在烟盒大小微型传感器中集成光学芯片，让高精度位移和振动测量成

2022-09-01367

在烟盒大小微型传感器中集成光学芯片，让高精度位移和振动测量成为可能！

激光位移传感器常用于长度、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。通过激光位移传感器测量金属薄片（薄板）的厚度变化，可以帮助发现皱纹、小洞或者重叠，避免机器发生故障；而在微小零件的位置识别、传送带上有无零件的监测、机械手位置（工具中心位置）的控制等方面的应用，则可以确保设备、产线的高效运转；在灌装产品线上，可利用激光束反射表面的扩展程序来精确的识别灌装产品填充是否合格，在监测数量的同时也能保证灌装质量。此外，在绝对距离测量、相对位移测量、远程振动测量或振动频谱测量、轮廓检测、厚度测量、曲率测量、透明物体的厚度测量等方面，激光位移传感器都有着无可比拟的优势。

一．激光位移传感器介绍

目前已有很多技术能实现精确的光学位移测量，而工业化的激光位移传感器一般采用激光三角测量法和激光回波分析法两种方法，此外还可利用彩色共焦和干涉测量原理进行精确的位移测量。此外，激光位移传感器也被用来进行非接触振动测量。但对于特定的测量条件和测量要求，以上方法都各有缺陷。

对激光位移传感器而言，激光三角测量法适用于高精度、短距离的测量，激光回波分析法则用于远距离测量。在当前的工业机器人应用中，通常采用三角测量法，这种方法Z高线性度可达1um，分辨率可达到0.1um的水平。

激光三角法是一种由角度计算得到单点或多维的距离测量。通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的ccd线性相机接收，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。根据这个角度及已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体之间的距离。

回波分析法则是通过激光发射器每秒发射一百万个激光脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回至接收器所需的时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出，即所谓的脉冲时间法测量的，Z远检测距离可达250m。

而在精确的振动测量方面，常用的激光多普勒振动仪（LDV）的工作原理是在光学干涉的基础上，通过两束相干光束I1和I2的叠加来进行测量。叠加后的光强不是简单的两束光强之和，而且包括一个相干调制项。调制项与两束光之间的路径长度有关。

尽管激光三角法测量位移相对简单可靠，但其缺点是测量精度随着测量距离和范围的增大而降低，因此测量范围受到限制。此外，还需要一定的开放空间来满足三角法的测量需求，故无法实现在深沟或深孔中的应用。而激光回波分析法则适合于长距离检测，但测量精度相对于激光三角测量法要低。在振动测量应用方面，前面这两种位移／距离测量技术的检测能力（频率范围／振动量范围／精度）比较有限。而LDV虽可进行非常精确的振动测量及瞬时位移测量，但是欠缺测量绝对位移或距离的能力，且成本也相当高。

二．激光传感新方案

昊量光电全新推出的激光位移传感器是一种小型激光传感平台，将这两种主流的传感功能结合在一个光学平台上，可实现位移测量和振动测量等多种功能，在保持高精度测量的同时还极大降低了模块尺寸和成本。

目前光学元器件通常体积大且价格昂贵，并且在与其他电子元器件的连接过程需要定制精确的装配流程。而光学元件集成化可以使其在低成本的基础上，实现更复杂的设计和更多的功能。集成光学芯片可以在一个单一的光学基底上包含数十到数百个光学元件，包括激光器、调制器、光电探测器和滤波器，现已成为一种有效的解决方案，为现有和新兴市场提供创新的光学模组。随着现代制造对光学传感器技术需求的不断增长，集成光学芯片可以简化系统设计，使得传感器可以进行更快速、更准确的测量，而且成本更低。

微型激光传感平台原理图

如传感器平台的原理图所示，具有不同延迟线的光学干涉仪Z先在集成光学芯片上实现，并通过一个一体化封装将集成光学芯片、激光二极管、探测器阵列和光学透镜组成一个小型化激光传感模组。挚感光子自主研发的激光传感平台通过专有的数字信号处理（DSP）算法，可提供LDV技术中的瞬时位移、振动和光学相位测量等多种功能，此外还可以实现与常规三角法激光位移传感器一样的绝对位移／距离的测量，并具有同等甚至更优的测量精度。