MX-G系列激光同軸位移傳感器的關鍵部件是其光模組。它由激光器、光電探測器(封裝內)、集成光學芯片及光學透鏡組成。光學透鏡是可調的,并可根據不同的應用進行更換。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,這種技術能實現三角法無法完成的深孔測量。

    此外,MX-G系列激光同軸振動傳感器可實現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、車床振動監測、汽車振動檢測等方面。

    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)則可以進行玻璃彎曲度的快速檢測??梢哉f,摯感光子的新型傳感技術和傳感平臺代表了我國在工業級激光傳感器技術方面的一個創新力。具體的技術細節可通過他們的去了解。

    資本涌入前景廣闊

    總體而言,我國傳感器技術相對落后,但近年來我國陸續制定有利于傳感器產業發展的政策,并建立了多個傳感技術、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的投入,良好的政策土壤與資本關注將為傳感器企業帶來良好的生存環境。

    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勢,而隨著國內各項鼓勵政策的落實,激光技術的持續創新進步和激光位移傳感器產品性能的不斷提升,我國激光位移傳感器的大規模商業化應用將很快成為現實。


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