智能制造的“火眼金睛”PDA高精度激光位移传感器

　　“中国制造2025”战略的提出，以及人工智能等新一代信息技术的发展，使中国制造业面临新一轮“换血”‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 从高密度人工作业向自动化车间转化的过程中，自动化测量被推到舞台前端‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 为了实现高端激光位移传感器的自主研发及国产化，提升位移测量的精度和稳定性，上海兰宝利用自适应算法及核心光机电组件，结合智能算法，打破行业壁垒，探索出领先传感技术‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　目前，我国处在产业转型升级、制造业向智造业转变的重大转折点上，“非接触、高精度、无损伤”等测量需求屡被提出。 然而，高精度光电测量类传感器作为高端智能制造的核心部件，存在大量依赖进口、购买代价高昂、应用受制于人等问题。 因此，自主研发高端测量传感器十分必要。

　　在此产业背景下，上海兰宝传感科技股份有限公司(以下简称“上海兰宝”)组织研发团队，开展核心技术的开发和探索，积极布局激光三角测量产品。 立项之初，上海兰宝对标国际一流厂商的技术指标，决定研发一款面向高端数控机床和机器人、电力装备以及海洋工程领域的高精度、高稳定性激光测量传感器。

　　经过两年多的技术攻关，上海兰宝成功研制出具有自主知识产权的PDA高精度激光位移传感器(以下简称“PDA”)。 该传感器实现了微米(um)级别的检测精度以及±0.1%的线性精度，克服了激光测量类传感器受目标物颜色影响大、温漂严重、重复精度差等技术难题，具备较高的抗环境干扰能力。 PDA高精度激光位移传感器将应用于非接触高精度检测领域，为高端制造提供可靠的测量数据，助力智能制造。

　　超高抗环境干扰能力

　　相对于民用领域，工业环境对传感器的要求更为苛刻，要求传感器在保证测量精度的情况下，有更好的稳定性、抗震动和抗冲击性。

　　一般的激光位移传感器，其检测精度都会受温度变化的影响，指标一般在±0.02%F.S./℃及以上。 这是因为激光位移传感器中的结构部件，如镜架、透镜、外壳会受到环境温度影响，从而引起检测波形漂移，最终影响测量结果。 为了减小结构热膨胀导致的测量结果漂移，上海兰宝创新团队投入大量资源研发无热化方案，从发射透镜到接收镜头、从外壳材料到镜架材料、从胶水用量到组装力矩都精准把控，最终实现优异的热稳定性，温度漂移低至±0.01%F.S./℃。

　　另外，激光器的输出光功率也会受到环境温度的影响，会直接影响测量结果的准确性与稳定性。 激光器的驱动电路需要根据激光器的特性，进行温度补偿，以确保激光器的输出光功率不受温度影响，这被称为激光器的恒功率控制。 基于理论分析，并通过实际测试与改进，PDA恒功率控制模块最终实现激光器在-20℃～70℃的恒功率控制。

　　在激光三角测量系统中，通常通过增加窄带滤光片来阻止外界环境光对图像传感器的干扰，这起到了一定的作用。 但当环境光较强或环境光中有波长成分与激光三角测量系统的激光波长在相同区间时，窄带滤光片会失去效果，图像传感器的波形也将发生严重变形，从而导致测量结果出现较大偏差。

　　为了解决这个问题，研发成员查阅大量科技文献，设计出高效且稳定的图像差分去噪算法：系统首次工作时，关闭激光器，同时打开图像采集模块，完成第一次信号采集，此时采集到的图像信号为噪声信号及环境光信号，系统根据信号特征自动完成50个监控特征点的分配; 接着开始正常检测，检测过程中根据特征点的信号强度，结合系统自带的噪声模型，预测此时的噪声信号; 最后，将实测信号和噪声信号在系统中进行差分运算，得到去除噪声及环境光之后的信号波形。 这种算法可以在不影响检测频率的情况下，将环境光影响降至最低。

　　针对其他环境变量，如震动、油污、水汽、灰尘，PDA也有独特的设计减少环境干扰。 采用金属外壳，配合先进的工艺处理，可以耐腐蚀、抗油污、抗震动冲击; 采用先进点胶技术，具备IP67防护等级，配合流线型外观设计，能够有效应对潮湿、多灰尘的环境; 采用双屏蔽设计，使产品具有更卓越的抗电磁干扰性能，适用于较为复杂的电气干扰……在当今提倡高效率的工业生产中，PDA能提供卓越稳定的检测结果，为质量把关保驾护航，让生产不在检测环节“掉链子”。

　　超强检测能力

　　PDA采用高标准硬件模块以及独特的算法，拥有超高的线性精度，能为用户提供精确的检测结果。

　　首先，在激光发射端，如果出现激光准直透镜与激光管不匹配，或者激光管本身的光束质量较差，抑或是激光模块内部结构反射等情况，都将导致激光光斑分布与高斯分布有一定差异，进而破坏成像光斑的对称性，影响检测精度。 为了减小发射端的影响，上海兰宝研发团队开始了对激光模组的探究，终于摸索出激光二极管、准直透镜、光阑、弹簧、内壁的影响规律，并制定详细的制程工艺和检验标准，最终实现了光斑的高斯分布，从而使成品率达到90%，为高精度检测提供了有力的光源保障。

　　另外，在接收部分，采用大颗粒、高量子效率的图像传感单元，配合低畸变成像镜头，结合稳定高速采样模块，保证每次成像波形的一致性。 同时，处理芯片配备一系列智能算法，采用亚像素处理技术，将一个像素细分为256个亚像素单元，进一步采用高斯拟合的方法，去除物体表面不平或者检测环境复杂导致的多重反射光，还原成像光斑的能量分布情况，实现超高的分辨率、重复精度和线性精度。

　　目前，PDA系列中已有部分规格产品的分辨率高达1um，线性精度达到0.05%，真正做到了“毫发毕现”，可谓工业检测领域的“火眼金睛”。

　　超强目标适用性

　　待测目标物体的表面材质将影响检测结果，此现象在光电传感器中比较常见，如漫反射传感器中的色敏性就反映了这样的现象。 同样，激光三角光学测量系统的精度也会受到表面材质的影响。

　　为了减小材质的影响、提升检测的适用性，上海兰宝创新团队开展了一系列研究，首先利用光线追迹方法，通过对不同表面材质成像光斑的光学模拟，同时利用MATLAB软件对得到的波形数据进行归一化处理，并对光斑质心理论进行计算，得到影响三角测距测量精度的两个关键因素：表面反射率分布和表面微观形貌。 针对两个关键因素，分别提出提高测量适用性的方法。

　　针对表面反射率分布不同的情况，如黑色橡胶和高亮合金表面，采用控制受光量的方法保证成像光斑的一致性。 具体来说，就是通过硬件和算法协同解决，硬件方面，在恒功率激光驱动电路的基础上，引入数字模拟转换模块(DAC)，利用软件可以实时调整激光器的实际输出光功率; 算法方面，开发一种减少激光三角位移传感器检测色差的自适应算法，根据半波宽度和整波宽度的拟合关系式，可以迅速将积分时间调整至稳定，波形调整至理想状态。

　　针对表面微观形貌不同的情况，如不同粗糙度的金属表面，采用调整激光光斑形态的方法保证检测的精度。 具体来说，就是在自研激光模组的基础上，开展高性能、高灵活性激光模组的技术研究，成功完成对激光光斑的高质量整形，完成宽光斑模块的光斑特性分析及风险评估。 目前的激光模组与国外高性能模组性能一致，将助力产品实现更高的检测能力。

　　PDA能检测的材质除了常规的黑卡、白卡，还包括皮革、陶瓷、高亮金属以及其他特殊检测面，可以游刃有余地应对各种检测目标物。

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　　目前，汽车制造、智能设备、医疗设备、仪器仪表等都成为热门行业，拥有良好的市场前景。 因此，未来对于PDA高精度激光位移传感器的市场需求将会不断增大，其研发和产业化将能够很好地满足客户的应用需求，使客户摆脱高端激光测量传感器主要依赖进口的局面，提供高品质国产测距传感器。

　　接下来，上海兰宝将致力于激光测量传感器在高档数控机床和机器人、电力装备以及海洋工程领域的示范应用及推广，贯彻传感器“一条龙”应用计划，建设数字化产线，提高产能和品质，在国内选择激光器、精密机构件、感光芯片和关键芯片的供应商，带动上游多个产业共同发展。

　　作者：马路明 祁伟光 谢勇