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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10um微米甚至更低的精度?

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

引言

在現代精密制造、自動化檢測及科學研究領域,對位移與距離的精確測量需求日益增長,尤其是當測量精度要求達到微米甚至亞微米級別時,傳統的測量方法往往難以滿足要求。近年來,基于調頻連續波(Frequency Modulated Continuous Wave, FMCW)技術的激光位移/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域的研究熱點。本文將詳細介紹一款采用FMCW激光測量技術、結合硅基光電集成與一體化光學封裝技術的HCD系列激光位移傳感器,探討其工作原理、技術特點、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用。

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技術背景與原理

1. FMCW激光測量技術

FMCW技術是一種通過連續改變激光的頻率,并監測由此產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,即發射的激光束與目標物體反射回來的光束在接收器上發生干涉,產生拍頻信號,該信號的頻率與目標距離成正比。通過精確測量拍頻,可以計算出目標距離。

數學上,拍頻fb與目標距離D、調頻速率k(即頻率隨時間的變化率)、光速c之間的關系可表示為:

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封裝

HCD系列傳感器采用先進的硅基光電集成技術,將相干檢相光路和參考光路集成于微小芯片內,極大地提高了系統的集成度和穩定性。同時,通過一體化光學封裝技術,將半導體激光器和探測器緊密集成于同一光學傳感模組上,確保了光路的精確對準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,即發射與接收光路同軸,確保了光收發一體化,有效避免了因測量角度限制導致的測量死角。此外,該傳感器只對自身發出的光源敏感,完全不受材質顏色、環境光等外部因素干擾,保證了測量的準確性和穩定性。

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測量步驟與方法

1. 系統初始化與校準** -

**光源調制**:

首先,通過精確控制激光器的驅動電路,實現激光頻率的線性調頻,確保調頻速率(k)的穩定性和準確性。

- **參考光路校準**:利用內置的高精度參考光路,對系統進行初始校準,確保測量基準的精確性。這一步驟對于后續的高精度測量至關重要。

2. 信號采集與處理

拍頻信號獲取**:發射的激光束照射到目標物體后,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換為電信號。 -

**信號處理**:采用獨特的調制解調技術,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**:根據拍頻信號頻率(f_b)和已知的調頻速率(k),利用上述公式計算出目標距離(D)。 -

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

4. 數據輸出與監控

- **結果顯示**:通過數字接口(如RS485USB等)將測量結果實時輸出至上位機,便于數據分析和監控。

- **反饋控制**:在自動化生產線上,MD系列傳感器還能根據測量結果,實時調整機械裝置的位置或速度,實現閉環控制。

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應用案例分析

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

**2. 超精密測量** 在半導體制造、光學元件加工中,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據支持。

**3. 大距離高精度測量** 在大型結構件(如橋梁、建筑)的變形監測、機器人定位導航等領域,MD系列傳感器能夠在較遠的距離上實現高精度測量,誤差控制在微米級,為結構健康監測和智能導航提供了強有力的技術支撐。

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結論

HCD系列激光位移傳感器,憑借其基于FMCW技術的獨特測量原理、硅基光電集成與一體化光學封裝的先進技術,以及同軸測量、強抗干擾性等顯著優勢,在高精度測量領域展現了巨大的應用潛力。通過精確的系統校準、高效的信號處理算法以及嚴格的環境因素校正,該傳感器不僅實現了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,為現代工業制造、科學研究提供了強有力的技術支持。未來,隨著技術的不斷進步和應用場景的拓展,MD系列傳感器有望在更多領域發揮重要作用,推動高精度測量技術的持續創新與發展。

審核編輯 黃宇

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