CN107816940B - 一种用于激光平面扫描网络空间定位系统的全范围光电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电传感器领域，具体涉及了一种应用于激光平面扫描网络空间定位系统的全范围光电传感器，所述传感器包括固定座组件、传感器基体、光电池阵列、滤光玻璃罩、端盖以及信号处理电路板。所述光电池阵列粘贴在传感器基体上，并装入由滤光玻璃罩、固定座组件和端盖组成的密封装置中，所述的固定座组件由安装座主体和螺纹底座组成，并构成了安放信号处理电路板的空腔，通过安装座主体上的内孔引出所述的光电池阵列引线,并与信号处理电路板连接。本发明能够对光电池阵列进行保护，且由光电池阵列构成的多边形柱体感光表面可在空间任何位置接受发射机发出的激光信号，解决了平面型光电传感器测量范围小于180°的问题，实现了全范围测量功能。

Description

一种用于激光平面扫描网络空间定位系统的全范围光电传 感器

技术领域

本发明涉及光电传感器领域，特别涉及了一种应用于激光平面扫描网络空间定位系统的全范围光电传感器。

背景技术

光电传感器利用光电转换原理把各种光信号转变成为电信号，具有非接触、响应快、效率高等优点，能将难以直接检测的各种物理信号，如光强、光照度、辐射强度等，转化为可量化和监控的电信号。在激光测量领域中，光电传感器主要作用是探测激光信号强度，并将其转化为可检测电信号，经过后续算法得到长度、位置等信息。本发明的传感器主要用在激光平面扫描网络空间定位系统当中(见专利：双旋转激光平面发射机网络的空间定位方法。申请号：200810150383.5)。

该系统是一种类似GPS定位系统的大尺寸测量系统，利用空间角度交会测量原理计算空间点三维坐标，与其他测量技术相比，具有效率高、不易丢光、扩展性良好等优点。激光平面扫描网络空间定位系统主要由发射机和光电传感器两部分组成。其中，光电传感器部分主要作用是接受每台发射机发出的高速旋转的激光平面，并将接收到的光信号转化为脉冲信号。

作为激光信号的接收端，传感器的入射光角度决定了系统的测量范围和发射机的摆放位置。目前，光电传感器主要由单个光电池和相应的电路组成，光电池封装通常为 TO-8、TO-5以及TO-52等，但这类封装的入射角一般小于120°。当接受角度小于180°时，传感器接受发射机发出的激光平面个数将会减少，不仅影响了测量精度，而且会使测量空间存在大范围的空间测量盲区。同时，通过增加光电池片数增大入射角度的方式，其难点在于在测量空间的任意方向上，需要保证传感器输出的信号的对称性以及所测特征点位置不变。

发明内容

本发明是鉴于上述问题而作出的，其目的在于提供了一种新型结构的光电传感器，利用有序排布的光电池阵列，达到接收空间360°范围内激光扫描的能力，解决现有光电传感器入射角度小于180°的问题，在保证系统测量精度不变的前提下，减少空间测量盲区，提高系统的测量范围。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种应用于激光平面扫描网络空间定位系统的全范围光电传感器，主要包括：固定座组件、传感器基体、光电池阵列、滤光玻璃罩、端盖以及信号处理电路板；

进一步，所述的传感器密闭封装主要由安装座组件、滤光玻璃罩以及端盖构成；光电池阵列放置在密闭封装中，并固定在传感器基体上，以避免光电池表面刮花、积灰而引起的信号畸变；

进一步，所述的传感器安装座组件主要由螺纹底座和主安装座组成，其中，螺纹底座上的长螺纹可与被测工件牢固连接，在使用过程中，方便拆卸；

进一步，所述传感器基体为正16边柱体，使传感器光感面近似圆柱表面，避免扫描激光入射角度的差异性；

进一步，传感器基体材料选用黄铜制成，以黄铜作为衬底，可减少阴极引线输出内阻，保证了输出模拟信号的准确度；

进一步，使用导电银浆作为粘结剂，将光电池组和柔性PCB衬底粘合在一起；在粘贴过程中，使用私网印刷工艺保证涂层均匀性；固化后，导电膜厚为0.05mm-0.06mm；

进一步，所述的光电池组输出信号经信号放大电路、动态阈值电压比较电路，最终转化为脉冲信号；其中，动态阈值电压作为比较电路的参考电平，可根据环境光变化而改变，可适应环境光突变的情况。

综上所述，本发明具有以下有益效果：

(1)采用多片光电池组成的正多边形柱体感光面，可接收来自空间全范围的不同发射机发出激光平面信号，其测量范围达360°，减少系统空间测量盲区，提高了系统测量范围。

(2)采用导电银浆作为光电池组与柔性PCB衬底之间的粘合材料，避免传统高温焊接工艺对光电池的损害；

(3)采用丝网印刷技术可控制导电膜厚均匀且厚度小于0.1mm，避免了由光电池片与片之间的间隙带来的测量误差，保证了传感器的信号输出精度；

(4)利用动态阈值电压作为电压比较电路的参考电平，使传感器具有很强的环境光抗干扰能力。

附图说明

图1为全范围光电传感器内部全剖示意图；

图2是全范围光电传感器装置的信号采集电路原理图；

下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明做进一步说明。

参照图1，一种应用于激光平面扫描网络空间定位系统的全范围光电传感器包括传感器安装座组件，其安装座组件由螺纹底座101和安装座主体102组成，螺纹底座101内部凹槽与安装座主体102安装槽紧配合，构成用于放置信号处理电板2的密闭空腔103；安装座主体102上方固定有传感器基体3，传感器基体3的下端通过螺纹与安装座主体102所开螺纹孔连接；安装座主体102上端固定安装了滤光玻璃罩5，滤光玻璃罩5下端与安装座主体102上开的环形浅槽配合，滤光玻璃罩5上端内径与端盖6的凸台外圆配合；端盖6中心开有定位孔，埋头螺钉7穿过定位孔与传感器基体3连接固定，限制滤光玻璃罩5径向移动；安装座组件、滤光玻璃罩5、端盖6以及沉头螺钉7构成传感器密闭封装。滤光玻璃罩5内部封装了光电池阵列，光电池阵列包括光电池组401、铜箔环402、柔性PCB衬底403、引线铜座404；其中，柔性PCB衬底403通过背胶粘贴固定在传感器基体3上，光电池组401的引线通过传感器基体3上的内孔引出并与信号处理电板2相连接，并选用航插8作为信号输出端，与后端器件连接。

所述螺纹底座101的长螺纹可与被测工件牢固连接，结构简单，安装牢固。信号处理电板2上开有定位孔，通过螺纹连接固定安装在螺纹底座101凹槽内部的螺纹孔上。

所述的滤光玻璃罩5为带通滤光玻璃罩，其带通中心频率为850nm，与发射机发出的激光平面波长相同，测量过程中，可有效阻止可见光的影响。

发射机发出的激光信号以一定的速度扫过传感器表面，传感器电流输出与所受光照面积成线性关系。在测量过程中，需要保证输出信号波形对称性才能正确提取传感器的特征位置点，理想的圆柱型感光面在任意投影方向都具有严格的对称型，输出波形同样对称，但目前制造工艺无法满足要求。为了增强正多型柱体光电池组输出信号波形的对称性，传感器基体3设计为正十六边柱体，基体边长精度为0.05mm，近似为圆柱体感光表面，避免输出信号不对称性引起的系统测量误差。

传感器基体3材料选用黄铜，黄铜衬底导电性优良、过电流横截面积大，与传统阴极引线方式相比，减少了引线内阻，增加了输出模拟信号的准确度。

光电池组401与柔性PCB衬底之间存在一层由导电银浆固化而成的均匀导电膜，且导电膜厚为0.05mm-0.06mm。导电银浆可在常温下固化，避免了高温焊接对光电池组的损害，提高了传感器制作的合格率。在装配光电池时，选择丝网印刷工艺将导电银浆均匀涂在基体表面，用专用夹具将光电池固定在柔性PCB衬底表面，最后在130°中温环境下，固化30分钟，保证导电膜粘结牢固，且膜厚均匀。

参照图2，传感器输出的电流信号由信号采集电路进行信号调理，通过调节电阻R1和电容C1使前置放大电路具有合适的带宽增益，将微弱的电流信号不失真的转化为电压信号；调节电阻RT1改变一级放大电路的放大倍数，将信号放大到合适幅值供后级电路处理。经过放大后的电压信号分成两个部分，一部分通过电阻R5直接进入电压比较器U4 的正向输入端；另外一部分通过C2和R8组成的RC滤波电路，滤除100HZ的工频干扰和激光信号后，保留环境光带来的直流分量，通过调节电阻RT2，放大直流分量，将其作为比较电路的参考电压，并将其输入到比较器U4的反向输入端；两部分信号通过比较器U4 的电压比较后输出脉冲信号，并传入到前端处理器进行算法计算。比较器中的参考电压跟随环境光的变化而改变，有效的避免了因环境光突变引起的脉冲信号丢失问题。

Claims (3)

1.一种用于激光平面扫描网络空间定位系统的全范围光电传感器，其特征在于：

传感器安装座组件由螺纹底座(101)和安装座主体(102)组成；所述螺纹底座(101)内部凹槽与安装座主体(102)安装槽紧配合，构成用于放置信号处理电板(2)的密闭空腔(103)；

所述安装座主体(102)上固定有传感器基体(3)，所述传感器基体(3)为正十六边柱体，所述传感器基体为导电黄铜制成；所述安装座主体(102)还安装了滤光玻璃罩(5)，所述滤光玻璃罩(5)套设在所述传感器基体(3)外，所述滤光玻璃罩(5)的一端与安装座主体(102)上开的环形浅槽配合，滤光玻璃罩(5)的另一端与端盖(6)配合连接；

所述滤光玻璃罩(5)内部封装了光电池阵列，光电池阵列包括光电池组(401)、铜箔环(402)、柔性PCB衬底(403)和引线铜座(404)，所述光电池组(401)包括设置在所述正十六边柱体的每一个面上的光电池片，所述柔性PCB衬底(403)通过背胶粘贴在所述传感器基体(3)上，所述光电池组(401)的阴极铜片与柔性PCB衬底之间存在一层由导电银浆固化而成的均匀导电膜，所述导电膜作为光电池阵列的阴极；所述光电池组(401)的阳极层外套铜箔环(402)作为光电池阵列的阳极；所述光电池组(401)的引线通过传感器基体(3)上的内孔引出并与信号处理电板(2)相连接；

所述螺纹底座(101)的侧壁上还开设有信号输出安装孔，所述信号输出安装孔内安装有航插(8)，所述航插(8)与所述信号处理电板(2)电连接，所述航插(8)为信号输出端，所述螺纹底座上的长螺纹与被测工件连接。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述端盖(6)中心开有螺纹孔，埋头螺钉穿过所述螺纹孔与所述传感器基体(3)固定连接对所述滤光玻璃罩(5)进行定位。

3.根据权利要求2所述传感器，其特征在于，所述导电膜是由双组成分导电银胶固化而成，固化膜厚度小于光电池片厚度；所述铜箔环(402)通过点焊的方式与所述光电池组(401)所有光电池的阳极连接；光电池组的阴极和阳极分别通过铜导线引出。

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