CN104197845B - 可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器，属于机械技术领域。它解决了现有传感器调节繁琐且调节精度不高的问题。本可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器包括一壳体，所述的壳体内连接有双频激光器、分光镜一、场镜和光电池，所述的分光镜一用于接收双频激光器发出的激光，所述的壳体内还具有用于接收分光镜一出光端其中一光束的三角测距传感机构，和用于接收分光镜一出光端另一光束的偏轴光束位移传感机构，上述三角测距传感机构能检测经被测物反射后的该光束能否投射，上述偏轴光束位移传感机构能使经被测物反射后的该光束经场镜进入光电池处形成光斑。本传感器调节方便且精度高。

Description

可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是一种可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器。

背景技术

传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器广泛应用于社会发展及人类生活的各个领域，如工业自动化、农业现代比、航天技术、军事工程、机器人技术、资源开发、海洋探测、环境监测、安全保卫、医疗诊断、交通运输、家用电器等。

几何误差测量是制造工程的重要前提与基础。出于人们对产品品质的不断追求，加工精度日益提高，几何误差的测量精度亦不断提高。高精度位移传感器在几何误差测量中的应用越来越广泛。其中主要包括电感传感器、磁致伸缩传感器、电涡流传感器、电容传感器、激光传感器、光纤传感器等。电感传感器、磁致伸缩传感器属于接触式测量，测头可能在被测物表面形成损伤，从而影响产品性能。电涡流传感器只能检测金属材质，光纤传感器价格较高，电容传感器工作距离过小(数十微米)。应用最广泛的是激光位移传感器，特别是采用三角测距原理的激光位移传感器，其具有非接触、精度高、工作距离大易于安装、价格适中等特点。另一种是偏轴光束激光位移传感器，该传感器精度更高、具有纳米级分辨率，但量程较小(0.05～0.2mm)。因此，在测量前的聚焦调整时，传感器常常没有信号，需要凭借人工经验判断聚焦调整方向，不利于测量的自动化。

中国专利其公开号CN101219672提供了“一种基于激光的车轮直径非接触式动态测量装置及其方法”，该测量装置由一个激光位移传感器和一个车轮定位传感器或者两个激光位移传感器组成，两个传感器沿钢轨方向排列。在使用两个激光位移传感器时，使出射激光的光点均能直接射到被测车轮的两个相对表面；由两个激光位移传感器分别连续测量出各传感器到车轮踏面上对应点之间的距离，在两个激光位移传感器的所测距离之和基本不变时记录各激光位移传感器的距离读数，由此计算出列车车轮的直径。上述专利最多只需要使用两个传感器进行测量。

可以看出，上述专利只是针对尺寸较大的车轮进行测量，而对于高精度的激光位移传感器其不能适用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种方便调节且测量精度高的激光位移传感器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器，包括一壳体，其特征在于，所述的壳体内连接有双频激光器、分光镜一、场镜和光电池，所述的分光镜一用于将双频激光器发出的激光分成频率不同的两束光，所述的壳体内还具有用于接收分光镜一出光端其中一光束的三角测距传感机构，和用于接收分光镜一出光端另一光束的偏轴光束位移传感机构，上述三角测距传感机构能粗略检测被测物距离，上述偏轴光束位移传感机构能使经被测物反射后的该光束经场镜进入光电池处形成光斑。

双频激光器发射的激光光束由分光镜一透过后，在分光镜一的作用下将其分隔为两路频率不同的光束。

其中一路光束进入三角测距传感机构，另外一路光束进入偏轴光束位移传感机构。具体而言，如果被测面位于传感器量程内，则光束能顺畅的进入光电池处，在光电池处形成光斑(即：在设定的量程范围内)。反之，在光电池处不能形成光斑。

三角测距传感机构能粗略测量被测面距离，并用于传感器的焦距调整，而偏轴光束位移传感机构能精确测量被测面距离。

在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，所述的三角测距传感机构包括反射镜和CCD元件，上述反射镜和CCD元件分别位于被测物的两侧，所述的反射镜靠近于上述的分光镜一。

经分光镜一后的光束经发射镜反射后能准确的入射至被测物处，然后该光束再在被测物的反射作用下入射至CCD元件处。

通过CCD元件处检测到的信号，可以对聚焦位置进行粗略的调整。

作为另外一种方案，在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，所述的三角测距传感机构包括反射镜和测距光电池，上述反射镜和测距光电池分别位于被测物的两侧，所述的反射镜靠近于上述的分光镜一。

光束依次经反射镜、被测物进入测距光电池处，在测距光电池上形成光斑，从而可以了解是否正常聚焦。

在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，所述的偏轴光束位移传感机构包括分光镜二和物镜，上述光电池、场镜、分光镜二、物镜和被测物由前至后依次呈直线排列设置。

由分光镜一射出的其中一光束在分光镜二的作用下进入物镜，该光束穿过物镜后入射至被测物，经被测物折射后该光束再由物镜进入分光镜二，最后光束经场镜顺畅的入射至光电池处。

在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，所述分光镜一与反射镜之间的连线与光电池、场镜、分光镜二、物镜之间的连线相平行。

这样的结构能使传感器内部结构紧凑，且方便上述各个零件在壳体内安装设置。

在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，所述的光电池为二象限光电池。

在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，它还包括一底座、立柱和丝杆，上述立柱下端固连在底座上，上述壳体周向固连在立柱上且壳体能相对于立柱上下移动，上述丝杆轴向固连在立柱上且丝杆与所述的壳体螺纹连接。

丝杠的端部固连有手轮，转动手轮时能带动丝杆方便的转动。被测试的被测物放置在底座上，由于丝杠与壳体是螺纹连接在一起的，因此，丝杆转动过程中会带动壳体沿立柱平移。移动后的壳体从而改变了场镜的聚焦位置。

在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，所述底座上还连接有两根呈圆柱状的支撑杆，所述两根支撑杆分别位于立柱的两侧且支撑杆下侧抵靠在底座上，支撑杆上侧用于支撑所述的被测物。

支撑杆能对被测物支撑，避免被测物直接与底座接触，提高对被测物的定位稳定性。

作为另外一种方案，在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，它还包括一底座、立柱和液压缸，上述立柱下端固连在底座上，上述壳体周向固连在立柱上且壳体能相对于立柱上下移动，上述液压缸的缸体固连在立柱上端，液压缸的活塞杆与上述的壳体固连。

丝杠手轮为手动调节，本方案中采用液压缸和普通的液压系统对其进行自动调节。具体而言，液压缸的活塞杆伸出过程中带动壳体沿立柱平移，从而达到改变场镜聚焦位置的目的。

在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，所述的立柱上还连接有位移传感件和显示屏，上述位移传感件检测到的位移信号输出至显示屏处，通过显示屏显示壳体的移动距离。

通过普通的位置传感件能准确的得知壳体位移量，通过显示屏可以通过数字直观的显示上述位置量。

在上述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中，所述立柱固连有滑板，上述连接在立柱上的壳体抵靠在滑板上。

滑板起到将壳体周向定位的作用，使壳体只能沿立柱平移，而壳体不能相对于立柱转动。

与现有技术相比，本可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器通过三角测距传感机构能对场镜的聚焦位置进行粗略的调节，然后再通过偏轴光束位移传感机构对场镜的聚焦位置进行精确的调节，从而使本传感器能达到比较高的测量精度。

同时，传感器中的壳体相对于立柱的位移量通过显示屏能即时的显示，调节过程中直观且易于实施，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器的原理结构示意图。

图2是本可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器中光电池的主视结构示意图。

图3是本可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器的外形结构示意图。

图中，1、壳体；2、双频激光器；3、分光镜一；4、场镜；5、光电池；6、反射镜；7、CCD元件；8、被测物；9、分光镜二；10、物镜；11、底座；12、立柱；13、丝杆；14、手轮；15、支撑杆；16、位移传感件；17、显示屏；18、滑板。

具体实施方式

如图1所示，本可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器，包括一个内部为空腔的壳体1。

壳体1内连接有双频激光器2、分光镜一3、场镜4和光电池5，分光镜一3用于接收双频激光器2发出的激光。壳体1内还具有用于接收分光镜一3出光端其中一光束的三角测距传感机构，和用于接收分光镜一3出光端另一光束的偏轴光束位移传感机构。

三角测距传感机构能检测经被测物8反射后的该光束能否投射，上述偏轴光束位移传感机构能使经被测物8反射后的该光束经场镜4进入光电池5处形成光斑。

三角测距传感机构包括反射镜6和CCD元件7，反射镜6和CCD元件7分别位于被测物8的两侧，反射镜6靠近于上述的分光镜一3。根据实际情况，三角测距传感机构采用另外一种方案也是可行的，即：它包括反射镜和测距光电池，上述反射镜和测距光电池分别位于被测物的两侧，所述的反射镜靠近于上述的分光镜一。

偏轴光束位移传感机构包括分光镜二9和物镜10，光电池5、场镜4、分光镜二9、物镜10和被测物8由前至后依次呈直线排列设置。

分光镜一3与反射镜6之间的连线与光电池5、场镜4、分光镜二9、物镜10之间的连线相平行。本实施例中，光电池5为二象限光电池，见图2所示。

如图3所示，本激光位移传感器还包括一底座11、立柱12和丝杆13，立柱12下端固连在底座11上，壳体1周向固连在立柱12上且壳体1能相对于立柱12上下移动，丝杆13轴向固连在立柱12上且丝杆13与所述的壳体1螺纹连接。

底座11上还连接有两根呈圆柱状的支撑杆15，两根支撑杆15分别位于立柱12的两侧且支撑杆15下侧抵靠在底座11上，支撑杆15上侧用于支撑所述的被测物8。

立柱上还连接有位移传感件16和显示屏17，位移传感件16检测到的位移信号输出至显示屏17处，通过显示屏17显示壳体1的移动距离。当然，在位移传感件16与显示屏17之间具有能将检测到的位移信号转变为能在显示屏17上进行显示的普通控制器。

本实施例中，立柱12上固连有滑板18，连接在立柱12上的壳体1抵靠在滑板18上，通过滑板18对壳体1进行限位，从而使壳体1稳定的周向固连在立柱12上。

双频激光器2发射的激光光束由分光镜一3透过后，在分光镜一3的作用下将其分隔为两路频率不同的光束。并且该两束光束的入射方向也是不同的。

其中一路光束经反射镜6入射至被测物8处，然后再经被测物8入射至CCD元件7，通过CCD元件7能得知是否聚焦正确。

另一路光束经分光镜二9、物镜10入射至被测物8处，然后被测物8再将该光束反射至物镜10、分光镜二9和场镜4进入光电池5处，在光电池5处形成一个光斑。

在进行位移测量前，须将被测物8调整到焦距位置。假定初始时刻，被测物8偏离聚焦位置较多，超出量程，因而光电池5没有信号。

当前被测物8的位置由三角测距光路中的CCD相机7给出，CCD相机7的精度不必很高，可粗略判断测头的聚焦调整方向即可。当通过调整传感器的聚焦位置，使被测物8进入传感器量程后，可由传感器中光电池5的信号精细判断聚焦方向，最终使被测物聚焦在焦距上。

可以看出，在不明显增加偏轴光束激光位移传感器成本的基础上，将聚焦调整分为两个阶段，即利用三角测距传感机构的信号的粗略调整，及利用偏轴光束位移传感机构精细调整。实现了主动提示聚焦方向的高精度激光位移传感器，提高了该传感器的聚集调整的自动化、智能化程度。

偏轴光束光路检测范围200μm，精度0.1μm。激光三角测距光路检测范围20mm，检测精度0.05mm。CCD相机及光电池信号由数据线传递给控制器进行放大处理并显示结果。设定传感器物镜焦距为F，当光电池无信号时，由CCD信号获得被测物到传感器物镜距离为L，若L>F，则显示器上提示向下调整传感器位置，若L<F，则显示上提示向上调整传感器位置。当被测物进入量程，即光电池有信号时，显示位移测量数值，当测量值为0时，被测物位于传感器物镜焦平面上。

当然，上述调节是依靠转动手轮14实现的。手轮14转动过程中就能带动壳体1相对于立柱12移动。根据实际情况，也可以采用另外一种方案，即：它还包括一底座11、立柱12和液压缸，上述立柱12下端固连在底座11上，壳体1周向固连在立柱12上且壳体1能相对于立柱12上下移动，液压缸的缸体固连在立柱12上端，液压缸的活塞杆与上述的壳体1固连。

Claims (5)

1.一种可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器，包括一壳体，其特征在于，所述的壳体内连接有双频激光器、分光镜一、场镜和光电池，所述的分光镜一用于将双频激光器发出的激光分成频率不同的两束光，所述的壳体内还具有用于接收分光镜一出光端其中一光束的三角测距传感机构，和用于接收分光镜一出光端另一光束的偏轴光束位移传感机构，上述三角测距传感机构能粗略检测被测物距离，上述偏轴光束位移传感机构能使经被测物反射后的该光束经场镜进入光电池处形成光斑；所述的偏轴光束位移传感机构包括分光镜二和物镜，上述光电池、场镜、分光镜二、物镜和被测物由前至后依次呈直线排列设置；所述分光镜一与反射镜之间的连线与光电池、场镜、分光镜二、物镜之间的连线相平行；所述的光电池为二象限光电池；它还包括一底座、立柱和丝杆，上述立柱下端固连在底座上，上述壳体周向固连在立柱上且壳体能相对于立柱上下移动，上述丝杆轴向固连在立柱上且丝杆与所述的壳体螺纹连接；所述底座上还连接有两根呈圆柱状的支撑杆，所述两根支撑杆分别位于立柱的两侧且支撑杆下侧抵靠在底座上，支撑杆上侧用于支撑所述的被测物。

2.根据权利要求1所述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器，其特征在于，所述的三角测距传感机构包括反射镜和CCD摄像机，上述反射镜和CCD摄像机分别位于被测物的两侧，所述的反射镜靠近于上述的分光镜一。

3.根据权利要求1所述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器，其特征在于，所述的三角测距传感机构包括反射镜和测距光电池，上述反射镜和测距光电池分别位于被测物的两侧，所述的反射镜靠近于上述的分光镜一。

4.根据权利要求1所述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器，其特征在于，它还包括一底座、立柱和液压缸，上述立柱下端固连在底座上，上述壳体周向固连在立柱上且壳体能相对于立柱上下移动，上述液压缸的缸体固连在立柱上端，液压缸的活塞杆与上述的壳体固连。

5.根据权利要求4所述的可提示聚焦方向的高精度激光位移传感器，其特征在于，所述的立柱上还连接有位移传感件和显示屏，上述位移传感件检测到的位移信号输出至显示屏处，通过显示屏显示壳体的移动距离，所述立柱固连有滑板，上述连接在立柱上的壳体抵靠在滑板上。