CN105759253A - 激光扫描测距仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种结构简单，同时能够减少测量误判的激光扫描测距仪。该激光扫描测距仪包括光源、反射镜、聚焦透镜、光电传感器；所述反射镜具有反射镜面；所述反射镜面与水平面具有夹角α，所述夹角α为锐角；所述反射镜上设置有透光孔，所述透光孔内安装有反光板；所述光源安装在反射镜上反射镜面的背面的下方；且使得光源发出的测量激光穿过透光孔再由反光板反射沿水平方向射出；所述聚焦透镜设置在反射镜面的上方，所述光电传感器设置在聚焦透镜上方，且所述聚焦透镜的聚光焦点位于光电传感器上。采用该激光扫描测距仪能够提高测量的精确性以及测量扫描系统工作的稳定性；同时能够实现对动态物体的快速测量，其次简化了结构，便于制造安装。

Description

激光扫描测距仪
技术领域
本发明涉及一种激光测量装置，尤其是一种激光扫描测距仪。
背景技术
公知的：激光扫描仪是利用时间飞行原理来测量工件的尺寸及形状等工作的一种仪器。激光的时间飞行原理－Timeofflight为:激光发射器发出激光脉冲波，内部定时器开始计算时间t1当激光波碰到物体后，部分能量返回，当激光接收器收到返回激光波时，停止内部定时器t2，激光雷达到物体的距离为:其中C为光速。
激光扫描仪的测量原理：激光发射器发出激光脉冲波，当激光波碰到物体后，部分能量返回，当激光接收器收到返回激光波时，且返回波的能量足以触发门槛值，激光扫描器计算它到物体的距离值；激光扫描器连续不停的发射激光脉冲波，激光脉冲波打在高速旋转的镜面上，将激光脉冲波发射向各个方向从而形成一个二维区域的扫描。此二维区域的扫描可以实现以下两个功能：1)在扫描器的扫描范围内，设置不同形状的保护区域，当有物体进入该区域时，发出报警信号；2)在扫描器的扫描范围内，扫描器输出每个测量点的距离，根据此距离信息，可以计算物体的外型轮廓，坐标定位。
激光扫描测距仪属于激光扫描仪的一种，常见的激光扫描测距仪有以下两种：
一、如图1和图2所示的激光扫描测距仪，该激光扫描测距仪的聚焦透镜5设置在反射镜4的一侧，且将反射镜4设置为锥形。所述反射镜4具有两个反射面，一个反射面向上，另一个反射面向下；两个反射面具有夹角，两个反射面的交界处指向聚焦透镜5。光源3设置在反射镜4下方。光源3发射激光，激光照射在反射镜4上，通过反射面反射沿水平方向向聚焦透镜5的方向射出。由于激光射出后将经过聚焦透镜5；为了避免激光在经过聚焦透镜5时产生反射，从而影响测量，因此需要在聚焦透镜5上设置一个便于激光穿过的防干涉口51，使得激光由防干涉口51穿过。因此该激光扫描测距仪的聚焦透镜5制造困难，制造成本较高。如果不在聚焦透镜5上设置防干涉口51，那么光源3发射的激光通过聚焦透镜5后将有少量光源会反射回反射镜4，从而造成测量系统产生误判；同时光源通过聚焦透镜5后的光束发生变形，从而使得平行光变为扩散光影响准直效应。
其次在安装的过程中，如图1所示必须保证聚焦透镜5的聚光焦点刚好位于反射镜4的向上反射的反射面上。否则如图2所示，当聚焦透镜5的聚光焦点位于反射镜4的向上反射的反射面的上方时，需要在反射面的上方设置第二聚焦透镜12，使得照射在反射面上的散光能够通过第二聚焦透镜12聚焦照射在光电传感器6上，从而增加了元器件，降低了光线强度。因此该激光扫描测距仪的安装精度要求较高，安装困难。
最后由于聚焦透镜5设置在反射镜4的一侧，因此在使用的过程中反射镜4必须与聚焦透镜5一同旋转，否则当反射镜4旋转一定角度后，光源3发出的激光在遇到测量目标后反射回来的光线无法通过聚焦透镜5进行聚焦，因此无法实现准确的测量。为了便于使用，必须在结构上将反射镜4与聚焦透镜5设置为可以一起旋转的结构，因此使得整个激光扫描测距仪的结构复杂，增加了制造成本。
二、如图3所示的激光扫描测距仪，该激光扫描测距仪将反射镜4设置为斜面镜，在反射镜4的上方设置聚焦透镜5，在聚焦透镜5的上方设置光电传感器6，同时聚焦透镜5下方设置有挡板，在挡板上安装有第二反射镜11，光源3设置在反射镜4的一侧，且使得光源3发射的激光能够通过第二反射镜11反射到反射镜4上，通过反射镜4的反射水平射出。
该激光扫描测距仪，由于在聚焦透镜5与反射镜4之间设置有第二反射镜11，因此结构复杂。同时光源3发射的激光经过第二反射镜11反射后，会出现少量散光反射在反射镜4上，反射镜4上的散光反射到聚焦透镜5，然后通过聚焦透镜5聚焦传递到光电传感器6，从而可能造成测量误判。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单，同时能够减少测量误判的激光扫描测距仪。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：激光扫描测距仪，包括光源、反射镜、聚焦透镜、光电传感器；
所述反射镜具有反射镜面；所述反射镜面与水平面具有夹角α，所述夹角α为锐角；所述反射镜上设置有透光孔，所述透光孔内安装有反光板；所述光源安装在反射镜上反射镜面的背面的下方；且使得光源发出的测量激光穿过透光孔再由反光板反射沿水平方向射出；所述聚焦透镜设置在反射镜面的上方，所述光电传感器设置在聚焦透镜上方，且所述聚焦透镜的聚光焦点位于光电传感器上。
进一步的，所述透光孔设置在反射镜的中间位置。
进一步的，所述反射镜面与水平面之间的夹角α，α为45°。
进一步的，所述反射镜为圆形平面镜。
进一步的，所述激光扫描测距仪，还包括基座、支撑座；所述基座上设置有安装凸台，所述支撑座通过旋转装置转动安装在安装凸台上，所述光源固定安装在安装凸台上，所述反射镜安装在支撑座上，所述支撑座具有中心通孔，所述光源发出测量激光穿过中心通孔。
优选的，所述旋转装置，包括定子转轴、转子组件，所述定子转轴一端固定在安装凸台上，所述光源安装在定子转轴的另一端，所述光源通过定子转轴安装在安装凸台上；所述转子组件安装在支撑座的中心通孔内；所述定子转轴与转子组件配合形成电机。
进一步的，所述聚焦透镜的聚光焦点位于支撑座相对于安装凸台转动的转轴线上；所述光源位于支撑座相对于安装凸台转动的转轴线上。
进一步的，所述激光扫描测距仪，还包括壳体，所述壳体上设置有透光窗口，所述光源发出的测量激光通过透光窗口；所述光源、反射镜、聚焦透镜、光电传感器均位于壳体内。
优选的，所述壳体套装在基座上，所述壳体上与壳体内反射镜对应的位置上设置有一圈透明带，所述透明带形成透光窗口；所述光电传感器安装在壳体的顶部。
本发明的有益效果是：本发明所述的激光扫描测距仪，通过在反射镜上设置透光孔，并且在透光孔内安装反光板，因此能够将光源安装在反射镜的下方，光源发出的测量激光能够通过反射镜上透光孔内的反光板反射，将测量激光发射出去；从而能够避免传统激光扫描测距仪通过反射镜反射测量激光将测量激光发射出去时，反射镜反射测量激光产生的干扰光造成的测量误判，提高了测量的精确性以及激光扫描测距仪工作的稳定性；同时能够避免在聚焦透镜上设置防干涉口，降低了聚焦透镜的制造难度，降低了制造成本。其次本发明所述的激光扫描测距仪，通过反射镜上设置透光孔，在透光孔内安装反光板，通过反光板将光源反射出去，从而可以避免在使用过程中将反射镜与聚焦透镜一起旋转，或者避免了在聚焦透镜下安装反光板，在使用的过程中只需要旋转反射镜即可，从而简化了结构，便于制造安装。最后，本发明所述的激光扫描测距仪可以测量动态物体的运动速度，通过测量不同时间点动态物体距离激光扫描测距仪的距离，从而计算出动态物体的实时速度；实现对动态物体的快速测量。
附图说明
图1是聚焦透镜设置在反射镜一侧的激光扫描测距仪的聚焦透镜的聚光焦点位于反射镜上时的结构简图；
图2是聚焦透镜设置在反射镜一侧的激光扫描测距仪的聚焦透镜的聚光焦点不在反射镜上时的结构简图；
图3是聚焦透镜设置在反射镜上方的激光扫描测距仪的结构简图；
图4是本发明实施例中激光扫描测距仪的结构简图；
图5是本发明实施例中激光扫描测距仪的正视图；
图6是图5中的A-A剖视图；
图7是本发明实施例的爆炸示意图；
图中标示：1-基座，2-安装凸台，21-支撑座，22-定子转轴，23-转子组件，3-光源，31-测量激光，32-被测物反射光，33-反射镜反射光，4-反射镜，41-反射镜面，42-透光孔，5-聚焦透镜，51-防干涉口，6-光电传感器，7-透光窗口，8-反光板，9-壳体，10-被测物，11-第二反射镜，12-第二聚焦透镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
如图4至7所示，本发明所述的激光扫描测距仪，包括光源3、反射镜4、聚焦透镜5、光电传感器6；
所述反射镜4具有反射镜面41；所述反射镜面41与水平面具有夹角α，所述夹角α为锐角；所述反射镜4上设置有透光孔42，所述透光孔42内安装有反光板8；所述光源3安装在反射镜4上反射镜面41的背面的下方；且使得光源3发出的测量激光31穿过透光孔42再由反光板8反射沿水平方向射出；
所述聚焦透镜5设置在反射镜面41的上方，所述光电传感器6设置在聚焦透镜5上方，且所述聚焦透镜5的聚光焦点位于光电传感器6上。
如图4、图6以及图7所示，所述反射镜4具有反射镜面41；所述反射镜面41与水平面具有夹角α，所述夹角α为锐角。将反射镜4上的反射镜面41设置成与水平面具有夹角α，所述夹角α为锐角；从而避免了反射镜面41处于水平状态无法接收和反射由光源3发出的测量激光31遇到被测物10后反射回来的被测物反射光32。
如图4、图6以及图7所示，“所述光源3安装在反射镜4上反射镜面41的背面的下方”中“反射镜4上反射镜面41的背面”是指在反射镜4上反射镜面41的对侧面。因此为了使得光源3发射出的测量激光31能够穿过反射镜4；在所述反射镜4上设置有透光孔42，所述透光孔42内安装有反光板8。所述光源3位于反光板8下方，因此通过调整光源3的位置以及反光板8的倾斜角度，从而可以保证光源3发出的测量激光31首先穿过透光孔42，然后照射在透光孔42内的反光板8上，通过反光板8反射最终沿水平方向射出。
如图4、图6以及图7所示，所述光电传感器6设置在聚焦透镜5上方，且所述聚焦透镜5的聚光焦点位于光电传感器6上；由于所述聚焦透镜5的聚光焦点位于光电传感器6上；因此反射镜4在接收被测物反射光32后反射出的反射镜反射光33在经过聚焦透镜5聚光后能够将反射镜反射光33聚焦到光电传感器6上，从而使得光电传感器6反应精准。
在采用本发明所述的激光扫描测距仪进行测量的过程中：
首先将激光扫描测距仪进行安装；测量时，打开光源3，光源3发射出测量激光31，测量激光31射入到反射镜4的透光孔42内，由于透光孔42内设置有反光板8；因此测量激光31射在透光孔42内的反光板8上，测量激光31通过反光板8反射沿水平方向发射出去。当测量激光31遇到被测物10时，在被测物10表面发生反射，反射回一束被测物反射光32，反射回来的被测物反射光32照射在反射镜4的反射镜面41上，通过反射镜面41的反射改变光的路径，使得反射镜4反射出向上的反射镜反射光33，反射镜反射光33照射在反射镜4上方的聚焦透镜5上，反射镜反射光33通过聚焦透镜5聚焦照射在光电传感器6上，光电传感器6记录接收到的光信号，将光信号转化为电信号，然后通过处理系统进行处理最终得到被测物与测量基准点之间的距离。测量完成后，由于光源3发出的测量激光31是由反射镜4上的透光孔42内反射出来的，在旋转反射镜4的过程中，透光孔42跟着旋转，从而使得测量激光31发出的位置与反射镜4不会发生任何改变，同时由于所述聚焦透镜5设置在反射镜4的上方，因此反射镜4绕竖直方向上的转轴旋转时，不影响聚焦透镜5与反射镜4之间的位置关系。从而旋转反射镜4使得从反射镜4上透光孔42发出的测量激光31照射另一个方向，重复前面测量步骤，即可实现位于第二方向上被测物10的测量。因此将反射镜4旋转一周即可测量得到激光扫描测距仪一定范围内被测物10距离测量基准点的距离。
同时本发明所述的激光扫描测距仪由于利用激光的时间飞行原理进行测量，因此测量快速。如果测量速度太慢则无法实现对动态物体的实时测量；当测量得到被测物10与激光扫描测距仪之间的距离时，此时如果测量速度太慢，那么被测物10将会运动到下一个位置。从而造成得到的数据不能及时反应动态物的实时情况。本发明所述的激光扫描测距仪，由于测量速度快速，能够实现对动态物体的测量，同时能够减小对动态物体运动速度测量的误差。首先通过上述测量步骤测量出动态物体在一个时间点上相对于激光扫描测距仪之间的距离，再间隔一定时间后再次测量动态物体与激光扫描测距仪之间的距离，通过前后两次测量得到的距离差值以及间隔时间从而可以测量出动态物体相对于激光扫描测距仪的运动速度，实现对动态物体的实时测量。
综上所述，本发明所述的激光扫描测距仪，通过在反射镜4上设置透光孔42，并且在透光孔42内安装反光板8，因此能够将光源3安装在反射镜4的下方，光源3发出的测量激光31能够通过反射镜4上透光孔42内的反光板8反射，从而水平射出；能够避免如图3所示的激光扫描测距仪通过反射镜4反射测量激光31将测量激光31发射出去时，反射镜4反射测量激光31产生的干扰光造成的测量误判，从而提高了测量的精确性以及激光扫描测距仪工作的稳定性；同时能够避免如图1和图2所示的激光扫描测距仪在聚焦透镜5上设置防干涉口51，因此降低了聚焦透镜的制造难度，降低了制造成本。其次本发明所述的激光扫描测距仪，通过反射镜4上设置透光孔42，在透光孔42内安装反光板8，通过反光板8将光源3反射出去，从而可以避免在使用过程中将反射镜4与聚焦透镜5一起旋转，或者避免了在聚焦透镜5下安装第二反射镜11，在使用的过程中只需要旋转反射镜4即可，从而简化了结构，便于制造安装。
最后，本发明所述的激光扫描测距仪可以测量动态物体的运动速度，通过测量不同时间点动态物体距离激光扫描测距仪的距离，从而计算出动态物体的实时速度；实现对动态物体的快速测量。
为了便于反射镜4接收测量激光发射出去后反射回来的光线；进一步的，所述透光孔42设置在反射镜4的中间位置。由于透光孔42设置在反射镜4的中间位置，因此测量激光经过透光孔42内的反光板8反射出去时是由反射镜4中间位置发射出去的，在遇到被测物10反射回来被测物反射光32时，反射镜4可以最大限度的接收反射回来的被测物反射光32，从而能够提高检测的精准度。
为了便于聚焦透镜5的设置和安装；进一步的，所述反射镜面41与水平面之间的夹角α，α为45°。由于反射镜面41为平面，同时反射镜4接收到的反射回来的被测物反射光32为水平光线，因此将反射镜面41与水平面之间的夹角α设置为45°可以使得反射回来的被测物反射光32经过反射镜面41反射后反射出反射镜反射光33竖直向上发射。从而只需将聚焦透镜5安装在反射镜面41竖直方向上的正上方即可，从而便于整体结构的设置以及各个部件的布置。
所述反射镜4可以采用平面镜，为了实现反射镜4接收被测物反射光32时各个方向上的被测物反射光32接收均匀，优选的，如图7所示，所述反射镜4为圆形平面镜。
为了便于激光扫描测距仪在使用过程中能够进行旋转扫描，进一步的，激光扫描测距仪还包括基座1、支撑座21；所述基座1上设置有安装凸台2，所述支撑座21通过旋转装置转动安装在安装凸台2上，所述光源3固定安装在安装凸台2上，所述反射镜4安装在支撑座21上，所述支撑座21具有中心通孔，所述光源3发出测量激光31穿过中心通孔。
由于所述支撑座21通过旋转装置转动安装在安装凸台2上，所述反射镜4安装在支撑座21上；因此反射镜4可以跟随支撑座21旋转，实现旋转扫描。同时通过上述结构的设置，能够实现反射镜4的单独旋转，从而可以尽可能的降低旋转扫描时振动对检测结果的影响。
所述支撑座21与安装凸台2之间的旋转装置主要作用是使得支撑座21可以相对于安装凸台2绕竖直方向的转轴旋转。所述旋转装置可以采用在支撑座21的外圆周面上设置齿圈，然后通过齿轮与齿圈的啮合实现转动。采用齿轮和齿圈啮合的旋转装置，结构复杂制造成本较高。为了降低成本，进一步的，所述旋转装置的一种优选方式为，所述旋转装置包括定子转轴22、转子组件23，所述定子转轴22一端固定在安装凸台2上，所述光源3安装在定子转轴22的另一端，所述光源3通过定子转轴22安装在安装凸台2上；所述转子组件23安装在支撑座21的中心通孔内；所述定子转轴22与转子组件23配合形成电机。所述旋转装置采用上述结构，能够简化结构，降低成本，同时便于控制。
为了使得激光扫描测距仪在旋转扫描的过程中测量基准点不会改变，进一步的，所述聚焦透镜5的聚光焦点位于支撑座21相对于安装凸台2转动的转轴线上；所述光源3位于支撑座21相对于安装凸台2转动的转轴线上。由于测量激光均是通过发射后，然后经过被测物反射回来最终通过聚焦透镜5聚焦。因此将聚焦透镜5的聚光焦点设置在所述支撑座21相对于安装凸台2转动的转轴线上，同时将光源3设置在支撑座21相对于安装凸台2转动的转轴线上。从而可以保证无论怎么旋转，测量基准点不会发生变化。
为了避免外界光线照射在反射镜4的反射镜面41上，反射镜面41将光线发射到聚焦透镜5上，最终光线聚焦后照射在光电传感器6上，造成测量误判，进一步的，所述的激光扫描测距仪，还包括壳体9，所述壳体9上设置有透光窗口7，所述光源3发出的测量激光31通过透光窗口7；所述光源3、反射镜4、聚焦透镜5、光电传感器6均位于壳体9内。
通过壳体9将光源3、反射镜4、聚焦透镜5、光电传感器6罩住，同时在壳体9上设置透光窗口7，光线只能通过透光窗口7进入到壳体9内，光源3发射出的测量激光31以及被测物反射回来的被测物反射光32均通过透光窗口7；从而避免了外界光线照射在反射镜4上，造成测量误判。具体的如图6和图7所示，所述壳体9套装在基座1上，所述壳体9上与壳体9内反射镜4对应的位置设置有一圈透明带，所述透明带形成透光窗口7；所述光电传感器6安装在壳体9的顶部。所述壳体9上与壳体9内反射镜4对应的位置是指反射镜4沿水平方向在壳体9内壁上一圈的投影位置。
实施例
如图5、图6、图7所示，所述激光扫描测距仪，包括基座1、支撑座21、光源3、反射镜4、聚焦透镜5、光电传感器6、壳体9；
所述反射镜4具有反射镜面41；所述反射镜面41与水平面具有夹角α，所述夹角α为45°；所述反射镜4上设置有透光孔42，所述透光孔42设置在反射镜4的中间位置。所述透光孔42内安装有反光板8；所述光源3安装在反射镜4上的反射镜面41的背面的下方；且使得光源3发出的测量激光31穿过透光孔42再由反光板8反射沿水平方向射出；所述聚焦透镜5设置在反射镜面41的上方，所述光电传感器6设置在聚焦透镜5上方，且所述聚焦透镜5的聚光焦点位于光电传感器6上。
所述基座1上设置有安装凸台2，所述支撑座21通过旋转装置转动安装在安装凸台2上，所述光源3固定安装在安装凸台2上，所述反射镜4安装在支撑座21上，所述支撑座21具有中心通孔，所述光源3发出测量激光31穿过中心通孔。
所述旋转装置包括定子转轴22、转子组件23，所述定子转轴22一端固定在安装凸台2上，所述光源3安装在定子转轴22的另一端，所述光源3通过定子转轴22安装在安装凸台2上；所述转子组件23安装在支撑座21的中心通孔内；所述定子转轴22与转子组件23配合形成电机。
所述聚焦透镜5的聚光焦点位于支撑座21相对于安装凸台2转动的转轴线上；所述光源3位于支撑座21相对于安装凸台2转动的转轴线上。
所述壳体9上设置有透光窗口7，所述光源3发出的测量激光31通过透光窗口7；所述光源3、反射镜4、聚焦透镜5、光电传感器6均位于壳体9内。所述壳体9套装在基座1上，所述壳体9上与壳体9内反射镜4对应的位置设置有一圈透明带，所述透明带形成透光窗口7；所述光电传感器6安装在壳体9的顶部。
实施例中所述的激光扫描测距仪，在使用过程中由于壳体9套装在基座1上，因此在旋转反射镜4时，可以单独通过旋转支撑座21旋转反射镜4，壳体9以及聚焦透镜5、光电传感器6保持不动。

Claims (9)

1.激光扫描测距仪，包括光源(3)、反射镜(4)、聚焦透镜(5)、光电传感器(6)；其特征在于：
所述反射镜(4)具有反射镜面(41)；所述反射镜面(41)与水平面具有夹角α，所述夹角α为锐角；所述反射镜(4)上设置有透光孔(42)，所述透光孔(42)内安装有反光板(8)；所述光源(3)安装在反射镜(4)上反射镜面(41)的背面的下方；且使得光源(3)发出的测量激光(31)穿过透光孔(42)再由反光板(8)反射沿水平方向射出；
所述聚焦透镜(5)设置在反射镜面(41)的上方，所述光电传感器(6)设置在聚焦透镜(5)上方，且所述聚焦透镜(5)的聚光焦点位于光电传感器(6)上。
2.如权利要求1所述的激光扫描测距仪，其特征在于：所述透光孔(42)设置在反射镜(4)的中间位置。
3.如权利要求1所述的激光扫描测距仪，其特征在于：所述反射镜面(41)与水平面之间的夹角α，α为45°。
4.如权利要求1所述的激光扫描测距仪，其特征在于：所述反射镜(4)为圆形平面镜。
5.如权利要求1所述的激光扫描测距仪，其特征在于：还包括基座(1)、支撑座(21)；所述基座(1)上设置有安装凸台(2)，所述支撑座(21)通过旋转装置转动安装在安装凸台(2)上，所述光源(3)固定安装在安装凸台(2)上，所述反射镜(4)安装在支撑座(21)上，所述支撑座(21)具有中心通孔，所述光源(3)发出测量激光(31)穿过中心通孔。
6.如权利要求5所述的激光扫描测距仪，其特征在于：所述旋转装置包括定子转轴(22)、转子组件(23)，所述定子转轴(22)一端固定在安装凸台(2)上，所述光源(3)安装在定子转轴(22)的另一端，所述光源(3)通过定子转轴(22)安装在安装凸台(2)上；所述转子组件(23)安装在支撑座(21)的中心通孔内；所述定子转轴(22)与转子组件(23)配合形成电机。
7.如权利要求5所述的激光扫描测距仪，其特征在于：所述聚焦透镜(5)的聚光焦点位于支撑座(21)相对于安装凸台(2)转动的转轴线上；所述光源(3)位于支撑座(21)相对于安装凸台(2)转动的转轴线上。
8.如权利要求5所述的激光扫描测距仪，其特征在于：还包括壳体(9)，所述壳体(9)上设置有透光窗口(7)，所述光源(3)发出的测量激光(31)通过透光窗口(7)；所述光源(3)、反射镜(4)、聚焦透镜(5)、光电传感器(6)均位于壳体(9)内。
9.如权利要求8所述的激光扫描测距仪，其特征在于：所述壳体(9)套装在基座(1)上，所述壳体(9)上与壳体(9)内反射镜(4)对应的位置设置有一圈透明带，所述透明带形成透光窗口(7)；所述光电传感器(6)安装在壳体(9)的顶部。
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