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激光位移传感器，用于检测料盒中是否少料。 在运动轴的位移测量，或者系统校准过程中，常常用到激光位移传感器。 而常用的激光位移传感器又有三种。 分别是：1D激光位移传感器，2D激光轮廓扫描传感器，以及共焦激光传感器。 这篇文章，我就来分享一下这三种激光位移传感器的原理和应用。 01 1D激光位移传感器 首先，我们还是上两张图。
1D激光位移传感器的工作示意图。右侧物体移动时，反射光线会打在在传感器内部受光元件的不同位置。
1D激光位移传感器的三角测量原理：测量参考距离①时，反射激光打在传感器内部的受光元件中心。测量短距离②时，反射光线打在传感器内部的受光元件偏下的点②上。测量长距离③时，反射光线打在受光元件偏上的点③上。因为受光点和测量距离有一一对应关系（发射点和待测点及受光点组成特定的三角形），所以可以通过受光点位置，计算出测量点的位置。图片来自基恩士。
1D激光位移传感器的工作原理（PSD作为受光元件），反射光打在传感器内部PSD上不同位置，以此判断目标物体的位置。图片来自松下。 在1D激光位移传感器中，传感器内部产生半导体激光，激光穿过发射透镜后打在待测部件上，然后待测点反光，反射光穿过接收透镜后，打落在传感器内部的探测元件，通过探测元件上不同感光位置，可以计算出待测点的距离。 感光元件通常有三种形式。即CCD，CMOS，以及PSD。 关于CCD和CMOS，之前我们有聊过。 这里简要提一下PSD。 PSD= Position Sensitive Detectors，即位置敏感探测器。意思是光线打在不同的位置时，产生不同的电流。反过来，通过不同的电流大小，可以计算光点位置，进而推测待测点的位置或者位移。
一维PSD工作原理：利用光电二极管表面电阻特性，光打在不同的位置上时，在两端产生不同的电流Ix1和Ix2，通过上面的公式，可以计算出光点离公共端的距离x。
二维PSD等效电路和计算公式，图片来自HAMAMATSU。 虽然现在也有二维PSD传感器，但是1D激光位移传感器中，一般还是用一维PSD。 一维PSD是光接收元件，因此接收到的光重心，代表一个峰值位置。如果工件表面存在颜色不规则和变化，位置可能会偏离真正的峰值位置，从而导致测量误差。 CCD 和CMOS传感器检测中，从物体表面反射的点光束，投射到光接收元件上时，像素将它们转换为距离。CMOS 是二维光接收元件，它可以检测每个像素上的光线水平。如果工件表面存在颜色不规则和变化，可以确定真正的峰值位置。 所以，与采用 PSD传感器相比，采用 CCD或者CMOS作为光接收元件的传感器，可提供更准确的位移测量，而不受物体表面颜色和纹理的影响。
三角测量法常用的两种安装方式：左图使用镜面反射，右图使用漫反射。 除了刚刚提到的测距和校准，1D激光位移位移传感器，其实还有很多应用。 以下仅贴出几种常见的应用。
测量电机轴偏心度。
同时测量轮子偏心度和平面度。
检测电子元件是否正确放置。
检测玻璃厚度（翘曲）。
检测PCB板是否粘连。
检测机械手是否到位。 02 2D激光轮廓传感器 2D激光轮廓传感器，基本原理和1D激光位移传感器相同。 不同之处在于，2D轮廓传感器通过特殊的镜片设计，把发射光束设计成了一条线，而不是一个点。 通过线光束宽度方向上不同位置，探测到不同的高度或者距离，可以形成二维轮廓检测。
二维激光轮廓传感器工作原理，传感器发出激光，照射目标物，反射光线在CMOS图像传感器上成像，创建二维轮廓。图片来自基恩士。
二维激光轮廓传感器，用于检测工件轮廓示意图。图片来自Micro-Epsilon。
二维激光传感器用于轮廓检测。
二维激光传感器安装在焊接机器人上，用于焊缝扫描。
二维激光传感器用于扫描铸件轮廓。
二维激光传感器用于扫描PCB形变。 03 共焦传感器 之前的一些项目上，用到了某品牌的彩色激光共焦传感器。 它最大的优点是探头小巧，占用空间小，方便安装。 这里，我们先来看一个简单的光路图，来说明共焦的含义。
共焦的含义：物镜焦点处发出的光，在针孔处得到很好的汇聚，可以全部通过针孔被探测器接收。而在焦平面上下位置发出的光，在针孔处会产生直径很大的光斑，此种情况，相对于针孔的直径来说，只有很少的光透过针孔被探测器接收。 当然，在实际应用中，光路有各种变化，但核心思路是一样的。 下面就是一个共焦显微镜的光路图。
共焦的含义：光源发出的光，穿过中间光学元件（发射针孔，分光镜等），再通过物镜聚焦，打在被测物体上，物体会反射此光线，但只有当被测表面位于焦平面上时（图中中间平面），反射回的光（图中红线表示）才能穿过接收针孔，到达探测器。由图可见，共焦的核心在于，只有位于焦平面上的点反射的光，才能通过针孔，到达光谱分析仪等探测器。 上面我们理解了共焦的含义。 那么，彩色共焦传感器又是怎么回事？ 其实，彩色共焦不过是把不同波长的光，同时打在物体上，当某个波长的光反射回探测器，形成强波峰时，就可以知道这个波长的光位于焦平面上，从而推测出物体的位置。
彩色共焦测量示意图。测头内部有一组镜片，把光线分解成不同颜色的单色光，不同颜色的光，焦点不同，用于测量不同高度位置。
彩色共焦测量示意图，可一次测量透明物体不同的厚度。 那么这里的彩色光是怎么来的？ 有两种方法。 第一种，是把白光通过色散镜头分解成不同颜色的光。第二种是把彩色光，比如蓝色激光照射在同时发出红、绿光的荧光体上，生成彩色光，这种方法生成的光，光强更高，可提高检测精度。
彩色共焦原理图：把白光分解成不同颜色的光，打在被测物体上，反射回的光被光谱仪探测，如果在光谱仪上某点产生强波峰，则可以推测是哪种波长的光产生的，进而推测出物体的位置（不同颜色的光对应不同的波长）。
彩色共焦原理图：图中，OCFL模块负责把LED白光分解成不同波长的彩色光。当被测部件位于某种颜色光的焦平面上时，返回这种光，并被光谱仪分析。因为特定颜色的光焦平面到传感器探头距离是一定的，所以确定了是哪种波长的光，也就可以确定部件的位置。图片来自欧姆龙。 彩色共焦传感器，最典型的应用包括距离测量和厚度测量。 相比于三角测量法，这种测头中只有光学镜组，没有发热元件，测量更稳定，而且测头可以做得非常小，很省空间，对检测材料的适用性也很强。
共焦传感器用于测量距离以及透明物体厚度示意图。 好了，今天先说到这里。 若有不妥之处，还请指出。 最近比较忙，更新得有点慢，见谅。 若本文对你有用，帮我点个赞，支持我一下，谢谢。 —END— |
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