CN103940341B - 一种位移和倾角一体化测试仪器 - Google Patents

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陈士钊
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Abstract

本发明涉及一种位移和倾角一体化测试仪器，包括一个半导体激光器，三个光学系统，被测面，一个反射镜，一个分光镜，两个光电探测器，和电路部分，所述的光电探测器a与光学系统c连接并位于中部，半导体激光器与光学系统a连接，位于光电探测器a与光学系统c的一侧，光电探测器b与光学系统b连接，位于光电探测器a与光学系统c的另一侧，所述被测面位于反射镜下方。其能同时测试被测物的位移和倾角变化，便于分析位移和倾角的相关性，结构紧凑，减少一次取放，提高了测试效率。

Description

一种位移和倾角一体化测试仪器
技术领域
本发明涉及一种位移和倾角一体化测试仪器，属于传感器技术领域。
背景技术
目前，广泛应用于测量VCM马达运动和其他镜面反射面的位移变化和倾角变化的位移测试功能和倾角测试功能是分离的，分别由两台仪器实现。在实际应用时，需提供两套仪器安装机构和被测物装卡结构，做两次取放才能完成同一个物体的位移和角度测量。两次测试的不同步性和装卡环境的改变均会影响测试结果，进而影响分析同一运动过程中位移和倾角的相关性，最终影响被测物的性能分析和评价。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种能同时测试被测物的位移和倾角变化，便于分析位移和倾角的相关性的位移和倾角一体化测试仪器。
为了实现上述目的，本发明是一种位移和倾角一体化测试仪器，它包括光路部分和电路部分。光路部分包括激光器，3个光学系统，被测面，反射镜，分光镜，2个光电探测器；所述的光电探测器a与光学系统c连接并位于中部，半导体激光器与光学系统a连接，位于光电探测器a与光学系统c的一侧，光电探测器b与光学系统b连接，位于光电探测器a与光学系统c的另一侧，所述反射平面位于反射镜下方。所述的一个激光器、三个光学系统、被测面、一个反射镜、一个分光镜、两个光电探测器分别固定有底座。所述的底座安装于同一块光学平面底板上。
电路部分包括：与光电探测器连接电流电压转换模块、信号放大模块、除法模块和滤波单元，最后输出与光斑位置成线性关系的电信号，以便做进一步的监控和处理。
本发明的激光器采用650nm 波长的半导体激光器，所述的光电探测器使用位置传感器件PSD(Position Sensitive Detector)，所述的光学系统a是把激光束聚焦于被测面的一点的透镜，所述的光学系统b是把会聚于被测面上的激光点成像到光电探测器b的感光表面的消像差透镜，所述的光学系统c是把激光束聚焦到焦平面即光电探测器a的感光面的透镜。光源激光器发出的光通过透镜进行聚光，并照射到物体上。物体发出的反射光通过受光透镜集中到位置检测元件即光电探测器上。如果物体的位置距离和倾角发生变化，则光束在两个光电探测器件上的成像位置也不同，两个光电探测器的输出电压会发生变化。利用这一特性将该相对距离的相对变化检测出来，从而实现对于倾角和位移的测量。光电探测器PSD 具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，其工作原理是基于横向光电效应，是一种光能与位置的转换器件，由于位置量为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，可以显著提高系统的抗干扰能力，从而实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置和角度检测。
本发明能同时测试被测物的位移和倾角变化，便于分析位移和倾角的相关性，结构紧凑，减少一次取放，提高了测试效率。结构简单、操作方便、不受电磁场影响、可以实时的测量和调整精度，稳定性好，不受温度变化的影响，降低了系统的复杂性，具有较强的实用价值。
附图说明
图1为本发明一种位移和倾角一体化测试仪器的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例描述本发明具体实施方式。如图1所示，本发明包括一个激光器1，三个光学系统4、5、7，被测面10，一个反射镜8，一个分光镜6，两个光电探测器2、3，和电路部分，所述的光电探测器2与光学系统7连接并位于中部，半导体激光器1与光学系统4连接，位于光电探测器2与光学系统7的一侧，光电探测器3与光学系统5连接，位于光电探测器2与光学系统7的另一侧，所述被测面10位于反射镜8下方。所述的一个激光器1，三个光学系统4、5、7，被测面10，一个反射镜8，一个分光镜6，两个光电探测器2、3分别固定有底座。所述的底座安装于同一块光学平面底板上。所述的光学系统4是把激光束聚焦于被测面的一点的透镜，所述的光学系统5是把会聚于被测面上的激光点成像到光电探测器3的感光表面的消像差透镜，所述的光学系统7是把激光束聚焦到焦平面即光电探测器2的感光面的透镜。
所述的激光器为650nm波长的半导体激光器。从激光器1出射的激光束，经光学系统4在被测物的表面10上会聚为一个极小的光斑。入射光束在被测表面10上发生镜面反射，反射光束经分光镜被分为两束：一束在反射镜上发生反射，并通过光学系统7在光电探测器2上形成光斑，进而反馈光斑的位置信息；另一束经光学系统5在光电探测器3上形成光斑，进而反馈光斑的位置信息。当被测表面10发生法线9方向的位移时，光电探测器3上的光斑相应地也会发生位移；当被测面10发生倾斜时，光电探测器2上的光斑也会发生位移。当光斑在设计的两个极限位置之间发生位移时，光电探测器3输出的电流信号经过电流电压转换、信号放大和滤波后得到的两次电压的差值与光斑发生的位移值是一次函数的关系，光斑在初始位置时，光电探测器3的输出电压为U1，当光斑位置发生位移ΔX时，电压值变为U2，则U2-U1=k×ΔX，其中k为常数，即位移前后光电探测器3输出电压差值除以常数k即可得出光斑发生的位移距离；当被测面10在设计的两个极限角度之间倾斜时，反射光束会以两倍于反射面倾斜角的角度发生摆动，光电探测器2上的光斑也会发生位移，光电探测器2输出的电流信号经过电流电压转换、信号放大和滤波后得到的电压差值做线性运算，再除以光学系统7的焦距，然后做反正切变换，就能得到倾斜角。
本发明电路部分包括：与光电探测器连接的电流电压转换模块、信号放大模块、除法模块和滤波单元，最后输出与光斑位置成线性关系的电信号，以便做进一步的监控和处理。
上面结合附图对本发明优选实施方式作了详细说明，但是本发明不限于上述实施方式，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
不脱离本发明的构思和范围可以做出许多其他改变和改型。应当理解，本发明不限于特定的实施方式，本发明的范围由所附权利要求限定。

Claims (7)

1.一种位移和倾角一体化测试仪器，其特征在于，包括一个激光器(1)，三个光学系统a、b、c(4、5、7)，被测面(10)，一个反射镜(8)，一个分光镜(6)，两个光电探测器a、b(2、3)，和电路部分，所述的光电探测器a(2)与光学系统c(3)连接并位于中部，半导体激光器(1)与光学系统a(4)连接，位于光电探测器a(2)与光学系统c(7)的一侧，光电探测器b(3)与光学系统b(5)连接，位于光电探测器a(2)与光学系统c(7)的另一侧，所述被测面(10)位于反射镜(8)下方，
其中，一束光束经光学系统b(5)在光电探测器b(3)上形成光斑，进而反馈光斑的位置信息；当被测面(10)发生法线(9)方向的位移时，光电探测器b(3)上的光斑相应地也会发生位移；当光斑在设计的两个极限位置之间发生位移时，光电探测器b(3)输出的电流信号经过电流电压转换、信号放大和滤波后得到的两次电压的差值与光斑发生的位移值是一次函数的关系，光斑在初始位置时，光电探测器b(3)的输出电压为U1，当光斑位置发生位移ΔX时，电压值变为U2，则U2-U1＝k×ΔX，其中k为常数，位移前后光电探测器b(3)输出电压差值除以常数k得出光斑发生的位移距离。
2.根据权利要求1所述的一种位移和倾角一体化测试仪器，其特征在于，所述的一个激光器、三个光学系统、被测面、一个反射镜、一个分光镜、两个光电探测器分别固定有底座。
3.根据权利要求2所述的一种位移和倾角一体化测试仪器，其特征在于，所述的底座安装于同一块光学平面底板上。
4.根据权利要求1所述的一种位移和倾角一体化测试仪器，其特征在于，所述的激光器为650nm波长的半导体激光器。
5.根据权利要求1所述的一种位移和倾角一体化测试仪器，其特征在于，所述的光学系统a是把激光束聚焦于被测面的一点的透镜。
6.根据权利要求1所述的一种位移和倾角一体化测试仪器，其特征在于，所述的光学系统b是把会聚于被测面上的激光点成像到光电探测器b的感光表面的消像差透镜。
7.根据权利要求1所述的一种位移和倾角一体化测试仪器，其特征在于，所述的光学系统c是把激光束聚焦到焦平面即光电探测器a的感光面的透镜。
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