CN103968765B - 聚焦偏移位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种聚焦偏移位移传感器，属于机械技术领域。它解决了现有的传感器测量误差大的问题。本聚焦偏移位移传感器包括一壳体，所述壳体内连接有物镜、成像镜、激光器、分光棱镜和光电位移探测器，上述的物镜、分光棱镜一、分光棱镜二、成像镜一、光电位移探测器一在壳体内由右至左设置，上述的激光器一和激光器二均位于分光棱镜一上部，所述激光器一和激光器二射出的激光相平行且上述两束激光能入射至所述的分光棱镜一上，所述的光电位移探测器二位于分光棱镜二上部，上述成像镜二位于光电位移探测器二与分光棱镜二之间。本传感器测量误差小。

Description

聚焦偏移位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是一种聚焦偏移位移传感器。

背景技术

基于激光聚焦偏移的光学位移传感器具有灵敏度高、稳定性好、机构简洁、动态范围大等优势。

但是，上述传感器在测量微小位移时，被测表面如有倾斜，将会使位移测量产生误差。

中国专利其公开号CN102494818A提供了“一种双激光信号转矩传感器”，它包括结构相同的第一测量模块和第二测量模块，以及信号处理模块和移动机构；移动机构设置在转矩输入轴上，并将输入转矩轴的回转运动转化为直线运动；第一测量模块和第二测量模块分别安装在移动机构的两端；第一测量模块和第二测量模块均包括激光光源、传输光纤、光纤微弯器和光电转换单元；传输光纤穿过光纤微弯器，传输光纤的一端与激光光源相连，另一端与光电转换单元的输入端相连；光电转换单元的输出端与信号处理模块相连。

虽然，上述专利中也具有两个测量模块，并且每个测量模块上均具有一个激光光源。但是，这两个测量模块是同时测量汽车中转向盘转动角度、方向和转矩的信号，它并不是对被测面倾斜进行测量的。也就是说，它不能解决传感器在测量微小位移时，被测表面因倾斜而导致位移测量误差的问题。

现有的其它位移传感器也都存在着类似的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种能减小测量误差的聚焦偏移位移传感器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种聚焦偏移位移传感器，包括一壳体，所述壳体内连接有物镜、成像镜、激光器、分光棱镜和光电位移探测器，其特征在于，所述激光器的数量为两个：激光器一和激光器二，所述成像镜的数量为两块：成像镜一和成像镜二，所述光电位移探测器的数量为两个：光电位移探测器一和光电位移探测器二，所述的分光棱镜的数量为两个：分光棱镜一和分光棱镜二，所述的物镜位于壳体的一侧，上述的物镜、分光棱镜一、分光棱镜二、成像镜一、光电位移探测器一在壳体内由右至左设置，上述的激光器一和激光器二均位于分光棱镜一上部，所述激光器一和激光器二射出的激光相平行且上述两束激光能入射至所述的分光棱镜一上，所述的光电位移探测器二位于分光棱镜二上部，上述成像镜二位于光电位移探测器二与分光棱镜二之间。

在本传感器中，激光器一和激光器二发射的激光光束都入射至分光棱镜一处。在分光棱镜一作用下上述两束光束经物镜进入被测表面处，当然，这里的物镜是普通的聚焦物镜。

上述两束光束由被测表面反射后进入分光棱镜二，在分光棱镜二的作用下两束光束分别进入成像镜一和成像镜二处。光电位移探测器一和光电位移探测器二是普通的光电位移探测器，光电位移探测器一和光电位移探测器二均是把光辐射转换成电量的器件。利用将光辐射信号转换成电信号以进行显示或控制的功能，光探测器不仅可以代替人眼，而且由于其光谱响应范围宽，更是人眼的延伸。

当然，在传感器上还具有处理器，通过处理器使上述两个位移信号之和再除以二就得到实际位移量。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述激光器一发射的激光波长大于激光器二发射的激光波长。

不同的激光波长能使两束光束互不影响。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的壳体内还固连有两个反光镜：反光镜一和反光镜二，通过反光镜一和反光镜二的折射作用能将激光器二发射的激光光束折射至分光棱镜一处。

由于激光器尺寸较大，而两束光束距离较近，因此，即使激光器一与激光器二之间具有较大距离时，两个激光器发射的光束也能相互平行且靠近。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的壳体内具有导轨一，上述导轨一与激光器一和激光器二的连线方向相平行，上述的激光器一连接于导轨一上且能沿导轨一平移，所述的激光器一与壳体内侧之间具有能将激光器一定位在导轨一上的定位机构。

在导轨一的作用下，激光器一能相对于激光器二平移。当然，平移后的激光器一也能保证激光器一和激光器二发射的光束相平行。

当然，激光器一平移后，通过定位机构能将其定位，避免距离调整好以后激光器一还会移动。提高了传感器的使用稳定性。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的激光器一固连在一连接块上，上述的连接块与上述的导轨一相连接且连接块能沿导轨一平移。

连接块的一侧具有能稳定连接在导轨一上的结构，类似于车床上燕尾槽的结构。因此，连接块能稳定的连接在导轨一上并且能沿导轨一平稳移动。

同时，由于连接块与导轨一为分体式结构。因此，连接块的另一侧可以设置用于与激光器一相连接的结构，也就是说，激光器一能方便且牢固的固连在连接块上。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的定位机构包括铰接在连接块侧部的搭扣和固连在壳体内侧的齿条，上述搭扣与连接块之间具有扣合弹簧，在扣合弹簧的弹力作用下搭扣扣接在齿条的相邻两齿牙之间。

在扣合弹簧的弹力作用下搭扣始终具有扣合在齿条上的趋势。也就是说，需要连接块移动时，操作者施加一定的外力克服扣合弹簧的弹力后，连接块就能沿导轨一平移。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的定位机构包括固连在壳体内侧且呈条状的定位条和连接块底部的定位孔，所述的定位条与导轨一平行设置且定位条位于连接块底部处，上述定位孔内具有定位弹簧和圆珠，所述定位条上沿其轴向具有若干凹入的定位凹口，上述圆珠在定位弹簧的弹力作用下部分伸出定位孔且能嵌与上述的任意一个定位凹口。

传感器的壳体通常是塑料材料一次注塑成型的。因此，在壳体上加工定位凹口难度较大。但是，将定位凹口设置在条状的定位条上，再将定位条固连在壳体内侧就明显降低了制作难度。

在定位弹簧的弹力作用下圆珠部分伸出定位孔，并且圆珠嵌在定位凹口上，从而将连接块定位。需要移动激光器一时，施加外力克服定位弹簧的弹力后，连接块被推动，位于连接块上的激光器一随着一起移动。

停止施加外力后，在定位弹簧的弹力作用下圆珠重新嵌入定位凹口内，将连接块重新定位，在不施加外力的情况下位于连接块上的激光器一也不会移动。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的定位孔端口处具有呈环形凸出的挡沿，上述圆珠直径略大于挡沿处所形成的孔径。

通过挡沿将圆珠阻挡在定位空内，防止圆珠由定位孔处脱落。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的分光棱镜一和分光棱镜二均为偏振分光棱镜。

偏振分光棱镜能把入射的非偏振光分成两束垂直的线偏光。其中P偏光完全通过，而S偏光以45度角被反射，出射方向与P光成90度角。

作为另外一种方案，在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的壳体内具有导轨二，上述导轨二与反光镜一和反光镜二的连线方向相平行，所述的反光镜一与激光器一发射的激光光束正对，上述的反光镜二连接于导轨二上且能沿导轨二平移，所述的反光镜二与壳体内侧之间具有能将反光镜二定位在导轨二上的锁定机构。

该方案中，激光器一和激光器二都固定不动。反光镜二沿导轨而平移后，就能改变激光器一和激光器二发射的两束光束之间的距离，从而适应不同的被测面。

当然，反光镜二的位置改变后通过锁定机构能将其锁定，避免位置调整还以后反光镜二继续移动。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的反光镜二固连在锁定块上，上述的锁定块位于导轨二处且能沿导轨二平移。

锁定块的一侧具有用于与导轨二相连接的结构，类似于车床上的燕尾槽。锁定块的另一侧具有用于与反光镜相连接的结构，这样能使反光镜牢固的连接在锁定块上。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的锁定机构包括固连在壳体内侧且呈条状的锁定条和锁定块底部的锁定孔，所述的锁定条与导轨二平行设置且锁定条位于锁定块底部处，上述锁定孔内具有锁定弹簧和锁定球，所述锁定条上沿其轴向具有若干凹入的锁定凹口，上述锁定球在锁定弹簧的弹力作用下部分伸出锁定孔且能嵌与上述的任意一个锁定凹口。

传感器的壳体通常是塑料材料一次注塑成型的。因此，在壳体上加工锁定凹口难度较大。但是，将锁定凹口设置在条状的锁定条上，再将锁定条固连在壳体内侧就明显降低了制作难度。

在锁定弹簧的弹力作用下圆珠部分伸出锁定孔，并且圆珠嵌在锁定凹口上，从而将锁定块定位。需要移动反光镜二时，施加外力克服锁定弹簧的弹力后，锁定块被推动，位于锁定块上的反光镜二随着一起移动。

停止施加外力后，在锁定弹簧的弹力作用下锁定球重新嵌入锁定凹口内，将锁定块重新定位，在不施加外力的情况下位于锁定块上的反光镜二也不会移动。

在上述的聚焦偏移位移传感器中，所述的锁定孔端口处具有呈环形凸出的凸肩，上述锁定球直径略大于凸肩处所形成的孔径。

通过凸肩将锁定球阻挡，避免位于锁定孔处的锁定球脱落。

与现有技术相比，本聚焦偏移位移传感器由于采用双波长方法，即两束激光光束分别对应一个光电位移探测器。这两个光电位移探测器：光电位移探测器一和光电位移探测器二，检测的位移信号经处理器将上述两个位移信号之和再除以二就得到实际位移量。当被测面具有微小倾斜时，该传感器能有效减小测量误差。

同时，通过调整两个激光光束之间的距离还能适应不同的被测表面，因此，它的适用性还比较高，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本聚焦偏移位移传感器的原理图。

图2是本聚焦偏移位移传感器中激光器一与激光器二处的俯视结构示意图。

图3是本聚焦偏移位移传感器中激光器一处的主视结构示意图。

图4是本聚焦偏移位移传感器中激光器一处的侧视结构示意图。

图5是本聚焦偏移位移传感器中定位机构处的结构示意图。

图6是本聚焦偏移位移传感器中锁定机构处的结构示意图。

图中，1、壳体；2、物镜；3、激光器一；4、激光器二；5、成像镜一；6、成像镜二；7、光电位移探测器一；8、光电位移探测器二；9、分光棱镜一；10、分光棱镜二；11、反光镜一；12、反光镜二；13、导轨一；14、连接块；14a、定位孔；14a1、挡沿；15、搭扣；16、齿条；17、扣合弹簧；18、定位条；18a、定位凹口；19、定位弹簧；20、圆珠；21、导轨二；22、锁定块；22a、锁定孔；22a1、凸肩；23、锁定条；23a、锁定凹口；24、锁定弹簧；25、锁定球；26、被测表面。

具体实施方式

如图1所示，本聚焦偏移位移传感器包括一个内部为空腔的壳体1，壳体1的空腔内连接有物镜2、成像镜一5、成像镜二6、激光器一3、激光器二4、分光棱镜一9、分光棱镜二10、光电位移探测器一7和光电位移探测器二8。本实施例中，分光棱镜一9和分光棱镜二10均为偏振分光棱镜。

物镜2位于壳体1外侧的一侧，物镜2、分光棱镜一9、分光棱镜二10、成像镜一5、光电位移探测器一7在壳体1内由右至左设置。激光器一3和激光器二4均位于分光棱镜一9上部，激光器一3和激光器二4射出的激光相平行，激光器一3和激光器二4射出的光束能入射至分光棱镜一9上，光电位移探测器二8位于分光棱镜二10上部，成像镜二6位于光电位移探测器二8与分光棱镜二10之间。本实施例中，激光器一3发射的激光波长大于激光器二4发射的激光波长。

激光器一3与激光器二4之间的间距大于入射至分光棱镜一9处的两光束之间的间距。壳体1内还固连有两个反光镜：反光镜一11和反光镜二12，通过反光镜一11和反光镜二12的折射作用能将激光器二4发射的激光光束折射至分光棱镜一9处。

如图2和图3和图4所示，壳体1内具有导轨一13，导轨一13与激光器一3和激光器二4的连线方向相平行，激光器一3连接于导轨一13上且能沿导轨一13平移。激光器一3与壳体1内侧之间具有定位机构，通过定位机构能将激光器一3定位在导轨一13上。

本实施例中，为了保证连接方便以及连接牢固性，激光器一3固连在连接块14上，连接块14与导轨一13相连接且连接块14能沿导轨一13平移。

定位机构包括搭扣15和齿条16，搭扣15铰接在连接块14侧部，齿条16固连在壳体1内。搭扣15与连接块14之间具有扣合弹簧17，在扣合弹簧17的弹力作用下搭扣15扣接在齿条16的相邻两齿牙之间。

本传感器测量位移量时，激光器一3发射的激光光束经反光镜一11和反光镜二12的折射作用入射至分光棱镜一9处，激光器二4发射的激光光束直接入射至分光棱镜一9处。

在分光棱镜一9作用下上述两束光束经物镜2进入被测表面26处，当然，这里的物镜2是普通的聚焦物镜。

然后，上述两束光束由被测表面26反射后进入分光棱镜二10，在分光棱镜二10的作用下两束光束分别进入成像镜一5和成像镜二6处。光电位移探测器一7和光电位移探测器二8是普通的光电位移探测器，光电位移探测器一7和光电位移探测器二8均是把光辐射转换成电量的器件。利用将光辐射信号转换成电信号以进行显示或控制的功能，光探测器不仅可以代替人眼，而且由于其光谱响应范围宽，更是人眼的延伸。

当然，在本传感器上还具有处理器，处理器通过计算，即：光电位移探测器一7和光电位移探测器二8位移信号之和再除以二就得到实际位移量。

对于不同的被测表面26，施加外力推动连接块14即可。具体而言：在导轨一13的作用下，连接块14相对于激光器二4平移，固连在连接块14上的激光器一3随着一起平移。当然，平移后的激光器一3也能保证激光器一3和激光器二4发射的光束相平行。

通过定位机构能将其移动后的连接块14定位，避免距离调整好以后激光器一3还会移动。具体而言，只要停止施加外力，在扣合弹簧17的弹力作用下，搭扣15就能嵌入齿条16的相邻两齿牙之间，从而将连接块14定位在壳体1内。

实施例二

本实施例同实施例一的结构及原理基本相同，不一样的地方在于：定位机构包括固连在壳体1内侧且呈条状的定位条18和连接块14底部的定位孔14a。

定位条18与导轨一13平行设置且定位条18位于连接块14底部处，定位孔14a内具有定位弹簧19和圆珠20，定位条18上沿其轴向具有若干凹入的定位凹口18a，圆珠20在定位弹簧19的弹力作用下部分伸出定位孔14a且能嵌与上述的任意一个定位凹口18a，见图5所示。

本实施例中，定位孔14a端口处具有呈环形凸出的挡沿14a1，圆珠20直径略大于挡沿14a1处所形成的孔径。

调整两光束之间的间距时，操作者施加外力克服定位弹簧19的弹力后连接块14被推动，位于连接块14上的激光器一3随着一同移动。停止施加外力后，在定位弹簧19的弹力作用下圆珠20嵌入定位凹口18a上，使激光器一3重新被定位住。

实施例三

本实施例同实施例一的结构及原理基本相同，不一样的地方在于：壳体1内具有导轨二21，导轨二21与反光镜一11和反光镜二12的连线方向相平行，反光镜一11与激光器一3发射的激光光束正对，反光镜二12连接于导轨二21上且能沿导轨二21平移，反光镜二12与壳体1内侧之间具有能将反光镜二12定位在导轨二21上的锁定机构。

为了连接牢固以及连接方便，本实施例中反光镜二12固连在锁定块22上，锁定块22位于导轨二21处且能沿导轨二21平移。

锁定机构包括固连在壳体1内侧且呈条状的锁定条23和锁定块22底部的锁定孔22a，锁定条23与导轨二21平行设置且锁定条23位于锁定块22底部处，锁定孔22a内具有锁定弹簧24和锁定球25，锁定条23上沿其轴向具有若干凹入的锁定凹口23a，锁定球25在锁定弹簧24的弹力作用下部分伸出锁定孔22a且能嵌与上述的任意一个锁定凹口23a，见图6所示。

本实施例中，锁定孔22a端口处具有呈环形凸出的凸肩22a1，锁定球25直径略大于凸肩22a1处所形成的孔径。

调整两光束之间的间距时，操作者施加外力克服锁定弹簧24的弹力后锁定块22被推动，位于锁定块22上的反光镜二12随着一同移动。停止施加外力后，在锁定弹簧24的弹力作用下锁定球25嵌入锁定凹口23a上，使反光镜二12重新被定位住。

Claims (9)

1.一种聚焦偏移位移传感器，包括一壳体(1)，所述壳体(1)内连接有物镜(2)、成像镜、激光器、分光棱镜和光电位移探测器，其特征在于，所述激光器的数量为两个：激光器一(3)和激光器二(4)，所述成像镜的数量为两块：成像镜一(5)和成像镜二(6)，所述光电位移探测器的数量为两个：光电位移探测器一(7)和光电位移探测器二(8)，所述的分光棱镜的数量为两个：分光棱镜一(9)和分光棱镜二(10)，所述的物镜(2)位于壳体(1)的一侧，上述的物镜(2)、分光棱镜一(9)、分光棱镜二(10)、成像镜一(5)、光电位移探测器一(7)在壳体(1)内由右至左设置，上述的激光器一(3)和激光器二(4)均位于分光棱镜一(9)上部，所述激光器一(3)和激光器二(4)射出的激光相平行且上述两束激光能入射至所述的分光棱镜一(9)上，所述的光电位移探测器二(8)位于分光棱镜二(10)上部，上述成像镜二(6)位于光电位移探测器二(8)与分光棱镜二(10)之间；所述的壳体(1)内具有导轨一(13)，上述导轨一(13)与激光器一(3)和激光器二(4)的连线方向相平行，上述的激光器一(3)连接于导轨一(13)上且能沿导轨一(13)平移，所述的激光器一(3)与壳体(1)内侧之间具有能将激光器一(3)定位在导轨一(13)上的定位机构。

2.根据权利要求1所述的聚焦偏移位移传感器，其特征在于，所述激光器一(3)发射的激光波长大于激光器二(4)发射的激光波长。

3.根据权利要求2所述的聚焦偏移位移传感器，其特征在于，所述的壳体(1)内还固连有两个反光镜：反光镜一(11)和反光镜二(12)，通过反光镜一(11)和反光镜二(12)的折射作用能将激光器二(4)发射的激光光束折射至分光棱镜一(9)处。

4.根据权利要求3所述的聚焦偏移位移传感器，其特征在于，所述的激光器一(3)固连在一连接块(14)上，上述的连接块(14)与上述的导轨一(13)相连接且连接块(14)能沿导轨一(13)平移。

5.根据权利要求4所述的聚焦偏移位移传感器，其特征在于，所述的定位机构包括铰接在连接块(14)侧部的搭扣(15)和固连在壳体(1)内侧的齿条(16)，上述搭扣(15)与连接块(14)之间具有扣合弹簧(17)，在扣合弹簧(17)的弹力作用下搭扣(15)扣接在齿条(16)的相邻两齿牙之间。

6.根据权利要求4所述的聚焦偏移位移传感器，其特征在于，所述的定位机构包括固连在壳体(1)内侧且呈条状的定位条(18)和连接块(14)底部的定位孔(14a)，所述的定位条(18)与导轨一(13)平行设置且定位条(18)位于连接块(14)底部处，上述定位孔(14a)内具有定位弹簧(19)和圆珠(20)，所述定位条(18)上沿其轴向具有若干凹入的定位凹口(18a)，上述圆珠(20)在定位弹簧(19)的弹力作用下部分伸出定位孔(14a)且能嵌与上述的任意一个定位凹口(18a)。

7.根据权利要求1所述的聚焦偏移位移传感器，其特征在于，所述的壳体(1)内具有导轨二(21)，上述导轨二(21)与反光镜一(11)和反光镜二(12)的连线方向相平行，所述的反光镜一(11)与激光器一(3)发射的激光光束正对，上述的反光镜二(12)连接于导轨二(21)上且能沿导轨二(21)平移，所述的反光镜二(12)与壳体(1)内侧之间具有能将反光镜二(12)定位在导轨二(21)上的锁定机构。

8.根据权利要求7所述的聚焦偏移位移传感器，其特征在于，所述的反光镜二(12)固连在锁定块(22)上，上述的锁定块(22)位于导轨二(21)处且能沿导轨二(21)平移。

9.根据权利要求8所述的聚焦偏移位移传感器，其特征在于，所述的锁定机构包括固连在壳体(1)内侧且呈条状的锁定条(23)和锁定块(22)底部的锁定孔(22a)，所述的锁定条(23)与导轨二(21)平行设置且锁定条(23)位于锁定块(22)底部处，上述锁定孔(22a)内具有锁定弹簧(24)和锁定球(25)，所述锁定条(23)上沿其轴向具有若干凹入的锁定凹口(23a)，上述锁定球(25)在锁定弹簧(24)的弹力作用下部分伸出锁定孔(22a)且能嵌与上述的任意一个锁定凹口(23a)。