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為什么這種激光測距/位移傳感器能在1米甚至更大的量程實現(xiàn)10um微米甚至更低的精度?

光學(xué)測量傳感器 ? 來源:光學(xué)測量傳感器 ? 作者:光學(xué)測量傳感器 ? 2024-10-21 07:03 ? 次閱讀

引言

在現(xiàn)代精密制造、自動化檢測及科學(xué)研究領(lǐng)域,對位移與距離的精確測量需求日益增長,尤其是當(dāng)測量精度要求達到微米甚至亞微米級別時,傳統(tǒng)的測量方法往往難以滿足要求。近年來,基于調(diào)頻連續(xù)波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)技術(shù)的激光位移/測距傳感器因其高精度、抗干擾性強等特點,逐漸成為高精度測量領(lǐng)域的研究熱點。本文將詳細介紹一款采用FMCW激光測量技術(shù)、結(jié)合硅基光電集成與一體化光學(xué)封裝技術(shù)的HCD系列激光位移傳感器,探討其工作原理、技術(shù)特點、測量步驟及其在深孔測量、超精密測量、大距離高精度測量中的應(yīng)用。

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技術(shù)背景與原理

1. FMCW激光測量技術(shù)

FMCW技術(shù)是一種通過連續(xù)改變激光的頻率,并監(jiān)測由此產(chǎn)生的拍頻信號來測量距離的方法。其核心原理基于相干接收,即發(fā)射的激光束與目標(biāo)物體反射回來的光束在接收器上發(fā)生干涉,產(chǎn)生拍頻信號,該信號的頻率與目標(biāo)距離成正比。通過精確測量拍頻,可以計算出目標(biāo)距離。

數(shù)學(xué)上,拍頻fb與目標(biāo)距離D、調(diào)頻速率k(即頻率隨時間的變化率)、光速c之間的關(guān)系可表示為:

f_b = frac{2kD}{c} ] 其中,(k = frac{df}{dt}),(df)為頻率變化量,(dt)為時間變化量。

2. 硅基光電集成與一體化光學(xué)封裝

HCD系列傳感器采用先進的硅基光電集成技術(shù),將相干檢相光路和參考光路集成于微小芯片內(nèi),極大地提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。同時,通過一體化光學(xué)封裝技術(shù),將半導(dǎo)體激光器和探測器緊密集成于同一光學(xué)傳感模組上,確保了光路的精確對準(zhǔn)和光信號的高效傳輸,減少了外界干擾,提升了測量精度。

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3. 同軸測量與抗干擾性

不同于傳統(tǒng)三角法測量中可能遇到的深孔測量難題,HCD系列采用同軸測量方式,即發(fā)射與接收光路同軸,確保了光收發(fā)一體化,有效避免了因測量角度限制導(dǎo)致的測量死角。此外,該傳感器只對自身發(fā)出的光源敏感,完全不受材質(zhì)顏色、環(huán)境光等外部因素干擾,保證了測量的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

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測量步驟與方法

1. 系統(tǒng)初始化與校準(zhǔn)** -

**光源調(diào)制**:

首先,通過精確控制激光器的驅(qū)動電路,實現(xiàn)激光頻率的線性調(diào)頻,確保調(diào)頻速率(k)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。

- **參考光路校準(zhǔn)**:利用內(nèi)置的高精度參考光路,對系統(tǒng)進行初始校準(zhǔn),確保測量基準(zhǔn)的精確性。這一步驟對于后續(xù)的高精度測量至關(guān)重要。

2. 信號采集與處理

拍頻信號獲取**:發(fā)射的激光束照射到目標(biāo)物體后,反射光與參考光在接收器上干涉,形成拍頻信號。該信號通過高靈敏度的光電探測器轉(zhuǎn)換為電信號。 -

**信號處理**:采用獨特的調(diào)制解調(diào)技術(shù),對采集到的電信號進行濾波、放大及頻率分析,精確提取拍頻信息。

3. 距離計算與校正

**距離解算**:根據(jù)拍頻信號頻率(f_b)和已知的調(diào)頻速率(k),利用上述公式計算出目標(biāo)距離(D)。 -

**誤差校正**:考慮溫度、壓力等環(huán)境因素對光速(c)及系統(tǒng)硬件的影響,引入相應(yīng)的校正算法,進一步提高測量精度。

4. 數(shù)據(jù)輸出與監(jiān)控

- **結(jié)果顯示**:通過數(shù)字接口(如RS485USB等)將測量結(jié)果實時輸出至上位機,便于數(shù)據(jù)分析和監(jiān)控。

- **反饋控制**:在自動化生產(chǎn)線上,MD系列傳感器還能根據(jù)測量結(jié)果,實時調(diào)整機械裝置的位置或速度,實現(xiàn)閉環(huán)控制。

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應(yīng)用案例分析

**1. 深孔測量** 在航空航天、汽車制造等領(lǐng)域,深孔內(nèi)部尺寸的精確測量是一大挑戰(zhàn)。HCD系列傳感器憑借其同軸測量技術(shù),能夠深入孔內(nèi),準(zhǔn)確測量孔的深度、直徑等參數(shù),測量精度可達10微米以下,極大地提高了生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。

**2. 超精密測量** 在半導(dǎo)體制造、光學(xué)元件加工中,對表面粗糙度、平整度等的測量要求極高。MD系列傳感器憑借其亞微米級的測量精度,能夠有效檢測微觀形貌,為精密加工提供可靠的數(shù)據(jù)支持。

**3. 大距離高精度測量** 在大型結(jié)構(gòu)件(如橋梁、建筑)的變形監(jiān)測、機器人定位導(dǎo)航等領(lǐng)域,MD系列傳感器能夠在較遠的距離上實現(xiàn)高精度測量,誤差控制在微米級,為結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測和智能導(dǎo)航提供了強有力的技術(shù)支撐。

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結(jié)論

HCD系列激光位移傳感器,憑借其基于FMCW技術(shù)的獨特測量原理、硅基光電集成與一體化光學(xué)封裝的先進技術(shù),以及同軸測量、強抗干擾性等顯著優(yōu)勢,在高精度測量領(lǐng)域展現(xiàn)了巨大的應(yīng)用潛力。通過精確的系統(tǒng)校準(zhǔn)、高效的信號處理算法以及嚴(yán)格的環(huán)境因素校正,該傳感器不僅實現(xiàn)了10微米以下的測量精度,還成功解決了深孔測量、超精密測量、大距離高精度測量等一系列難題,為現(xiàn)代工業(yè)制造、科學(xué)研究提供了強有力的技術(shù)支持。未來,隨著技術(shù)的不斷進步和應(yīng)用場景的拓展,MD系列傳感器有望在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,推動高精度測量技術(shù)的持續(xù)創(chuàng)新與發(fā)展。

審核編輯 黃宇

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