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            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            日期: 2023-09-16
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            發表于:
            來自 泓川科技
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            大家好,今天給大家詳細說明下目前我們市面上用的激光位移傳感器內部構造及詳細原理、應用、市場種類、及未來發展,我在網上搜索了很多資料,發現各大平臺或者廠商提供的信息大多千篇一律或者式只言片語,要么是之說出大概原理,要買只講出產品應用,對于真正想了解激光位移傳感器三角回差原理的朋友們來說總是沒有用辦法說透,我今天花點時間整理了各大平臺的大牛們的解釋,再結合自己對產品這么多年來的認識,整理出以下這篇文章,希望能給想要了解這種原理的小伙伴一點幫助!好了廢話不多說我們直接上干貨

            首先我們要說明市面上的激光測量位移或者距離的原理有很多,比如最常用的激光三角原理,TOF時間飛行原理,光譜共焦原理和相位干涉原理,我們今天給大家詳細介紹的是激光三角測量法和激光回波分析法,激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量,而激光回波分析法則用于遠距離測量,下面分別介紹激光三角測量原理和激光回波分析原理。讓我們給大家分享一個激光位移傳感器原理圖,一般激光位移傳感器采用的基本原理是光學三角法:

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            半導體激光器:半導體激光器①被鏡片②聚焦到被測物體⑥。反射光被鏡片③收集,投射到CMOS陣列④上;信號處理器⑤通過三角函數計算陣列④上的光點位置得到距物體的距離。

            一 、激光位移傳感器原理之激光三角測量法原理

            1.激光發射器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。同時,光束在接收元件的位置通過模擬和數字電路處理,并通過微處理器分析,計算出相應的輸出值,并在用戶設定的模擬量窗口內,按比例輸出標準數據信號。如果使用開關量輸出,則在設定的窗口內導通,窗口之外截止。另外,模擬量與開關量輸出可獨立設置檢測窗口。

            2. 測量方式(直射式、斜射式)(在市場中直射式對應漫反射式,斜射式對應正反射式)

            最簡單的三角位移測量系統是從光源發射一束光到被測物體表面,在另一方向通過成像觀察反射光點的位置,從而計算出物點的位移。 由于入射和反射光為成一個三角形,所以這種方法被稱為三角測量法,又可按入射光線與被測工件表面法的關系分為直射式和斜射式。

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            激光器發出的光線,經會聚選鏡聚焦后垂直入射到被測物體表面上,物體移動或表面變化導致入射光點沿入射光軸移動。 接收透接收來自入射光點處的散射光,并將其成像在光點位置探測器 (如 PSD、CCD)軟感面上。 但由于傳感器激光光束與被測面垂直,因此只有一個準確的調焦位置,其余位置的像都處于不同程度的離焦狀態。離焦將引起像點的彌散,從而降低了系統的測量精度。 為了提高精度 ,θ1和θ2 必須滿足

            tgθ1= Utgθ2

            式中,U為橫向放大率。 此時一定景深范圍內的被測點都能正焦成像在探測器上,從而保證了精度。若光點在成像面上的位移為 x’,利用相似三角形各邊之間的比例關系,按下式可求出被測面的位移:

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            激光器發出的光與被測面的法線方向成一定角度入射到被測面上,同樣用接收透接收光點在被測面的散射光或反射光。 此時應滿足

            tg(θ1+ θ2)=Utgθ3?,

            若光點的像在探測器敏感面上移動 X',利用相似三角形的比例關系,則物體表面沿法線方向的移動距離為、

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            式中,θ1為激光束光軸與被測面法線之間的夾角; θ2為成像鏡光軸與被側面之間的夾角:θ3 為探測器光軸與成像鏡光軸之間的夾角。

            重點:直射式和斜射式在市場應用中主要有什么區別呢?

            直射式應對的是漫反射物體表面,也就是非透明不反光的材料,對于這種材料我們多數選擇漫直射式測量原理,這樣可以保證測量精度,但是這并不表示傳感器不能斜著測量物體,因為很多時候由于傳感器需要配合加工設備檢測很有可能無法垂直照射到被測點,那么我們怎么辦呢?只要我們稍加放寬精度,再加上余弦誤差就可以獲得相對準確的數據;


            斜射式應對的式透明材料和鏡面材料,由于這種材料對光的反射特殊為了更好的捕捉反射回來的光,必須讓傳感器按照設計好的角度來安裝,但是正反射的量程一般做不了太大。大多在100mm以內。

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用


            我們拿HC26系列激光位移傳感器為例可以看下他們在漫反射和正反射情況下對應的對應的精度和范圍

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            二、激光位移傳感器市場中主要的應用介紹

            激光位移傳感器常用于位移量、長度、距離、振動、速度、方位等物理量的測量等 。


            1.尺寸的測量,包括微小零件的位置判別;材料重疊和覆蓋的分辨;機械手位置(工具中心位置)的控制;器件狀態檢測;振動頻率測量分析;瞬間形變;碰撞試驗測量;汽車零配件相關試驗等。

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用


            2.金屬薄片和薄膜的厚度測量:厚度的變化檢出可以幫助發現皺紋,小孔或者重疊,以避免機器發生故障。

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            3.測量:長度,內、外直徑偏心度,角度,,同心度以及表面輪廓。

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            4.長度的測量:將測量的組件放在指定位置的輸送帶上,激光傳感器檢測到該組件并與觸發的激光掃描儀同時進行測量,最后得到組件的長度。

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            5.均勻度和平面度的檢測:讓測量的工件運動的傾斜方向放置幾個激光傳感器,直接通過一個傳感器進行度量值的輸出,另外也可以用一個軟件計算出度量值,并根據信號或數據讀出結果?;蛘咴谝粋€屏幕上多個點位放置傳感器,先用一個標準工件進行校準歸零,然后再測量需要測量的工件,就能獲得各個位置的差值。

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            三、目前市場中的激光位移傳感器等級分類

            1、相對經濟型(千元左右)的cmos激光位移傳感器

            量程種類一般分為:10mm,30mm,70mm,160mm,400mm

            測量線性度一般在0.2%到0.4%之間,對應的測量精度0.02-3mm之間

            測量速度一般不超過1Khz

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            2、中檔類的(兩千到五千之間)激光位移傳感器,這類傳感器主要式性能更強大,數據更穩定,可以測量的材料種類更豐富。一般量程有8mm,20mm,30mm,50mm,100mm,200mm,300mm等

            測量線性度一般在0.1%到0.2%之間,對應的測量精度0.008mm-0.5mm之間

            測量速度一般在2-3Khz

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            3、高檔類的(萬元以上)激光位移傳感器,這類傳感器除了精度有明顯的提升,數據更穩定,可以測量的材料種類更豐富。最重要的是測量速度大大提高,可以達到十萬赫茲以上。一般量程有1mm,10mm,30mm,80mm,200mm,500mm,1000mm,2000mm等

            測量線性度一般在0.02%到0.05%之間,對應的測量精度0.002mm-0.5mm之間, 測量速度一般在50-160Khz。

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            最后我們來說一說激光三角位移傳感器再安裝中需要主義的事項

            1, 根據被測體所在位置確定的安裝位置, 使其位于有效的量程內。
            2, 一般傳感器都有兩個安裝孔,?可以通過?螺栓與固定基板連接。

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            3, 根據測量應用, 選擇垂直或鏡相安裝方式, 參照外殼上兩種不同安裝方式時的基準平面, 如下圖所示:

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            4, 根據被測體特征選擇正確的安裝方式:

            詳解激光三角位移傳感器的原理及市場應用

            未來,激光位移傳感器的應用前景非常廣闊,以下是一些可能的發展趨勢和應用領域:

            1. 工業制造:激光位移傳感器可以用于工業自動化系統中的精密測量和控制,例如機械加工、裝配線的自動化調整和精度監測等。在制造過程中的位移和形變測量可以提高生產效率和產品質量。

            2. 機器人技術:激光位移傳感器可以為機器人提供高精度的環境感知和定位能力,使其能夠準確感知和處理周圍環境的位移和變化。這將提高機器人的自主導航、操作和協作能力。

            3. 智能交通:激光位移傳感器可以在智能交通系統中應用,用于車輛之間的距離測量和碰撞預警。這將提高交通安全性和車輛的自動駕駛能力。

            4. 建筑與土木工程:激光位移傳感器可以用于建筑物和橋梁等結構的變形監測,實時檢測和評估結構的穩定性和安全性。這為結構維護和修復提供了重要的參考。

            5. 航空航天:激光位移傳感器可以應用于航空航天領域,用于飛機和航天器的姿態控制、振動監測和結構健康管理。這有助于提高飛行器的穩定性和安全性。

            6. 醫療診斷:激光位移傳感器可以在醫療領域中應用于精確的生物測量,例如眼科手術中的眼球運動測量,以及姿勢分析和運動捕捉等。

            總之,激光位移傳感器具有高精度、非接觸性和快速響應等優勢,將在多個領域發揮重要作用。隨著技術的不斷進步和應用需求的增加,激光位移傳感器的性能和功能將得到進一步提升,為各行各業帶來更多創新和便利。


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            • 5
              2024 - 01 - 21
              白光干涉測厚儀是一種非接觸式測量設備,廣泛應用于測量晶圓上液體薄膜的厚度。其原理基于分光干涉原理,通過利用反射光的光程差來測量被測物的厚度。白光干涉測厚儀工作原理是將寬譜光(白光)投射到待測薄膜表面上,并分析返回光的光譜。被測物的上下表面各形成一個反射,兩個反射面之間的光程差會導致不同波長(顏色)的光互相增強或者抵消。通過詳細分析返回光的光譜,可以得到被測物的厚度信息。白光干涉測厚儀在晶圓水膜厚度測量中具有以下優勢:1. 測量范圍廣:能夠測量幾微米到1mm左右范圍的厚度。2. 小光斑和高速測量:采用SLD(Superluminescent Diode)作為光源,具有小光斑和高速測量的特點,能夠實現快速準確的測量。下面是使用白光干涉測厚儀測量晶圓上水膜厚度的詳細步驟:1. 準備工作:確保待測晶圓樣品表面清潔平整,無雜質和氣泡。2. 參數設置:調整白光干測厚涉儀到合適的工作模式,并確定合適的測量參數和光學系統設置。根據具體要求選擇光譜范圍、采集速度等參數。3. 樣品放置:將待測晶圓放置在白光干涉測厚儀的測量臺上,并固定好位置,使其與光學系統保持穩定的接觸。確保樣品與測量臺平行,并避免外界干擾因素。4. 啟動測量:啟動白光干涉測厚儀,開始測量水膜厚度。通過記錄和分析返回光的光譜,可以得到晶圓上水膜的厚度信息??梢酝ㄟ^軟件實時顯示和記錄數據。5. 連續監測:對于需要連續監測晶圓上水膜厚度變...
            • 6
              2023 - 02 - 20
              相位法激光測距傳感器是一種用于測量距離的傳感器,它使用衰減激光來測量距離。激光在一個激光發射器中發出,并由一個接收器接收。激光發射持續一段時間,稱為測量時間,根據接收信號的強度和相位推導出一般的相對距離和數據。       激光距離傳感器的原理有點像各種閃爍的表盤表,只是發射的激光光源更小而且激光傳播時間更短,所以更快。傳感器通過測量當激光發出后多久接收到信號來測量物體之間的相對位置,也就是距離。由于拋物線和容積衰減,激光越遠越弱,為了準確測量距離,必須使用準確的激光,并且隨著距離的增加接收性能衰減越多,因此必須調整傳感器的接收閾值,以確??梢哉_測量所需的距離。       當激光被發射出去時,傳感器會記錄發射的時間,當激光被接收時,傳感器記錄激光接收的時間。然后,將發射時間和接收時間相減,就可以得到大約的信號傳播時間,就可以用它來測量形成到目標物體的距離。       然而,如果電路中的任何一部分停頓,傳感器就不能正確測量距離,可能會產生一些不準確的測量。因此,為了防止這種情況的發生,許多傳感器使用了自適應濾波器,可以有效地濾除由塵埃、碰撞或干擾引起的雜散信號,從而確保測量準確。       相位法激光測距傳感器具有較低...
            • 7
              2023 - 09 - 25
              由于半導體生產工藝的復雜性和精密性,對晶圓切割的技術要求極高,傳統的機械切割方式已經無法滿足現代電子行業的需求。在這種情況下,光譜共焦位移傳感器配合激光隱切技術(激光隱形切割)在晶圓切割中發揮了重要作用。以下將詳細介紹這種新型高效切割技術的應用案例及其優勢。原理:利用小功率的激光被光譜共焦位移傳感器設定的預定路徑所導,聚焦在直徑只有100多納米的光斑上,形成巨大的局部能量,然后根據這個能量將晶圓切割開。光譜共焦位移傳感器在切割過程中實時檢測切口深度和位置,確保切口的深廣和位置的精確性。激光隱切與光譜共焦位移傳感器結合的應用案例:以某種先進的半導體制程為例,晶圓經過深刻蝕、清洗、擴散等步驟后,需要進行精確切割。在這個過程中,首先,工程師根據需要的切割圖案在軟件上設定好切割路徑,然后切割機通過光譜共焦位移傳感器引導激光按照預定的路徑且此過程工程師可以實時觀察和測量切口深度和位置。優點:這種技術最大的優勢就是它能夠實現超微細切割,避免了大功率激光對芯片可能會帶來的影響。另外,因為切割的深度和位置可以實時調控,這 法也非常具有靈活性。同時,由于使用光譜共焦位移傳感器精確控制切割的深度和位置,所以切割出來的晶圓表面平整,質量更好??偟膩砜?,光譜共焦位移傳感器配合激光隱切在晶圓切割中的應用,不僅提升了生產效率,減少了廢品率,而且大幅度提升了產品質量,對于當前和未來的半導體行業都將是一個革新的技...
            • 8
              2024 - 03 - 05
              非接觸式激光位移傳感器在生產線上的應用具有多方面的優勢,下面將從精度、速度、可靠性、靈活性和安全性等方面進行逐一分析,并通過具體的應用場景來說明其應用價值。同時,還會與傳統的接觸式傳感器進行比較,以突顯非接觸式激光位移傳感器的獨特優勢。精度:非接觸式激光位移傳感器采用激光三角測量法,具有極高的測量精度。例如,在半導體制造過程中,需要精確控制薄膜的厚度,非接觸式激光位移傳感器可以實現微米級的測量精度,從而確保產品質量。相比之下,傳統接觸式傳感器可能會因為接觸力度的不同而影響測量精度。速度:非接觸式激光位移傳感器具有快速響應的特點,可以在生產線上實現高速測量。例如,在包裝機械中,需要實時監測包裝材料的位置和速度,非接觸式激光位移傳感器可以迅速捕捉到這些變化,從而確保包裝過程的順利進行。而傳統接觸式傳感器可能會因為接觸摩擦等因素而影響測量速度??煽啃裕悍墙佑|式激光位移傳感器無需與目標物體直接接觸,因此可以避免因摩擦、磨損等因素導致的傳感器損壞。此外,非接觸式傳感器還具有較好的抗干擾能力,可以在惡劣的生產環境中穩定工作。相比之下,傳統接觸式傳感器更容易受到環境因素的影響而出現故障。靈活性:非接觸式激光位移傳感器可以適應不同的測量需求,通過調整激光發射角度、接收透鏡焦距等參數,可以實現不同距離、不同角度的測量。此外,非接觸式傳感器還可以與計算機、PLC等設備進行連接,實現自動化控制和數據處理...
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            在測量被透明物體覆蓋的目標時,環境照明補償和透視測量是如何幫助提高測量準確性的? 2024 - 03 - 05 在測量被透明物體覆蓋的目標時,環境照明補償和透視測量是提高測量準確性的重要手段。這些技術的應用,在智能手機等電子設備的制造過程中,具有至關重要的作用。首先,讓我們來探討一下環境照明補償的作用。在生產線環境中,照明條件往往并不穩定,這會對測量精度產生嚴重影響。環境照明補償技術通過自動調整傳感器參數,以補償外部光照條件的變化,使得測量系統能在不同的照明條件下都能保持穩定的測量性能。這就使得我們在測量被透明物體(如手機屏幕)覆蓋的目標時,能夠得到更為準確的結果。其次,透視測量技術則能夠解決透明物體對測量造成的干擾。由于透明物體會讓部分光線穿過,使得傳統的測量技術難以準確捕捉目標的位置和形狀。而透視測量技術則能夠通過特殊的光學設計和算法處理,使得傳感器能夠“看透”透明物體,直接對其背后的目標進行測量。這樣,我們就可以在不接觸目標的情況下,對其進行準確的測量。在智能手機等電子設備的制造過程中,這兩種技術都有著廣泛的應用。例如,在手機屏幕的生產過程中,環境照明補償技術可以幫助我們確保屏幕在各種光線條件下都能顯示清晰。而透視測量技術則可以用于測量手機屏幕下的各種元器件,如觸摸屏、攝像頭等,確保它們的位置和尺寸都符合設計要求。此外,這兩種技術還可以結合使用,以提高測量的精度和效率。例如,我們可以先使用透視測量技術確定目標的位置,然后使用環境照明補償技術對其進行精確測量。這樣,我們不僅可以得到更準確...
            激光三角測量法是如何實現對透明物體測量的?折射率校正在這個過程中起到了什么作用? 2024 - 03 - 05 激光三角測量法:精確測量透明物體的科技新突破在精密測量領域,激光三角測量法已成為一種非常重要的技術手段。這種測量方法尤其適用于透明物體的測量,因為它可以有效地解決透明物體測量中的諸多難題。本文將詳細介紹激光三角測量法的原理、步驟,以及折射率校正在此過程中所起到的關鍵作用。一、激光三角測量法的原理激光三角測量法是一種基于光學三角測量原理的非接觸式測量方法。其基本原理是:半導體激光器發出的激光束照射在目標物體上,接收器透鏡聚集目標物體反射的光線并聚焦到感光元件上。當目標物體與測量設備之間的距離發生改變時,通過接收器透鏡的反射光的位置也會相應改變,光線聚焦在感光元件上的部分也會有所不同。通過精確測量這些變化,就可以得出目標物體的位移、形狀等參數。二、激光三角測量法的步驟設定參照距離:首先,需要設定一個參照距離,即在此距離下,激光束與感光元件之間的位置關系已知且穩定。照射激光:然后,通過半導體激光器發出激光束,照射在待測的透明物體上。接收反射光:接收器透鏡會聚集從透明物體反射回來的光線,并將其聚焦到感光元件上。分析數據:當透明物體移動或形狀發生變化時,反射光在感光元件上的位置也會發生變化。通過精確分析這些變化,就可以得出透明物體的位移、形狀等參數。三、折射率校正的作用在測量透明物體時,一個關鍵的問題是需要考慮光的折射現象。由于透明物體的折射率與空氣不同,光線在從空氣進入透明物體時會發生折射...
            非接觸式激光傳感器在生產線上的應用有哪些優勢? 2024 - 03 - 05 非接觸式激光位移傳感器在生產線上的應用具有多方面的優勢,下面將從精度、速度、可靠性、靈活性和安全性等方面進行逐一分析,并通過具體的應用場景來說明其應用價值。同時,還會與傳統的接觸式傳感器進行比較,以突顯非接觸式激光位移傳感器的獨特優勢。精度:非接觸式激光位移傳感器采用激光三角測量法,具有極高的測量精度。例如,在半導體制造過程中,需要精確控制薄膜的厚度,非接觸式激光位移傳感器可以實現微米級的測量精度,從而確保產品質量。相比之下,傳統接觸式傳感器可能會因為接觸力度的不同而影響測量精度。速度:非接觸式激光位移傳感器具有快速響應的特點,可以在生產線上實現高速測量。例如,在包裝機械中,需要實時監測包裝材料的位置和速度,非接觸式激光位移傳感器可以迅速捕捉到這些變化,從而確保包裝過程的順利進行。而傳統接觸式傳感器可能會因為接觸摩擦等因素而影響測量速度??煽啃裕悍墙佑|式激光位移傳感器無需與目標物體直接接觸,因此可以避免因摩擦、磨損等因素導致的傳感器損壞。此外,非接觸式傳感器還具有較好的抗干擾能力,可以在惡劣的生產環境中穩定工作。相比之下,傳統接觸式傳感器更容易受到環境因素的影響而出現故障。靈活性:非接觸式激光位移傳感器可以適應不同的測量需求,通過調整激光發射角度、接收透鏡焦距等參數,可以實現不同距離、不同角度的測量。此外,非接觸式傳感器還可以與計算機、PLC等設備進行連接,實現自動化控制和數據處理...
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