CN108759680A - 一种光学位移传感器装置及使用上述传感器装置的测量尺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测量技术领域，具体为一种光学位移传感器装置及使用上述传感器装置的测量尺，其能够用于透明溶液进行测量，并且满足高精度要求，一种光学位移传感器装置，其包括光源部和成像部，光源部包括单色光源和准直透镜，准直透镜用于将单色光源发出的光变成平行光，成像部包括顺次布置的成像透镜、光阑和CCD传感器，CCD传感器将接收到的光信号转化为用于位移测量的电信号，光源部和成像部外部设置有密封罩，使用上述光学位移传感器装置的测量尺包括定尺和动尺，动尺包括设置于定尺一侧的光源部和设置于定尺另一侧的所述成像部或者动尺包括设置于一个密封罩内的光源部、半反半透镜、成像部，动尺设置于定尺上方。

Description

一种光学位移传感器装置及使用上述传感器装置的测量尺

技术领域

本发明涉及测量技术领域，可用于小尺度上的位移精确测量，具体为一种光学位移传感器装置及使用上述传感器装置的测量尺。

背景技术

目前市场上有多种类型的数显游标卡尺，主要采用的传感器有：容珊位移传感器、磁珊位移传感器、电涡流位移传感器、磁阻位移传感器等，上述几种传感器对于使用要求相对较低，如磁珊位移传感器可以在不同的液体介质使用，因为大多数的介质磁导率都相近，相对于上述的几种传感器，基于光学的位移传感器一般都用于精度更高的场合，但其对于环境的要求也是比较苛刻，由于光路存在折射现象，现在的光学位移传感器一般都无法应用于水油等介质内进行精确的位移测量。

发明内容

为了解决无法应用在透明溶液内进行精确测量的问题，本发明提供了一种学位移传感器装置及使用上述传感器装置的测量尺，其能够用于透明溶液进行测量，并且满足高精度要求。

其技术方案是这样的：一种光学位移传感器装置，其包括光源部和成像部，其特征在于，所述光源部包括单色光源和准直透镜，所述准直透镜用于将所述单色光源发出的光变成平行光，所述成像部包括顺次布置的成像透镜、光阑和CCD传感器，所述CCD传感器将接收到的光信号转化为用于位移测量的电信号，所述光源部和所述成像部外部设置有密封罩。

其进一步特征在于，所述单色光源为LED单色光源，所述准直透镜包括设置于前端的均匀准直透镜和后端的聚光准直透镜；

所述均匀准直透镜与所述聚光准直透镜之间设置有遮光板；

所述光源部和所述成像部处于同一中心线布置，；

所述光源部的中心线与所述成像部的中心线相垂直，所述光源部的中心线与所述成像部的中心线的交点处设置有与所述中心线呈45度夹角的半反半透镜。

一种使用上述光学位移传感器装置的测量尺，其包括定尺和动尺，其特征在于，所述动尺包括设置于一个所述密封罩内的所述光源部、半反半透镜、成像部，所述动尺设置于所述定尺上方，所述定尺的尺面上设置有测量标记，所述单色光源发出并透过所述半反半透镜的光与所述定尺的尺面垂直。

其进一步特征在于，所述定尺的尺面上镀有一排金属片或尺面上设有粗糙纹路。

一种使用上述光学位移传感器装置的测量尺，其包括定尺和动尺，其特征在于，所述动尺包括设置于所述定尺一侧的所述光源部和设置于所述定尺另一侧的所述成像部，所述定尺本体为透明结构且尺面上设置有测量标记，所述单色光源发出并透过所述准直透镜的光与所述定尺的尺面垂直。

其进一步特征在于，所述定尺的尺面上镀有一排金属片。

其更进一步特征在于，所述金属片包括至少三种不同宽度，其中最小宽度的金属片为周期分割线，相邻的两片最小宽度的金属片之间间距排布其余宽度的至少两片金属片形成一个测量周期，所述定尺上均匀分布多个所述测量周期。

采用本发明的测量尺后，由于动尺密封设置，且单色光源发出的光垂直照射到定尺尺面，不会发生折射，实现了在透明溶液进行测量，光经过定尺反射或者透过定尺后经由成像透镜和光阑，最后成像在CCD传感器上，当动尺相对定尺移动一定距离时，其成像在CCD传感器上也跟着移动相对应的位移光信号，将采集到的位移光信号转化为电信号即可实现位移测量，满足了高精度要求。

附图说明

图1为本发明测量尺第一种结构示意图；

图2为本发明测量尺第二种结构示意图；

图3为测量尺第一种结构下的光路原理图；

图4为测量尺第二种结构下的光路原理图；

图5为CCD传感器所接收的光强与CCD光敏元位置的关系图一；

图6为CCD传感器所接收的光强与CCD光敏元位置的关系图二；

图7为图像处理流程图。

具体实施方式

实施例一：见图1所示，一种使用上述光学位移传感器装置的测量尺，其包括定尺和动尺，动尺包括设置于一个密封罩内的光源部、半反半透镜5、成像部，成像部包括顺次布置的成像透镜6、光阑7和CCD传感器8，动尺设置于定尺9上方，定尺9的尺面上设置有测量标记，光源部包括顺次布置的单色光源1、均匀准直透镜2、遮光板3和聚光准直透镜4，单色光源1发出并透过半反半透镜5的光与定尺9的尺面垂直，均匀准直透镜2用于将单色光源发出的光变成平行光，半反半透镜5将经过聚光准直透镜4的平行光一半透过射到定尺9上再反射到成像透镜8上面，为了提高成像效果，这边的单色光源1采用LED单色光源，其具有体积小、亮度高、省电、单色性好等优点，体积小可以方便对其光线经行均匀准直化；亮度高可以提供足够强的光照，减少CCD成像的积分时间以提高响应速度；单色性好可以避免光线经过透镜后发生色散而使成像模糊，聚光准直透镜4采用并排布置的几个形成聚光准直透镜组，光阑7的作用一是滤掉杂散光，二是矫正透镜的球差，让成像更清晰，光阑7的孔径可调，CCD传感器8将接收到的光信号转化为用于位移测量的电信号，可以采用线性CCD，其具有自扫描、高分辨率、高灵敏度、结构紧凑及像素位置准确等特性。定尺的尺面上镀有一排金属片或尺面上设有粗糙纹路，金属片可以是任意的几何图形图案，一般选择为矩形金属片，可以等间距排放或者不等间距排放，如果定尺的尺面有粗糙纹路，只需要能够识别移动轨迹，也可以不镀金属片。

光路见图3所示，当动尺相对定尺移动距离为△S时，其成像在CCD传感器上移动了位移p，通过位移p进行处理即可得到动尺相对定尺移动距离为△S，相当于得到位移测量值。

实施例二：一种使用上述光学位移传感器装置的测量尺，其包括定尺9和动尺，动尺包括设置于定尺一侧的光源部和设置于定尺另一侧的成像部，定尺本体为透明结构且尺面上设置有测量标记，单色光源2发出并透过准直透镜的光与定尺9的尺面垂直，其余的设置与实施例一相同。定尺9的尺面上镀有一排金属片。

其光路见图4所示，同样的当动尺相对定尺移动距离为△S时，其成像在CCD传感器上移动了位移p，通过位移p进行处理即可得到动尺相对定尺移动距离为△S，相当于得到位移测量值。

下面对测量精度作进一步分析：

设CCD传感器上光敏元中心间距为d，测量时标记物移动的光敏元数为n，成像透镜的焦距为f,根据成像放大的倍数设置光阑与CCD传感器的距离L。测量移动前的位置值为S0（即动尺相对定尺移动前的位置），移动后的位置值为S，

则测量时移动的距离为：

△S = nd f / L

当动尺远离零点移动时

S= S0+△S= S0 + nd f / L

当动尺靠近零点移动时

S= S0-△S= S0 - nd f / L ……①

显然，测量的精确度取决于CCD器件光敏元的间距d，从测量误差来看，d越小，误差越小。为了提高测量精度，宜选用中心间距小的CCD器件测量，或采用多次测量的平均值作为测量值。

本发明的光学系统测量精度可达±lum。CCD传感器作为光电传感器接收待测件的图像信号，并将待测件的光学图像信号转换为视频信号，视频信号中每一个离散电压信号的大小对应该光敏元所接收光强的强弱(用y轴表示)，而信号输出的时序则对应CCD光敏元位置的顺序(用x轴表示)。则CCD传感器所接收的光强与CCD光敏元位置的关系如图五所示。视频信号输入高速数据采集卡，进行A／D变换，转换成数字信号，再用软件处理这些数据，得出标记物移动的光敏元数为n，进而得出测量的尺寸。

当动尺相对定尺移动前或移动后，标记物在CCD传感器上成像边缘落在半个或三分之一个光敏元上，即标记物的边缘覆盖非完整的光敏元，或者标记物成像移动非整数个光敏元。假设标记物从A点移到B点，如图六所示。

测量时移动的距离为：

△S = adf/hL+nd f / L+bdf/hL=((a+b)/h+n)df/L

当传感器远离零点移动时

S= S0+△S= S0 + ((a+b)/h+n)df/L

当传感器靠近零点移动时

S= S0-△S= S0 - ((a+b)/h+n)df/L ……②

单次测量时当出现标记物在CCD上成像边缘落在半个或三分之一个光敏元上，即标记物的边缘覆盖非完整的光敏元，或者标记物成像移动非整数个光敏元时，由于CCD光敏单元的长度为2um时其误差其实是可以忽略不计的，另外每次移动测量时该误差有正也有负，从大数据来看会正负抵消掉。假设当放大倍数为1的时候，标记物在CCD上成像时，2mm宽的金属片在CCD上成像相对2um的光敏单元来说是非常大的，相当于放大了1000倍，其边缘是非常模糊的，所以实际应用时在保证精度的情况下采用公式①更加的快速。

另外对于量程较大的游标卡尺，可以采用标记物定位的方法来提高精度。

具体操作如下所述，定尺上的金属片包括至少三种不同宽度，其中最小宽度的金属片为周期分割线，相邻的两片最小宽度的金属片之间间距排布其余宽度的至少两片金属片形成一个测量周期，定尺上均匀分布多个所述测量周期。根据不同排布方法可以有以下两种方案：

方案一：金属片加工成0.2 -0.3mm，0.5-0.6mm，0.8mm-1.0mm，1.2-1.4mm，1.6-1.8mm共5种宽度的金属片，各宽度金属片按照等间距距排列。其中0.2 -0.3mm的金属片为周期分割线，0.5-0.6mm, 0.8mm-1.0mm, 1.2-1.4mm, 1.6-1.8mm, 这4种宽度的金属片或两种宽度进行组合或三中宽度进行组合或四种宽度进行组合，形成不同的测量周期，每个测量周期之间放置0.2 -0.3mm金属片进行分区。

设0.5-0.6mm的金属片为a，0.8mm-1.0mm的金属片为b，1.2-1.4mm的金属片为c，1.6-1.8mm的金属片为d，则有如下的排列方式：

对于2个字母组合的排列，第1位的可选字母数为4个，第2位的可选字母数也是4个，因此实际的排列数量为4²=16个，即

aa,ab,ac,ad, ba,bb,bc,bd, ca,cb,cc,cd, da,db,dc,dd，

同理，3个字母组合的排列数则为：4³=64个；4个字母组合的排列数则为：4⁴=256个，所以以上几种组合方式结合在一起时共有16+64+256=336种排列组合。

方案二：金属片加工成不同的宽度0.2 -0.3mm，0.5-0.6mm， 1 -1.2mm共3种宽度金属片，金属片之间不是等间距排布，金属片间距有0.5-0.6mm和1 -1.2mm两种，其中0.2 -0.3mm的金属片为周期分割线，每个周期之间放置0.2mm金属片进行分区。设0.5-0.6mm宽度金属片为a，1 -1.2mm宽度的金属片为b，0.5-0.6mm宽度的间距为A，1 -1.2mm宽度的间距为B。每个周期内除周期分割金属片外，或放两个金属片排列组合，或放三个金属片排列组合形成不同的周期。则有如下的排列方式：

放两个金属片排列时如AaAaA， AaAaB， AaAbA等共有2⁵=32种组合方式，放三个金属片排列时如AaAaAaA ，AaAaAaB等共有2⁷=128种组合方式。所以以上2种组合方式结合在一起时共有32+128=160种排列组合。

方法一中共有336种标记物排列组合方式，其中选择宽度相近且易于区分的组合来设置周期，假设主尺上标记物成像的宽度Z。根据各周期的宽度选择合适的宽度Z，使标记物在CCD传感器上成像时均有完整的周期，Z大概的取值在5到20mm之间。当标记物在CCD传感器上成像移动时，根据分割线选择完整的周期移动进行计算，根据该周期定位该周期的基质S0，记录该周期的位移量△S，从而实现测量值得计算。图像处理流程如图7所示。

Claims (10)

1.一种光学位移传感器装置，其包括光源部和成像部，其特征在于，所述光源部包括单色光源和准直透镜，所述准直透镜用于将所述单色光源发出的光变成平行光，所述成像部包括顺次布置的成像透镜、光阑和CCD传感器，所述CCD传感器将接收到的光信号转化为用于位移测量的电信号，所述光源部和所述成像部外部设置有密封罩。

2.根据权利要求1所述的一种光学位移传感器装置，其特征在于，所述单色光源为LED单色光源，所述准直透镜包括设置于前端的均匀准直透镜和后端的聚光准直透镜。

3.根据权利要求1所述的一种光学位移传感器装置，其特征在于，所述均匀准直透镜与所述聚光准直透镜之间设置有遮光板。

4.根据权利要求1所述的一种光学位移传感器装置，其特征在于，所述光源部和所述成像部处于同一中心线布置。

5.根据权利要求1所述的一种光学位移传感器装置，其特征在于，所述光源部的中心线与所述成像部的中心线相垂直，所述光源部的中心线与所述成像部的中心线的交点处设置有与所述中心线呈45度夹角的半反半透镜。

6.一种使用上述光学位移传感器装置的测量尺，其包括定尺和动尺，其特征在于，所述动尺包括设置于一个所述密封罩内的所述光源部、半反半透镜、成像部，所述动尺设置于所述定尺上方，所述定尺的尺面上设置有测量标记，所述单色光源发出并透过所述半反半透镜的光与所述定尺的尺面垂直。

7.根据权利要求1所述的一种光学位移传感器装置，其特征在于，所述定尺的尺面上镀有一排金属片或尺面上设有粗糙纹路。

8.一种使用上述光学位移传感器装置的测量尺，其包括定尺和动尺，其特征在于，所述动尺包括设置于所述定尺一侧的所述光源部和设置于所述定尺另一侧的所述成像部，所述定尺本体为透明结构且尺面上设置有测量标记，所述单色光源发出并透过所述准直透镜的光与所述定尺的尺面垂直。

9.根据权利要求1所述的一种光学位移传感器装置，其特征在于，所述定尺的尺面上镀有一排金属片。

10.根据权利要求7或9所述的一种光学位移传感器装置，其特征在于，所述金属片包括至少三种不同宽度，其中最小宽度的金属片为周期分割线，相邻的两片最小宽度的金属片之间间距排布其余宽度的至少两片金属片形成一个测量周期，所述定尺上均匀分布多个所述测量周期。