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高精度光学测量微位移技术综述Document number：BGCG-0857-BTDO-0089-2022高精度光学测量微位移技术综述***（******大学光电**学院，重庆 400065）摘要微位移测量技术在科学与工业技术领域应用广泛。
光学测量微位移技术与传统测量方法相比，具有灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐腐蚀、防爆、结构简单、体积小、重量轻等优点。
本文介绍了几种高精度光学测量微位移的方法，从激光三角法、激光干涉法、光栅尺法、光纤光栅法、X射线干涉法和F-P干涉法几个类别对各种微位移测量原理和仪器进行了系统的分析和比较，并对各种方法的特点进行了归纳，对光学微位移测量方法的发展趋势进行了概括。
关键词：微位移测量，高精度，光学测量，发展趋势1 引言随着科学技术的发展，微小位移的检测手段已发展到多种，测量准确度也不断提高。
目前，高分辨力微位移测量技术主要分为包含电学、显微镜等测量方法的非光学测量技术和以激光干涉测量为代表的光学测量技术两大类。
电学测量技术又包括电阻法、电容和电感法以及电涡流法等，其中，电容和电感法发展迅速，较为常用。
目前，三端电容传感器可测出5×10－5μm的微位移，最大稳定性为每天漂移几个皮米[1]。
而显微镜测量技术种类较多，主要有高性能透射电子显微镜、扫描电子显微镜、扫描探针显微镜（包括扫描隧道显微镜和原子力显微镜）等二十多个品种[2]。
按光学原理不同，光学测量技术可分为激光三角测量[3]、光杠杆法[1,4]、光栅尺测量法[5]、光纤位移测量法[5]和激光干涉法等，测量分辨力在几十皮米到几纳米之间。
此外，利用X射线衍射效应进行位移测量的X射线干涉技术近年来备受关注，其最大特点是以晶格结构中的原子间距作为溯源标准，可实现皮米量级的高分辨力，避免了光学干涉仪的各种非线性误差[6]。
现将主要的具有纳米量级及以上分辨力的微位移测量技术概括如表1所示。
纵观位移测量技术的发展历程，如果说扫描探针技术为高分辨力位移测量领域带来了革命性变革，那么近几十年来激光技术的发展则将该领域带入了一个崭新的时代。
激光位移传感器是利用激光技术进行测量的传感器。
它由激光器、激光检测器和测量电路组成。
激光传感器是新型测量仪表。
能够精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化。
知道了什么是激光位移传感器，那么大家对激光位移传感器调试方法有多少了解呢？下面小编为大家简单介绍一下。
激光位移传感器的调试方法：激光位移传感器可以测量位移、厚度、振动、距离、直径等精密几何测量。
激光位移传感器具有良好的直线度，激光位移传感器的精度高于我们所知道的超声波传感器。
然而，激光发生器相对复杂，体积大，因此对激光位移传感器的应用范围提出了更高的要求。
激光位移传感器原理：一般激光位移传感器的基本原理是光学三角法。
根据测量原理，将激光位移传感器分为激光三角测量法和激光回波分析法。
激光三角测量法一般适用于高精度和短距离测量，而激光回波分析法则用于长距离测量，分别介绍了激光三角测量原理和激光回波分析原理。
1、激光位移传感器原理的激光三角测量方法。
激光发射器通过透镜将可见的红色激光发射到被测物体的表面，由物体反射的激光通过接收镜头接收到内部的CCD线相机。
根据不同的距离，CCD线性相机可以"看到"不同角度的光斑。
基于这个角度和已知的激光与摄像机之间的距离，数字信号处理器可以计算传感器与被测物体之间的距离。
同时，用模拟电路和数字电路处理波束在接收元件中的位置，通过微处理器分析计算出相应的输出值，在用户设置的模拟窗口中按比例输出标准数据信号。
如果使用开关输出，则在设定窗口内打开，并在窗口外结束。
此外，模拟输出和开关输出可以独立设置检测窗口。
用三角法测得的激光位移传感器的最大线性度可达1μm，分辨率可达0.1um，如ZLDS 100型传感器，可获得0.01%的高分辨率，0.1%的高线性度，9.4KHz的高响应，适应恶劣环境。
2、基于激光位移传感器原理的激光回波分析原理。
激光位移传感器采用回波分析原理测量距离，以达到一定的精度。
该传感器由处理器单元、回波处理单元、激光发射机、激光接收机等组成。
ZLDS10河定制激光位移传感器量程：2〜1000m（可定制）精度：最高0.1% （玻璃0.2%）分辨率：最高0.03%频率响应:2K.5K.8K.10K基本原理是光学三角法：半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。
反射光被镜片3收集，投射到CCD 阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。
激光传感器原理与应用激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器。
它由激光器、激光检测器和测量电路组成。
激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。
激光和激光器一一激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一。
它发展迅速，已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面。
激光与普通光不同，需要用激光器产生。
激光器的工作物质，在正常状态下，多数原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下，处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E2。
光子能量E=E2-E1=hv,式中h为普朗克常数，v为光子频率。
反之，在频率为v的光的诱发下，处于能级E2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光，称为受激辐射。
激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级（即粒子数反转分布），就能使受激辐射过程占优势，从而使频率为v 的诱发光得到增强，并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光，简称激光。
激光具有3个重要特性：（1）高方向性（即高定向性，光速发散角小），激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米；（2）高单色性，激光的频率宽度比普通光小10倍以上；（3）高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度。
激光器按工作物质可分为4种：（1）固体激光器：它的工作物质是固体。
常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器（即YAG激光器）和钕玻璃激光器等。
它们的结构大致相同，特点是小而坚固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已达到数十兆瓦。
《激光三角法测距原理研究》摘要：文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）22-0242-03，对于激光三角法测距的原理的研究可以为激光三角法的实际测量提供良好的指导作用，本文在研究激光三角法测距的原理的过程中对激光三角法测距的已有光路与重要器件进行分析，找出各方案的特点吴博文冯国强摘要：激光三角法测距是一种以激光为光源的非接触式测量方法，其测量速度快、精度高，已被广泛的应用于工业生产检测领域。
本文首先介绍了激光三角法测距的基本原理;然后对不同的测量方案例如直射式和斜射式单点激光三角法测距进行系统的分析和比较;其次对各个测量方案的优缺点、各方案中采用的光电仪器的作用与优劣，以及影响激光三角法测量结果的因素与其解决方法进行了归纳和分析。
Abstract： Laser triangulation is a non - contact measuring method with laser as the light source. It has been widely used in the field of industrial production inspection. This paper first introduces the basic principle of laser triangulation method， and then analyzes and compares the different measurement schemes such as direct beam and oblique beam single point laser triangulation method. Secondly， the advantages and disadvantages of each measurement scheme， the functions and advantages and disadvantages of the photoelectric instruments used in each scheme，as well as the factors affecting the measurement results of laser triangulation method and their solutions are summarized and analyzed. Finally， an improved laser triangulation measurement scheme is designed and its feasibility and influencing factors are discussed. The development trend and prospect of laser triangulation are deduced.关键词：激光三角法;测距;直射式;斜射式Key words： laser triangulation;distance;direct type;oblique type中图分类号：TN249 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2020）22-0242-030 引言随着工业的发展，与科学技术的进步，在一些领域对测量方面的要求越来越高越来越严格。
激光位移传感器的工作原理激光位移传感器是一种利用激光技术测量目标物体与传感器之间距离或位移的设备。
它广泛应用于工业自动化、机器人导航、三维建模等领域。
激光位移传感器的工作原理可简单概括为发射激光束，接收并分析激光束被目标物体反射后的特性，最后计算出位移值。
激光发射器通常使用激光二极管或激光二极管阵列。
它们能够产生连续波或脉冲激光束。
激光束被发射后，聚焦成一个很小的光斑，射向目标物体。
接收器通常采用光电二极管或光电二极管阵列。
当激光束照射到目标物体上时，一部分光会被目标物体表面反射回来。
接收器接收到反射光，并将其转化为电信号。
信号处理模块对接收到的电信号进行放大和滤波处理。
由于反射光的强度会随着目标物体与传感器的距离变化而变化，信号处理模块需要将这些微弱的信号放大到合适的水平，以便后续处理。
计算模块对处理后的信号进行分析和计算。
首先，它需要将信号转化为距离或位移值，并校准传感器的误差。
通常，该模块会采用时间差法、三角法或干涉法等测量原理来计算出位移值。
然后，它还可以结合其他传感器的数据，进行更精确的位移测量和姿态估计。
1.时间差法：利用激光束从发射到接收的时间差来计算位移。
当激光束照射到目标物体上后，通过测量激光束从发射到接收的时间差，可以计算出目标物体与传感器之间的距离。
2.三角法：利用三角形的几何关系来计算位移。
激光位移传感器通常采用三角形的基线法或多基线法。
基线法是通过测量激光束在同一平面上的两个不同位置的反射点，根据它们与传感器之间的距离和角度，计算出目标物体到传感器的距离和位移。
多基线法则是在三维空间中使用多个不同位置的激光束测量点，通过测量这些点之间的距离和角度关系，计算出目标物体的三维位置和姿态。
3.干涉法：利用激光束的干涉来计算位移。
激光位移传感器通常使用相干激光束，将其分为参考光和测量光。
参考光是由激光器发出的一束光，经过分束器分成两束，其中一束作为参考光束，另一束经过反射器射向目标物体，被目标物体反射后，再次经过反射器和分束器的合并，并与参考光束相干干涉。
如何进行激光测量激光测量是一种高精度测量技术，广泛应用于各种科学研究、工业制造、医疗仪器等领域。
在现代科技的推动下，激光测量技术得到了长足的发展和应用。
本文将从激光测量的原理、常见的激光测量方法以及未来发展趋势等方面展开讨论。
首先，我们来看一下激光测量的原理。
激光测量利用激光的特性进行测量，通过激光器产生的高亮度、高定向性、窄带宽的激光束，照射到待测物体上，然后根据激光束的反射、散射、透射等性质，利用激光测量仪器进行测量。
由于激光的波长短、方向性好，因此激光测量具有非常高的精度和可靠性。
接下来，我们介绍几种常见的激光测量方法。
首先是激光三角法。
激光三角法是一种基于光学三角测量原理的测量方法。
它通过测量激光束的入射角度和出射角度，结合待测物体与激光器之间的距离，可以计算出待测物体的尺寸、位置等信息。
激光三角法广泛应用于大型机器的定位、测量和校正等任务中。
其次是激光干涉法。
激光干涉法是利用激光在光学元件上的干涉现象进行测量的方法。
通过测量激光干涉条纹的变化，可以得到待测物体表面的形态、薄膜的厚度、光学元件的形状等信息。
激光干涉法被广泛应用于表面形貌测量、光学元件检测、微小位移测量等领域。
此外，激光散射法也是一种常见的激光测量方法。
激光散射是激光束与物体相互作用的结果，散射的光经过分析处理，可以得到物体的粗糙度、颗粒大小、浓度等信息。
激光散射法广泛应用于颗粒物浓度测量、材料表面粗糙度检测等领域。
除了以上三种常见的激光测量方法，还有许多其他激光测量技术，如激光光滑法、激光散斑法、激光多普勒测速法等。
这些技术在不同领域有着广泛的应用和发展，为各种精密测量提供了有力的工具和方法。
随着科技的不断进步，激光测量技术也在不断发展。
未来，我们可以预见，激光测量技术将继续向着更高精度、更高灵敏度的方向发展。
例如，激光干涉仪的全息技术可以实现更高的空间分辨率和灵敏度，使得激光测量技术在微观尺度上获得更加精确的测量结果。
利用光电池进行激光三角法测距张琬祺（20142301038），苏秀崖，王美凤（华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州510006）摘要：利用光电池对于不同强度的光转换成不同的电信号的特性以及光反射的原理，进行近距离精密测距实验。
物体的移动导致光反射点的位置的改变，通过光电池接收光的强度确定光反射点的改变位置。
当入射角确定时，光电池的移动距离和物体移动的距离存在一定关系。
关键词：光电池，三角法，近距离精密测距Using photovoltsic cell laser triangulation ranging（Zhang wan-qi Su xiu-ya Wang mei-feng）(1.School of physics and communicationengineering , South China Normal University,Guangzhou 510006, China)Abstract: Using photovoltsic cell for different intensity of light into different characteristics of the electrical signals and the principle of light reflection, precision ranging from close range to experiment on.Moving the position of thelight reflection point of the object changes, through cell receives light intensity determine the change of light reflection point position.When the incident Angle to determine cell moving distance and moving object distance there is a certain relationship.Key words：photovoltaic cell,trigonometry,precision ranging from close range一、引言激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。
激光精密测量与加工中的技术与应用激光是一种特殊的光源，具有单色性、相干性和高能量密度等特点，因此被广泛应用于精密测量和加工领域。
本文将探讨激光精密测量与加工中的技术与应用。
一、激光精密测量技术1.1 激光干涉测量激光干涉测量是一种高精度的非接触式测量方法，主要用于测量形状、位移、振动等参数。
其基本原理是利用激光干涉的特性，通过比较参考光和被测物光的干涉信号，得出被测物的参数。
激光干涉测量在机械制造、航空航天、光学制造等领域具有广泛的应用。
1.2 激光三角测量激光三角测量是一种常用的三维形状测量方法，其主要测量原理是通过激光光束在被测物表面上的反射来确定物体表面的三维坐标。
该技术具有高精度、快速、非接触等优点，已广泛应用于工业制造、医学、建筑设计等领域。
1.3 激光扫描测量激光扫描测量是一种高精度、高效、非接触的三维数据采集技术，其主要特点是可以在短时间内快速获取被测物的三维点云数据。
该技术可以被广泛应用于机械加工、地形测绘、数字化建模等领域。
二、激光精密加工技术2.1 激光打标激光打标是利用激光束将高能量聚焦在被加工物表面的一小块区域上，以改变被加工物表面材料的颜色、形状等，从而实现标记、雕刻等功能。
该技术具有标记位置精度高、操作灵活、制作成本低等优点，广泛应用于电子、医疗、食品等行业。
2.2 激光切割激光切割是一种高精度、高效、非接触式的切割技术，主要应用于金属、塑料、木材等材料的切割。
在激光切割过程中，激光束在被加工物表面产生的高温和高压力作用下，可以快速切割出所需形状的部件，具有加工精度高、切割速度快等特点。
2.3 激光焊接激光焊接是一种高精度、高效、无需添加任何材料的焊接技术，主要应用于金属、塑料等材料的焊接。
在激光焊接过程中，激光束聚焦在被加工物表面，使表面材料瞬间融化并在激光束熔融区形成高温区域，从而实现对被加工物的精密焊接。
三、技术与应用的发展趋势随着科学技术的不断发展，激光精密测量和加工技术也在不断完善和创新。
目录镭神LS10A系列激光传感器 (3)镭神LS10B系列高速高精度激光传感器 (5)镭神LS11A系列激光位移传感器 (7)镭神LS11B系列高速激光位移传感器 (9)镭神LS50系列TOF激光测距传感器 (11)镭神相位法激光传感器 (12)镭神三维激光扫描仪 (13)镭神LS10A系列激光传感器LS10A基本概况LS10A系列激光传感器是深圳市镭神智能系统有限公司研发的近距离高精度的非旋转扫描测距产品。
该传感器运用激光三角法测量物体三维尺寸，可完成物体检查、定位、测量等多种工作任务，帮助客户提高生产力，实现生产控制和质量控制。
LS10A系列激光传感器的扫描频率30Hz，采用USB接口输出数据，根据测量尺寸的不同，可划分为不同的产品型号，具体参数如下表所示。
产品参数LS10A-050 LS10A-095 LS10A-245 LS10A-350 量程起点50mm 70mm 170mm 200mm量程中点55mm 95mm 245mm 350mm量程终点60mm 120mm 320mm 500mm 高度方向测量范围10mm 50mm 150mm 300mm±0.17%FSO ±0.10%FSO ±0.13%FSO ±0.40%FSO5μm 20μm 50μm 1200μm 量程起点10mm 14mm 34mm 40mm量程中点11mm 19mm 49mm 70mm量程终点12mm 24mm 64mm 100mm360测量点/扫描线标准655nm 655nm 655nm 655nm可选405nm 405nm 405nm 405nm2M5mW 8 mW 10 mW 15 mW30° 30° 30° 30°10000lx 10000lx 5000lx 5000lx30Hz 30Hz 30Hz 30HzUSBUSB不锈钢5VDC，±10%IP65阳极氧化铝/不锈钢PMMA/安全玻璃15g2g/20~500Hz0℃~40℃-20℃~+70℃产品应用物体检查形状测量镭神LS10B系列高速高精度激光传感器LS10B基本概况LS10B系列激光传感器是深圳市镭神智能系统有限公司研发的高速高精度的扫描测距产品。
ZLDS10X可定制激光位移传感器量程: 2～1000mm可定制精度: 最高%玻璃%分辨率: 最高%频率响应: 基本原理是光学三角法：半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6;反射光被镜片3收集,投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离;激光传感器原理与应用激光传感器是利用激光技术进行测量的传感器;它由激光器、激光检测器和测量电路组成;激光传感器是新型测量仪表,它的优点是能实现无接触远距离测量,速度快,精度高,量程大,抗光、电干扰能力强等;激光和激光器——激光是20世纪60年代出现的最重大的科学技术成就之一;它发展迅速,已广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面;激光与普通光不同,需要用激光器产生;激光器的工作物质,在正常状态下,多数原子处于稳定的低能级E1,在适当频率的外界光线的作用下,处于低能级的原子吸收光子能量受激发而跃迁到高能级E2;光子能量E=E2-E1=hv,式中h为普朗克常数,v为光子频率;反之,在频率为v的光的诱发下,处于能级 E2的原子会跃迁到低能级释放能量而发光,称为受激辐射;激光器首先使工作物质的原子反常地多数处于高能级即粒子数反转分布,就能使受激辐射过程占优势,从而使频率为v的诱发光得到增强,并可通过平行的反射镜形成雪崩式的放大作用而产生强大的受激辐射光,简称激光;激光具有3个重要特性：1高方向性即高定向性,光速发散角小,激光束在几公里外的扩展范围不过几厘米；2高单色性,激光的频率宽度比普通光小10倍以上；3高亮度,利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度;激光器按工作物质可分为4种：1固体激光器：它的工作物质是固体;常用的有红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器即YAG激光器和钕玻璃激光器等;它们的结构大致相同,特点是小而坚固、功率高,钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件,已达到数十兆瓦;2气体激光器：它的工作物质为气体;现已有各种气体原子、离子、金属蒸气、气体分子激光器;常用的有二氧化碳激光器、氦氖激光器和一氧化碳激光器,其形状如普通放电管,特点是输出稳定,单色性好,寿命长,但功率较小,转换效率较低;3液体激光器:它又可分为螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器,其中最重要的是有机染料激光器,它的最大特点是波长连续可调;4半导体激光器：它是较年轻的一种激光器,其中较成熟的是砷化镓激光器;特点是效率高、体积小、重量轻、结构简单,适宜于在飞机、军舰、坦克上以及步兵随身携带;可制成测距仪和瞄准器;但输出功率较小、定向性较差、受环境温度影响较大;应用——利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量;激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量,还可用于探伤和大气污染物的监测等;激光测长——精密测量长度是精密机械制造工业和光学加工工业的关键技术之一;现代长度计量多是利用光波的干涉现象来进行的,其精度主要取决于光的单色性的好坏;激光是最理想的光源,它比以往最好的单色光源氪-86灯还纯10万倍;因此激光测长的量程大、精度高;由光学原理可知单色光的最大可测长度 L与波长λ和谱线宽度δ之间的关系是L=λ2/δ;用氪－86灯可测最大长度为38.5厘米,对于较长物体就需分段测量而使精度降低;若用氦氖气体激光器,则最大可测几十公里;一般测量数米之内的长度,其精度可达微米;激光测距——它的原理与无线电雷达相同,将激光对准目标发射出去后,测量它的往返时间,再乘以光速即得到往返距离;由于激光具有高方向性、高单色性和高功率等优点,这些对于测远距离、判定目标方位、提高接收系统的信噪比、保证测量精度等都是很关键的,因此激光测距仪日益受到重视;在激光测距仪基础上发展起来的激光雷达不仅能测距,而且还可以测目标方位、运运速度和加速度等,已成功地用于人造卫星的测距和跟踪,例如采用红宝石激光器的激光雷达,测距范围为500～2000公里,误差仅几米;目前常采用红宝石激光器、钕玻璃激光器、二氧化碳激光器以及砷化镓激光器作为激光测距仪的光源;激光测厚——利用三角测距原理,上位于C型架的上、下方分割有一个精密激光测距传感器,由激光器发射出的调制激光打到被测物的表面,通过对线阵 CCD的信号进行采样处理,线阵CCD摄像机在控制电路的控制下同步得到被测物到C型架之间的距离,通过传感器反馈的数据来计算中间被测物的厚度;由于检测是连续进行的,因此就可以得到被测物的连续动态厚度值;影响激光测厚精度的安装因素：和其它传感器测厚一样,要实现精密测厚需要注意以下条件,否则再好的传感器也测不准;精密测厚,选精密激光位移传感器很重要,但如果两个传感器不能同步工作,安装不同轴,则根本测不准：1单激光位移传感器测厚被测体放在测量平台上,测量出传感器到平台表面距离,然后再测出传感器到被测体表面间距,经计算后测出厚度;要求被测体与测量平台之间无气隙,被测体无翘起;这些严格要求只有在离线情况能实现;2双激光位移传感器测厚在被测体上方和下方各安装一个激光位移传感器,被测体厚度D=C-A+B;其中,C 是两个传感器之间距离,A是上面传感器到被测体之间距离,B是下面传感器到被测体之间距离;在线厚度测量用这种方法优点是可消除被测体振动对测量结果的影响;但同时对传感器安装和性能有要求;保证测量准确性的条件是：两个传感器发射光束必须同轴,以及两个传感器扫描必须同步;同轴是靠安装实现,而同步要靠选择有同步端激光传感器;不同步将代来很大误差：如果被测体存在振动频率20HZ,振幅1mm,如果信号不同步延迟1ms,那么就会带来125µm误差;安装使两个激光同轴,不但确保被测体同一位置上的厚度,同时降低了被测体倾斜带来的误差;以被测体运动方向不同轴为例,当不同轴1mm,被测体倾斜2°可带来35µm误差;激光三角漫反射位移传感器用于测厚有明显优点：1非常小的测量光斑,是点光斑面积,它比面积型非接触电容、电涡流传感器需要的面积小很多,对被测体面积几乎无要求,适合测量非常小面积尺寸厚度；2较远的测量范围起始间距;它比非接触电容、电涡流传感器起始间距大很多;这样传感器可以远离被测体,免受碰坏,及被测体热辐射影响；3有很大的测量范围,这是其它传感器很难做到的；4与被测体材料无关,即金属非金属体,非透明有漫反射条件表面都能测;5用激光测厚取代同位素测厚,可以消除对用户的放射性损害;激光测振——它基于多普勒原理测量物体的振动速度;多普勒原理是指：若波源或接收波的观察者相对于传播波的媒质而运动,那么观察者所测到的频率不仅取决于波源发出的振动频率而且还取决于波源或观察者的运动速度的大小和方向;所测频率与波源的频率之差称为多普勒频移;在振动方向与方向一致时多普频移fd=v/λ,式中v 为振动速度、λ为波长;在激光多普勒振动速度测量仪中,由于光往返的原因,fd =2v/λ;这种测振仪在测量时由光学部分将物体的振动转换为相应的多普勒频移,并由光检测器将此频移转换为电信号,再由电路部分作适当处理后送往多普勒信号处理器将多普勒频移信号变换为与振动速度相对应的电信号,最后记录于磁带;这种测振仪采用波长为6328埃┱的氦氖激光器,用声光调制器进行光频调制,用石英晶体振荡器加功率放大电路作为声光调制器的驱动源,用光电倍增管进行光电检测,用频率跟踪器来处理多普勒信号;它的优点是使用方便,不需要固定参考系,不影响物体本身的振动,测量频率范围宽、精度高、动态范围大;缺点是测量过程受其他杂散光的影响较大;激光测速——它也是基多普勒原理的一种激光测速方法,用得较多的是激光多普勒流速计见激光流量计,它可以测量风洞气流速度、火箭燃料流速、飞行器喷射气流流速、大气风速和化学反应中粒子的大小及汇聚速度等;多普勒测速系统Doppler velocity-measuring system原理：从开过来的机车所听到的声波间的距离被压缩了,就好像一个人正在关手风琴;这个动作的结果产生一个明显的较高的音调;当火车离去时,声波传播开来,就出现了较低的声音--这种现象被称为“多普勒”效应;检查机动车速度的雷达测速仪也是利用这种多普勒效应;从测速仪里射出一束射线,射到汽车上再返回测速仪;测速仪里面的微型信息处理机把返回的波长与原波长进行比较;返回波长越紧密,前进的汽车速度也越快--那就证明驾驶员超速驾驶的可能性也越大;激光多普勒测速仪是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号,再根据速度与多普勒频率的关系得到速度;由于是激光测量,对于流场没有干扰,测速范围宽,而且由于多普勒频率与速度是线性关系,和该点的温度,压力没有关系,是目前世界上速度测量精度最高的仪器;多普勒测速工作原理可以用干涉条纹来说明;当聚焦透镜把两束入射光以某角会聚后,由干激光束良好的相干性,在会聚点上形成明暗相间的干涉条纹,条纹间隔正比干光波波长,而反比干半交角的正弦值;当流体中的粒子从条纹区的方向经过时,会依次散射出光强随时间变化的一列散射光波,称为多普勒信号;这列光波强度变化的频率称为多普勒频移;经过条纹区粒子的速度愈高,多普勒频移就愈高;将垂直于条纹方向上的粒子速度,除以条纹间隔,考虑到流体的折射率就能得到多普勒频移与流体速度之间线性关系;多普勒测速系统就是利用速度与多谱勒频移的线性关系来确定速度的;各个方向上的多普勒频率的相位差和粒子的直径成正比,利用监测到的相位差可以来确定粒径;光学测速测长系统相对于传统的测速测长系统编码器或测速电机的优势是：1编码器或测速马达测量都是依靠测速辊与被测量物体的摩擦来实现的,存在摩擦的地方就会有相对滑动的存在,尤其是在速度变化的过程中滑动更明显,此时会产生较明显的误差；而多普勒测量系统是非接触测量,从原理上消除了这个误差;2接触式测量过程中,当生产的产品为对表面光洁度要求非常高的产品时,比如不锈钢板带,容易对表面产生损伤,而采用多普勒测量系统完全避免;3编码器或测速马达是机械类产品,长期的运转存在机械磨损,从而影响到测量精度,而多普勒测量系统属于光学仪器,内部没有机械磨损,不存在随运行时间而测量精度变化的问题;4在钢铁的轧机或平整机运行过程中,由于在板带上有巨大的张力,在高速运行中会产生高频振动,对接触式的测速系统影响非常大;比如在平整机上,采用编码器对平整机的延长率进行控制时,实际测量的结果是板带平整后的延长率是在3%-15%之间变化,升速或降速时编码器信号由于摩擦打滑的影响无法参与控制;冷轧板带的延长率直接影响的是深冲性能,延长率控制不好,生产的成品板带的质量级别无法提高,无法满足比如家电生产企业,汽车生产企业等对深冲成型性能要求非常高的企业的要求;采用多普勒测量系统进行控制时,延长率一般可以控制在目标值的%左右波动,优势非常明显;而且轧机的升速,降速对其性能无任何影响,所以整卷钢带的成材率可以高达97%以上,效益非常明显;而采用编码器时,由于受到诸多限制,成材率一般低于85%;材料表面反射系数对激光传感器的影响激光漫反射位移传感器正常工作的前提是要求被测物体表面具有漫反射条件,出厂时厂家是用白陶瓷作为标准面;反射系数是光输入到表面能量与返回能量之比;光亮表面反射系数高,例如白纸就高,粗糙或黑色表面反射系数低,例如黑橡胶就低;并不是反射系数愈大愈好,当反射系数100%时,例如镜面时,激光成像光斑被100%反射回到激光光源,而接受漫反射的CCD端无成像光,所以镜面就不能正常工作;反之当反射系数为0%时绝对黑体,入射光被百分百吸收,无反射光,传感器也不能工作;只有反射系数<100%,和>0%之间,激光漫反射传感器才能可靠工作;各种材料表面反射系数：白陶瓷约95%白纸约75-80%金属材料约55-60%黑纸约5%黑橡胶约3-5%黑绒布约%激光传感器所能解决其它技术无法解决的问题激光传感器可用于其它技术无法应用的场合;例如,当目标很近时,计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务;但是,当目标距离较远内或目标颜色变化时,普通光电传感器就难以应付了;虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作,但是,在目标角度不固定或目标太亮时,其性能的可预测性变差;此外,普通光电三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内;超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体,而且由于它不是光学装置,所以不受颜色变化的影响;但是,超声波传感器是依据声速测量距离的,因此存在一些固有的缺点,不能用于以下场合;1待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合;因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10°角以内;2需要光束直径很小的场合;因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm;3需要可见光斑进行位置校准的场合;4多风的场合;5真空场合;6温度梯度较大的场合;因为这种情况下会造成声速的变化;7需要快速响应的场合;而激光传感器能解决上述所有场合的检测;激光产品危险等级划分激光产品危险等级分类是描述激光系统对人体造成伤害程度的界定指标;分类从第I类激光无伤害到第IV类激光器如2000瓦二氧化碳激光器可以切割厚钢板;制造商必须在第II类,第III类和第IV类激光产品上贴有带激光危险等级分类字样的警告标签;第I类激光产品——没有生物性危害;任何可能观看的光束都是被屏蔽的,且在激光暴露时激光系统是互锁的;大型激光打印机如DEC LPS-40是由10毫瓦IIIb 类氦氖激光驱动的,尽管实际的激光器是IIIb类,但打印机是互锁的,以避免和暴露的激光束发生任何接触,因此,该设备不产生任何生物性危害;这也适用于CD 播放器和小型激光打印机,他们都是第一类设备;第II类激光产品——输出功率1毫瓦;不会灼伤皮肤,不会引起火灾;由于眼睛反射可以防止一些眼部损害,所以这类激光器不被视为危险的光学设备;例如当眼遇到明亮的光线时,会自动眨眼,或者转动头部以避开这些强光线;这就是所谓的反射行为或反射时间;在这段时间内这类激光产品不会对眼睛造成伤害;尽管如此,一个人也不会愿意较长时间盯着看它;在这类激光设备上应放黄色警告标签;第IIIa类激光产品——输出功率1毫瓦到5毫瓦;不会灼伤皮肤;在某种条件下,这类激光可以对眼睛造成致盲以及其他损伤;这类激光产品应该有：1激光发射指示灯,表明激光器是否在工作；2应该使用电源钥匙开关,阻止他人擅自使用；3应该贴有一个危险标签和输出xx的标签;第IIIb类激光产品——输出功率5毫瓦到500毫瓦;在功率比较高时,这类激光产品能够烧焦皮肤;这类激光产品明确定义为对眼睛有危害,尤其是在功率比较高时,将造成眼睛损伤;这类激光产品必须具备：1钥匙开关,阻止他人擅自使用；2激光发射指示灯,表明激光器是否在工作；3启动电源后有3至5秒延迟时间使操作者离开光束路径；4装有急停开关,随时关断激光光束；5在激光器上必须贴有红色的危险标签和xxaperature标签;250mw激光器照射一张红纸,不到2秒钟就点燃了第IV类激光产品——输出功率大于500毫瓦;这类激光产品一定能够造成眼睛损伤;就像灼烧皮肤和点燃衣物一样,激光能够引燃其他材料;这类激光系统必须具备：1钥匙开关,阻止他人擅自使用；2保险装置,防止工作时系统的保护盖被打开；3激光发射指示灯,表明激光器是否在工作；4装有急停开关,随时关断激光光束；5在激光器上贴好红色危险标签和xxaperature标签,这类激光反射光束和主光束一样都很危险;一个1000瓦二氧化碳激光器可以在一块钢板上打孔,设象一下,如果是眼睛会怎么样。
激光测距方法
激光测距方法主要有以下三种：
1. 脉冲法：测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间。
光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。
脉冲法测量距离的精度一般是在+/- 10厘米左右。
另外，此类测距仪的测量盲区一般是1米左右。
2. 相位法：是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。
即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间，从而求得距离。
3. 三角反射法：激光位移传感器的测量方法称为三角测量法，激光头的镜头内包含一个由透镜组成的光学系统，发射激光后，激光首先打到被测物体上并反射回来，反射回来的激光被CMOS传感器接收;通过计算激光往返的时间得到传感器到被测物体的距离。
教学目标知识目标：掌握接近开关的基本工作原理，了解各种接近开关的环境特性及使用方法，掌握应用接近开关进行工业技术检测的方法能力目标：对不同接近开关进行敏感性检测，使用霍尔接近开关完成转动次数的测量。
素质目标：教学重点接近开关的应用教学难点接近开关的基本工作原理教学手段理实一体实物讲解小组讨论、协作教学学时10教学内容与教学过程设计注释项目一开关量检测〖理论学习〗任务一认识接近开关一、霍尔效应型接近开关1.霍尔效应霍尔效应的产生是由于运动电荷在磁场作用下受到洛仑兹力作用的结果。
如图1-2所示，把N型半导体薄片放在磁场中，通以固定方向的电流i图1-2霍尔效应（从a点至b点），那么半导体中的载流子（电子）将沿着与电流方向相反的方向运动。
图1-2 霍尔效应2.霍尔元件霍尔元件的结构简单，由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图1-3所示。
图1-3 霍尔元件讲解霍尔效应基本原理，及霍尔电动势。
3.霍尔原件的性能参数1)额定激励电流2)灵敏度KH3)输入电阻和输出电阻4)不等位电动势和不等位电阻5)寄生直流电动势6)霍尔电动势温度系数4.霍尔开关霍尔开关是在霍尔效应原理的基础上，利用集成封装和组装工艺制作而成，可把磁输入信号转换成实际应用中的电信号，同时具备工业场合实际应用易操作和可靠性的要求。
图1-6霍尔开关5.霍尔传感器的应用1)霍尔式位移传感器霍尔元件具有结构简单、体积小、动态特性好和寿命长的优点，它不仅用于磁感应强度、有功功率及电能参数的测量，也在位移测量中得到广泛应用。
图1-7 霍尔式位移传感器的工作原理图2)霍尔式转速传感器图1-8 所示的是几种不同结构的霍尔式转速传感器。
图1-8 几种霍尔式转速传感器的结构3)霍尔计数装置图1-9 所示的是对钢球进行计数的工作示意图和电路图。
当钢球通过霍尔开关传感器时，传感器可输出峰值20 mV 的脉冲电压，该电压经运算放大器(μA741)放大后，驱动半导了解霍尔传感器的应用。
铝型材表面平整度测量
一、ZLDS113激光位移传感器测量方案
激光位移传感器利用激光三角发原理，测量物体到传感器的距离。
工作原理
基本原理是光学三角法：
半导体激光器①被镜片②
聚焦到被测物体⑥。反射光
被镜片③收集，投射到CMOS
阵列④上；信号处理器⑤通
过三角函数计算阵列④上
的光点位置得到距物体的
距离。
测量方案：
使用丝杆带动ZLDS113激光位移传感器来回扫描移动，即可测量出一个横截面的表面轮
廓。通过传感器的测量值之间的偏差，就可计算出铝型材表面的平整度。
铝型材表
传感器扫描方向
ZLDS113
二、ZLDS200和ZLDS210激光二维扫描传感器
工作原理
传感器的工作是基于光学三角测量原理。半导体激光
发生器①发出的光，经透镜②形成X平面光幕，并在
物体⑦上形成一条轮廓线③，镜片④收集被物体反射
回来的光并将其投影到一个二维CMOS阵列⑤,这样形
成的目标物体剖面图形被信号处理器⑥分析处理，轮
廓线的长度用X轴计量，轮廓线的高低用Z轴计量。
测量方案
二维传感器可以在固定的情况下直接测量一个横截面的表面轮廓，可通过软件，直接读出该
轮廓线上的高度差，从而得到平整度。
ZLDS200或
ZLDS210
铝型材
激光位移传感器工作原理是什么激光位移传感器是一种高精度、高分辨率的光学传感器，广泛应用于测量物体的位移、形状、振动等参数，具有非接触式、高灵敏度、高速度、高精度、强抗干扰等优点，因此在工业、医疗、科研等领域得到了广泛应用。
激光位移传感器的工作原理是利用激光光束与被测物体表面发生反射后，通过接收器接收反射光信号，并分析光信号的变化来实现位移测量的。
下面将详细介绍激光位移传感器的工作原理。
一、激光位移传感器的基本结构激光位移传感器主要由光学系统、电子系统、机械系统三大部分构成，其中光学系统包括激光光源、发射器、接收器等组件，电子系统包括放大器、滤波器、模数转换器等，机械系统包括机械结构、信号处理电路等。
其中，激光光源一般采用激光二极管或半导体激光器，发射器用于向被测物体表面发射激光光束，接收器用于接收被测物体反射回来的光信号，放大器用于放大光信号，滤波器用于滤除杂波信号，模数转换器将模拟信号转换为数字信号，机械结构则用于支撑光学系统，调节光路等。
二、激光位移传感器的测量原理激光位移传感器的测量原理基于激光光束与被测物体表面的反射原理，即激光光束发射到被测物体表面上时，一部分光会被反射回来，经过光学系统捕捉到接收器中形成反射光信号，从而实现了被测物体的位移测量。
具体来说，激光位移传感器发出的激光光束射向被测物体表面，被测物体表面反射出来的光线在光学系统中被聚焦后，最终射向接收器。
接收器接收到的光信号经过放大、滤波后，被送入模数转换器进行模数转换，转换为数字信号后，经过处理电路后，最终实现被测物体位移的测量。
三、激光位移传感器的量测原理激光位移传感器的量测原理基于三角形测量法，即通过测量反射光强度的变化来计算出被测物体到发射器的距离。
从三角形图形上看，激光位移传感器的光学系统可以被视为直角三角形中的底边和斜边，被测物体与激光位移传感器之间的距离则为直角三角形的高。
利用勾股定理，可以得出以下公式：L²= H²+ D²其中，L为光学系统激光光束和反射光束之间的距离，H为被测物体与激光位移传感器之间的距离，D为激光位移传感器的物理长度。
课程设计Ⅱ（论文）说明书 题 目： 激光三角法测量物体位移 学 院: 电子工程与自动化学院 专 业： 光信息科学与技术 学生姓名： 学 号： 指导教师：
2014年1月5日
摘 要 本文介绍了单点式光学三角法测量物体位移的两种结构一直射式与斜射式，对两种结构的测量原理进行了分析并对其各自的特点进行了阐述。以半导体激光器作为光源， CCD 作为光电探测器件，采用直射式结构设计了一种光电位移传感器。为了提高测量精度，简化计算过程，该课题通过设定一个基准点与实际测量点进行比较得出像点的位移图像,在用软件处理后计算出实际位移。后面对实验误差进行分析和方案进行评价。
关键字：三角法测距；CCD图像传感器；激光；光斑。
引 言 激光三角法位移测量的原理是，用一束激光以某一角度聚焦在被测物体表面，然后从另一角度对物体表面上的激光光斑进行成像，物体表面激光照射点的位置高度不同，所接受散射或反射光线的角度也不同，用CCD光
电探测器测出光斑像的位置，就可以计算出主光线的角度，从而计算出物体表面激光照射点的位置高度。当物体沿激光线方向发生移动时，测量结果就将发生改变，从而实现用激光测量物体的位移。
过去，由于成本和体积等问题的限制，其应用未能普及。随着近年来电子技术的飞速发展，特别是半导体激光器和CCD等图象探测用电子芯片的发展，激光三角侧距器在性能改进的同时，体积不断缩小，成本不断降低，正逐步从研究走向实际应用，从实验室走向实际。
用于测量从传感器至目标之间直线距离的激光三角测量传感器已经使用了十多年了，由于数字电子器件和大功率数字信号处理器（DSP）的结合使得激光不再对目标颜色、纹理和周围环境以及环境光线和温度变化那么敏感了，激光三角测量技术方法已经得到了发展。
目 录 引 言 ....................................................................................................................................................................... 1 1 课程设计目的： ............................................................................................................................................... 3 2 设计内容 ............................................................................................................................................................. 3 3 设计要求 ............................................................................................................................................................. 3 4 方案论证和选择 ................................................................................................................................................... 3 4.1 直射式激光三角法原理 ........................................................................................................................... 3 4.2斜射式激光三角法原理 ............................................................................................................................ 4 4.3 直射三角法改进一 ............................................................................................................................... 6 4.4 直射式改进方法二 ................................................................................................................................... 7 5 仪器及元件的选择 ............................................................................................................................................. 8 6 偏振图像采集 ..................................................................................................................................................... 8 6.1.1实验光路图 ............................................................................................................................................ 8 6.1.2 测量物体位移步骤： ......................................................................................................................... 9 6.2 定标： ....................................................................................................................................................... 9 6.3 测量焦距 ............................................................................................................................................. 10 7 实验结果与分析 ............................................................................................................................................. 10 7.1.1 定标数据 ............................................................................................................................................. 10 7.1.2焦距f的测定数据及处理 .................................................................................................................. 10 7.2 b的测量数据及处理 ...........................................................................................................................11 7.3 物体位移数据： ....................................................................................................................................11 8 实验评价 ........................................................................................................................................................... 13 8.1 误差分析： ............................................................................................................................................. 13 8.2 方案评价 ............................................................................................................................................. 13 9. 课设总结 ........................................................................................................................................................... 14 10. 参考文献 ......................................................................................................................................................... 14 附件一：实验仪器 ................................................................................................................................................. 15 附件二：实验采集图像 ......................................................................................................................................... 15 附件三：实验程序 ................................................................................................................................................. 18 附件四：实验光路图 ............................................................................................................................................. 19
