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天津位移传感器厂家教你如何选择光谱共焦位移传感器

发布日期:2018-10-16 作者:天津位移传感器 点击:

 天津诺沃泰克自动化技术有限公司是机电一体化技术、电子信息技术的开发、咨询、服务型公司。目前本公司授权代理德国Novotechnik品牌的接触式及非接触式位移传感器、角度传感器等产品。并分销瑞士各类直线及角度光栅尺,以满足客户的不同需求。


什么是光谱共焦位移传感器?


光谱共焦位移传感器是采用光谱共焦(色散)测量原理,精密测量目标的位移和位置信息的传感器。



    光谱共焦测量原理


    混色光是由众多不同波长光线组成的,我们称之为光谱。所有不同波长的可见光重叠在一起,形成白光。人类肉眼可见光的波长范围从400nm(蓝光)到700nm(红光)。通过透镜,不同颜色的光不会聚焦到同一个点上。这种现象称为色差透镜错误或者叫色差透镜偏差。


    众所周知,自然界的日光属白光一种,白光不是最纯洁的光,而是许多单色光组成的。光在不同介质中传播可能会有角度偏差的现象产生,而实际的白光照射下不同介质将有很多单线光的折射。光学材料(透镜)对于不同单色光的折射率是不同的,也就是折射角度不同波长愈短折射率愈大,波长愈长折射率愈小(这也是不同望远镜所谓的色差不同的原因),同一薄透镜对不同单色光,每一种单色光都有不同的焦距,按色光的波长由短到长,它们的像点离开透镜由近到远地排列在光轴上(不同的单色光的波长是不同的)这样成像就产生了所谓色差透镜错误。色差透镜错误使成像产生色斑或晕环。在摄影器材中,应通过特殊处理,尽量消减色差透镜错误导致的成像问题。常用的消除方法有双胶合系统与双分离系统。


一面单透镜的色差造成对不同波长的色光产生了不同的焦距


三招教你如何选择光谱共焦位移传感器


对于消色差双合透镜而言,可见光的波长近似具有相等的焦距


具有抵消色散属性的衍射光学器件可以用来矫正色差


    而光谱共焦测量方法恰恰利用这种物理现象的特点。通过使用特殊透镜,延长不同颜色光的焦点光晕范围,形成特殊放大色差,使其根据不同的被测物体到透镜的距离,会对应一个精确波长的光聚焦到被测物体上。通过测量反射光的波长,就可以得到被测物体到透镜的精确距离。这一过程与摄影器材通过各种方法消减色差的过程正好相反。


    为了得到上述特殊的色差,需要在传感器探头内使用若干特殊透镜,用来根据所需量程将光线分解。最后使用一个凸透镜,将传感器探头射出的光线聚拢在一条轴线上,形成所谓的焦点轴线。如果不使用凸透镜,传感器探头射出的光将分散开来,测量也就无法进行了。



    白色光通过一个半透镜面到达凸透镜。上述特殊色差就在这里产生。光线照射到被测物体后发生反射,透过凸透镜,返回到传感器探头内的半透镜上。半透镜将反射光折射到一个穿孔盖板上,小孔只允许聚焦最好的反射光通过。


    透过穿孔盖板的光是一组模糊光谱,也就是说若干不同波长的光都有可能穿过小孔照在CCD感光矩阵单元上。但是只有在被测物体上聚焦的反射光拥有足够光强,在CCD感光矩阵上产生一个明显的波峰。


    在穿孔盖板后面,需要一个分光器测量反射光的颜色信息。分光器类似一个特制光栅,可以根据反射光的波长,增强或减弱折射率。因此,CCD矩阵上的每一个位置,对应一个测量物体到探头的距离。


    在整个量程上,共可以得到超过30,000个测量点。


    这里只计算光线波长,用以产生测量信号。反射光产生的信号波峰振幅并不在信号测量依据之内。也就是说反射光的光强不会影响测量结果。这意味着,无论有多少反射光从被测物体反射回来,测量的距离结果可能是不变的。因为反射光的光强仅仅取决于反射物体的反光程度。因此,采用德国米铱公司的光谱共焦传感器,即使被测物体是强吸光材料,如黑色橡胶;或者是透明材料,如玻璃或者液体,都可以进行正常可靠的测量。

    


三招教你如何选择光谱共焦位移传感器


    新技术,新可能


    使用光谱共焦测量技术,可以得到超高分辨率。纳米级分辨率源于上述经过特殊处理得到的加长光谱范围。由于采用检测焦点的颜色,得到距离信息,光谱共焦传感器可以采用非常小的测量光斑,从而允许测量非常小的被测物体。这也意味着,即使被测表面有非常轻微的划痕,也逃不过光谱共焦传感器的眼睛。


    由于光谱共焦传感器的光路非常紧凑和集中,使其非常适合测量钻孔结构。而其他测量方式,如激光三角反射式测量,对于小孔往往无能为力,因为小孔形成的阴影会遮挡反射光的光路,无法进行测量。针对这种小孔测量任务,德国米铱公司推出了IFS2402微型光谱共焦传感器探头。这种探头拥有仅4mm的探头直径,可以探入小孔内部进行测量。


    另一种非常适合光谱共焦传感器的应用是测量多层透明材料的厚度。与其他测量方法不同,光谱共焦传感器在测量这种物体时,仅需要一支探头就可以完成测量。测量被测物体前端面和后端面的反射光,从而得到层厚信息。由于测量只使用白光,无需额外附加激光安全措施。由于探头本身不含有任何电路,传感器探头还可以被用于有防爆要求的环境或者有电磁干扰要求的环境。而控制器可以被放置于安全距离以外。允许最长50m的光纤连接探头和控制器。但是,需要禁止在光路上存在遮挡物或小颗粒,这会影响测量精度,甚至使测量变得不可完成。由于采用的是光学测量方法,探头到被测物体的距离也有一定限制。


    那么如何选择合适的光谱共焦位移传感器呢?我们建议大家注意一下三点:


    1)注意被测物结构和材质,光谱共焦测量原理决定了其适合测量透明体或光滑表面。因为测量光路在同一轴线上,其避免了类似三角反射式激光位移传感器因回光被遮挡导致的测量失效。对于吸光材料,如黑色橡胶等材料,大部分入射光强会被吸收,这时需要合理调节曝光时间以获得足够测量信号。光谱共焦位移传感器测量多层透明体各层厚度时,会在每种介质界面上形成测量峰值,可以通过分析峰值之间的距离,换算为对应的厚度。光谱共焦位移传感器特别适合测量不同折射率的透明材料厚度。需要注意,如果被测材料的折射率未知,就需要严格校准才能获得准确测量结果。另外,常见用光谱共焦位移传感器测量深孔或深槽的情况。虽然光谱共焦位移传感器的测量光斑很小(微米级),但其整个光路是一个锥形结构,如果孔深、孔径比过大,需要让光谱共焦传感器厂家协助计算是否可以测量。如果锥形光路被遮挡严重,可能导致测量峰值不锐利,甚至无法定位的问题。所以使用光谱共焦位移传感器时,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。目前国际上的主流的光谱共焦位移传感器品牌,大致有德国米铱和法国Stil,都会要求客户在选用光谱共焦位移传感器时,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和结构,如橡胶、暗纹和微小结构的情况,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,采用光谱共焦位移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,形成杂光或掉点,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光谱共焦位移传感器供客户选择。常用于选择光谱共焦位移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confocalDT系列光谱共焦位移传感器为例,其测量速度可以达到70kHz,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,另外某些品牌的绝对误差和分辨率参数都是在多次平均后得到的,切勿在不同的基准上进行比较。

    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。另外选择光谱共焦位移传感器时,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,光谱共焦位移传感器市场相对集中,品牌特点不一。选择时不要盲目选择进口品牌,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。目前光谱共焦位移传感器市场价格普遍较高,基本上都在10万元人民币左右。如果你看到2万左右的日系品牌,虽然声称是光谱共焦原理,其实性能相差很大。另外从报价习惯来讲,如果你询问的是欧洲厂商在国内的子公司,一般水分不大。如果是日系或者代理商,初次报价和最终成交价之间会有惊人差距,千万别当了冤大头!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。


    以上是我凭借个人经验,总结出的一些选择光谱共焦位移传感器的办法,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。


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