CN105841609B - 一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置及传感方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置及传感方法，属于尺寸测量技术领域，解决了基于光纤出射光探测的组合悬臂梁探针传感装置无法实现大量程、高分辨率传感的问题。本发明设置两个不同量程的光电探测器，探针的位移变化量小时，直接通过小量程光电探测器进行高分辨率传感，当探针的位移变化量大、聚焦光斑的位置偏移量超出小量程光电探测器的量程、在大量程光电探测器的量程内时，根据大量程光电探测器探测到的聚焦光斑的偏移量，控制二维扫描振镜组，使经其出射的激光发生偏转，使小量程光电探测器探测到聚焦光斑、该聚焦光斑的位置与光纤的另一端同步移动，实现了大量程、高分辨率的传感。本发明用于微尺寸和大深径比内腔结构的测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光传感装置及基于该装置的传感方法，属于尺寸测量技术领域。
背景技术
在具有微尺寸和大深径比的内腔结构的测量领域，使用光纤制作探针是一个重要的技术方案，具有易于微型化和易于制作等优点。
申请号为201510381723.5的发明专利公开了一种基于光纤出射光探测的组合悬臂梁探针传感装置，激光器发出的激光通过光纤出射，光纤的一端由夹持器固定，构成单端固定的光纤悬臂梁，将探针垂直固装在单端光纤悬臂梁的中部，该传感装置利用探针在接触物体时带动单端固定光纤悬臂梁的出射端偏移，导致出射光在光电探测器上聚焦形成的光斑位置发生偏移，完成传感。
常用的位置光电探测器有CCD、PSD和QPD等，这些位置光电探测器的量程与分辨率成反比，高分辨率的位置光电探测器的测量量程很小，因此上述发明专利公开的传感装置的不足之处在于，无法实现大量程、高分辨率的传感。
发明内容
本发明的目的是为了解决基于光纤出射光探测的组合悬臂梁探针传感装置，无法实现大量程、高分辨率的传感的问题，提出了一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置和基于该装置的传感方法。
本发明所述的一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置，它包括激光器1、光纤2、夹持器3、探针4、物镜5、分光镜6、第一收集透镜7、第一光电探测器8、管镜9、扫描透镜10、二维扫描振镜组11、第二收集透镜12和第二光电探测器13；
激光器1的输出端连接光纤2的一端，夹持器3用于固定光纤2的中部，以光纤2被夹持器3固定的部分和光纤2的另一端作为两个端点的一段光纤构成光纤悬臂梁，探针4的一端与光纤悬臂梁的中部固定连接，光纤悬臂梁与探针4的夹角大于0度、小于180度，探针4的另一端上设置有触球14；
经光纤2的另一端出射的激光经物镜5准直，入射至分光镜6，入射至分光镜6的一部分激光被反射，另一部分激光经分光镜6透射；
被分光镜6反射的激光经第一收集透镜7聚焦后入射至第一光电探测器8的探测面；
经分光镜6透射的激光依次经过管镜9和扫描透镜10后，平行射入二维扫描振镜组11，经二维扫描振镜组11出射的激光经第二收集透镜12的聚焦后，入射至第二光电探测器13的探测面；
第一光电探测器8的量程大于第二光电探测器13的量程。
本发明所述的基于一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置的传感方法，经光纤2的另一端出射的激光，一部分被聚焦入射至第一光电探测器8的探测面，另一部分被聚焦入射至第二光电探测器13的探测面；
当探针4接触被测物，第二光电探测器13探测面上的聚焦光斑的位置发生偏移时，完成一次传感；
当探针4接触被测物，聚焦光斑的位置偏移量大于第二光电探测器13的量程、小于第一光电探测器8的量程时，根据第一光电探测器8所探测到的聚焦光斑的位置偏移量，控制二维扫描振镜组11，使经其出射的激光发生偏转，使第二光电探测器13探测到聚焦光斑、且该聚焦光斑的位置与光纤2的另一端同步移动。
本发明所述的一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置，第一光电探测器8的量程大、分辨率低，第二光电探测器13的量程小、分辨率高，配合使用能够实现大量程、高分辨率的传感。
附图说明
图1是实施方式一所述的一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置，它包括激光器1、光纤2、夹持器3、探针4、物镜5、分光镜6、第一收集透镜7、第一光电探测器8、管镜9、扫描透镜10、二维扫描振镜组11、第二收集透镜12和第二光电探测器13；
激光器1的输出端连接光纤2的一端，夹持器3用于固定光纤2的中部，以光纤2被夹持器3固定的部分和光纤2的另一端作为两个端点的一段光纤构成光纤悬臂梁，探针4的一端与光纤悬臂梁的中部固定连接，光纤悬臂梁与探针4的夹角大于0度、小于180度，探针4的另一端上设置有触球14；
经光纤2的另一端出射的激光经物镜5准直，入射至分光镜6，入射至分光镜6的一部分激光被反射，另一部分激光经分光镜6透射；
被分光镜6反射的激光经第一收集透镜7聚焦后入射至第一光电探测器8的探测面；
经分光镜6透射的激光依次经过管镜9和扫描透镜10后，平行射入二维扫描振镜组11，经二维扫描振镜组11出射的激光经第二收集透镜12的聚焦后，入射至第二光电探测器13的探测面；
第一光电探测器8的量程大于第二光电探测器13的量程。
具体实施方式二：本实施方式是对实施方式一所述的一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置的进一步限定，光纤2为单模光纤。
具体实施方式三：本实施方式是对实施方式一所述的一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置的进一步限定，光纤悬臂梁与探针4的夹角为90度。
具体实施方式四：本实施方式所述的基于实施方式一所述传感装置的传感方法，经光纤2的另一端出射的激光，一部分被聚焦入射至第一光电探测器8的探测面，另一部分被聚焦入射至第二光电探测器13的探测面；
当探针4接触被测物，第二光电探测器13探测面上的聚焦光斑的位置发生偏移时，完成一次传感；
当探针4接触被测物，聚焦光斑的位置偏移量大于第二光电探测器13的量程、小于第一光电探测器8的量程时，根据第一光电探测器8所探测到的聚焦光斑的位置偏移量，控制二维扫描振镜组11，使经其出射的激光发生偏转，使第二光电探测器13探测到聚焦光斑、且该聚焦光斑的位置与光纤2的另一端同步移动。
本实施方式所述的传感方法，对二维扫描振镜组11的控制可采取开环或闭环的方式。
Claims (4)
1.一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置，它包括激光器(1)、光纤(2)、夹持器(3)和探针(4)，其特征在于：它还包括物镜(5)、分光镜(6)、第一收集透镜(7)、第一光电探测器(8)、管镜(9)、扫描透镜(10)、二维扫描振镜组(11)、第二收集透镜(12)和第二光电探测器(13)；
激光器(1)的输出端连接光纤(2)的一端，夹持器(3)用于固定光纤(2)的中部，以光纤(2)被夹持器(3)固定的部分和光纤(2)的另一端作为两个端点的一段光纤构成光纤悬臂梁，探针(4)的一端与光纤悬臂梁的中部固定连接，光纤悬臂梁与探针(4)的夹角大于0度、小于180度，探针(4)的另一端上设置有触球(14)；
经光纤(2)的另一端出射的激光经物镜(5)准直，入射至分光镜(6)，入射至分光镜(6)的一部分激光被反射，另一部分激光经分光镜(6)透射；
被分光镜(6)反射的激光经第一收集透镜(7)聚焦后入射至第一光电探测器(8)的探测面；
经分光镜(6)透射的激光依次经过管镜(9)和扫描透镜(10)后，平行射入二维扫描振镜组(11)，经二维扫描振镜组(11)出射的激光经第二收集透镜(12)的聚焦后，入射至第二光电探测器(13)的探测面；
第一光电探测器(8)的量程大于第二光电探测器(13)的量程。
2.根据权利要求1所述的一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置，其特征在于：光纤(2)为单模光纤。
3.根据权利要求1所述的一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置，其特征在于：光纤悬臂梁与探针(4)的夹角为90度。
4.基于权利要求1所述的一种基于光束扫描探测的组合悬臂梁探针传感装置的传感方法，经光纤(2)的另一端出射的激光，一部分被聚焦入射至第一光电探测器(8)的探测面，另一部分被聚焦入射至第二光电探测器(13)的探测面；
当探针(4)接触被测物，第二光电探测器(13)探测面上的聚焦光斑的位置发生偏移时，完成一次传感；
其特征在于：当探针(4)接触被测物，聚焦光斑的位置偏移量大于第二光电探测器(13)的量程、小于第一光电探测器(8)的量程时，根据第一光电探测器(8)所探测到的聚焦光斑的位置偏移量，采用开环或闭环的方式控制二维扫描振镜组(11)，使经其出射的激光发生偏转，使第二光电探测器(13)探测到聚焦光斑、且该聚焦光斑的位置与光纤(2)的另一端同步移动。
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