激光测距传感器原理详解：从三角法到飞行时间法

激光测距传感器以其高精度和非接触测量的卓越特性，已成为现代工业、测绘和消费电子领域的基石技术。理解其背后的工作原理，是正确选型和解决应用难题的关键。本文将带您深入探索激光测距的几种核心技术路径。

相位式激光测距原理

相位法，也称为相位偏移测量法，是一种实现中短距离高精度测量的经典方案。其原理是：传感器向目标发射一束经过正弦波调制的激光，该光束被物体反射后由接收器接收。由于光在空气中的传播速度恒定，返回的光波与发射的光波之间会产生一个相位差。通过精确测量这个相位差，就能计算出激光往返所花费的时间，从而解算出精确的距离。

其核心优势在于毫米级甚至亚毫米级的超高测量精度，非常适合建筑测绘、工业在线检测等对精度要求苛刻的场合。然而，由于需要分析连续的调制波，其测量速度相对较慢，且最大测程受到调制波波长的限制，通常在数公里以内。

激光三角测量法原理

三角法是短距离、超高精度应用的王者。它模拟了一个经典的几何三角关系：传感器在已知位置发射激光，在物体表面形成一个光斑，该光斑的漫反射光通过一个透镜在后方的一个CMOS或PSD感光元件上成像。当物体距离发生变化时，成像光斑在感光元件上的位置也会发生精确的线性移动。通过检测光斑在感光元件上的位移量，并基于已知的激光器与透镜之间的基线距离，通过三角几何关系即可计算出物体的距离。

这种方法在毫米到米的量程内可以实现微米级的惊人分辨率，被广泛用于生产线上的零件尺寸检测、表面轮廓测量等。但其弱点也很明显：测量精度会随距离增加而下降，并且对被测物体的表面颜色和材质非常敏感，在强吸光（如黑色物体）或强反光表面（如镜面）上性能会显著恶化。

脉冲式激光测距原理（飞行时间法，ToF）

脉冲法，即飞行时间法，是测量远距离的利器。其原理最为直观：传感器向目标发射一个极其短暂的激光脉冲，同时一个高精度的计时器开始计时。当这个脉冲被物体反射回来后，被接收器捕捉，计时器停止。通过测量激光脉冲“飞行”往返所经历的时间（t），利用光速（c）这一常数，即可通过公式 D = (c * t) / 2 计算出距离。

ToF法的最大优势在于其极远的测量能力，从几十米到数公里不等，常用于地形测绘、无人机避障、工程机械定位等。它的抗干扰能力强，对物体表面特性的依赖性较低。其精度通常为厘米级到毫米级，主要受限于计时电路的时间分辨率。

原理对比与选型总结

选择哪种技术，完全取决于您的应用需求：

• 追求短距离极限精度（微米级）：激光三角法是首选，适用于实验室和精密制造。

• 需要中短距离高精度（毫米级）：相位法非常合适，常用于工业和工程测绘。

• 实现长距离测量（数十米以上）：脉冲飞行时间法（ToF） 是理想选择，优势在于测程和鲁棒性。

关于激光测距原理的常见问题

Q1: 这几种原理的激光测距传感器，哪个精度最高？
在短距离（通常<1m）内，基于激光三角测量法的传感器精度最高，可达微米级别。相位法在中等距离上能实现优秀的毫米级精度，而脉冲飞行时间法（ToF）在远距离测量中提供的是厘米级精度。

Q2: 为什么测量黑色物体时，激光测距传感器会不准甚至失效？
因为黑色表面会吸收大部分激光能量，导致反射回接收器的信号极其微弱。这对于依赖反射光强度的三角测量法影响尤为严重，可能导致测程大幅缩短或测量失败。相位法和ToF法也受影响，但程度稍轻。

Q3: 激光测距和超声波测距的主要区别是什么？
激光测距基于光速，而超声波基于声速。因此，激光测距精度远高于超声波，且不易受温度、湿度影响。但超声波测距对被测物的颜色和材质不敏感，在测量透明物体（如玻璃）或复杂表面时可能更有优势，且成本通常更低。

透彻理解激光测距的原理，是解锁其强大应用潜力的钥匙。无论您的需求是微观世界的精密探测，还是宏观尺度的远距离测量，总有一种技术方案能够满足。建议您根据具体的测量范围、精度要求和预算进行综合权衡，选择最合适的原理与技术路径。