“中國制造2025”戰略的提出，以及人工智能等新一代信息技術的發展，使中國制造業面臨新一輪“換血”‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 從高密度人工作業向自動化車間轉化的過程中，自動化測量被推到舞臺前端‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 為了實現高端激光位移傳感器的自主研發及國產化，提升位移測量的精度和穩定性，上海蘭寶利用自適應算法及核心光機電組件，結合智能算法，打破行業壁壘，探索出領先傳感技術‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　目前，我國處在產業轉型升級、制造業向智造業轉變的重大轉折點上，“非接觸、高精度、無損傷”等測量需求屢被提出。 然而，高精度光電測量類傳感器作為高端智能制造的核心部件，存在大量依賴進口、購買代價高昂、應用受制于人等問題。 因此，自主研發高端測量傳感器十分必要。

　　在此產業背景下，上海蘭寶傳感科技股份有限公司(以下簡稱“上海蘭寶”)組織研發團隊，開展核心技術的開發和探索，積極布局激光三角測量產品。 立項之初，上海蘭寶對標國際一流廠商的技術指標，決定研發一款面向高端數控機床和機器人、電力裝備以及海洋工程領域的高精度、高穩定性激光測量傳感器。

　　經過兩年多的技術攻關，上海蘭寶成功研制出具有自主知識產權的PDA高精度激光位移傳感器(以下簡稱“PDA”)。 該傳感器實現了微米(um)級別的檢測精度以及±0.1%的線性精度，克服了激光測量類傳感器受目標物顏色影響大、溫漂嚴重、重復精度差等技術難題，具備較高的抗環境干擾能力。 PDA高精度激光位移傳感器將應用于非接觸高精度檢測領域，為高端制造提供可靠的測量數據，助力智能制造。

　　超高抗環境干擾能力

　　相對于民用領域，工業環境對傳感器的要求更為苛刻，要求傳感器在保證測量精度的情況下，有更好的穩定性、抗震動和抗沖擊性。

　　一般的激光位移傳感器，其檢測精度都會受溫度變化的影響，指標一般在±0.02%F.S./℃及以上。 這是因為激光位移傳感器中的結構部件，如鏡架、透鏡、外殼會受到環境溫度影響，從而引起檢測波形漂移，最終影響測量結果。 為了減小結構熱膨脹導致的測量結果漂移，上海蘭寶創新團隊投入大量資源研發無熱化方案，從發射透鏡到接收鏡頭、從外殼材料到鏡架材料、從膠水用量到組裝力矩都精準把控，最終實現優異的熱穩定性，溫度漂移低至±0.01%F.S./℃。

　　另外，激光器的輸出光功率也會受到環境溫度的影響，會直接影響測量結果的準確性與穩定性。 激光器的驅動電路需要根據激光器的特性，進行溫度補償，以確保激光器的輸出光功率不受溫度影響，這被稱為激光器的恒功率控制。 基于理論分析，并通過實際測試與改進，PDA恒功率控制模塊最終實現激光器在-20℃～70℃的恒功率控制。

　　在激光三角測量系統中，通常通過增加窄帶濾光片來阻止外界環境光對圖像傳感器的干擾，這起到了一定的作用。 但當環境光較強或環境光中有波長成分與激光三角測量系統的激光波長在相同區間時，窄帶濾光片會失去效果，圖像傳感器的波形也將發生嚴重變形，從而導致測量結果出現較大偏差。

　　為了解決這個問題，研發成員查閱大量科技文獻，設計出高效且穩定的圖像差分去噪算法：系統首次工作時，關閉激光器，同時打開圖像采集模塊，完成第一次信號采集，此時采集到的圖像信號為噪聲信號及環境光信號，系統根據信號特征自動完成50個監控特征點的分配; 接著開始正常檢測，檢測過程中根據特征點的信號強度，結合系統自帶的噪聲模型，預測此時的噪聲信號; 最后，將實測信號和噪聲信號在系統中進行差分運算，得到去除噪聲及環境光之后的信號波形。 這種算法可以在不影響檢測頻率的情況下，將環境光影響降至最低。

　　針對其他環境變量，如震動、油污、水汽、灰塵，PDA也有獨特的設計減少環境干擾。 采用金屬外殼，配合先進的工藝處理，可以耐腐蝕、抗油污、抗震動沖擊; 采用先進點膠技術，具備IP67防護等級，配合流線型外觀設計，能夠有效應對潮濕、多灰塵的環境; 采用雙屏蔽設計，使產品具有更卓越的抗電磁干擾性能，適用于較為復雜的電氣干擾……在當今提倡高效率的工業生產中，PDA能提供卓越穩定的檢測結果，為質量把關保駕護航，讓生產不在檢測環節“掉鏈子”。

　　超強檢測能力

　　PDA采用高標準硬件模塊以及獨特的算法，擁有超高的線性精度，能為用戶提供精確的檢測結果。

　　首先，在激光發射端，如果出現激光準直透鏡與激光管不匹配，或者激光管本身的光束質量較差，抑或是激光模塊內部結構反射等情況，都將導致激光光斑分布與高斯分布有一定差異，進而破壞成像光斑的對稱性，影響檢測精度。 為了減小發射端的影響，上海蘭寶研發團隊開始了對激光模組的探究，終于摸索出激光二極管、準直透鏡、光闌、彈簧、內壁的影響規律，并制定詳細的制程工藝和檢驗標準，最終實現了光斑的高斯分布，從而使成品率達到90%，為高精度檢測提供了有力的光源保障。

　　另外，在接收部分，采用大顆粒、高量子效率的圖像傳感單元，配合低畸變成像鏡頭，結合穩定高速采樣模塊，保證每次成像波形的一致性。 同時，處理芯片配備一系列智能算法，采用亞像素處理技術，將一個像素細分為256個亞像素單元，進一步采用高斯擬合的方法，去除物體表面不平或者檢測環境復雜導致的多重反射光，還原成像光斑的能量分布情況，實現超高的分辨率、重復精度和線性精度。

　　目前，PDA系列中已有部分規格產品的分辨率高達1um，線性精度達到0.05%，真正做到了“毫發畢現”，可謂工業檢測領域的“火眼金睛”。

　　超強目標適用性

　　待測目標物體的表面材質將影響檢測結果，此現象在光電傳感器中比較常見，如漫反射傳感器中的色敏性就反映了這樣的現象。 同樣，激光三角光學測量系統的精度也會受到表面材質的影響。

　　為了減小材質的影響、提升檢測的適用性，上海蘭寶創新團隊開展了一系列研究，首先利用光線追跡方法，通過對不同表面材質成像光斑的光學模擬，同時利用MATLAB軟件對得到的波形數據進行歸一化處理，并對光斑質心理論進行計算，得到影響三角測距測量精度的兩個關鍵因素：表面反射率分布和表面微觀形貌。 針對兩個關鍵因素，分別提出提高測量適用性的方法。

　　針對表面反射率分布不同的情況，如黑色橡膠和高亮合金表面，采用控制受光量的方法保證成像光斑的一致性。 具體來說，就是通過硬件和算法協同解決，硬件方面，在恒功率激光驅動電路的基礎上，引入數字模擬轉換模塊(DAC)，利用軟件可以實時調整激光器的實際輸出光功率; 算法方面，開發一種減少激光三角位移傳感器檢測色差的自適應算法，根據半波寬度和整波寬度的擬合關系式，可以迅速將積分時間調整至穩定，波形調整至理想狀態。

　　針對表面微觀形貌不同的情況，如不同粗糙度的金屬表面，采用調整激光光斑形態的方法保證檢測的精度。 具體來說，就是在自研激光模組的基礎上，開展高性能、高靈活性激光模組的技術研究，成功完成對激光光斑的高質量整形，完成寬光斑模塊的光斑特性分析及風險評估。 目前的激光模組與國外高性能模組性能一致，將助力產品實現更高的檢測能力。

　　PDA能檢測的材質除了常規的黑卡、白卡，還包括皮革、陶瓷、高亮金屬以及其他特殊檢測面，可以游刃有余地應對各種檢測目標物。

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　　目前，汽車制造、智能設備、醫療設備、儀器儀表等都成為熱門行業，擁有良好的市場前景。 因此，未來對于PDA高精度激光位移傳感器的市場需求將會不斷增大，其研發和產業化將能夠很好地滿足客戶的應用需求，使客戶擺脫高端激光測量傳感器主要依賴進口的局面，提供高品質國產測距傳感器。

　　接下來，上海蘭寶將致力于激光測量傳感器在高檔數控機床和機器人、電力裝備以及海洋工程領域的示范應用及推廣，貫徹傳感器“一條龍”應用計劃，建設數字化產線，提高產能和品質，在國內選擇激光器、精密機構件、感光芯片和關鍵芯片的供應商，帶動上游多個產業共同發展。

　　作者：馬路明 祁偉光 謝勇