CN101981468A - 物体的距离和取向测量 - Google Patents

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Abstract

一种测量物体(256)和光源(230)之间的距离并且感测所述物体的取向的方法，所述方法包括：将来自多个光源(230、240或810)的光施加在所述物体上；检测来自物体的反射能量(270)水平；测量来自所述物体的所述反射能量水平；计算距离校准函数；确定在所述距离校准函数内由最小值(302)和最大值(304)指示的至少一个测量范围(301)；计算指示在调制函数的周期内在预定时隙处采样的能量水平关系的角度校准函数；以及用所述调制函数(435、445)调制所述多个光源中的每一个，使得在所述光发射的时间期间从所述多个光源施加在所述物体上的总能量由光发射预定函数表示。

Description

物体的距离和取向测量
技术领域
本发明涉及一种用于非接触测量表面的距离和取向的光学传感器和方法，更具体地涉及使用光纤位移传感器进行测量的方法。
背景技术
非接触距离测量在工业中被广泛使用。依赖于具体应用需要采用不同的技术。以下技术，例如激光三角测量技术、共焦技术、基于光纤的技术、干涉仪技术以及色谱技术，在距离或位移测量领域中是常见的，并且通过使用光学方法来实现。每种技术被选择以适应具体应用要求。例如，为了聚焦成像头，一些计算机直接制版(CTP)成像机使用激光三角测量原理。这种感测设备的缺点之一是相对高的成本和形状因素方面，其对成像头设计造成很大限制。
在美国专利7,071,460(Rush)、4,739,161(Moriyama等人)、5,017,112(Hafle)和4,801,799(Tromborg等人)中公开了允许小的传感器尺寸的非接触位移测量的另一方法。所有公开的专利使用两个或更多个光纤，用于测量到介质的距离。每个公开的专利是基于相对于传感器的预定的介质取向。对于介质取向不是预定的应用(例如计算机直接制版(CTP)头校准)，这种假设无效，并且不可能准确地测量到任意取向的介质的距离。
图1A示出了根据美国专利4,801,799的传感器的功能，其中介质130相对传感器光学轴线取向成90度角。图1B示出了以不同于90度角取向的介质130。在两种情况下，介质130和光纤110的出口之间的距离是相同的。
从图1A可以明显得知，来自光源100经过光纤110和透镜120的光从介质130被反射，并且经过透镜120和光纤140返回到光传感器电路150，所述介质130相对于光纤光发射轴线垂直取向。在该情况下，由光传感器150检测到的反射光能量的量是介质到光纤出口距离的函数(见美国专利4,801,799的图4)。
图1B示出了具有倾斜取向的介质130的传感器功能。在该情况下，光传感器150将接收更小量的反射光能量或根本没有反射光能量。如从图1B可以看出的，尽管介质和光纤出口之间的距离不改变，即使介质取向角度稍微变化，也可能导致光传感器150输出信号的偏差。换句话说，介质130取向角度可能极大改变光传感器150输出信号，从而增加测量误差或使测量不可能。
在成像头到介质的距离测量应用中，表面的取向或形状，或者成像头到套筒距离测量经常变化。在那些情况下，由介质取向或形状变化引起的光纤传感器误差成为测量传感器的严重缺点。此外，成像头对准偏差，或者套筒或鼓的偏心率变化也影响介质到传感器距离测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的和改进的光纤位移传感器设备，该设备能够提供传感器和非平坦形状表面或平坦表面之间的测量，所述非平坦形状表面或平坦表面被布置在表面和传感器轴线之间的角度范围内。
简而言之，根据本发明的一个方面，一种用于测量物体和光源之间的距离并且感测该物体的取向的方法包括：将来自多个光源的光施加在所述物体上；检测来自物体的反射能量水平；测量来自所述物体的所述反射能量水平；计算指示与所述物体和所述光源之间的距离关系的距离校准函数；确定在所述距离校准函数内由最小值和最大值指示的至少一个测量范围；计算指示在调制函数的周期内在预定时隙处采样的能量水平关系的角度校准函数；以及用所述调制函数调制所述多个光源中的每一个，使得在光发射的时间期间从所述多个光源施加在所述物体上的总能量由光发射预定函数表示。
在调制周期T内的任何固定时间处测得的光传感器响应信号是介质到光纤距离的函数，本发明提供甚至在介质相对于光纤传感器光发射轴线取向不同于90度或介质具有非平坦形状的情况下，对介质和传感器之间的距离的测量。该距离由在调制周期的固定和预定点测得的光传感器响应确定，而角度方向和角度值由信号的相位和振幅确定。
在介质相对于光发射轴线垂直取向的情况下，不管已调制或未调制光传感器响应的类型如何，发射光测量之和将保持恒定，所述和为介质到光纤距离的函数。在介质相对于光发射轴线非垂直布置或具有非平坦形状的情况下，测得的光传感器输出信号将变为调制的，并且该信号的相位和振幅将分别指示偏斜角度的方向和数值。从以下描述和附图中，本发明的其他优点将变得明显。
附图说明
图1A和图1B是图示说明传感器功能的现有技术的示意图；
图2A-2C是图示说明本发明的传感器功能的示意图；
图3是图示说明介质到光纤的距离响应校准函数的示意图；
图4A-4C是图示说明各种类型的调制方式的时序图；
图5是图示说明当介质是垂直于光发射轴线的取向时光传感器的响应的示意图；
图6A和图6B是图示说明当介质取向不垂直于光发射轴线时光传感器响应的示意图；
图7A和图7B是图示说明当介质取向不垂直于光发射轴线时光传感器响应的示意图；以及
图8是图示说明具有多个光源的传感器的示意图。
具体实施方式
图2A-2C是根据本发明的光纤位移装置的示意图，整体上用数字10指代。光纤位移装置10包括信号发生器205，所述信号发生器产生控制信号215和220，用于提供光源230和光源240的光调制。光纤235和245分别传导来自光源230和240的光。透镜用于将来自光纤235和240的光束聚焦在介质256上，并且光传感器270测量从介质256经过透镜250和光纤260的反射光。采集电路210采集经过光传感器270的反射光并且进行分析。传感器配置可以包括多于两个的发射光纤和单个光传感器270。
信号发生器205发出分别用于光源230和240的控制信号215和220。例如，光源可以使用激光二极管。控制信号传送电流，所述电流激励为每个光源发射的能量。与光源特性的线性范围有关的发射光能量与光源电流成正比。总而言之，来自每个光源的发射光将根据各自光源电流调制函数而变化。
让我们假设光源230的光能量El被脉冲调制，如图4A中所示用函数445(虚线)表示的。光源240的光能量E2被类似的脉冲调制，所述类似的脉冲具有相同的幅度和相同的50％占空比，但被偏移一个脉冲的长度(半个周期)，如图4A中函数435所示的。
每个调制周期从光源230和240两者发射的总光能量E∑可以被记为如下：
E Σ = ∫ 0 0.5 T E 1 ( t ) dt + ∫ 0.5 T T E 2 ( t ) dt = E 1 + E 2 - - - ( 1 )
并且光发射功率将分别是：
Figure BPA00001231708000042
等式(2)表示，当它到达介质表面时，以上所描述的调制信号提供恒定的光功率。
在介质256相对于发射光轴线垂直取向的情况下，如图2A所示，由于系统对称性，反射光经过透镜250和光纤260返回到光传感器270的部分是相等的。每个激光束的反射角和功率损耗是相等的，并且传感器270采集到的总反射光功率也将保持恒定。其在下面的等式(3)中表示：
PS＝kP1＝kP2＝恒定值                    (3)
这里，k代表反射系数。换句话说，尽管每个光源功率被调制，但是在上面所描述的光源调制期间，传感器270测量到的反射功率将表现为恒定值
业界熟知，从光源发射并且穿过光纤、又从垂直取向的介质反射并且经过另一个光纤返回到光传感器的恒定功率是介质到光源距离的函数。在图3中示出了这种函数的图形表示，其中，例如，用电压信号V表示光传感器响应，用X表示到介质的距离。在实际中应该使用V＝f(X)特性的线性范围301。作为示例，点a302、点b303以及点c304这三个点与线性范围301相关。可以看出，距离Xa、Xb和Xc由各自传感器响应Va、Vb和Vc表示，其中Xa和Xc分别是在线性范围内可检测到的最小距离和最大距离。
图5示出了当总发射功率恒定并且介质相对于光发射轴线254垂直取向时(图2A)，与距离Xa、Xb和Xc相关的信号V的光传感器270响应的时序图。实线510示出了当介质位于距离测量范围的中间Xb时的光传感器响应时间依赖性Vb。线250(点线)和530(虚线)示出了当介质分别位于Xa和Xc时的光传感器270响应Va和Vc。还可以看出，对于任何时刻的时间tn，可以由在那个时间tn处所测得的光传感器270响应信号确定介质到光纤传感器的距离。
如图2B和图2C所示，当介质256相对竖直轴线255以角度θ取向时，来自介质256的反射光将改变反射方向相同角度θ(虚线)。图2B示出了在正方向(+θ)的介质偏斜，以及图2C示出了在负方向(-θ)的介质偏斜。偏斜的介质取向将造成光传感器270从光源230和光源240接收到的光反射部分的不平衡。如图2B所示，来自光源230的光的一部分被反射到光传感器，并且大于来自光源240的反射光的部分。因此，光源230的反射将比光源240的反射更多地影响光传感器270，从而导致用控制信号215的频率和相位调制的光传感器响应信号。
图6A和6B示出了当光控制信号215和220被按照图4A描述和示出的进行调制并且介质256从竖直位置255偏斜角度(+θ)时的光传感器270响应行为。采集电路210与调制频率同步地测量光传感器270输出信号。如果介质根据图2B取向并且在距离Xb内对准，则在如图6A和6B中用实线510所示的、由t1，t2...tn表示的指定时隙处执行测量。在时隙t1，...t2n+1(奇时隙)读取的测量值将与光源230反射测量有关，而在时隙t2，...t2n(偶时隙)读取的测量值将与光源240反射测量有关，从而示出了由于进入光传感器270的光的反射部分不相等而造成的不同读数。
如果介质被移位(以相同角度移动)到位置Xa，则由于介质偏斜角度+θ不改变，来自光源230的光从介质反射进入光传感器270的部分对于来自光源240的反射光仍然占主要地位。但是因为Xa位置最接近光纤传感器202，所以两个反射部分将成比例地增加，并且光传感器270响应(点线520)将更高。另一方面，当介质被移位到Xc位置(虚线530)时所测得的光传感器270响应将比在中间范围Xb(线510)所测得的低。
如图2C所示，如果介质的偏斜角度是(-θ)，则来自光源240的光的一部分被反射到光传感器270并且大于来自光源230的反射光的部分。因此，光源240的反射将比光源230的反射更多地影响光传感器270。从而，光传感器接收更多部分的、用控制信号220的频率和相位调制的信号。图6B的实线510示出了当介质位于离光纤传感器202的中间范围Xb距离且偏斜角度(-θ)时所测得的光传感器响应。如所示的，角度方向从+θ改变到-θ导致了响应信号的相位改变。(当介质处于偏斜角度+θ时，奇时隙大于偶时隙，当介质处于偏斜角度-θ时，奇时隙小于偶时隙)。
如上所述，介质在位置Xa和Xc处偏斜-θ将分别导致响应曲线相对于中间范围距离响应曲线(图6B，线510)上升(图7B，线520)或下降(图6B，线530)。这意味着尽管介质偏斜，但是光传感器270的相同的同步时隙测量可以用于距离确定。另外，奇时隙和偶时隙测量值之间的差或它们各自的关系确定偏斜角的值。
图4A还示出了调制信号的其他修改：图4B示出了三角调制，图4C示出了曲线调制。实线435与光源230的调制相关，虚线445与光源240的调制相关。在图4A-4C中所描绘的所有调制信号的共同特征可以用以下的数学等式表示：
Figure BPA00001231708000061
这里，i表示具体光源的索引，n表示光源的总数。参数ω是角频率，其指示调制函数是周期性的。
图7A和图7B示出了当介质位于位置Xa、Xb和Xc且偏斜角度+θ并且根据图4B和4C的三角调制修改产生光源控制信号215和220时，所测得的光传感器270的响应曲线。这些类型的调制均遵循等式(4)。
图8示出了本发明的另一传感器实施例的正视图。该实施例描绘了多于两个用于调制的光纤。该示例描述了分别在三个平面内传导来自光源的光并且发射光的三个光纤对810、820和830，另外，单个光纤840被配置为将反射光的介质反射传导到光传感器270。信号发生器将控制信号施加到每个光源，从而为光纤对810、820和830的每个光纤提供光调制。同时，控制信号提供调制，使得来自所有光纤对的总发射光能量是恒定的。参见等式4。在该情况下，采集电路测量如上所述的每个光纤对，从而提供介质的距离和角度。介质取向由每个平面测量值的叠加最终限定。
元件列表
10   光纤位移装置
100  光源
110  光纤
120  透镜
130  介质(物体)
140  光纤
150  光传感器
202  光纤传感器
205  信号发生器
210  采集电路
215  控制信号
220  控制信号
230  光源
235  光纤
240  光源
245  光纤
250  透镜
254  光发射轴线
255  垂直轴线
256  介质(物体)
260  光纤
270  光传感器
301  线性范围
302  点a(线性范围的最小点)
303  点b(线性范围之内)
304  点c(线性范围的最大点)
435  用于第二光源的已调制函数
445  用于第一光源的已调制函数
510  针对中间距离点的光响应
520  针对最大距离点的光响应
530  针对最小距离点的光响应
810  光纤对
820  光纤对
830  光纤对
840  单个光纤

Claims (15)

1.一种用于测量物体和光源之间的距离并且感测所述物体的取向的方法，所述方法包括以下步骤：
将来自多个光源的光施加在所述物体上；
检测来自物体的反射能量水平；
测量来自所述物体的所述反射能量水平；
计算指示与所述物体和所述光源之间的距离关系的距离校准函数；
确定在所述距离校准函数内由最小值和最大值指示的至少一个测量范围；
计算指示在调制函数的周期内在预定时隙处采样的能量水平关系的角度校准函数；以及
用所述调制函数调制所述多个光源中的每一个，使得在所述光发射的时间期间从所述多个光源施加在所述物体上的总能量由光发射预定函数表示。
2.根据权利要求1所述的方法，其中计算所述物体的轮廓。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述调制函数的周期的第一部分期间取得所述反射光能量的第一测量值；
在所述调制函数的所述周期的第二部分期间取得所述反射光能量的第二测量值；以及
如果所述第一测量值等于所述第二测量值，则所述物体被布置为相对于光发射轴线垂直，并且使用所述距离校准函数从所述第一测量值或所述第二测量值导出所述物体和所述光源之间的所述距离。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述调制函数的周期的第一部分期间取得所述反射光能量的第一测量值；
在所述调制函数的所述周期的第二部分期间取得所述反射光能量的第二测量值；以及
如果所述第一测量值大于所述第二测量值，则所述物体相对于光发射轴线的取向角度大于90度，并且使用所述距离校准函数从所述第一测量值和所述第二测量值的平均值导出所述物体和所述光源之间的所述距离，并且从所述角度校准函数导出所述取向角度。
5.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在所述调制函数的周期的第一部分期间取得所述反射光能量的第一测量值；
在所述调制函数的所述周期的第二部分期间取得所述反射光能量的第二测量值；以及
如果所述第一测量值小于所述第二测量值，则所述物体相对于光发射轴线的取向角度小于90度，并且使用所述距离校准函数从所述第一测量值和所述第二测量值的平均值导出所述物体与所述光源之间的所述距离，并且从所述角度校准函数导出所述取向角度。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述光发射预定函数由恒定值表示。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光发射预定函数是周期函数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中对所述周期函数进行脉冲调制。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述周期函数是三角函数。
10.根据权利要求7所述的方法，其中所述周期函数是平方正弦函数。
11.根据权利要求1所述的方法，其中是所述光源是激光光源。
12.根据权利要求1所述的方法，其中所述光源是激光发射二极管光源。
13.根据权利要求3所述的方法，其中所述调制函数的所述第一部分周期和所述第二部分周期之和等于所述调制函数的周期。
14.根据权利要求3所述的方法，其中所述调制函数的所述第一部分周期等于所述调制函数的所述第二部分周期。
15.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量范围是线性的。
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