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激光位移傳感器，用于檢測(cè)料盒中是否少料。

（圖片來(lái)源網(wǎng)絡(luò)，侵刪）

在運(yùn)動(dòng)軸laser的位移測(cè)量，或者系統(tǒng)校準(zhǔn)過(guò)程中，常常用到激光位移傳感器。

而常用的激光位移傳感器又有三種。

分別是laser：1D激光位移傳感器，2D激光輪廓掃描傳感器，以及共焦激光傳感器。

這篇文章，我就來(lái)分享一下這三種激光位移傳感器的原理和應(yīng)用。

1D激光位移傳感器

首先，我們還是上兩張圖。

1D激光位移傳感器的工作示意圖。右側(cè)物體移動(dòng)時(shí)，反射光線會(huì)打在在傳感器內(nèi)部受光元件的不同位置。

1D激光位移傳感器的三角測(cè)量原理：測(cè)量參考距離①時(shí)，反射激光打在傳感器內(nèi)部的受光元件中心。測(cè)量短距離②時(shí)，反射光線打在傳感器內(nèi)部的受光元件偏下的點(diǎn)②上。測(cè)量長(zhǎng)距離③時(shí)，反射光線打在受光元件偏上的點(diǎn)③上。因?yàn)槭芄恻c(diǎn)和測(cè)量距離有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系（發(fā)射點(diǎn)和待測(cè)點(diǎn)及受光點(diǎn)組成特定的三角形），所以可以通過(guò)受光點(diǎn)位置，計(jì)算出測(cè)量點(diǎn)的位置。圖片來(lái)自基恩士。

1D激光位移傳感器的工作原理（PSD作為受光元件），反射光打在傳感器內(nèi)部PSD上不同位置，以此判斷目標(biāo)物體的位置。圖片來(lái)自松下。

在1D激光位移傳感器中，傳感器內(nèi)部產(chǎn)生半導(dǎo)體激光，激光穿過(guò)發(fā)射透鏡后打在待測(cè)部件上，然后待測(cè)點(diǎn)反光，反射光穿過(guò)接收透鏡后，打落在傳感器內(nèi)部的探測(cè)元件，通過(guò)探測(cè)元件上不同感光位置，可以計(jì)算出待測(cè)點(diǎn)的距離。

感光元件通常有三種形式。即ccD，CMOS，以及PSD。

關(guān)于ccD和CMOS ，之前我們有聊過(guò)。

這里簡(jiǎn)要提一下PSD。

PSD= position Sensitive Detectors，即位置敏感探測(cè)器。意思是光線打在不同的位置時(shí)，產(chǎn)生不同的電流。反過(guò)來(lái)，通過(guò)不同的電流大小，可以計(jì)算光點(diǎn)位置，進(jìn)而推測(cè)待測(cè)點(diǎn)的位置或者位移。

一維PSD工作原理：利用光電二極管表面電阻特性，光打在不同的位置上時(shí)，在兩端產(chǎn)生不同的電流Ix1和Ix2，通過(guò)上面的公式，可以計(jì)算出光點(diǎn)離公共端的距離x。

二維PSD等效電路和計(jì)算公式，圖片來(lái)自HAMAMATSU。

雖然現(xiàn)在也有二維PSD傳感器，但是1D激光位移傳感器中，一般還是用一維PSD。

一維PSD是光接收元件，因此接收到的光重心，代表一個(gè)峰值位置。如果工件表面存在顏色不規(guī)則和變化，位置可能會(huì)偏離真正的峰值位置，從而導(dǎo)致測(cè)量誤差。

CCD 和CMOS傳感器檢測(cè)中，從物體表面反射的點(diǎn)光束，投射到光接收元件上時(shí)，像素將它們轉(zhuǎn)換為距離。CMOS 是二維光接收元件，它可以檢測(cè)每個(gè)像素上的光線水平。如果工件表面存在顏色不規(guī)則和變化，可以確定真正的峰值位置。

所以，與采用 PSD傳感器相比，采用 CCD或者CMOS作為光接收元件的傳感器，可提供更準(zhǔn)確的位移測(cè)量，而不受物體表面顏色和紋理的影響。

三角測(cè)量法常用的兩種安裝方式：左圖使用鏡面反射，右圖使用漫反射。

除laser了剛剛提到的測(cè)距和校準(zhǔn)，1D激光位移位移傳感器，其實(shí)還有很多應(yīng)用。

以下僅貼出幾種常見(jiàn)的應(yīng)用。

測(cè)量電機(jī)軸偏心度。

同時(shí)測(cè)量輪子偏心度和平面度。

檢測(cè)電子元件是否正確放置。

檢測(cè)玻璃厚度（翹曲）。

檢測(cè)PCB板是否粘連。

檢測(cè)機(jī)械手是否到位。

2D激光輪廓傳感器

2D激光輪廓傳感器，基本原理和1D激光位移傳感器相同。

不同之處在于，2D輪廓傳感器通過(guò)特殊的鏡片設(shè)計(jì)，把發(fā)射光束設(shè)計(jì)成了一條線，而不是一個(gè)點(diǎn)。

通過(guò)線光束寬度方向上不同位置，探測(cè)到不同的高度或者距離，可以形成二維輪廓檢測(cè)。

二維激光輪廓傳感器工作原理，傳感器發(fā)出激光，照射目標(biāo)物，反射光線在CMOS圖像傳感器上成像，創(chuàng)建二維輪廓。圖片來(lái)自基恩士。

二維激光輪廓傳感器，用于檢測(cè)工件輪廓示意圖。圖片來(lái)自Micro-Epsilon。

二維激光傳感器用于輪廓檢測(cè)。

二維激光傳感器安裝在焊接機(jī)器人上，用于焊縫掃描。

二維激光傳感器用于掃描鑄件輪廓。

二維激光傳感器用于掃描PCB形變。

共焦傳感器

之前的一些項(xiàng)目上，用到了某品牌的彩色激光共焦傳感器。

它最大的優(yōu)點(diǎn)是探頭小巧，占用空間小，方便安裝。

這里，我們先來(lái)看一個(gè)簡(jiǎn)單的光路圖，來(lái)說(shuō)明共焦的含義。

共焦的含義：物鏡焦點(diǎn)處發(fā)出的光，在針孔處得到很好的匯聚，可以全部通過(guò)針孔被探測(cè)器接收。而在焦平面上下位置發(fā)出的光，在針孔處會(huì)產(chǎn)生直徑很大的光斑，此種情況，相對(duì)于針孔的直徑來(lái)說(shuō)，只有很少的光透過(guò)針孔被探測(cè)器接收。

當(dāng)然，在實(shí)際應(yīng)用中，光路有各種變化，但核心思路是一樣的。

下面就是一個(gè)共焦顯微鏡的光路圖。

共焦的含義：光源發(fā)出的光，穿過(guò)中間光學(xué)元件（發(fā)射針孔，分光鏡等），再通過(guò)物鏡聚焦，打在被測(cè)物體上，物體會(huì)反射此光線，但只有當(dāng)被測(cè)表面位于焦平面上時(shí)（圖中中間平面），反射回的光（圖中紅線表示）才能穿過(guò)接收針孔，到達(dá)探測(cè)器。由圖可見(jiàn)，共焦的核心在于，只有位于焦平面上的點(diǎn)反射的光，才能通過(guò)針孔，到達(dá)光譜分析儀等探測(cè)器。

上面我們理解了共焦的含義。

那么，彩色共焦傳感器又是怎么回事？

其實(shí)，彩色共焦不過(guò)是把不同波長(zhǎng)的光，同時(shí)打在物體上，當(dāng)某個(gè)波長(zhǎng)的光反射回探測(cè)器，形成強(qiáng)波峰時(shí)，就可以知道這個(gè)波長(zhǎng)的光位于焦平面上，從而推測(cè)出物體的位置。

彩色共焦測(cè)量示意圖。測(cè)頭內(nèi)部有一組鏡片，把光線分解成不同顏色的單色光，不同顏色的光，焦點(diǎn)不同，用于測(cè)量不同高度位置。

彩色共焦測(cè)量示意圖，可一次測(cè)量透明物體不同的厚度。

那么這里的彩色光是怎么來(lái)的？

有兩種方法。

第一種，是把白光通過(guò)色散鏡頭分解成不同顏色的光。第二種是把彩色光，比如藍(lán)色激光照射在同時(shí)發(fā)出紅、綠光的熒光體上，生成彩色光，這種方法生成的光，光強(qiáng)更高，可提高檢測(cè)精度。

彩色共焦原理圖：把白光分解成不同顏色的光，打在被測(cè)物體上，反射回的光被光譜儀探測(cè)，如果在光譜儀上某點(diǎn)產(chǎn)生強(qiáng)波峰，則可以推測(cè)是哪種波長(zhǎng)的光產(chǎn)生的，進(jìn)而推測(cè)出物體的位置（不同顏色的光對(duì)應(yīng)不同的波長(zhǎng)）。

彩色共焦原理圖：圖中，OCFL模塊負(fù)責(zé)把LED白光分解成不同波長(zhǎng)的彩色光。當(dāng)被測(cè)部件位于某種顏色光的焦平面上時(shí)，返回這種光，并被光譜儀分析。因?yàn)樘囟伾墓饨蛊矫娴絺鞲衅魈筋^距離是一定的，所以確定了是哪種波長(zhǎng)的光，也就可以確定部件的位置。圖片來(lái)自歐姆龍。

彩色共焦傳感器，最典型的應(yīng)用包括距離測(cè)量和厚度測(cè)量。

相比于三角測(cè)量法，這種測(cè)頭中只有光學(xué)鏡組，沒(méi)有發(fā)熱元件，測(cè)量更穩(wěn)定，而且測(cè)頭可以做得非常小，很省空間，對(duì)檢測(cè)材料的適用性也很強(qiáng)。

共焦傳感器用于測(cè)量距離以及透明物體厚度示意圖。

好了，今天先說(shuō)到這里。

若有不妥之處，還請(qǐng)指出。

最近比較忙，更新得有點(diǎn)慢，見(jiàn)諒。

若本文對(duì)laser你有用，幫我點(diǎn)個(gè)贊，支持我一下，謝謝。

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