“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的提出，以及人工智能等新一代信息技術(shù)的發(fā)展，使中國(guó)制造業(yè)面臨新一輪“換血”‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 從高密度人工作業(yè)向自動(dòng)化車間轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，自動(dòng)化測(cè)量被推到舞臺(tái)前端‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。 為了實(shí)現(xiàn)高端激光位移傳感器的自主研發(fā)及國(guó)產(chǎn)化，提升位移測(cè)量的精度和穩(wěn)定性，上海蘭寶利用自適應(yīng)算法及核心光機(jī)電組件，結(jié)合智能算法，打破行業(yè)壁壘，探索出領(lǐng)先傳感技術(shù)‍‌‍‍‌‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‌‍‍‍‌‍‍‍‍‌‍‌‍‌‍‌‍‍‌‍‍‍‍‍‍‍‍‍‌‍‍‌‍‍‌‍‌‍‌‍。

　　目前，我國(guó)處在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、制造業(yè)向智造業(yè)轉(zhuǎn)變的重大轉(zhuǎn)折點(diǎn)上，“非接觸、高精度、無(wú)損傷”等測(cè)量需求屢被提出。 然而，高精度光電測(cè)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(jìn)口、購(gòu)買代價(jià)高昂、應(yīng)用受制于人等問(wèn)題。 因此，自主研發(fā)高端測(cè)量傳感器十分必要。

　　在此產(chǎn)業(yè)背景下，上海蘭寶傳感科技股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱“上海蘭寶”)組織研發(fā)團(tuán)隊(duì)，開(kāi)展核心技術(shù)的開(kāi)發(fā)和探索，積極布局激光三角測(cè)量產(chǎn)品。 立項(xiàng)之初，上海蘭寶對(duì)標(biāo)國(guó)際一流廠商的技術(shù)指標(biāo)，決定研發(fā)一款面向高端數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、電力裝備以及海洋工程領(lǐng)域的高精度、高穩(wěn)定性激光測(cè)量傳感器。

　　經(jīng)過(guò)兩年多的技術(shù)攻關(guān)，上海蘭寶成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的PDA高精度激光位移傳感器(以下簡(jiǎn)稱“PDA”)。 該傳感器實(shí)現(xiàn)了微米(um)級(jí)別的檢測(cè)精度以及±0.1%的線性精度，克服了激光測(cè)量類傳感器受目標(biāo)物顏色影響大、溫漂嚴(yán)重、重復(fù)精度差等技術(shù)難題，具備較高的抗環(huán)境干擾能力。 PDA高精度激光位移傳感器將應(yīng)用于非接觸高精度檢測(cè)領(lǐng)域，為高端制造提供可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)，助力智能制造。

　　超高抗環(huán)境干擾能力

　　相對(duì)于民用領(lǐng)域，工業(yè)環(huán)境對(duì)傳感器的要求更為苛刻，要求傳感器在保證測(cè)量精度的情況下，有更好的穩(wěn)定性、抗震動(dòng)和抗沖擊性。

　　一般的激光位移傳感器，其檢測(cè)精度都會(huì)受溫度變化的影響，指標(biāo)一般在±0.02%F.S./℃及以上。 這是因?yàn)榧す馕灰苽鞲衅髦械慕Y(jié)構(gòu)部件，如鏡架、透鏡、外殼會(huì)受到環(huán)境溫度影響，從而引起檢測(cè)波形漂移，最終影響測(cè)量結(jié)果。 為了減小結(jié)構(gòu)熱膨脹導(dǎo)致的測(cè)量結(jié)果漂移，上海蘭寶創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)投入大量資源研發(fā)無(wú)熱化方案，從發(fā)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(zhǔn)把控，最終實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的熱穩(wěn)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(huì)受到環(huán)境溫度的影響，會(huì)直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。 激光器的驅(qū)動(dòng)電路需要根據(jù)激光器的特性，進(jìn)行溫度補(bǔ)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(guò)實(shí)際測(cè)試與改進(jìn)，PDA恒功率控制模塊最終實(shí)現(xiàn)激光器在-20℃～70℃的恒功率控制。

　　在激光三角測(cè)量系統(tǒng)中，通常通過(guò)增加窄帶濾光片來(lái)阻止外界環(huán)境光對(duì)圖像傳感器的干擾，這起到了一定的作用。 但當(dāng)環(huán)境光較強(qiáng)或環(huán)境光中有波長(zhǎng)成分與激光三角測(cè)量系統(tǒng)的激光波長(zhǎng)在相同區(qū)間時(shí)，窄帶濾光片會(huì)失去效果，圖像傳感器的波形也將發(fā)生嚴(yán)重變形，從而導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果出現(xiàn)較大偏差。

　　為了解決這個(gè)問(wèn)題，研發(fā)成員查閱大量科技文獻(xiàn)，設(shè)計(jì)出高效且穩(wěn)定的圖像差分去噪算法：系統(tǒng)首次工作時(shí)，關(guān)閉激光器，同時(shí)打開(kāi)圖像采集模塊，完成第一次信號(hào)采集，此時(shí)采集到的圖像信號(hào)為噪聲信號(hào)及環(huán)境光信號(hào)，系統(tǒng)根據(jù)信號(hào)特征自動(dòng)完成50個(gè)監(jiān)控特征點(diǎn)的分配; 接著開(kāi)始正常檢測(cè)，檢測(cè)過(guò)程中根據(jù)特征點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度，結(jié)合系統(tǒng)自帶的噪聲模型，預(yù)測(cè)此時(shí)的噪聲信號(hào); 最后，將實(shí)測(cè)信號(hào)和噪聲信號(hào)在系統(tǒng)中進(jìn)行差分運(yùn)算，得到去除噪聲及環(huán)境光之后的信號(hào)波形。 這種算法可以在不影響檢測(cè)頻率的情況下，將環(huán)境光影響降至最低。

　　針對(duì)其他環(huán)境變量，如震動(dòng)、油污、水汽、灰塵，PDA也有獨(dú)特的設(shè)計(jì)減少環(huán)境干擾。 采用金屬外殼，配合先進(jìn)的工藝處理，可以耐腐蝕、抗油污、抗震動(dòng)沖擊; 采用先進(jìn)點(diǎn)膠技術(shù)，具備IP67防護(hù)等級(jí)，配合流線型外觀設(shè)計(jì)，能夠有效應(yīng)對(duì)潮濕、多灰塵的環(huán)境; 采用雙屏蔽設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品具有更卓越的抗電磁干擾性能，適用于較為復(fù)雜的電氣干擾……在當(dāng)今提倡高效率的工業(yè)生產(chǎn)中，PDA能提供卓越穩(wěn)定的檢測(cè)結(jié)果，為質(zhì)量把關(guān)保駕護(hù)航，讓生產(chǎn)不在檢測(cè)環(huán)節(jié)“掉鏈子”。

　　超強(qiáng)檢測(cè)能力

　　PDA采用高標(biāo)準(zhǔn)硬件模塊以及獨(dú)特的算法，擁有超高的線性精度，能為用戶提供精確的檢測(cè)結(jié)果。

　　首先，在激光發(fā)射端，如果出現(xiàn)激光準(zhǔn)直透鏡與激光管不匹配，或者激光管本身的光束質(zhì)量較差，抑或是激光模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)反射等情況，都將導(dǎo)致激光光斑分布與高斯分布有一定差異，進(jìn)而破壞成像光斑的對(duì)稱性，影響檢測(cè)精度。 為了減小發(fā)射端的影響，上海蘭寶研發(fā)團(tuán)隊(duì)開(kāi)始了對(duì)激光模組的探究，終于摸索出激光二極管、準(zhǔn)直透鏡、光闌、彈簧、內(nèi)壁的影響規(guī)律，并制定詳細(xì)的制程工藝和檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)了光斑的高斯分布，從而使成品率達(dá)到90%，為高精度檢測(cè)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(jié)合穩(wěn)定高速采樣模塊，保證每次成像波形的一致性。 同時(shí)，處理芯片配備一系列智能算法，采用亞像素處理技術(shù)，將一個(gè)像素細(xì)分為256個(gè)亞像素單元，進(jìn)一步采用高斯擬合的方法，去除物體表面不平或者檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜導(dǎo)致的多重反射光，還原成像光斑的能量分布情況，實(shí)現(xiàn)超高的分辨率、重復(fù)精度和線性精度。

　　目前，PDA系列中已有部分規(guī)格產(chǎn)品的分辨率高達(dá)1um，線性精度達(dá)到0.05%，真正做到了“毫發(fā)畢現(xiàn)”，可謂工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的“火眼金睛”。

　　超強(qiáng)目標(biāo)適用性

　　待測(cè)目標(biāo)物體的表面材質(zhì)將影響檢測(cè)結(jié)果，此現(xiàn)象在光電傳感器中比較常見(jiàn)，如漫反射傳感器中的色敏性就反映了這樣的現(xiàn)象。 同樣，激光三角光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)的精度也會(huì)受到表面材質(zhì)的影響。

　　為了減小材質(zhì)的影響、提升檢測(cè)的適用性，上海蘭寶創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列研究，首先利用光線追跡方法，通過(guò)對(duì)不同表面材質(zhì)成像光斑的光學(xué)模擬，同時(shí)利用MATLAB軟件對(duì)得到的波形數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，并對(duì)光斑質(zhì)心理論進(jìn)行計(jì)算，得到影響三角測(cè)距測(cè)量精度的兩個(gè)關(guān)鍵因素：表面反射率分布和表面微觀形貌。 針對(duì)兩個(gè)關(guān)鍵因素，分別提出提高測(cè)量適用性的方法。

　　針對(duì)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(lái)說(shuō)，就是通過(guò)硬件和算法協(xié)同解決，硬件方面，在恒功率激光驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上，引入數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換模塊(DAC)，利用軟件可以實(shí)時(shí)調(diào)整激光器的實(shí)際輸出光功率; 算法方面，開(kāi)發(fā)一種減少激光三角位移傳感器檢測(cè)色差的自適應(yīng)算法，根據(jù)半波寬度和整波寬度的擬合關(guān)系式，可以迅速將積分時(shí)間調(diào)整至穩(wěn)定，波形調(diào)整至理想狀態(tài)。

　　針對(duì)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(diào)整激光光斑形態(tài)的方法保證檢測(cè)的精度。 具體來(lái)說(shuō)，就是在自研激光模組的基礎(chǔ)上，開(kāi)展高性能、高靈活性激光模組的技術(shù)研究，成功完成對(duì)激光光斑的高質(zhì)量整形，完成寬光斑模塊的光斑特性分析及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。 目前的激光模組與國(guó)外高性能模組性能一致，將助力產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)更高的檢測(cè)能力。

　　PDA能檢測(cè)的材質(zhì)除了常規(guī)的黑卡、白卡，還包括皮革、陶瓷、高亮金屬以及其他特殊檢測(cè)面，可以游刃有余地應(yīng)對(duì)各種檢測(cè)目標(biāo)物。

　　人工智能評(píng)職知識(shí)：人工智能工程師發(fā)表職稱論文的期刊

　　目前，汽車制造、智能設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、儀器儀表等都成為熱門行業(yè)，擁有良好的市場(chǎng)前景。 因此，未來(lái)對(duì)于PDA高精度激光位移傳感器的市場(chǎng)需求將會(huì)不斷增大，其研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化將能夠很好地滿足客戶的應(yīng)用需求，使客戶擺脫高端激光測(cè)量傳感器主要依賴進(jìn)口的局面，提供高品質(zhì)國(guó)產(chǎn)測(cè)距傳感器。

　　接下來(lái)，上海蘭寶將致力于激光測(cè)量傳感器在高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人、電力裝備以及海洋工程領(lǐng)域的示范應(yīng)用及推廣，貫徹傳感器“一條龍”應(yīng)用計(jì)劃，建設(shè)數(shù)字化產(chǎn)線，提高產(chǎn)能和品質(zhì)，在國(guó)內(nèi)選擇激光器、精密機(jī)構(gòu)件、感光芯片和關(guān)鍵芯片的供應(yīng)商，帶動(dòng)上游多個(gè)產(chǎn)業(yè)共同發(fā)展。

　　作者：馬路明 祁偉光 謝勇