随着21 世纪的到来,人们开始进入了以知识经济为特征的信息时代, 微电子技术、计算机技术、通讯网络技术及自动化技术高速发展的同时, 作为工业自动化技术工具的自动化仪表及装置也向数字化、智能化、网络化发展。

传感器技术、计算机技术和通讯技术一起构成了现代信息的三大基石。

而非接触检测可以克服接触式检测的不足，对于各种测量目标都可以
提供高灵敏度、高精度、高效率的数据采集，从而实现对被测物各种参
数的非接触测量。

它不会造成被测表面的划伤和损坏，对各种材料制成
的工件皆可实现测量。

非接触检测的最大优点是在被检测物体加工过程
中便可实现测量。

非接触检测的最大优点是在被测物体加工过程中便可
对其进行测量，即在线实时检测，从而实现对加工过程的控制，降低废
品率，可大大节省检测时间，提高生产效率，这是接触式检测方式所无
法比拟的。

目前，非接触检测主要以激光检测和红外探测为为代表，而激光检
测技术是最先进应用最广泛的检测技术之一。

可实现高精度、高效率、
非接触在线检测。

对于解决国防及民用工业生产中的产品零件检测难题
起到了及其重要的作用。

传感器是利用某种转换原理, 将物理的、化学的、生物的等外界信号变成可以直接测量的电信号的装置。

在实现生产自动化的过程中,采用适当的传感器(能满足系统要求的长期稳定性、可靠性、精确度
等性能指标) 是十分重要的。

传感器是现代检测与控制系统中必不可少的组成部分,它的好坏直接关系到整个系统的成败。

在传感器测量技术中, 越来越广泛地运用了超声、微波、激光等声、光、电技术来解决不同工业领域中遇到的特殊测量问题和提高性能的要求。

激光器作为一种新型光源, 与普通光源有显著的不同。

他利用受激发射原理和激光腔的滤波效应,使所发光波具有一系列新的特点。

激光检测技
术是最先进应用最广泛的检测技术之一。

可实现高精度、高效率、非接触在线检测。

2 激光位移传感器的测量原理
激光位移传感器是一种非接触式的精密激光测量系统, 它具有适应性强、速度快、精度高等特点,适用于检测各种回转体、箱体零件的尺寸和形位误差。

该传感器可与快速的反馈跟踪系统配合使用, 能够准确快速地测出表面的形状与轮廓。

它克服了接触式检测中的诸多缺点, 既提高了检测速度, 又保护了被测工件表面免受划伤及防止测量头变形。

激光位移传感器主要应用在高灵敏度、高精度的位移、角度、同轴度的非接触测量与校准领域。

目前, 国外此类传感器的研究处于领先水平, 已经有比较成熟的产品, 但价格昂贵。

我国在这方面研究也有诸多报道,但是没有类似的产品出现。

整体看来,我国还处在实验室研究阶段,针对某一方面的应用,没有广泛应用的产品出现。

而实际应用中, 要求传感器要有紧凑的结构,抗干扰能力强,较高的测量精度, 而且对外界环境及待测表面的变化有一定的自适应能力。

激光位移传感器设计采用了光三角测量原理,如图1 所示：
激光位移传感器工作时, 半导体激光器发出的高斯光束经发射光学系统L1 会聚在被测物体表面O(被测点),从而形成一很小的散射光斑,接收成像光学系统L2 则将其成像在CCD 的光敏面O' 点处,当被测
物体表面相对测头的位置发生变化时, 即光斑由O 点移动到O1 或O2 点时,其共轭像点也必然发生变化,即由O' 相应的移动到O1' 和O2' 处。

3 激光位移传感器检测电路的实验硬件设计
激光位移传感器检测电路设计中要注意几个问题：①激光位移传感器输出微弱的电流信号, 选用的运算放大器的偏置电流与失调电压要
足够小, 使其相对于被测量可以忽略; ②激光位移传感器两路电流
信号处理电路要对称,并且同时采样;③实际工作中激光位移传感器
输出信号的波动比较大,因此要有可调节的放大倍数, 使AD 转换器
的输入在合适的范围内,提高转换的精度;④当环境变化比较大时,可调节激光器的输出功率。

本传感器的测量系统的主要组成如图2。

一维激光位移传感器输出电流信号,经过电流电压转换电路转换为适当的小电压信号。

然后经过不同放大倍数的放大电路放大,进行AD 转换。

单片机控制AD 转换, 读取各路转换结果,并选择理想放大倍数的转换结果。

当被测面的光学特性变化较大时, 可以通过调节激光器的输出功率来得到合适的
转换结果。

PC 机与单片机实时通信,显示测量结果以及发送控制信号。

图3 为整个系统的硬件框图。

从图中可以看出,该传感器的系统设计分为两部分,一部分是由模拟电路构成的,激光头内的发光二极
管发射的激光照射到被测物体上, 当被测物在微动平台的控制下水
平移动时, 激光头内的四象限感测器接收到的反射光的光强会发生
变化, 转换成电压信号后再经过CXA1782 电路的放大和比较后,再经过音圈马达驱动器的处理后,驱动音圈电机带动物镜朝聚焦平面移动, 聚焦误差信号F E S 变为零, 这时聚焦良好,CXA1782 会输出一个FKO 信号(FOK 信号是聚焦良好标志)。

另一部分是由数字电路构成的DSP 控制部分,通过ADSP2181 去控制激光头平稳的上下移动, 调整激光头与被测物体的相对位置,总会找到一个聚焦良好的位置,即FKO 信号为高电平,通过微动平台使被测物体也上下移动, 这个聚焦良好的位置就发生改变,这个改变量即为被测物体的位移。

这种方法称为自动搜寻法。

将这两种方法相结合, 大量程较低分辨率的测量和小量程高分辨率的测量。

各部分功能如下：
(1)前置信号处理器
前置信号处理器主要的功能是将激光头拾取的光电信号进行放大和限幅处理,产生RF 射频放大信号,此信号经过EMF 解调电路和解码电路,同时将RF 信号进行处理,产生聚焦伺服控制误差信号FES。

另外,辅助光敏检测器拾取的光电信号经过放大处理后产生循迹伺服控制误差信号TES。

(2)聚焦OK(FOK)信号检测
聚焦OK 信号是聚焦伺服良好的象征,物镜在聚焦伺服控制电路的作用下作上下移动, 在正常情况下必然会达到最佳聚焦点,从而产生聚焦OK 信号。

(3)缺损(DEFECT)信号检测
缺损检测信号是判断RF 信号是否正常的重要依据。

当RF 信号有缺损时,缺损检测电路将输出控制信号去控制缺损修正电路动作,对缺损部分进行修正。

(4)聚焦伺服电路
聚焦伺服控制电路在整个系统中作用很重要。

从聚焦误差放大器输出的聚焦误差信号FES 分为两路,一路送到聚焦过零(FZC)检测放大电路,产生聚焦过零检测信号,用于聚焦搜索控制;另一路FES 信号经过聚焦相位补偿和反向放大经激励后驱动聚焦线圈上下移动。

5 影响传感器测量精度的因素及消除方法
传感器的影响因素主要有：暗电流和外界杂散光对激光位移传感器器件本身的影响;光学系统的像差;激光位移传感器检测电路的误差;温度飘移等。

暗电流和外界杂散光是影响激光位移传感器的主要因素。

当没有光照射在激光位移传感器上, 激光位移传感器两端电极中产生的电流称为暗电流。

激光位移传感器的暗电流与其偏置电压和温度有关。

外界均匀杂散光也可产生附加电流。

消除暗电流和附加电流方法主要有：①采用窄带滤光片过滤杂散光,但只能滤去频率和激光源波长相差较远的杂散光;②调制法,通过把信号高频调制,然后低通滤波的方法消除暗电流和杂散光的影响;③采样保持法, 分别对打开和关闭激光源这两种情况下的激光位移传感器输出信号采样, 因此
暗电流和杂散光的影响可以通过两信号的取差消除。

检测电路的误差包括电路的噪声、飘移及两输入端放大电路不对称。

仔细匹配放大器、电阻等元件的性能参数, 选用高质量的AD 转换器,可以有效的减小检测电路引起的误差。

温度对激光位移传感器暗电流及其他参数有一定的影响,因此在测量过程中要尽量保持环境温度的稳定。

被测表面的材料性质也是影响测量精度的重要因素。

一般包括：被测面的倾斜;被测面的粗糙程度;被测面的光学特性。

测量前,要仔
细研究被测面的特性,保持激光垂直照射在被测面上。

影响激光位移传感器系统性能的另一个重要因素为后续处理电路的设计,电路主要是对信号进行放大、补偿、滤波及消除噪声等处理,电路设计的合理对改善系统自动聚焦的能力很有帮助,虽然已经基本符合设计要求,但是仍然有需要改进的地方,这就需要进一步的研究来发现问题并加以解决,使系统设计得到更加的完善。