激光传感器原理及应用

激光技术和激光器是二十世纪六十年代出现的最重大的科学技术之一。激光技术与应用的迅猛发展，已与多个学科相结合，形成新兴的交叉学科，如光电子学、信息光学、激光光谱学、非线性光学、超快激光学、量子光学、光纤光学、导波光学、激光医学、激光生物学、激光化学等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发展，使得激光器的应用范围扩展到几乎国民经济的所有领域。

激光传感器原理

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大的受激辐射光，简称激光。激光具有3 个重要特性。

2.1 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。

2.2 高单色性，激光的频率宽度比普通光小10 倍以上。

2.3 高亮度，利用激光束会聚最高可产生达几百万度的温度

激光位移传感器能够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。激光位移传感器(磁致伸缩位移传感器)就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表，它的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。

摩特智能激光位移传感器

激光三角法测量原理图

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。

激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。

同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。

激光位移传感器应用

（1）、尺寸测定：微小零件的位置识别;传送带上有无零件的监测;材料重叠和覆盖的探测;机械手位置(工具中心位置)的控制;器件状态检测;器件位置的探测(通过小孔);液位的监测;厚度的测量;振动分析;碰撞试验测量;汽车相关试验等。

（2）、金属薄片和薄板的厚度测量：激光传感器测量金属薄片(薄板)的厚度。厚度的变化检出可以帮助发现皱纹，小洞或者重叠，以避免机器发生故障。

（3）、气缸筒的测量，同时测量：角度，长度，内、外直径偏心度，圆锥度，同心度以及表面轮廓。

（4）、长度的测量：将测量的组件放在指定位置的输送带上，激光传感器检测到该组件并与触发的激光扫描仪同时进行测量，最后得到组件的长度。

（5）、均匀度的检查：在要测量的工件运动的倾斜方向一行放几个激光传感器，直接通过一个传感器进行度量值的输出，另外也可以用一个软件计算出度量值，并根据信号或数据读出结果。

（6）、电子元件的检查：用两个激光扫描仪，将被测元件摆放在两者之间，最后通过传感器读出数据，从而检测出该元件尺寸的精确度及完整性。

（7）、生产线上灌装级别的检查：激光传感器集成到灌装产品的生产制造中，当灌装产品经过传感器时，就可以检测到是否填充满。传感器用激光束反射表面的扩展程序就能精确的识别灌装产品填充是否合格以及产品的数量。

薄膜厚度在线检测及控制技术

对于薄膜厚度的准确测量，取决于使用什么样的厚度传感器，目前在线薄膜厚度的检测技术主要有几种方式：

1、贝它探头 ，是最早用于薄膜检测的传感器，使用贝它放射源作为信号源，技术成熟。但是需要办理放射源使用许可证，进出口手续比较复杂。有半衰期的使用年限限制，且检测精度会随着放射源的衰减而降低。

2、红外探头 ，利用特定红外线波段在特定的塑料薄膜中被强烈吸收的原理测量薄膜的厚度。该传感器检测稳定，不受坏境变化影响，但对添加剂及颜色的变化敏感，在同一生产线上要生产多种产品不能适应。

3、X线探头 ，利用X线管通电产生X线作为信号源来检测塑料薄膜的厚度。有诸多优点：飞放射性物质；低能量无需使用许可证；测量范围广；测量精度高；各种塑料都可测量，不受添加剂和色母料的影响。

薄膜均匀性主要决定于三个方面 ：

1、 生产线工艺状况及设备自身的稳定性。这取决于组成生产线的各主要部件的品质和给部分是否准确配合、协调运行，以及是否合适的生产工艺条件。

2、 对薄膜厚度准确的检测。只有准确的检测，才能真实的反应实际厚度的变化。

3、 准确，有效，稳定的剖面调节控制。薄膜从模头流出到现成的薄膜过程中会有一定的拉伸，螺栓的位置会发生变化，特别是对于双向拉伸薄膜，怎样把拉伸后的薄膜区域准确地对应到相应的模头螺栓并进行有效的调节特别重要。

随着薄膜生产线技术的不断提高，生产线的速度都越来越快、产品的幅度也越来越宽，对厚度均匀性调控的要求也越来越高，手动调整螺栓的速度，准确度无法满足生产要求。配置螺栓控制系统最重要的目的是要把测量的厚度剖面面准确对应到模头螺栓的位置上。

测厚仪对应螺栓的方法主要有：

1、 在不同螺栓处划线做记号，然后在测厚仪扫描架上找到对应的地方，以确定螺栓的位置。由于实际生产时的速度会发生变化，薄膜的收缩量会有不同，或者由于生产薄膜宽幅的不同模头螺栓的位置都会有变化，实现准确控制薄膜剖面的均匀。

2、 利用X线探头对薄膜从边到边的准确扫描，每次扫描之后都会根据新的计算结果对螺栓位置进行自动跟踪。这样就可以在生产线速度变化或产品宽度变化的情况下自动对应模头螺栓的位置，实现准确控制薄膜剖面的均匀。

3、 对于双向拉伸膜生产线，根据单位时间通过铸片和薄膜测厚仪的质量是相等的原理，配备前后两台测厚仪，利用上述第2种自动对位方法，确定每个螺栓的位置并计算出各螺栓区域的平均厚度对相应螺栓进行调控。

该模头螺栓对应系统，真正实现了连续、稳定且无需人为干预，无参数设置的全自动模头螺栓对位，使薄膜的均匀性和膜卷的平整度达到最佳。是最先进的双向拉伸膜剖面控制方式。

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