CN108680117A - 一种激光传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光传感器，包括：激光发射器、成像透镜、图像传感器、支架和驱动电机，支架固定设置于驱动电机的电机轴上，驱动电机驱动支架相对电机轴轴心线摆动；激光发射器、成像透镜和图像传感器均固定设置于支架上、且成像透镜和图像传感器间隔设置于漫反射光的接收路径上；激光发射器发出的激光束投射于待测物体表面形成点状光斑，然后经待测物体表面向外反射形成漫反射光，成像透镜和图像传感器设置在电机轴轴心线的左侧或者右侧，漫反射光经成像透镜后投射于图像传感器上。该激光传感器的体积小、抗环境干扰能力强，检测可靠、准确。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光传感器。
背景技术
近年来激光技术迅猛发展，由于激光具有方向性好、亮度高、单色性好以及能量密度高等特点，因而激光三角测量技术广泛应用于工业生产、通讯、信息处理等领域，尤其在焊接、切割、测量等工业生产中应用更为广泛。
在测量物体距离、检测物体形貌的非接触测量过程中通常采用激光传感器进行测量，目前常用的激光传感器采用能投射出一个扇形光面的激光发射器在物体形貌上形成一道光斑，然后再采用图像传感器采集、分析该光斑。该类激光传感器在测量过程中，尤其是针对测量表面反光性强的待测物体，极易产生干扰现象，因而该类激光传感器应用受限。
激光传感器通常与执行系统配合使用，该类激光传感器在测量一个区域时，执行系统带动激光传感器前进，前进方向垂直于、或大致垂直于激光面，而一般的激光传感器是将成像透镜、图像传感器布置在前进的方向上，那么前进方向上的长度就较长。如果在待测物体前进方向的尽头存在障碍物，就很难完成前进方向上对待测物体所有形貌的测量，可达性差。
发明内容
本发明所需解决的技术问题是：提供一种抗环境光干扰能力强、体积小的激光传感器。
为解决上述问题，本发明采用的技术方案是：所述的一种激光传感器，包括：激光发射器、成像透镜、图像传感器、支架和驱动电机，支架固定设置于驱动电机的电机轴上，激光发射器、成像透镜和图像传感器均固定设置于支架上、且成像透镜和图像传感器间隔设置于漫反射光的接收路径上；激光发射器发出的激光束投射于待测物体表面形成点状光斑，然后经待测物体表面向外反射形成漫反射光，成像透镜和图像传感器设置在电机轴轴心线的左侧或者右侧，漫反射光经成像透镜后投射于图像传感器上。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，驱动电机驱动支架相对电机轴轴心线摆动时，激光发射器发出的激光束所在直线扫过一个扫描平面，成像透镜的主光轴与扫描平面共面。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，扫描平面垂直于电机轴轴心线。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，所用图像传感器采用线阵感光元件，成像透镜的主光轴与扫描平面共面，扫描平面垂直于电机轴轴心线，并使线阵感光元件的感光线与扫描平面共面。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，在支架上还固定设置有接收光路折光元件；漫反射光经成像透镜后投射于接收光路折光元件上，然后经接收光路折光元件反射于图像传感器上；或者漫反射光投射于接收光路折光元件上，然后经接收光路折光元件反射后经成像透镜后投射于图像传感器上。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，在支架上还固定设置有发射光路折光元件，激光发射器发出的激光束投射于发射光路折光元件上，然后经发射光路折光元件反射于待测物体表面形成点状光斑。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，所述的成像透镜由第一成像透镜和第二成像透镜组成，图像传感器由第一图像传感器和第二图像传感器组成，第一成像透镜和第一图像传感器位于激光传感器的左侧，第二成像透镜和第二图像传感器位于激光传感器的右侧。
所述的第一图像传感器和第二图像传感器为线阵感光元件，第一成像透镜和第二成像透镜的主光轴均与扫描平面共面，第一图像传感器和第二图像传感器的感光线均与扫描平面共面。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，激光束所在直线与电机轴轴心线相交。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，所有跟随驱动电机轴摆动的元件集合的质心在电机轴轴心线上。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，所述的驱动电机为摆动电机，在摆动电机的电机轴上设置有用于测量电机轴摆动角度的角度检测器。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，所述的摆动电机为扇形电机，角度检测器为扇形编码器。
进一步地，前述的一种激光传感器，其中，激光发射器与激光功率控制器相连接，激光功率控制器控制激光发射器的点亮状态、熄灭状态及点亮亮度；图像传感器与检测信息处理器相连接。
本发明的有益效果是：该激光传感器抗环境干扰能力强，有效提高激光传感器的检测可靠性及准确性；此外该激光传感器在前进方向上的长度相比传统的激光传感器在前进方向上的长度要短。
附图说明
图1是本发明所述的一种激光传感器的第一种实施例的结构示意图。
图2是图1中右视方向的激光传感器与焊枪、工件配合使用的使用状态图。
图3是本发明所述的一种激光传感器的第二种实施例的结构示意图。
图4是本发明所述的一种激光传感器的第三种实施例的结构示意图。
图5是本发明所述的一种激光传感器的第四种实施例的结构示意图。
图6是本发明所述的一种激光传感器的第五种实施例的结构示意图。
图7是图6中右视方向的激光传感器与焊枪、工件配合使用的使用状态图。
具体实施方式
下面结合附图及优选实施例对本发明所述的技术方案作进一步详细的说明。
实施例一
如图1和图2所示，本实施例所述的一种激光传感器，包括：激光发射器1、成像透镜2、图像传感器3、支架20和驱动电机4，支架20固定设置于驱动电机4的电机轴上，激光发射器1、成像透镜2和图像传感器3均固定设置于支架20上、且成像透镜2和图像传感器3间隔设置于漫反射光的接收路径上。在实际使用过程中，支架20可以是一个固定元器件的支撑框架，也可以是一个将所有固定于支架20上的元器件罩盖包裹住的壳体。激光发射器1发出的激光束投射于待测物体100 表面形成点状光斑，然后经待测物体100表面向外反射形成漫反射光，成像透镜2和图像传感器3间隔设置于漫反射光的接收路径上。漫反射光经成像透镜2后投射于图像传感器3上。成像透镜2和图像传感器3设置在电机轴轴心线10的左侧或者右侧。通过激光束摆动扫描，就可以检测到待测物体100 表面的一条断面轮廓的形貌。这时需要采用复杂的面阵图像传感器。
驱动电机4驱动支架20相对电机轴轴心线10摆动时，激光发射器发出的激光束所在直线扫过一个扫描平面，如果成像透镜2的主光轴与扫描平面共面，经过透镜2所成的照射光斑的像就可以成在一条直线上，那么图像传感器3就可以采用一个线阵感光元件，线阵感光元件的感光线与扫描平面共面。
驱动电机4驱动支架20相对电机轴轴心线10摆动时，如果电机轴轴心线10垂直于激光发射器1发出的激光束所在直线扫过的平面，也可以降低待测物体100表面光斑的像与照射光斑自身位置对应关系的复杂性。
激光发射器1发出的激光束投射于待测物体100表面形成点状光斑，我们将这种激光发射器1称之为点激光，采用点激光扫描照射待测物体100表面，由于点状光斑的照射亮度远比线状光斑的照射亮度强，可以提高激光传感器的抗环境光干扰能力。
本实施例中所述的驱动电机4可以采用伺服电机，通过控制伺服电机中的电流方向实现电机轴的摆动，当然也可直接采用摆动电机。如图2所示，在摆动电机的电机轴上设置有用于测量电机轴摆动角度的角度检测器5，设置角度检测器5可以更好地了解、控制电机轴的摆动角度。
在实际测量过程中，不同待测物体100表面的反光度、凹凸程度等各不相同，因而针对不同待测物体100进行检测时，通常需要根据实际待测物体100表面形貌调整激光发射器1发出的激光束的亮度。本实施例中在激光传感器中还设置有激光功率控制器，激光发射器1与激光功率控制器相连接，激光功率控制器控制激光发射器1的点亮状态、熄灭状态及点亮亮度。通过激光功率控制器控制激光发射器1在检测单元曝光的时间段内才点亮。
激光传感器通常需要与执行系统配合使用，如图1和图2所示，这里以将该激光传感器固定设置于焊枪50上，通过该激光传感器跟踪焊缝信息为例进行说明，当然激光传感器的使用并不局限于焊缝跟踪。假设在激光发射器1投射距离方向上，检测范围是N点到F点，那么成像系统的视角仅为φ角即可，视野的范围主要是靠转角θ扩展的。假如需要检测的工件表面是从Po点到Pn点的范围，如果成像系统相对于工件截面固定，就需要把视角扩展为角Po-O-Pn，图像传感器3的镜头会复杂、庞大许多。另一方面，对于成像透镜2来说，N点的物距短，其像距就长；F点的物距长，其像距就短，那么可以将图像传感器3相对于成像透镜2呈倾斜状态布置，从而使得Z-F线段上的所有点均完善地成像，十分有利于提高检测精度。
不妨以原点过转动轴线（10）的坐标系表示检测点P的位置。设A点到P点的距离为h，则h可以由图像传感器（3）所判断的光斑成像位置为一地确定，那么在传感器坐标系下P(x,z)，根据坐标变换关系有：
x = h*sinθ-W*cosθ
z = h*cosθ+ W*sinθ
可见，P点由h与θ唯一确定，亦即由光斑成像位置与转角θ唯一确定。其中，转角θ可由转角检测元件得知，h可由图像传感器中光点p的位置得知。
在实际操作中，激光传感器的回转中心可以根据实际需求进行选择，一般有三种方式：
第一种方式：为了简化求解P点位置的解算过程，可以使电机轴轴心线与激光束所在直线相交，参见图1所示两者相交于A点，此时回转中心选择A点。
第二种方式：为了简化求解P点位置的解算过程，也可以使电机轴轴心线与成像透镜2主光轴相交，参见于图2所示两者相交于C点，此时回转中心选择C点。
当然为了简化求解P点位置的解算过程，以及为图像传感器3采用线阵感光元件创造条件，可以在第一种方式或第二种方式的基础上做如下调整：使成像透镜2的主光轴与扫描平面共面，或者进一步再使线阵感光元件的感光线也与扫描平面共面。
图像传感器3可以是CCD器件，也可以是CMOS或其他种类的器件。特别地，该图像传感器3可以是线阵感光元件，因为沿着激光束形成的工件上的光斑必然呈一条直线，落在N-F线段上，其像也必然在一条直线上，只需将线阵感光元件所在直线与激光束扫过的平面共面，与两端的被测点所成像的位置共线，即可使所有检测点清晰成像。图像传感器采用线阵感光元件，可以比采用面阵感光元件大大提高处理速度。
第三种方式：对于激光传感器的回转中心的选择，有时候还需要考虑转动部分的惯性，选择将所有跟随驱动电机轴摆动的元件集合的质心与电机轴轴心线重合时，此时激光传感器的转动惯量最小，最有利于提高激光传感器的扫描频率。
在实际使用过程中可根据实际需求灵活选择三种方式中的其中一种。
实施例二
图3给出另一种实施例的结构示意图，如图3所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：在支架20上还固定设置有发射光路折光元件7，激光发射器1发出的激光束投射于发射光路折光元件7上，然后经发射光路折光元件7反射于待测物体100表面形成点状光斑。发射光路折光元件7可以采用反光镜、棱镜等弯折漫反射光，从而使激光传感器整体更加紧凑，进一步缩小激光传感器的整体体积。
实施例三
图4给出另一种实施例的结构示意图，如图4所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：在支架20上还固定设置有接收光路折光元件6，接收光路折光元件6的位置设置有两种方式：
第一种方式：接收光路折光元件6的位置设置保证：漫反射光经成像透镜2后投射于接收光路折光元件6上，然后经接收光路折光元件6反射于图像传感器3上。
第二种方式：接收光路折光元件6的位置设置保证：漫反射光投射于接收光路折光元件6上，然后经接收光路折光元件6反射后经成像透镜2后投射于图像传感器3上。
接收光路折光元件6可以采用反光镜、棱镜等弯折激光束，从而使激光传感器整体更加紧凑，进一步缩小激光传感器的整体体积。
实施例四
图5给出另一种实施例的结构示意图，如图5所示，本实施例与实施例一的不同之处在于：本实施例中采用两个成像透镜：第一成像透镜2-1和第二成像透镜，以及采用两个图像传感器：第一图像传感器3-1和第二图像传感器3-2。为方便描述，将激光传感器前进方向，即图2中Y轴的正方向，定义为“前”。其中第一成像透镜2-1和第一图像传感器3-1位于电机轴轴心线10的左侧，第二成像透镜2-2和第二图像传感器3-2位于电机轴轴心线10的右侧。第一成像透镜2-1和第二成像透镜2-2对称或接近对称设置于电机轴轴心线10两侧，相应地，第一图像传感器3-1和第二图像传感器3-2对称或接近对称地设置于电机轴轴心线10的两侧。
第一图像传感器和第二图像传感器采用线阵感光元件时，第一成像透镜和第二成像透镜的主光轴均与扫描平面共面，第一图像传感器和第二图像传感器的感光线均与扫描平面共面。
采用上述结构的设置，即便待测物体100存在表面反光性非常强、或者存在凹凸遮挡情况、或者图像传感器信号的信噪比较低等至少一种问题，只要有一个图像传感器能够得到良好的图像信息，也能稳定、准确地检测待测物体100的形貌。本实施例中利用发自同一点的两条光线计算待测物体100上的光斑位置，第一图像传感器3-1接收的漫反射光所在直线与第二图像传感器3-2的接受的漫反射光所在直线之间的夹角α比实施例一中的夹角β明显要大得多，通过α的两条夹边定位检测点，要比通过β的两条夹边定位检测点精度高，因而本实施例所述的激光传感器的检测精度也比实施例一的检测精度高。
实施例五
图6和图7给出另一种实施例的结构示意图，本实施例与实施例一的不同之处在于：为了进一步缩小激光传感器的整体体积，摆动电机可以采用扇形电机，角度检测器可以采用扇形编码器，或者采用扇形电机与扇形光电编码器结合为一体的紧凑结构，这样可以在激光传感器体积并不增大的条件下，把扇形光电编码器的刻度圆盘半径做得较大，以便提高测角精度。参见图6和图7所示，扇形电机的转子简化为扇形线圈4-2，扇形电机的定子也可以简化为扇形磁铁4-1，扇形光电编码器的固定部分为光电检测头5-1，光电检测头5-1可以采用反射式光栅信息探测器。扇形光电编码器的转动部分为扇形光栅5-2。
以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明要求保护的范围。
本发明的优点是：该激光传感器抗环境干扰能力强，有效提高激光传感器的检测可靠性及准确性；此外该激光传感器在前进方向上的长度相比传统的激光传感器在前进方向上的长度要短。
Claims (13)
1.一种激光传感器，包括：激光发射器、成像透镜和图像传感器，其特征在于：还包括支架和驱动电机，支架固定设置于驱动电机的电机轴上，驱动电机驱动支架相对电机轴轴心线摆动；激光发射器、成像透镜和图像传感器均固定设置于支架上、且成像透镜和图像传感器间隔设置于漫反射光的接收路径上；激光发射器发出的激光束投射于待测物体表面形成点状光斑，然后经待测物体表面向外反射形成漫反射光，成像透镜和图像传感器设置在电机轴轴心线的左侧或者右侧，漫反射光经成像透镜后投射于图像传感器上。
2.按照权利要求1所述的一种激光传感器，其特征在于：驱动电机驱动支架相对电机轴轴心线摆动时，激光发射器发出的激光束所在直线扫过一个扫描平面，成像透镜的主光轴与扫描平面共面。
3.按照权利要求1所述的一种激光传感器，其特征在于：驱动电机驱动支架相对电机轴轴心线摆动时，激光发射器发出的激光束所在直线扫过的扫描平面垂直于电机轴轴心线。
4.按照权利要求3所述的一种激光传感器，其特征在于：所述的图像传感器为线阵感光元件，成像透镜的主光轴与扫描平面共面，线阵感光元件的感光线与扫描平面共面。
5.按照权利要求1、2或3所述的一种激光传感器，其特征在于：在支架上还固定设置有接收光路折光元件；漫反射光经成像透镜后投射于接收光路折光元件上，然后经接收光路折光元件反射于图像传感器上；或者漫反射光投射于接收光路折光元件上，然后经接收光路折光元件反射后经成像透镜后投射于图像传感器上。
6.按照权利要求1、2或3所述的一种激光传感器，其特征在于：在支架上还固定设置有发射光路折光元件，激光发射器发出的激光束投射于发射光路折光元件上，然后经发射光路折光元件反射于待测物体表面形成点状光斑。
7.按照权利要求1所述的一种激光传感器，其特征在于：所述的成像透镜由第一成像透镜和第二成像透镜组成，图像传感器由第一图像传感器和第二图像传感器组成，第一成像透镜和第一图像传感器位于激光传感器的左侧，第二成像透镜和第二图像传感器位于激光传感器的右侧。
8.按照权利要求7所述的一种激光传感器，其特征在于：所述的第一图像传感器和第二图像传感器为线阵感光元件，第一成像透镜和第二成像透镜的主光轴均与扫描平面共面，第一图像传感器和第二图像传感器的感光线均与扫描平面共面。
9.按照权利要求1、2、3或5所述的一种激光传感器，其特征在于：激光束所在直线与电机轴轴心线相交。
10.按照权利要求1、2、3或5所述的一种激光传感器，其特征在于：所有跟随驱动电机轴摆动的元件集合的质心在电机轴轴心线上。
11.按照权利要求1所述的一种激光传感器，其特征在于：所述的驱动电机为摆动电机，在摆动电机的电机轴上设置有用于测量电机轴摆动角度的角度检测器。
12.按照权利要求11所述的一种激光传感器，其特征在于：所述的摆动电机为扇形电机，角度检测器为扇形编码器。
13.按照权利要求1所述的一种激光传感器，其特征在于：激光发射器与激光功率控制器相连接，激光功率控制器控制激光发射器的点亮状态、熄灭状态及点亮亮度；图像传感器与检测信息处理器相连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |