CN108801155B - 一种光谱编码距离传感器系统 - Google Patents

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    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness

Abstract

本发明公开了一种光谱编码距离传感器系统，包括白光光源、第一导光光纤、第二导光光纤、第一分光棱镜、第二分光棱镜、滤光通道和光谱仪，以一条假想的竖直向下的直线为所述光谱编码距离传感器系统的中心，所述白光光源、所述第一导光光纤和所述第一分光棱镜位于所述直线的一侧，所述第二分光棱镜、所述滤光通道、所述第二导光光纤和所述光谱仪位于所述直线的另一侧，且所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜关于所述直线对称，所述第一导光光纤和所述滤光通道均平行于所述直线。本发明具有结构紧凑、测量精度高、量程大、测量适应性好等优点，可以广泛地满足工业现场对距离测量传感器的要求。

Description

一种光谱编码距离传感器系统
技术领域
本发明涉及一种光谱编码距离传感器系统。
背景技术
光谱编码距离传感器是一种新型距离传感器，能够实现高频率的非接触式测量，具有测量精度高、应用范围广、结构简单可靠、安装扩展灵活等特点，可以广泛满足工业现场的各类测量需求。例如：机械加工原位检测、透明物体测量、振动测量、液面检测等。现有的光谱编码距离传感器的光谱分离效果较差，光谱存在混淆和重叠，检测精度低。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明提出一种光谱编码距离传感器系统，其具有较高的检测精度。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种光谱编码距离传感器系统，包括白光光源、第一导光光纤、第二导光光纤、第一分光棱镜、第二分光棱镜、滤光通道和光谱仪，以一条假想的竖直向下的直线为所述光谱编码距离传感器系统的中心，所述白光光源、所述第一导光光纤和所述第一分光棱镜位于所述直线的一侧，所述第二分光棱镜、所述滤光通道、所述第二导光光纤和所述光谱仪位于所述直线的另一侧，且所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜关于所述直线对称，所述第一导光光纤和所述滤光通道均平行于所述直线。
优选地，所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜均为几何尺寸相同的等边三角棱镜，所述第一分光棱镜的第一侧面和所述第二分光棱镜的第一侧面相互平行且平行于所述直线并对称分布于所述直线的两侧，所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜在所述光谱编码距离传感器系统中的高度也相同。
优选地，当将被测平面置于所述光谱编码距离传感器系统中检测其位置时，所述白光光源发出的光束经过所述第一导光光纤传导后从所述第一分光棱镜的第二侧面入射，光束与所述第一分光棱镜的第二侧面相交的点作为入射点；光束从所述第一分光棱镜的第三侧面出射经过被测平面反射后从所述第二分光棱镜的第三侧面入射，并从所述第二分光棱镜的第二侧面出射，从所述第二分光棱镜的第二侧面出射的光束中能通过所述滤光通道的光束与所述第二分光棱镜的第二侧面的交点作为出射点，通过所述滤光通道的光束被所述第二导光光纤导入所述光谱仪进行检测；其中，所述入射点和所述出射点关于所述直线对称。
优选地，所述白光光源为连续光谱光源，其光谱特性覆盖整个可见光范围；其中从所述入射点入射的光束的直径的范围为50μm至5mm，发散角在0.1°至10°。
优选地，所述滤光通道呈实心的圆柱形，径向截面为同心圆结构，由内到外依次由同轴的内层、中间层和遮光层组成，所述内层的材料的折射率小于所述中间层的材料的折射率。
优选地，所述第一导光光纤的中心轴线与所述滤光通道的中心轴线关于所述直线对称。
优选地，所述滤光通道的内层的直径范围在50μm至5mm之间，外层的径向厚度在10nm至5mm之间。
优选地，靠近所述第二分光棱镜的第二侧面的所述滤光通道的下端的端部距离所述出射点的竖直距离在10μm至5mm之间。
优选地，所述滤光通道的长度不小于100μm。
优选地，当被测平面是镜面时，所述被测平面与所述直线垂直相交。
本发明的有益效果包括：本发明的光谱编码距离传感器系统可以通过光谱对量程内的被测点进行编码，消除了测量过程中的机械扫描环节，可以实现高精度、高频率的非接触式测量，并且对被测物的表面性质具有很好的适应性。
附图说明
图1是本发明优选实施例中的光谱编码距离传感器系统的示意图；
图2是本发明优选实施例中的滤光通道的结构示意图。
具体实施方式
下面对照附图并结合优选的实施方式对本发明作进一步说明。
如图1所示，在优选的实施方式中，一种光谱编码距离传感器系统包括白光光源8、第一导光光纤2、第二导光光纤10、第一分光棱镜4、第二分光棱镜7、滤光通道5和光谱仪9，以一条假想的竖直向下的直线1为光谱编码距离传感器系统的中心，白光光源8、第一导光光纤2和第一分光棱镜4位于直线1的一侧，第二分光棱镜7、滤光通道5、第二导光光纤10和光谱仪9位于直线的另一侧，且第一分光棱镜4和第二分光棱镜7关于直线1对称，第一导光光纤2和滤光通道5均平行于直线1。
其中，本实施例采用的第一分光棱镜4和第二分光棱镜7均为几何尺寸相同的等边三角棱镜，第一分光棱镜的第一侧面41和第二分光棱镜的第一侧面71相互平行且平行于直线1并对称分布于直线1的两侧，第一分光棱镜4和第二分光棱镜7在光谱编码距离传感器系统中的高度也相同。当将被测平面(如图1中的S1、或S2或S3)置于光谱编码距离传感器系统中检测其位置(被测平面和直线1的交点称为被测点，即检测被测点与分光棱镜的最低点之间的距离)时，白光光源8发出的光束经过第一导光光纤2传导后从第一分光棱镜4的第二侧面42入射，光束与第一分光棱镜4的第二侧面42相交的点作为入射点3；光束从第一分光棱镜的第三侧面43出射经过被测平面反射后从第二分光棱镜的第三侧面73入射，并从第二分光棱镜的第二侧面72出射，从第二分光棱镜的第二侧面72出射的光束中能通过滤光通道5的光束与第二分光棱镜的第二侧面72的交点作为出射点6，通过滤光通道5的光束被第二导光光纤10导入光谱仪进行检测，通过光谱仪检测到的波长即可推断被测平面的位置(下方会再详述检测被测平面的位置的工作过程)；其中，入射点3和出射点6关于直线1对称。
优选地，白光光源为连续光谱光源，其光谱特性覆盖整个可见光范围，其中从入射点3入射的光束的直径的范围为50μm至5mm，发散角在0.1°至10°。
如图2所示，滤光通道5呈实心的圆柱形，其径向截面为同心圆结构，由内到外依次由同轴的内层51、中间层52和遮光层53组成，内层51的材料的折射率小于中间层52的材料的折射率。外层遮光层由吸光/遮光材料，例如碳粉等涂覆在中间层上制成。其中，较优的是，内层51的直径范围在50μm至5mm之间，外层52的径向厚度在10nm至5mm之间，滤光通道的长度不小于100μm。较优的是，滤光通道5和第二导光光纤10的中心轴线在同一条直线上；第一导光光纤2的中心轴线与滤光通道5的中心轴线关于直线1对称。
优选地，靠近第二分光棱镜7的第二侧面72的滤光通道5的下端的端部距离出射点6的竖直距离在10μm至5mm之间。
光谱编码距离传感器利用棱镜分光原理，将白光色散成光谱并将不同的色光(光波长)与直线1上的距离建立映射关系，即实现波长与距离的对应编码。同时通过对称可逆光路的设计和滤光通道，保证被测点的距离所对应的光波被精确检出，从而推断出被测点的距离。其中，当被测平面是镜面时，被测平面与直线1垂直相交，而当被测平面是非镜面时，被测平面只需与直线1相交而不必一定要垂直相交，被测平面和直线1的交点称为被测点，测量范围是直线1与光谱带相交的区域，以下结合图1，对检测被测平面的位置的工作过程进行描述：
1、白光光源8发出的白光经过调制(如采用聚焦和准直等)耦合入第一导光光纤2，经过第一导光光纤2的传导，以近似平行的白光光束的形式从入射点3处进入第一分光棱镜4；
2、白光光束经过第一分光棱镜4后被色散为光谱带，该光谱带与直线1的相交部分称为光谱编码距离传感器系统的测量范围，在该测量范围内，直线1上的每一点对应着不同波长的色光，例如图1中，L1、L2和L3分别为绿光光束、蓝光光束和红光光束。在实际测量中，照射在被测点处的光和照射在非被测点处的光都会产生反射，包括漫反射和镜面反射；
3、由于光路的对称性，被测点处的一部分反射光，即该处的镜面反射光总能穿过第二分光棱镜7后竖直向上地从出射点6处射出(例如图1中的绿光光束L1)，而被测点处的非镜面反射光和非被测点处的反射光在经过第二分光棱镜7后，均不能从出射点6处地射出(例如图1中的蓝光光束L2和红光光束L3)；
4、从出射点6处竖直射出的光，进入到该点上方的滤光通道5入口，滤光通道的特性是仅从出射点6处竖直射出的光可以通过，而非从出射点6处射出被滤除，或者从出射点6处非竖直射出的光在接触到滤光通道的内层和中间层两种光学材料的界面后，会被进一步偏转，即偏向折射率大的中间层材料，最终被滤光通道最外层的遮光层吸收(其中，外部的杂光也会被遮光层吸收)；
5、从出射点6处竖直射出的光通过滤光通道5后，通过第二导光光纤10导入光谱仪，进行光谱分析以测量其波长，通过光谱编码的对应关系和测量得到的光波长，即可推断被测点的距离。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种光谱编码距离传感器系统，其特征在于：包括白光光源、第一导光光纤、第二导光光纤、第一分光棱镜、第二分光棱镜、滤光通道和光谱仪，以一条假想的竖直向下的直线为所述光谱编码距离传感器系统的中心，所述白光光源、所述第一导光光纤和所述第一分光棱镜位于所述直线的一侧，所述第二分光棱镜、所述滤光通道、所述第二导光光纤和所述光谱仪位于所述直线的另一侧，且所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜关于所述直线对称，所述第一导光光纤和所述滤光通道均平行于所述直线；所述滤光通道呈实心的圆柱形，径向截面为同心圆结构，由内到外依次由同轴的内层、中间层和遮光层组成，所述内层的材料的折射率小于所述中间层的材料的折射率；
所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜均为几何尺寸相同的等边三角棱镜，所述第一分光棱镜的第一侧面和所述第二分光棱镜的第一侧面相互平行且平行于所述直线并对称分布于所述直线的两侧，所述第一分光棱镜和所述第二分光棱镜在所述光谱编码距离传感器系统中的高度也相同；
当将被测平面置于所述光谱编码距离传感器系统中检测其位置时，所述白光光源发出的光束经过所述第一导光光纤传导后从所述第一分光棱镜的第二侧面入射，光束与所述第一分光棱镜的第二侧面相交的点作为入射点；光束从所述第一分光棱镜的第三侧面出射经过被测平面反射后从所述第二分光棱镜的第三侧面入射，并从所述第二分光棱镜的第二侧面出射，从所述第二分光棱镜的第二侧面出射的光束中能通过所述滤光通道的光束与所述第二分光棱镜的第二侧面的交点作为出射点，通过所述滤光通道的光束被所述第二导光光纤导入所述光谱仪进行检测；其中，所述入射点和所述出射点关于所述直线对称。
2.根据权利要求1所述的光谱编码距离传感器系统，其特征在于，所述白光光源为连续光谱光源，其光谱特性覆盖整个可见光范围；其中从所述入射点入射的光束的直径的范围为50μm至5mm，发散角在0.1°至10°。
3.根据权利要求1所述的光谱编码距离传感器系统，其特征在于：所述第一导光光纤的中心轴线与所述滤光通道的中心轴线关于所述直线对称。
4.根据权利要求1所述的光谱编码距离传感器系统，其特征在于：所述滤光通道的内层的直径范围在50μm至5mm之间，外层的径向厚度在10nm至5mm之间。
5.根据权利要求1所述的光谱编码距离传感器系统，其特征在于：靠近所述第二分光棱镜的第二侧面的所述滤光通道的下端的端部距离所述出射点的竖直距离在10μm至5mm之间。
6.根据权利要求1所述的光谱编码距离传感器系统，其特征在于：所述滤光通道的长度不小于100μm。
7.根据权利要求1所述的光谱编码距离传感器系统，其特征在于：当被测平面是镜面时，所述被测平面与所述直线垂直相交。
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