CN106352801B - 一种激光三角位移传感器及其非线性误差的修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光三角位移传感器及其非线性误差的修正方法，属于光电测量技术领域、包括半导体激光器、聚焦透镜组、接收透镜组、光电探测器和信号处理电路，半导体激光器和聚焦透镜组共轴，与被测目标依次排列，共同组成发射端，接收透镜组和光电探测器依次排列，信号处理电路和光电探测器相连，用于对光电探测器接收的电信号进行处理并得到被测物体的位移。本发明中的激光三角位移传感器具有非常高的位移测量精度，不仅能对普通散射物体的位移进行测量，而且能够测量镜面反射物体的位移，同时，本发明在接收透镜组中，对透镜使用了倾斜或偏心的处理，从原理上修正了其非线性误差，为改善其分辨率的不均匀问题提供了一个经济有效的方法。

Description

一种激光三角位移传感器及其非线性误差的修正方法

技术领域

本发明涉及一种激光三角位移传感器及其非线性误差的修正方法，属于光电测量技术领域。

背景技术

基于激光三角测距原理的位移传感器，具有非接触、高精度、高可靠性等明显优势。目前，国内对激光三角测距方法进行了很多的探索，如中国专利CN201180015367.5、CN200610149518.7和CN200820151430.3，都采用了垂直物体表面照射，从侧面接收的形式进行测量，对表面散射特性良好的物体的位移可以精准测量，而对镜面反射很强的物体的位移不能精准测量。

传统激光三角测量法中，光电探测器上的光斑中心位置变化和物体位移并非线性关系，非线性误差较大，以往的设计对非线性误差进行了补偿，包括查表法和公式法，需要反复进行大量计算和实验，补偿效果不明显。由于此种光学系统本身固有的非线性和不对称性，加上被测物体在光电探测器上的放大倍率不相同，不可避免的存在非线性误差，表现为分辨率在量程范围内不均匀。

经过检索发现，有专利对上述问题进行了研究，包括中国专利CN200810070652.7，公开了一种离轴旋转对称激光三角位移传感器；以及中国专利CN201510774687.9，公开了可抑制激光漂移和表面倾斜的对称式激光位移传感器；两者均采用了对称结构来抵消非线性误差，提高检测精度。中国专利CN201110004063.0，公开了激光三角测距传感器，其采用了非轴对称镜片对激光三角测距传感器的非线性误差进行了补偿；但是上述方法均存在分辨力均匀性补偿不足、成本太高，难以加工、装配等问题。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了一种简单且便于实现的激光三角位移传感器及其非线性误差修正方法，可从原理上修正分辨率不均匀的问题，且不用增加制造和装配成本。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：一种激光三角位移传感器，包括半导体激光器、发射透镜组、接收透镜组、光电探测器和信号处理电路；所述半导体激光器与发射透镜组以共轴方式依次排列，位于被测物体的前端，形成发射端；所述接收透镜组、光电探测器设置于反射端，反射端与发射端处于同一平面内，且信号处理电路与光电探测器相连，所述半导体激光器发射的激光束经过发射透镜组聚焦后，斜射入被测物体的三个位置A₀、B₀和C₀，且位置A₀、B₀和C₀反射和散射的光线经过接收透镜组接收后，照射在光电探测器上相对应的光斑位置A₁、B₁和C₁。

作为优选，所述发射透镜组由共轴的若干片透镜和滤光片A组成，在本专利实施过程中，所述发射透镜组由准直透镜、聚焦透镜和滤光片A组成，当然也可以根据实际应用的具体情况和使用需要，发射透镜组可采用其它数量的透镜组成。

作为优选，所述接收透镜组包括由滤光片B、反光镜和若干片球面或者非球面透镜呈非轴对称依次排列；

作为优选，所述接收透镜组中的若干片球面或者非球面的透镜相对于主光轴baˊ倾斜或者偏心设置；本专利中接收透镜组中的一片球面或者非球面的透镜相对于主光轴baˊ倾斜或偏心设置，这样的设置分别等效于增加若干柱面镜和棱镜，有益效果是，将变形的椭圆形光斑校正为对称的圆形光斑，从而达到修正非线性误差的目的。

作为优选，所述发射透镜组的主光轴aaˊ、接收透镜组的主光轴baˊ分别与被测物体相交，其夹角α＝αˊ。

作为优选，所述光电探测器为线阵感光元件或者面阵感光元件，本发明中采用的感光元件，其体积小，重量轻而且性能好。

作为优选，所述信号处理电路用于对光电探测器接收的电信号进行处理并得到被测物体的位移，其具体包括FPGA/CPLD处理器、信号调理单元、模拟数字转换单元、串/并转换传输单元；所述信号调理单元和光电探测器连接以接收光电探测器的电信号，其输出端和模拟数字转换单元连接用以输出数字信号，FPGA/CPLD处理器用于对上述信号进行处理并得到被测物体的位移。

同时，本发明还提供了一种激光三角位移传感器的非线性误差的修正方法，包括以下步骤：

(1)半导体激光器发射的激光束经过准直透镜、聚焦透镜和滤光片A后，变成一束窄带的细激光斜射入被测物体的三个位置A₀、B₀和C₀，且位置A₀、B₀和C₀反射和散射的光线经过接收透镜组接收后，照射在光电探测器上相对应的位置A₁、B₁和C₁；

(2)将接收透镜组中的若干片透镜作倾斜或偏心处理，进行校准，得函数关系式F(s)＝a₀+a₁×s¹+a₂×s²+a₃×s³+…，其中：F(s)表示被测物体的位移，s表示光电探测器上的光斑位置，a₀、a₁、a₂、a₃为校准给出的多项式系数；

(3)经过步骤(2)的校准后，即可得到准确的被测物体的位移，即整个校正步骤完成。

本发明中将接收透镜组中的若干片透镜作倾斜或偏心处理，此技术在本领域应用较为罕见，因为现有技术中的一般镜头，如：照相物镜、鱼眼镜头、投影镜头、手机镜头，微距镜头、光刻镜头、监控镜头、远心镜头等都是采用对称结构，即所有透镜均采用无偏心、无倾斜、沿光轴对称的结构布置，因此，本发明中所采用的技术实现了一种新的非线性误差修正方法，达到了理想的校正效果。

本发明的有益效果：本发明的激光三角位移传感器，能实现超高精度0.01μm的微小位移测量，其测量精度比国内现有技术高1～2个数量级；光学发射系统、接收系统与物体表面的夹角相等，接收信号更强，对镜面反射和漫反射物体的位移测量均有非常好的效果；发射部分相当于激光聚焦系统，其光斑很小，在焦点处光斑直径仅为20um，可提高物体微小位移的测量精度；接收透镜组的主光轴baˊ、发射透镜组的主光轴aaˊ与被测物体夹角相等，使接收透镜组能接收更多的发射光能量，光电探测器的信噪比更高，进一步提高了激光三角位移传感器的测量精度；本发明中的光学系统设计余量较大，产品系列化能力和感光元件的兼容性较好；没有非对称的光学镜片，不用增加额外成本，只需简单调整光学系统的球面或者非球面的接收透镜位置，将其作倾斜或偏心摆放即可以修正光学系统的非线性误差。

本发明的三角位移传感器为斜射式激光位移传感器，能实现高精度的微小位移测量；不仅可以测量散射物体表面的位移，也可以测量镜面物体的位移，并且在不增加任何制造和装配成本的情况下，对接收透镜组中的镜片作相对倾斜或偏心处理，就可从原理上修正分辨率不均匀的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中部件I的局部放大图；

图3为采用本发明的非线性校正方法对非线性误差进行校正前和校正后与被测物体位移的对应关系；

其中：1.半导体激光器，2.准直透镜，3.聚焦透镜，4.滤光片A，5.位置A₀，6.位置B₀，7.位置C₀，8.滤光片B，9.接收透镜一，10.反光镜，11.接收透镜二，12.接收透镜三，13.接收透镜四，14.接收透镜五，15.光电探测器，16.光斑位置A₁,17.光斑位置B₁,18.光斑位置C₁,aaˊ为发射透镜组的主光轴，baˊ为接收透镜组的主光轴，ccˊ为接收透镜一的中心轴，α为发射透镜组的主光轴aaˊ与物体表面的夹角，αˊ为接收透镜组的主光轴baˊ与物体表面的夹角，d为接收透镜一的偏心量，β为接收透镜一的倾斜角。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，一种激光三角位移传感器，包括半导体激光器1、发射透镜组、接收透镜组、光电探测器15和信号处理电路；所述半导体激光器1与发射透镜组以共轴方式依次排列，位于被测物体的前端，形成发射端；所述接收透镜组、光电探测器15设置于反射端，反射端与发射端处于同一平面内，且信号处理电路与光电探测器15相连，所述半导体激光器1发射的激光束经过发射透镜组聚焦后，斜射入被测物体的三个位置A₀、B₀和C₀，在图上的标号为5、6、7，且位置A₀、B₀和C₀反射和散射的光线经过接收透镜组接收后，照射在光电探测器15上相对应的光斑位置A₁、B₁和C₁，在图上的标号为16、17、18。

所述发射透镜组由共轴的一片准直透镜2、一片聚焦透镜3和一片滤光片A4组成，当然也可以根据实际应用的情况和使用需要，发射透镜组可采用其它数量的透镜组成。

所述接收透镜组包括由一片滤光片B8、一片反光镜10和若干片球面或者非球面透镜呈非轴对称依次排列；且接收透镜组中的若干片球面或者非球面的透镜相对于主光轴baˊ倾斜或者偏心设置；在本专利中接收透镜组中包括五片式球面玻璃镜片，即接收透镜一、二、三、四和五，在图上标号为9，11，12，13，14，采用五片式球面玻璃镜片作为接收系统，且接收透镜一9倾斜或偏心设置，这样的设置分别等效于增加若干柱面镜和棱镜，有益效果是，将变形的椭圆形光斑校正为对称的圆形光斑，从而达到修正非线性误差的目的。

所述发射透镜组的主光轴aaˊ、接收透镜组的主光轴baˊ分别与被测物体相交，其夹角α＝αˊ。

所述光电探测器为线阵感光元件或者面阵感光元件，本发明中采用的感光元件，其体积小，重量轻而且性能好。

所述信号处理电路用于对光电探测器接收的电信号进行处理并得到被测物体的位移，其具体包括FPGA/CPLD处理器、信号调理单元、模拟数字转换单元、串/并转换传输单元；所述信号调理单元和光电探测器连接以接收光电探测器的电信号，其输出端和模拟数字转换单元连接用以输出数字信号，FPGA/CPLD处理器用于对上述信号进行处理并得到被测物体的位移。

同时本专利公开了一种激光三角位移传感器非线性误差修正方法：如图1所示，半导体激光器1发射的激光束，经过准直镜2、聚焦透镜3和滤光片A4后，变成了一束窄带的细激光斜射到被测物体上的三个位置A₀、B₀和C₀，即标号5、6、7；由于发射透镜组的主光轴aaˊ和接收透镜组的主光轴baˊ分别和被测物体上的三个位置A₀、B₀和C₀相交，且其夹角α和αˊ相等，所以被测物体的反射光和散射光都能被接收透镜组收集到，此为本发明的高精度三角位移传感器的突出优点。被测物体上的三个位置A₀、B₀和C₀的反射和散射的光线经过接收透镜组接收后，照射在光电探测器15上相对应的光斑位置A₁、B₁和C₁，即标号16、17、18；将接收透镜组中的接收透镜一9作倾斜或偏心处理，进行校准，得函数关系式F(s)＝a₀+a₁*s+a₂*s²+a₃*s³+a₄*s⁴+…，其中F(s)表示物体的位移，s表示光电探测器上的光斑位置，a₀、a₁、a₂、a₃…为校准给出的多项式系数。

如图2所示，为本发明的优选方案，其公开了本发明的光学元器件的倾斜或偏心的布置方式。滤光片B8是沿光学系统的主光轴旋转对称的，此种布置方式称之为非倾斜布置，同时，滤光片B8的光心，此处可认为是几何中心，在光学系统的主光轴上，此种布置方式称之为非偏心布置；接收透镜一9的布置方式正好与滤光片B8的上述布置方式相反，称为倾斜或偏心布置；其中，d为接收透镜一9的偏心量，β为接收透镜一9的倾斜角。

如图3所示，为采用本发明中提出的非线性校正方法对非线性误差进行校正前和校正后与被测物体位移的对应关系。根据三角位移传感器的原理，被测物体上的位置A₀、B₀和C₀与光电探测器上的光斑位置A₁、B₁和C₁相对应，通过标定后即可以得出两者的函数关系式，通过读出光电探测器上的光斑位置即可以算出被测物体的相对位移。

实际应用中，如果不对光电探测器上的光斑位置与被测物体位置的非线性关系加以修正，将产生很大的系统误差，如图3中非线性误差拟合曲线T1(无补偿)所示。

而使用本发明提出的方法，将若干透镜作适当的倾斜或偏心处理后，就可以实现对其非线性误差的补偿，补偿结果如图3中非线性误差拟合曲线T2(球面或非球面的倾斜或偏心补偿)所示。此种修正方法，均采用价格低廉的普通球面或非球面镜片，不需要使用昂贵的非对称光学镜片，加工难度、制造成本都具有明显的优势。

Claims (8)

1.一种激光三角位移传感器，包括半导体激光器(1)、发射透镜组、接收透镜组、光电探测器(15)和信号处理电路；所述半导体激光器(1)与发射透镜组以共轴方式依次排列，位于被测物体的前端，形成发射端；所述接收透镜组、光电探测器(15)设置于反射端，反射端与发射端处于同一平面内，且信号处理电路与光电探测器(15)相连，其特征在于，所述半导体激光器(1)发射的激光束经过发射透镜组聚焦后，斜射入被测物体的三个位置A₀、B₀和C₀(5，6，7)，且位置A₀、B₀和C₀(5，6，7)反射和散射的光线经过接收透镜组接收后，照射在光电探测器(15)上相对应的光斑位置A₁、B₁和C₁(16，17，18)；

所述接收透镜组包括由滤光片B(8)、反光镜(10)和若干片球面或者非球面透镜呈非轴对称依次排列；所述发射透镜组的主光轴aaˊ、接收透镜组的主光轴baˊ分别与被测物体相交，其夹角α＝αˊ；所述接收透镜组中的若干片球面或者非球面的透镜相对于主光轴baˊ倾斜或者偏心设置。

2.根据权利要求1 所述的激光三角位移传感器，其特征在于，所述接收透镜组中的一片球面或者非球面的透镜相对于主光轴baˊ倾斜或偏心设置。

3.根据权利要求2所述的激光三角位移传感器，其特征在于，所述接收透镜组中包括五片式球面玻璃镜片，即接收透镜一、二、三、四和五(9，11，12，13，14)，采用五片式球面玻璃镜片作为接收系统，且接收透镜一(9)倾斜或偏心设置。

4.根据权利要求1所述的激光三角位移传感器，其特征在于，所述发射透镜组由共轴的若干片透镜和滤光片A(4)组成。

5.根据权利要求4所述的激光三角位移传感器，其特征在于，所述发射透镜组由准直透镜(2)、聚焦透镜(3)和滤光片A(4)组成。

6.根据权利要求1所述的激光三角位移传感器，其特征在于，所述光电探测器为线阵感光元件或者面阵感光元件。

7.根据权利要求1所述的激光三角位移传感器，其特征在于，所述信号处理电路用于对光电探测器(15)接收的电信号进行处理并得到被测物体的位移。

8.一种激光三角位移传感器的非线性误差的修正方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)半导体激光器(1)发射的激光束经过准直透镜(2)、聚焦透镜(3) 和滤光片A(4)后，变成一束窄带的细激光斜射入被测物体的三个位置A₀、B₀和C₀(5，6，7)，且位置A₀、B₀和C₀(5，6，7)反射和散射的光线经过接收透镜组接收后，照射在光电探测器(15)上相对应的位置A₁、B₁和C₁(16，17，18)；

(2)将接收透镜组中的若干片透镜作倾斜或偏心处理，进行校准，得函数关系式F(s)＝a₀+a₁×s¹+a₂×s²+a₃×s³+…，其中：F(s)表示被测物体的位移，s表示光电探测器上的光斑位置，a₀、a₁、a₂、a₃为校准给出的多项式系数；

(3)经过步骤(2)的校准后，即可得到准确的被测物体的位移，即整个校正步骤完成。