河北邯郸美食网

三招教你如何选择二维激光扫描传感器

来源:laserfair    发布时间:2018-04-01 06:15:46

 什么是2D/3D激光轮廓仪?

 

scanCONTROL系列2D/3D激光轮廓仪,用于记录,测量和评估不同质地被测表面的外轮廓。可以提供从轮廓仪探头到复杂测量系统的整体解决方案。  

 

 

测量原理

 

激光轮廓仪,也可被称为外轮廓传感器。采用激光三角反射式原理,采集不同材质表面的二维轮廓信息。通过特殊的透镜组,激光束被放大形成一条静态激光线投射到被测物体表面上。激光线在被测物体表面形成漫反射,反射光透过高质量光学系统,被投射到敏感感光矩阵上。除了传感器到被测表面的距离信息(Z轴),控制器还可以通过图像信息计算得出沿着激光线的位置信息(X轴)。以传感器为原心的二维坐标系内,轮廓仪测量输出一组二维坐标值。移动被测物体或轮廓仪探头,就可以得到一组三维测量值。

 

二维激光扫描传感器还有很多其他名称,如2D激光传感器、2D激光扫描传感器、线激光传感器等等。二维激光扫描传感器以其广泛的环境适应性,超高的检测频率和精度,被广泛应用于手机检测,机械加工,轮胎检测,汽车制造,精密仪器,点胶机,铁路铁轨检测以及科研教学等领域。

 

激光轮廓扫描仪使用激光三角测量原理,对不同被测物体表面进行二维轮廓扫描。激光束被一组特定透镜放大用以形成一条静态激光线,投射到被测物表面上。高品质的光学系统将该激光线的漫反射光,投射到高度敏感的传感器感光矩阵上。除了传感器到被测物体的距离信息(Z轴),控制器还可以通过这组图像来计算沿激光线(x轴)上的位置。传感器最终输出一组二维坐标值,坐标系的原点与传感器本身相对固定。通过移动被测物体或传感器,便可得出三维测量结果。

 

使用激光二极管发出的激光,在被测物体表面可以形成点状光斑。采用特殊透镜组使激光点扩散到一条线上。传统分光型激光传感器采用圆柱型透镜折射激光。这种传统方法最大的问题是沿着激光线的高斯光强分布所导致的非常弱的边沿照度。德国米铱提供的scanCONTROL型二维激光扫描传感器采用的是精密楔形透镜,可以排除激光线边沿光强减弱的问题。


反射光

 

测量时,高度敏感的感光元件CMOS矩阵可以接收从被测物体反射回来的光线,形成高精度轮廓影像。任何轮廓改变都会改变投射到被测物体表面的激光线的形状,从而改变感光器件矩阵上的影像结果。如果移动探头或者被测物体,可以得到若干扫描线轮廓,将这些轮廓合成就可以行成3D影像结果。这个影像也被称作“点云”,因为影像由数千个独立测量点所组成。

 

全面考虑

 

增加的一个测量维度,使轮廓扫描仪传感器比其他类型位移传感器更加复杂。基本上讲,不可以简单判断一个被测物体是否可以被轮廓扫描仪传感器测量。成功的测量往往取决于要取得哪个测量值以及在什么环境下进行测量。因此测量是否可行需要从头评估每一件被测物品。举例来讲,测量是否成功取决于有多长时间可以用于测量。被测物体通过探头光束的速度越慢,越多时间可以被用于测量。因此,不能简单的认为一个静态测量可行,就一定意味着动态测量也是可行的。测量的结果也取决于被测物体表面的反光特性。也就是说被测物体表面的反光性或吸光性的强弱,会决定是否可以测得有效信号。被测材料本身也会影响测量结果。举例来讲,如果半透明被测物体的透明度过高,测量信号可能完全失真了。最后一个应该考虑的因素是被测物体的轮廓缺陷,可能产生阴影的轮廓以及多次反射的表面影响。以上这些基本因素都可能明显影响测量信号质量以及测量结果。

 

正确设置

 

除去上面提到的这些影响因素,一个清晰可识别的轮廓表面反射的持续信号仍然可能是难以使用的缺损信号。如果想避免这种情况,轮廓仪的每一个独立参数都必须正确设置并适合被测物体。使用正确的滤波器以及曝光时间的设定,往往能够改善不良信号,经过不断尝试最终可以完成测试。举例来讲,测量一个快速移动的黑色橡胶被测物体,较短的曝光时间和被测物体的高吸光性都会更容易导致一个不良的测量结果。而与之相反,如果黑色被测物体不移动或较慢移动,较长的曝光时间可能更有助于获得完整的轮廓信息。


那么如何选择合适的二维激光扫描传感器呢?我们建议大家注意一下三点:

 

1)注意被测物结构和材料,通常二维激光扫描传感器测量需要完整的三角光路。被测物如果有深槽或复杂表面,可能会导致三角光路被遮挡,从而无法测量。还有一些吸光材料,如黑色橡胶等材料,大部分光强会被吸收,这时需要合理调节曝光时间以获得足够测量信号。另外反光很强,或镜面反射被测物,可能会导致光线垂直返回而没有形成漫反射,也会导致测量效果不佳。所以使用二维激光扫描传感器时,一定要先与厂家充分沟通,不要想当然人为可以测,结果却不好。目前国际上的主流二维激光扫描传感器品牌,如德国米铱和日本基恩士,都会要求客户在选用二维激光扫描传感器时,预先告知被测物表面结构和反光特性。如果是特殊被测材料,如玻璃,橡胶和表面有暗纹的情况,可能就需要用户提供样片进行试测,确保达到测量要求后才会订货。另外,采用二维激光扫描传感器扫描复杂结构时,可能会因为复杂表面反复反光,在尖锐的棱角或深槽处,形成杂光,建议选择传感器之前,给厂家样片进行试测,厂家一般拥有丰富的实战经验,懂得如何采用合理的参数,包括曝光时间,光强,测量频率等可调参数,达到最佳的测量效果。

2)参数选择,很多厂家都提供多个级别的二维激光扫描传感器供客户选择。常用于选择二维激光扫描传感器的指标包括传感器的精度,该参数也有其他称呼,如线性度、绝对误差等。指的是传感器的测量值偏离理论真实值的偏差程度。这个参数直接反应测得准不准。第二个就是分辨率,这个参数指传感器做出示数变化所需要的最小位移变化量,通常分辨率参数值要小于精度。第三个是测量速度,以德国米铱scanCONTROL系列为例,其测量速度可以达到4kHz,测量速度直接决定测量是否可以跟得上被测物的变化速度,能否完整反应位移变化的全过程。扫描频率对要求快速扫描的应用领域,如手机部件检测至关重要,直接决定测量cycletime.这里特别要注意的,不要单纯比较说明书中的测量频率,某些日系品牌的标出的测量频率值惊人的高,其实不能长时间使用,因此不具备实际意义,切勿在不同的基准上进行比较。第四是智能输出功能,许多二维激光传感器需要搭配自动追踪机构使用,如焊接机或点胶机,需要通过二维激光扫描传感器指引焊枪或点胶头追踪某些特征尺寸,如缝隙最低点或胶珠最高点。以德国米铱二维激光扫描传感器为例,可以直接输出诸如形状最高点,缝隙宽度,缝隙深度,缝隙最低点等特征信息,无需客户自行处理点云数据。当然,如果客户需要自行分析被测工件上的特征尺寸,如某些孔的直径,台阶高度,平面度等信息,传感器能够给出完整的点云信息,也是至关重要的。许多日系品牌是不能提供原始点云信息的,这点需要特别注意。

 

当然除此以外,还有很多参数可以决定传感器的性能,包括能够承受环境温度指标,能够承受的振动和冲击指标等等。为什么要选择合适的指标呢?因为越高的技术参数一定意味着制造工艺的复杂和难度提升,也必然价格昂贵。所以各位制定测量要求时,一定不要凭空想象,提一个超高的测量要求。我见过有的传感器使用单位,动辄要几个微米,甚至纳米级别的测量精度,测量速度还超高,问其真的有必要提这么高的要求吗?回答却往往是不必要,或者要求高余量大。但是大家要记住,没有无代价的指标提升,每一个高指标背后都是真金白银的付出。另外选择二维激光扫描传感器时,要特别注意一点,各家厂商对参数的标注标准是不一样的。如德国品牌,通常标注的是真实参数,甚至是保守参数。而日系品牌,在标注时,会以平均后的结果为准。看参数表时,要仔细看看下面的小字,日系品牌超高的参数往往源自多次平均后的结果。光学测量会产生一些毛刺,通过平均的方法可以大大平滑测量结果。

 

3)品牌的选择,在诸多测量原理的位移传感器中,二维激光扫描传感器市场最为混乱,品牌最为参差不齐。甚至有商家明明只是代理国外某个品牌,却声称自己是原厂生产,等出了问题以后,由于前期技术方案已经定型,就只能硬着头皮采用,而这样又往往会带来后续更大的问题。辨别一个品牌是否为原厂产品,除了常见的原厂证明外(这个也可以假冒),最直接就是看其中文网址,国外品牌通常会把自己品牌名称作为网址,如果你看到某个牌子的网址是中文加英文的混合体,就不太可能是正规厂家了。另外正规进口品牌的中文网址,一定可以在其国外母机构网页中找到,找不到的一定不是子机构。当然压根没有国外母机构的所谓进口品牌,也是存在的。品牌的选择特别关键,因为理论上讲,二维激光扫描传感器结构并不复杂,国内的小厂也能做出来,但是精度和重复性与大牌子比较起来,就有天壤之别了。除此以外,使用寿命,温度漂移等,也会大大影响客户的使用效果。我见过有的使用厂家,为了几百块差价,从进口品牌换成国内品牌,结果过去3年都不会坏一个的传感器,一年内坏了4次,算下来更贵不算,还大大影响了使用环节,生产线停一次,可不是几百块的成本节省可以补偿的。

 

以上是凭借个人经验,总结出的一些选择二维激光扫描传感器的办法,希望对大家在众多品牌中能够选择出合适的产品,既省钱又能达到测量要求。

(来源:慧聪机械工业网)