激光測距傳感器工作原理詳解 凱基特技術科普

• 時間：2025-12-19 11:43:21
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在工業自動化、機器人導航、建筑工程以及消費電子等諸多領域，距離的精確測量是一項基礎而關鍵的技術。激光測距傳感器以其高精度、高速度和非接觸測量的優勢，成為現代精密測量的核心工具之一。這種看似神秘的設備是如何工作的呢？其核心原理其實與光和時間這兩種基本物理概念緊密相連。

激光測距傳感器的工作原理主要基于兩種成熟的技術：飛行時間法和三角測量法。這兩種方法各有側重，適用于不同的測量范圍、精度要求和應用場景。

我們來探討最主流的飛行時間法。顧名思義，這種方法的核心是測量激光脈沖“飛行”的時間。傳感器內部的激光二極管會發射出一束極短的高功率激光脈沖，這束激光以光速（約每秒30萬公里）飛向目標物體。到達物體表面后，激光會被反射回來，由傳感器內部的高靈敏度光電探測器接收。系統內部的高精度時鐘會精確記錄激光脈沖從發射到接收所經歷的極其短暫的時間差。由于光速是已知的恒定值，根據簡單的物理公式：距離 = (光速 × 時間差) / 2，就能計算出傳感器到目標物體的精確距離。這種方法非常適合中遠距離的測量，測量范圍可以從幾米到數百米甚至更遠，在測繪、安防、無人機避障等領域應用廣泛。

另一種常見的方法是激光三角測量法。這種方法更適用于近距離、高精度的測量場景，例如工業生產線上零件尺寸的在線檢測。其原理類似于幾何學中的三角形相似。傳感器發射的激光束會在被測物體表面形成一個光斑。這個光斑通過接收透鏡，成像在位置敏感器件（如CCD或CMOS線性傳感器）的不同位置上。當物體距離傳感器發生微小變化時，反射光斑在接收器上的成像位置也會發生相應的線性位移。通過精確檢測這個光斑位置的移動量，并基于已知的發射光束與接收光路之間的固定夾角（構成一個三角形），利用三角函數關系即可計算出物體距離的變化。這種方法精度極高，可達微米級，但對環境光和被測物體表面的反射特性較為敏感。

除了原理，激光測距傳感器的性能還受到幾個關鍵因素的影響。激光的波長是一個重要參數，常見的可見紅光激光（如650nm）和不可見的紅外激光各有優劣。紅外激光抗環境光干擾能力更強，而可見光則便于安裝調試時對準。被測物體的表面特性也至關重要，光滑、明亮的表面反射率高，信號強；而深色、粗糙或吸光的表面則可能導致信號衰減，影響測量穩定性。優秀的傳感器通常會具備自動增益調節等功能來適應不同的材質。環境條件如環境光強度、灰塵、霧氣等也會對測量造成影響，工業級產品往往具備良好的環境耐受性。

在實際應用中，選擇哪種原理的傳感器需要綜合考慮。對于物流倉儲中測量貨堆體積、AGV小車導航防撞，飛行時間法因其測程遠、適應性強而成為首選。而在精密制造業，如檢測半導體晶圓厚度、手機外殼平整度，則需要三角測量法來實現無以倫比的精度。隨著技術的發展，相位式激光測距等更復雜的技術也在特定領域得到應用，它通過測量發射波與接收波之間的相位差來計算距離，在短距離內能實現更高的分辨率。

理解激光測距傳感器的工作原理，不僅能幫助工程師和技術人員更好地選型和應用，也讓我們對現代科技如何將基礎物理原理轉化為強大生產力有了更深刻的認識。從簡單的距離數字背后，是光學、電子學、精密計時和信號處理技術的復雜交響。