CN104897064B - 一种新型光臂放大式高精度长度传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型光臂放大式高精度长度传感器及测量方法，该长度传感器包括：激光束一、激光束二；反射部件，反射部件上设有用于反射所述激光束一、激光束二的若干个反射面，每个反射面截面为凸起形状，所有反射面首尾相连构成反射面阵列；光电探测器一用于接收激光束一在反射部件上反射后的激光束并显示其反射位置；光电探测器二用于接收激光束二在反射部件上反射后的激光束并显示其反射位置；处理系统根据光电探测器一接收到的激光束一的位置变化值和光电探测器二所接收到的激光束二的位置变化值，处理得到被测物体位移量。该新型光臂放大式高精度长度传感器结构简单，适用于被测物体位移连续变化的测量，可靠性好，精度高，易于批量制造。

Description

一种新型光臂放大式高精度长度传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种新型光臂放大式高精度长度传感器及测量方法。

背景技术

位移传感器是一种常用的几何量传感器，在航空航天、工业生产、机械制造以及军事科学等很多领域中都有广泛的使用。位移的测量方式有很多种，较小位移(如小于1cm)通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，较大的位移(如大于1cm)常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高(目前分辨率最高的可达到纳米级)、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。

光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

光栅传感器由于光刻工艺的物理结构限制，造成其测量精度很难再有提升，无法满足越来越高的测量精度的需求，迫切需要开发一种结构简单，精度更高的传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服现有光栅式位移传感器由于其制造工艺、结构的限制导致的精度很难进一步提高的不足，提供一种新型光臂放大式高精度长度传感器，该长度传感器上设有反射部件，反射部件上具有连续的多个反射面，被测物体发生位移时，激光源发射的激光束通过反射面反射到光电探测器上，根据光电探测器检测到的反射激光位置的变化值，得到被测物体的位移大小，该长度传感器结构简单，提高了测量精度，易于实现批量制造。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种新型光臂放大式高精度长度传感器，包括：

激光束一、激光束二；

反射部件，所述反射部件上设有用于反射所述激光束一、激光束二的若干个反射面，每个所述反射面截面为凸起形状，所有所述反射面首尾相连；

光电探测器一，用于接收所述激光束一在所述反射部件中的反射面反射后的激光束并显示其反射位置；

光电探测器二,用于接收所述激光束二在所述反射部件中的反射面反射后的激光束并显示其反射位置；

处理系统，根据所述光电探测器一上所接收到的激光束一反射位置变化值和所述光电探测器二上所接收到的激光束二反射位置变化值，计算得到被测物体的位移变化值。

该新型光臂放大式高精度长度传感器，可以通过将反射部件安装在被测物体上，激光束一、激光束二入射到反射部件的不同反射面表面后分别反射到光电探测器一、光电探测器二上。当反射部件固定在被测物体上时，被测物体发生位移，反射部件随之一起位移，通过测量位移过程中激光束一、激光束二经反射部件的反射面反射后分别位于光电探测器一、光电探测器二上的反射位置点的变化，每个时刻激光束一、激光束二在反射面上反射后的两条激光束中至少有一条反射激光能够被对应的光电探测器一、光电探测器二所检测，即光电探测器一、光电探测器二的长度适配并能够感应到激光束一、激光束二的反射激光束在对应光电探测器上变化的反射位置点。

由于反射部件每个反射面的截面形状为凸起形状，首尾相连的所有反射面构成反射部件的反射面阵列，反射部件相对激光束一、激光束二相对移动过程中，激光束一、激光束二入射到不同反射面上的反射点发生变化，由于反射面是凸起形状，激光束一、激光束二的反射点在反射面上的微小位移变化，其反射到光电探测器一、光电探测器二上的位置变化会发生更大的变化，即激光束一、激光束二反射到光电探测器一、光电探测器二上激光束位置长度变化值远大于反射部件与激光束一、激光束二发生的相对位移值。处理系统能够根据两个光电探测器上激光束一、激光束二反射位置的变化值来计算被测物体位移的变化值，能够得到更高的精度，该传感器结构简单，适用于被测物体连续位移变化的测量，其测量可靠，易于实现批量制造。

该反射部件的反射面截面为凸起形状，可以为对称也可以是非对称结构，若凸起结构为非对称形状，激光束一、激光束二入射到的不同反射面上的结构若彼此不相互对称，处理系统根据反射到光电探测器上反射激光束位置长度变化规律采用不同的反射计算公式进行计算。

该光电探测器一、光电探测器二采用的是一种对光点位置敏感的光电器件，可以测出光点的一维坐标的长方形器件。比如，光电探测器可选择一维线性光电探测器(简称一维PSD)，也可选择成二维平面光电探测器(简称二维PSD)。

优选地，每个所述反射面的凸起形状截面均为对称的等腰三角形状或圆弧形状。

该反射面的凸起形状截面属于轴对称形状，即沿轴对称的两面均能够实现反射，优选该对称的凸起形状为等腰三角形状，其中三角形反射面的底面连接在反射部件上或与反射部件一体成型，另外两腰所对应的两面分别为反射单元面，所有反射面在反射部件上形成一个连续的三角反射面阵列。另外，该反射面凸起形状的截面还可以为圆弧形状，其每个反射面形成弧形面，所有反射面在反射部件上形成一个连续的波浪弧形反射面阵列。

反射部件上设有便于安装在被测物体上的安装孔或粘贴件，便于与被测物体或者在测量时的其他相对静止的部件适配、卡接或粘贴，方便拆装。

优选地，所述激光束一、激光束二分别通过激光源一和激光源二发射得到该激光束。

进一步优选地，该传感器还包括壳体，所述激光源一、激光源二、光电探测器一、光电探测器二均位于壳体内，形成读数头，所述读数头的收发端面可穿过激光束一、激光束二以及所述激光束一、激光束二的反射激光束。所述读数头设有安装孔或粘贴件，便于与被测物体或者相对静止的部件适配、卡接或粘贴，方便拆装。

将激光源一、激光源二、光电探测器一、光电探测器二集成在壳体内，形成读数头，在调试和测量时，只需要将读数头对准反射部件并调整二者相对位置，便能快速的将激光源一、激光源二、光电探测器一、光电探测器二与反射部件的光路位置关系调试至符合测量条件。

优选地，所述光电探测器一与所述光电探测器二相互平行设置，且均垂直或平行于所述读数头的收发端面。

该光电探测器一、光电探测器二相互平行设置，并且与收发端面相互平行或垂直，便于调节读数头与反射部件的光路，当然在实际需要中也可以调整光电探测器一、光电探测器二的位置与读数头的收发端面成一定角度。

优选地，所述激光源一和激光源二的间距可调，所述光电探测器一与所述光电探测器二的间距可调，所述激光源一发射的激光束一、所述激光源二发射的激光束二相对读数头收发端面的出射角度均可调。

该光电探测器一、光电探测器二的间距可调，激光源一、激光源二间距也可调，因此激光源一、激光源二与反射部件之间形成的激光束光路能够方便的进行调整，即能够将激光源一、激光源二发射的激光束通过反射面反射到光电探测器上感光长度变化值轻易调整到远大于被测物体位移值，以便于检测光电探测器一、光电探测器二上感光长度大小来反推被测物体的位移，提高测量精度。

本发明还提供了一种新型光臂放大式高精度长度传感器的测量方法，包括如上述的新型光臂放大式高精度长度传感器，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、将将被测物体固定在所述反射部件或读数头上，其中将所述反射面调整为与被测物体的移动方向一致；

步骤二、调整激光束一、激光束二、反射部件、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，使其相互适配，使激光束一、激光束二在所述反射部件上反射的两条激光束能够分别被所述光电探测器一、光电探测器二探测到；并且调整所述光电探测器一、光电探测器二与所述反射部件的位置关系，使被测物体发生位移时，使激光束一、激光束二通过反射面反射到光电探测器上的感光长度变化值大于被测物体位移值；所述光电探测器一、光电探测器二与处理系统通信连接；

步骤三、发射激光束一、激光束二，所述激光束一、激光束二分别经过所述反射部件的不同反射面或同一反射面的不同位置反射后，所述光电探测器一、光电探测器二检测到该反射光束的初始位置；

步骤四、被测物体位移，在位移过程中，所述光电探测器一、光电探测器二分别检测到所述激光束一、激光束二的反射激光束在各自探测器上反射位置的变化，直到被测物体停止位移；

步骤五、处理系统通过对所述步骤三、步骤四中所述光电探测器一、光电探测器二所检测到的激光束一、激光束二的反射激光束的位置变化进行处理，获得所述反射部件或读数头上被测物体的位移值。

该测量方法通过使用每个反射面的截面形状为对称的凸起形状的反射部件，配合激光束一、激光束二、光电探测器一、光电探测器二能够测量被测物体的位移，其中激光束一入射到反射部件的其中一个反射面反射后，光电探测器一能够检测该反射激光束在其上的位置变化，激光束二入射到反射部件的另一个反射面或同一反射面的不同位置反射后，光电探测器二能够检测该反射激光束在其上的位置变化，处理系统能够根据激光束一反射激光在光电探测器一上的位置变化值换算得出被测物体的位移值，处理系统还可以根据激光束二反射激光在光电探测器二上的位置变化值换算得出被测物体的位移值。选用两个激光束之一来测量的原因是，当其中一个激光束反射点位于反射面的某些位置，如凸起形状反射面的顶端、两个反射面的交线位置等，对应光电探测器的长度又有限，因此可能无法反射到对应光电探测器，该光电探测器就无法计算出其位移值，另一个激光束反射点位于另一个反射面或同一反射面的其他位置，可反射到对应光电探测器并可以进行换算测量，即被测物体移动的每一刻，反射部件上各反射面所反射的激光束中至少有一条可以反射到对应的光电探测器，以实现测量。该传感器还能实现对一个光电探测器无法检测到该激光束反射位置时，处理系统自动采用另一个光电探测器所检测到的对应激光束反射位置变化值，处理系统可以来回切换计算两个光电探测器的反射激光束位置变化，进行叠加累计，以实现对被测物体位移一次性变化或连续增量式位移变化的测量，其测量方法简单、可靠，操作方便，并且能够提高测量精度。

需要说明的是，该被测物体位移的测量可以是将反射部件固定在被测物体上，读数头保持固定不动，被测物体发生位移时，反射部件与读数头发生相对运动，读数头可以测量得到反射部件即被测物体的位移值。另外，也可以采用将读数头固定在被测物体上，反射部件保持不动，被测物体发生位移带动读数头运动，读数头与反射部件发生相对位移，读数头可以测得读数头与反射部件之间的相对位移，进而得到被测物体的位移值。

优选地，所述步骤二中，在所述光电探测器一、光电探测器二的上下两端均设置临界点，调整所述激光束一、激光束二、反射部件、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，使所述光电探测器一和光电探测器二与所述反射部件相对移动过程中，所述激光束一、激光束二至少其中一个在所述反射部件的反射面上的反射激光束能够入射到对应光电探测器一或光电探测器二的两个临界点之间区域。

激光束一、激光束二入射到反射部件的不同反射面后分别反射到光电探测器一、光电探测器二上；被测物体位移时反射部件随之一起位移，通过测量位移过程中激光束一、激光束二经反射部件上不同反射面反射后的激光束分别位于光电探测器一、光电探测器二上的反射位置点的变化，当其中一个光电探测器无法检测反射激光束的位置变化时，处理系统则采用另外一个光电探测器上检测得到的反射激光束位置变化值，其处理系统切换可以根据两个光电探测器上的临界点进行切换，当反射激光束超出该光电探测器上的两个临界点检测区域时，处理系统自动切换至对另一个光电探测器上的检测位置变化进行记录、叠加和计算，切换方便可靠。该临界点分别设置在每个光电探测器靠近两端的区域，临界点为了减少测量误差，而设置在光电探测器上，并为处理系统能够自动探测和处理光电探测器上反射激光的感应长度的端值点。

优选地，当被测物体移动的位移值小于所述反射部件上一个反射面的反射长度时，在所述步骤二中只需要采用所述激光束一和光电探测器一，或者只需采用所述激光束二和光电探测器二，配合所述反射部件对被测物体的位移进行测量。

当被测物体移动的位移值小于反射部件上一个反射面的反射长度时，处理系统不需要对两个激光束、光电探测器进行切换叠加计算，可以将其中一个激光束、光电探测器关闭，而采用一个激光束和光电探测器进行测量。

本发明还提供了一种新型光臂放大式高精度长度传感器组，包括至少两套上述的一种新型光臂放大式高精度长度传感器，其中每组新型光臂放大式高精度长度传感器包括所述激光束一或/和激光束二，所述激光束一或/和激光束二对应设有所述光电探测器一或/和光电探测器二，所有新型光臂放大式高精度长度传感器中的反射部件相互连接为一整体。

该新型光臂放大式高精度长度传感器组，包括至少两组上述长度传感器，所有长度传感器的读数头可以选择沿被测物体移动方向并列设置，以减少设备占用空间。另外，其中每组新型光臂放大式高精度长度传感器包括激光束一或/和激光束二，所述激光束一或/和激光束二对应设有光电探测器一或/和光电探测器二，即每组长度传感器可以同时包括激光束一和激光束二，或者是包括激光束一、激光束二其中一个。

所有的长度传感器内的反射部件相互连接为一整体，同时可以将各个反射部件与对应激光束一或/和激光束二采用不同的相对位置关系，即每组长度传感器内的激光束一或/和激光束二入射到对应反射部件上反射面的反射点均不相同。这样各组长度传感器所测量得到的被测物体位移所对应的激光束一或/和激光束二反射到光电探测器一或/和光电探测器二上反射位置均不相同。

当每组长度传感器同时包括激光束一和激光束二时，各组单独计算出被测物体的位移值后取平均值，能够得到更为准确的位移值，以进一步提高测量精度。当每组长度传感器同时包括激光束一、激光束二其中之一时，处理系统可以根据各组的激光束的反射点不同可以配合实现交替测量，也可以单独计算出被测物体的位移值后取平均值，能够得到更为准确的位移值。采用至少两组长度传感器，可以进一步提高测量精度，适用于连续位移增量的交替测量，也适用于位移较小(位移小于一个反射面中的反射单元面长度)的测量。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明所述新型光臂放大式高精度长度传感器，通过测量位移过程中激光束一、激光束二经反射部件的反射面反射后的激光束分别位于光电探测器一、光电探测器二上的反射位置点的变化，每个时刻激光束一、激光束二在反射面上反射后的两条激光束中至少有一条反射激光能够被对应的光电探测器一、光电探测器二所检测，该两个光电探测器上的反射激光感光长度变化远大于被测物体真实的位移值大小，处理系统能够根据两个光电探测器上激光束一、激光束二反射位置的变化来计算被测物体位移的变化值，该传感器结构简单，适用于被测物体位移连续变化的测量，测量可靠，精度较高，易于实现批量制造；

2、本发明所述反射部件上的反射面的凸起形状截面为等腰三角形状，其中三角形反射面的底面连接在反射部件上或与反射部件一体成型，另外两腰所对应的两面分别为反射单元面，该反射部件的整个反射面形成一个连续的三角反射面阵列；该反射面凸起形状的截面还可以为非对称形状的三角形，其中三角形反射面的底面连接在反射部件上或与反射部件一体成型，另外两边所对应的两面分别为反射单元面，该反射部件的整个反射面形成一个连续的三角反射面阵列；该反射面凸起形状的截面还可以为圆弧形状，其每个反射面形成弧形面，该反射部件的整个反射面形成一个连续的波浪弧形反射面阵列，能够实现将激光源一、激光源二发射的激光束通过各个反射面反射到对应光电探测器上的感光长度变化值轻易调整到远大于被测物体位移值，以便于检测光电探测器一、光电探测器二上感光长度大小来反推被测物体的位移，提高测量精度；

3、本发明所述传感器可将激光源一、激光源二、光电探测器一、光电探测器二集成在壳体内，形成读数头，在调试和测量时，只需要将读数头对准反射部件并调整二者相对位置，便能快速的将激光源一、激光源二、光电探测器一、光电探测器二与反射部件的光路位置关系调试至符合测量条件；

4、本发明所述光电探测器一、光电探测器二的间距可调，激光源一、激光源二间距也可调，即激光源一、激光源二与反射部件的光路能够方便的进行调整，能够轻易实现激光源一、激光源二发射的激光束通过反射面反射到光电探测器上的感光长度变化值大于被测物体位移值，以便于通过检测光电探测器一、光电探测器二上感光长度大小来反推被测物体的位移，提高测量精度；

5、本发明所述新型光臂放大式高精度长度传感器的测量方法，选用两个激光束之一来测量，当其中一个激光束反射点位于反射面的某些位置，如凸起形状反射面的顶端、两个反射面的交线位置等，对应光电探测器的长度又有限，因此可能无法反射到对应光电探测器，该光电探测器就无法计算出其位移值，另一个激光束反射点位于另一个反射面的其他位置，可反射到对应光电探测器并可以进行换算测量，能够实现被测物体移动的每一刻，反射部件上各反射面所反射的激光束中至少有一条可以反射到对应的光电探测器，此时处理系统可以来回切换计算两个光电探测器的反射激光束位置变化，进行叠加累计，以实现对被测物体位移一次性变化或连续增量式位移变化的测量，其测量方法简单、可靠，操作方便，并且能够提高测量精度；

6、本发明所述的测量方法中，在光电探测器一、光电探测器二的上下两端均设置临界点，处理系统可以根据两个光电探测器上的临界点进行切换，当反射激光束超出该光电探测器上两个临界点检测区域时，处理系统自动切换至对另一个光电探测器上的检测位置变化进行记录、叠加和计算，切换方便可靠；

7、利用该新型光臂放大式高精度长度传感器进行测量时，可以根据实际应用情况，采用将反射部件固定在被测物体上，读数头保持固定不动，被测物体发生位移时，反射部件与读数头发生相对运动，读数头可以测量得到反射部件即被测物体的位移值；或者，也可以采用将读数头固定在被测物体上，反射部件保持不动，被测物体发生位移带动读数头运动，读数头与反射部件发生相对位移，读数头可以测得读数头与反射部件之间的相对位移，进而得到被测物体的位移值；测量选择反射部件或者读数头来固定在被测物体上，提高了测量便利性；

8、本发明所述的新型光臂放大式高精度长度传感器组，包括有至少两组上述长度传感器，将所有的长度传感器内的反射部件相互连接为一整体，同时调整各个反射部件与对应激光束一、激光束二为不同的相对位置关系，即每组长度传感器内的激光束一、激光束二入射到对应反射部件上反射面的反射点均不相同；这样各组长度传感器所测量得到的被测物体位移所对应的激光束一、激光束二反射到光电探测器一、光电探测器二上反射位置均不相同，各组单独计算出被测物体的位移值后取平均值，能够得到更为准确的位移值，进一步提高了测量精度，适用于连续位移增量的交替测量，也适用于位移较小(位移小于一个反射面的反射单元面长度)的测量。

附图说明：

图1为本发明所述新型光臂放大式高精度长度传感器的结构示意图；

图2为图1中使用新型光臂放大式高精度长度传感器测量被测物体位移的示意图；

图3为图1中反射部件的反射面截面为三角形状的结构示意图；

图4为图1中反射部件的反射面截面为圆弧形状的结构示意图；

图5为图4中使用圆弧形状的反射部件与两个光电探测器配合测量的示意图；

图6为图1中光学臂放大测量的原理图；

图7为图1中新型光臂放大式高精度长度传感器中反射部件采用三角形状反射面测量的示意图；

图8为本发明所述一种新型光臂放大式高精度长度传感器组的结构示意图；

图9为图8中两个反射部件的反射面相位错位设置的对比示意图。

图中标记：

1、激光源一，2、激光源二，3、激光束一，4、激光束二，5、读数头，51、收发端面，6、光电探测器一，7、光电探测器二，8、反射部件，9、反射面。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

如图1-7所示，一种新型光臂放大式高精度长度传感器，包括：

激光束一3、激光束二4；

反射部件8，反射部件8上设有用于反射所述激光束一3、激光束二4的若干个反射面9，每个反射面9截面为对称的凸起形状，所有反射面9首尾相连构成反射面阵列；

光电探测器一6，用于接收激光束一3在反射部件8中的反射面9反射后的激光束并显示其反射位置；

光电探测器二7,用于接收激光束二4在反射部件8中的反射面9反射后的激光束并显示其反射位置；

处理系统，根据光电探测器一6上所接收到的激光束一3反射位置变化值和光电探测器二7上所接收到的激光束二4反射位置变化值，计算得到被测物体的位移变化值。

该光电探测器一6、光电探测器二7可以采用一种对光点位置敏感的光电器件，可以测出光点的一维坐标的长方形器件。比如，光电探测器可选择一维线性光电探测器(简称一维PSD)，也可选择成二维平面光电探测器(简称二维PSD)。上述激光束一3、激光束二4分别通过激光源一1和激光源二2发射得到该激光束。

上述的每个反射面9的凸起形状截面均为等腰三角形状或圆弧形状。当反射面9的凸起形状截面为等腰三角形状，其中三角形反射面9的底面连接在反射部件8上或与反射部件8一体成型，另外两腰所对应的两面分别为反射单元面，该反射部件8的所有反射面9形成一个连续的三角反射面阵列。另外，该反射面9凸起形状的截面还可以为圆弧形状，其每个反射面9形成弧形面，该反射部件8的所有反射面9形成一个连续的波浪弧形反射面阵列。

该传感器还包括壳体，其中激光源一1、激光源二2、光电探测器一6、光电探测器二7均位于壳体内，形成读数头5，该读数头5的收发端面51可穿过激光束一3、激光束二4以及激光束一3、激光束二4的反射激光束。由于将激光源一1、激光源二2、光电探测器一6、光电探测器二7集成在壳体内，形成读数头5，在调试和测量时，只需要将读数头5对准反射部件8并调整二者相对位置，便能快速的将激光源一1、激光源二2、光电探测器一6、光电探测器二7与反射部件8的光路位置关系调试至符合测量条件。

如图1-4所示，光电探测器一6与光电探测器二7相互平行设置，且均垂直或平行于读数头5的收发端面51，便于调节读数头5与反射部件8的光路。另外，激光源一1和激光源二2的间距可调，光电探测器一6与光电探测器二7的间距可调，激光源一1发射的激光束一3、激光源二2发射的激光束二4相对读数头5收发端面51的出射角度均可调。因此激光源一1、激光源二2与反射部件8的光路能够方便的进行调整，也能够轻易实现激光源一1、激光源二2发射的激光束通过反射面9反射到光电探测器上的感光长度变化值大于被测物体位移值，以便于通过检测光电探测器一6、光电探测器二7上感光长度大小来反推被测物体的位移，提高测量精度。

当被测物体位移时，反射部件8随之一起位移，通过测量位移过程中激光束一3、激光束二4经反射面9反射后的激光束分别位于光电探测器一6、光电探测器二7上的反射位置点的变化，每个时刻激光束一3、激光束二4在反射面9上反射后的两条激光束中至少有一条反射激光能够被对应的光电探测器一6、光电探测器二7所检测，即光电探测器一6、光电探测器二7的长度适应激光束一3、激光束二4反射激光束在对应光电探测器上反射位置点的变化，该两个光电探测器上的反射激光感光长度变化远大于被测物体真实的位移大小。处理系统能够根据两个光电探测器上激光束一3、激光束二4反射位置的变化值来计算被测物体位移的变化值，该传感器结构简单，适用于被测物体位移连续变化的测量，测量精度高，其测量可靠，易于实现批量制造。

实施例2

如图6所示，一种新型光臂放大式高精度长度传感器的测量方法，包括如实施例1中的新型光臂放大式高精度长度传感器，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、将被测物体固定在反射部件8或读数头5上，其中将反射面9调整为与被测物体的移动方向一致，其中反射部件8上设有便于固定在被测物体上的安装孔或粘贴件；

步骤二、调整激光束一3、激光束二4、反射部件8、光电探测器一6、光电探测器二7的位置关系，使其相互适配，使激光束一3、激光束二4在所述反射部件8上反射的两条激光束能够分别被所述光电探测器一6、光电探测器二7探测到；并且调整所述光电探测器一6、光电探测器二7与所述反射部件8的位置关系，使被测物体发生位移时，使激光束一3、激光束二4通过反射面9反射到光电探测器上的感光长度变化值大于被测物体位移值；所述光电探测器一6、光电探测器二7与处理系统通信连接；

步骤三、发射激光束一3、激光束二4，所述激光束一3、激光束二4分别经过所述反射部件8的不同反射面9或同一反射面的不同位置反射后，所述光电探测器一6、光电探测器二7检测到该反射光束的初始位置；

步骤四、被测物体位移，在位移过程中，所述光电探测器一6、光电探测器二7分别检测到所述激光束一3、激光束二4的反射激光束在各自探测器上反射位置的变化，直到被测物体停止位移；

步骤五、处理系统通过对所述步骤三、步骤四中所述光电探测器一6、光电探测器二7所检测到的激光束一3、激光束二4的反射激光束的位置变化进行处理，获得所述反射部件8上被测物体的位移值。

该测量方法通过使用每个反射面9的截面形状为对称的凸起形状的反射部件8，配合激光束一3、激光束二4、光电探测器一6、光电探测器二7能够测量被测物体的位移，其中激光束一3入射到反射部件8的其中一个反射面9反射后，光电探测器一6能够检测该反射激光束在其上的位置变化，激光束二4入射到反射部件8的另一个反射面9或同一反射面的不同位置反射后，光电探测器二7能够检测该反射激光束在其上的位置变化，处理系统能够根据激光束一3反射激光在光电探测器一6上的位置变化值换算得出被测物体的位移值，处理系统还可以根据激光束二4反射激光在光电探测器二7上的位置变化值换算得出被测物体的位移值。

本实施例选用两个激光束一3和激光束二4来测量的原因是，当其中一个激光束反射点位于反射面9的某些位置，如凸起形状反射面9的顶端、两个反射面9的交线位置等，对应光电探测器的长度又有限，因此可能无法反射到对应光电探测器，该光电探测器就无法计算出其位移值，另一个激光束反射点位于另一个反射面9的其他位置，可反射到对应光电探测器并可以进行换算测量，即被测物体移动的每一刻，反射部件8上各反射面9所反射的激光束中至少有一条可以反射到对应的光电探测器，以实现测量。该传感器还能实现对一个光电探测器无法检测到该激光束反射位置时，处理系统自动采用另一个光电探测器所检测到的对应激光束反射位置变化值，处理系统可以来回切换计算两个光电探测器的反射激光束位置变化，进行叠加累计，以实现对被测物体位移一次性变化或连续增量式位移变化的测量，其测量方法简单、可靠，操作方便，并且能够提高测量精度。

上述当其中一个光电探测器无法检测反射激光束的位置变化时，处理系统则采用另外一个光电探测器上检测得到的反射激光束位置变化值，可以在两个光电探测器上设置两个临界点，其处理系统切换可以根据两个光电探测器上的临界点进行切换，当反射激光束超出该光电探测器上两个临界点检测区域时，处理系统自动切换至对另一个光电探测器上的检测位置变化进行记录、叠加和计算，切换方便可靠。

需要说明的是，该新型光臂放大式高精度长度传感器进行测量时，可以采用将反射部件8固定在被测物体上，读数头5保持固定不动，被测物体发生位移时，反射部件8与读数头5发生相对运动，读数头5可以测量得到反射部件8即被测物体的位移值。另外，也可以采用将读数头5固定在被测物体上，反射部件8保持不动，被测物体发生位移带动读数头5运动，读数头5与反射部件8发生相对位移，读数头5可以测得读数头5与反射部件8之间的相对位移，进而得到被测物体的位移值。

如图1所示，该新型光臂放大式高精度长度传感器，该反射部件8采用三角形状反射面9作为反光元件，其测量原理如图1与图2所示，当被测物体带动反射部件8水平位移值为t时，一维PSD的感光长度为T，长度测量放大倍数为该放大原理如图5所示，该放大倍数与入射角以及三角反射面9的角度有关。为实现位移的连续测量，本发明采用对称结构实现位移交替测量，当左侧激光束入射点移动到三角反射面9顶点或三角反射面9右侧反射单元面时，该侧一维PSD无法接收到反射光。但右侧激光束入射点则早进入三角反射面9的反射面右侧反射单元面，该侧一维PSD可以正常接收到反射光，如图1所示。如此即可实现左右两侧一维PSD的位移测量的交替。

由图7可得：

(公式1)

h>t′tan(a) (公式2)

(公式3)

(公式4)

公式2中h取值要求是为避免一维PSD与三角波反射面9干涉而增加的要求。

公式3中H实际取值可以大于增加实际的可测量的安全余量。实际应用中根据h的值选择合适的d值与H值。

左侧测量激光束光路入射点在两个三角形反射面之间交线位置处时，右侧测量光路入射点在三角形反射面其中一个反射单元面除交线位置的其他地方，如反射单元面中线上。

本实施例2适用于测量被测物体发生连续增量位移值，且位移值的大小大于每个反射面9的其中一个反射单元面的反射长度。需要说明的是，图7中反射部件8的一个反射面9包括左右两个反射单元面。

实施例3

当被测物体移动的位移值小于反射部件8上一个反射面9的其中一个反射单元面的反射长度时，处理系统不需要对两个激光束、光电探测器进行切换叠加，只需要采用实施例2中的激光束一3和光电探测器一6，或者采用激光束二4和光电探测器二7，配合反射部件8对被测物体的位移进行测量。

本实施例适用于测量被测物体发生一次性位移，或者发生连续增量位移值，且连续增量位移值均小于每个反射面9的其中一个反射单元面的反射长度。

实施例4

如图8所示，一种新型光臂放大式高精度长度传感器组，包括两组上述长度传感器，将所有的长度传感器内的反射部件相互连接为一整体，以减少反射部件8分别安装在被测物体上时的误差。同时可以将各个反射部件与对应激光束一3、激光束二4采用不同的相对位置关系，即每组长度传感器内的激光束一3、激光束二4入射到对应反射部件8上反射面9的反射点均不相同。

具体是包括一个读数头、处理系统以及集成反射部件，读数头上设置两个长度传感器部件，即读数头左侧设置一个长度传感器部件、右侧设置一个长度传感器部件，每个长度传感器部件均包括激光源一1、激光源二2、激光束一3、激光束二4、光电探测器一6、光电探测器二7，另外，将每个长度传感器部件对应的反射部件8设置在读数头外，两个反射部件8连接为一整体，构成集成反射部件，调节集成反射部件与读数头5的位置，即每个长度传感器部件上的激光束一3、激光束二4入射到集成反射部件的反射面9上的反射点不相同，即每个集成反射部件中反射部件8上反射面9的反射相位并不相同，如图9所示反射部件8选用三角形反射面阵列，使反射点所在的反射面9错位一个反射面的左侧反射单元面或右侧反射单元面一半长度的相位。

需要说明的是，每组新型光臂放大式高精度长度传感器可以同时包括激光束一3和激光束二4，或者是包括激光束一3、激光束二4其中一个。当每组长度传感器同时包括激光束一3和激光束二4时，各组单独计算出被测物体的位移值后取平均值，能够得到更为准确的位移值，以进一步提高测量精度。当每组长度传感器同时包括激光束一3、激光束二4其中之一时，处理系统可以根据各组的激光束的反射点不同的特点可以配合实现交替测量，也可以单独计算出被测物体的位移值后取平均值，能够得到更为准确的位移值。采用两组长度传感器，无论每组包括一个激光束还是两个激光束，均可以进一步提高测量精度，适用于连续位移增量的交替测量，也适用于被测物体位移较小(即位移小于反射部件8上一个三角形反射面中的左侧或右侧反射单元面长度)的测量。

如图8所示，为了有效减少长度传感器组的空间，便于测量，将上述的读数头5内的两个长度传感器部件沿测量方向并列连接，相应的两个反射部件8也是并列连接，两个反射部件8上的每个反射面相互错位设置并相差一定相位，虚线箭头为两个反射部件8的位移方向，即测量方向。

如图9所示，本实施例每个反射部件8选用三角形反射面阵列，由于该反射部件8的顶点以及交线位置加工精度影响，实际测量精度在三角面顶点以及交线位置时会降低，为提高在顶点以及交线位置测量的精度，本实施例采用A、B两相位结构来进行测量，即图8的前方反射部件8上反射面9为A相位反射面，图8后方的反射部件8上反射面9为B相位反射面，图9的前方反射部件8上反射面9为A相位反射面，图9的后方反射部件8上反射面9为B相位反射面。即使反射点所在的反射面9错位一个反射面左侧反射单元面或右侧反射单元面一半长度的相位，当其中一个长度传感器部件上的激光束一3入射点位于反射部件8的其中一个反射面9的A相位反射面上时，即入射点位置位于该反射面9的顶点时，另一个长度传感器部件上的激光束一3入射点正好位于另一个反射面9的B相位反射面，即入射点位置位于反射面9其中一面的中部，如图9中所示其中A、B两种反射面9相位相差间距为这样能够避免测量时反射面9正好位于顶点或交线时的测量误差，此时采用另外一个相位所在反射面9反射的激光束进行测量计算。这样两组长度传感器所测量得到的被测物体位移所对应的激光束一3、激光束二4反射到光电探测器一6、光电探测器二7上反射位置均不相同，处理系统将各组单独计算出被测物体的位移值后取平均值，或者交替采用各组计算出的被测物体的位移值，能够得到更为准确的位移值，以进一步提高测量精度。

以上实施例仅用以说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，尽管本说明书参照上述的各个实施例对本发明已进行了详细的说明，但本发明不局限于上述具体实施方式，因此任何对本发明进行修改或等同替换；而一切不脱离发明的精神和范围的技术方案及其改进，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种新型光臂放大式高精度长度传感器，其特征在于，包括：

激光束一(3)、激光束二(4)；

反射部件(8)，所述反射部件(8)上设有用于反射所述激光束一(3)、激光束二(4)的若干个反射面(9)，每个所述反射面(9)截面为凸起形状，所有所述反射面(9)首尾相连；

光电探测器一(6)，用于接收所述激光束一(3)在所述反射部件(8)中的反射面(9)反射后的激光束并显示其反射位置；

光电探测器二(7),用于接收所述激光束二(4)在所述反射部件(8)中的反射面(9)反射后的激光束并显示其反射位置；

处理系统，根据所述光电探测器一(6)上所接收到的激光束一(3)反射位置变化值和所述光电探测器二(7)上所接收到的激光束二(4)反射位置变化值，处理得到被测物体的位移变化值；

所述激光源一(1)和激光源二(2)的间距可调，所述光电探测器一(6)与所述光电探测器二(7)的间距可调，所述激光源一(1)发射的激光束一(3)、所述激光源二(2)发射的激光束二(4)相对读数头收发端面(51)的出射角度均可调。

2.根据权利要求1所述的一种新型光臂放大式高精度长度传感器，其特征在于，每个所述反射面(9)的凸起形状截面均为对称的等腰三角形状或圆弧形状。

3.根据权利要求1或2所述的一种新型光臂放大式高精度长度传感器，其特征在于，所述激光束一(3)、激光束二(4)分别通过激光源一(1)和激光源二(2)发射得到该激光束。

4.根据权利要求3所述的一种新型光臂放大式高精度长度传感器，其特征在于，包括壳体，所述激光源一(1)、激光源二(2)、光电探测器一(6)、光电探测器二(7)均位于壳体内，形成读数头(5)，所述读数头(5)的收发端面(51)可穿过激光束一(3)、激光束二(4)以及所述激光束一(3)、激光束二(4)的反射激光束。

5.根据权利要求4所述的一种新型光臂放大式高精度长度传感器，其特征在于，所述光电探测器一(6)与所述光电探测器二(7)相互平行设置，且均垂直或平行于所述读数头(5)的收发端面(51)。

6.一种新型光臂放大式高精度长度传感器的测量方法，包括如权利要求4-5任一所述的新型光臂放大式高精度长度传感器，其特征在于，其测量方法包括以下步骤：

步骤一、将被测物体固定在所述反射部件(8)或读数头(5)上，其中将所述反射面(9)调整为与被测物体的移动方向一致；

步骤二、调整激光束一(3)、激光束二(4)、反射部件(8)、光电探测器一(6)、光电探测器二(7)的位置关系，使其相互适配，使激光束一(3)、激光束二(4)在所述反射部件(8)上反射的两条激光束能够分别被所述光电探测器一(6)、光电探测器二(7)探测到；并且调整所述光电探测器一(6)、光电探测器二(7)与所述反射部件(8)的位置关系，使被测物体发生位移时，使激光束一(3)、激光束二(4)通过反射面(9)反射到对应光电探测器上的感光长度变化值大于被测物体位移值；所述光电探测器一(6)、光电探测器二(7)与处理系统通信连接；

步骤三、发射激光束一(3)、激光束二(4)，所述激光束一(3)、激光束二(4)经过所述反射部件(8)的不同反射面(9)或同一反射面(9)的不同位置分别反射后，所述光电探测器一(6)、光电探测器二(7)检测到该反射光束的初始位置；

步骤四、被测物体发生位移，在位移过程中，所述光电探测器一(6)、光电探测器二(7)分别检测到所述激光束一(3)、激光束二(4)的反射激光束在各自探测器上反射位置的变化，直到被测物体停止位移；

步骤五、处理系统通过对所述步骤三、步骤四中所述光电探测器一(6)、光电探测器二(7)所检测到的激光束一(3)、激光束二(4)的反射激光束的反射位置变化值进行处理，获得所述反射部件(8)或读数头(5)上被测物体的位移值。

7.根据权利要求6所述的一种新型光臂放大式高精度长度传感器的测量方法，其特征在于，所述步骤二中，在所述光电探测器一(6)、光电探测器二(7)的上下两端均设置临界点，调整所述激光束一(3)、激光束二(4)、反射部件(8)、光电探测器一(6)、光电探测器二(7)的位置关系，使所述光电探测器一(6)和光电探测器二(7)与所述反射部件(8)相对移动过程中，所述激光束一(3)、激光束二(4)至少其中一个在所述反射部件(8)的反射面(9)上的反射激光能够入射到对应光电探测器一(6)或光电探测器二(7)的两个临界点之间区域。

8.根据权利要求6所述的一种新型光臂放大式高精度长度传感器的测量方法，其特征在于，当被测物体移动的位移值小于所述反射部件(8)上一个反射面(9)的反射长度时，在所述步骤二中只需要采用所述激光束一(3)和光电探测器一(6)，或者只需采用所述激光束二(4)和光电探测器二(7)，配合所述反射部件(8)对被测物体的位移进行测量。

9.一种新型光臂放大式高精度长度传感器组，其特征在于，包括至少两套如权利要求1-5任一所述的一种新型光臂放大式高精度长度传感器，其中每组新型光臂放大式高精度长度传感器包括所述激光束一(3)或/和激光束二(4)，所述激光束一(3)或/和激光束二(4)对应设有所述光电探测器一(6)或/和光电探测器二(7)，所有所述新型光臂放大式高精度长度传感器中的反射部件(8)相互连接为一整体。