CN108844466B - 一种超精密位移激光感测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超精密位移激光感测方法。所述超精密位移激光感测方法基于超精密激光位移传感器对物体位移进行超精密测量；所述超精密激光位移传感器包括激光发射装置，圆弧形镜面反射装置，激光接收装置，控制器；所述控制器依据激光接收装置上受光位置变化量与被检测物表面位置量间的几何映射关系，计算得到被检测物的位移值。本发明通过在被检测物反射激光到激光接收装置的光路中加入圆弧形镜面反射装置，利用方向相同而入射位置不同的激光束在圆弧形镜面上入射角的变化，使最终投射到激光接收装置上的激光光斑位置发生较大的改变，实现被检测物位移量在激光接收装置上的高倍率放大；在激光接收装置分辨率一定的情况下，可实现对被检测物位移超高精度测量。

Description

一种超精密位移激光感测方法
技术领域
本发明属于光学检测技术领域，特别涉及一种超精密位移激光感测方法。
背景技术
利用激光对目标进行精密位置检测，已在高精密测量领域中得到广泛应用。现有激光位移检测多基于三角测量方法，通过激光束照射被检测物，利用不同位置的被检测物反射的激光在感光元件上位置不同的原理，建立被检测物位移量与感光元件上受光位置变化量的映射几何关系，通过检测受光位置变化量计算出被检测物的位移值。因此，对位移量的检测精度受到感光元件分辨率的限制。
现有方法构建的被检测物位移量与感光元件上受光位置变化量的映射几何关系，其倍增量较低，即受光位置变化量相对于被检测物位移量放大倍数较小；在感光元件分辨率一定的情况下，映射几何关系较低的倍增量，限制了位移量的最小检测值。因此，在需要对超高精度的位移量进行检测时，现有的方法难以满足应用要求。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明提出了一种超精密位移激光感测方法，用于解决现有激光位移检测中，难以实现对超高精度位移量进行检测的问题。
本发明为了实现上述目的，提出的一种超精密位移激光感测方法，用于采用一种超精密激光位移传感器对待测物位移进行高精密测量，其特征在于，所述超精密激光位移传感器包括激光发射装置(1)，圆弧形镜面反射装置(2)，激光接收装置(3)，控制器(5)；所述激光发射装置(1)与被检测物(4)之间以入射角度α安装；所述圆弧形镜面反射装置(2)的圆心O与激光投射点p00在X方向的安装距离为l1，在Y方向的安装距离为l2；所述激光接收装置(3)与Y方向呈角度β安装，与圆弧形镜面反射装置(2)的圆心O安装距离为l3；所述激光发射装置(1)和激光接收装置(3)分别与控制器(5)连接；所述圆弧形镜面反射装置(2)曲率半径为r；所述控制器(5)包含所述激光发射装置(1)的激光控制模块(51)、所述激光接收装置(3)的信息处理模块(52)、数据计算模块(53)、输出接口模块(54)；基于所述超精密激光位移传感器，所述超精密位移激光感测方法包括如下步骤：
1)由所述激光控制模块(51)控制激光发射装置(1)发射激光束投射至被检测物(4)上投射点p00，所述激光束经被检测物(4)和圆弧形镜面反射装置(2)两次反射后投射至所述激光接收装置(3)上点p20，由所述信息处理模块(52)采集处理得到投射点p20所在位置；
2)所述被检测物(4)发生位移Δd时，所述激光束投射至被检测物(4)上投射点p01，经被检测物(4)和圆弧形镜面反射装置(2)两次反射后投射至所述激光接收装置(3)上点p21，由所述信息处理模块(52)采集处理得到投射点p21所在位置；
3)所述数据计算模块(53)依据激光接收装置(3)上投射点p20与p21位置计算两者之间的距离Δx，再依据Δx与Δd的映射几何关系，计算得到被检测物(4)的位移值Δd；当经过所述激光投射点p00反射的激光束位于所述圆弧形镜面反射装置(2)的象限点p10时，所述Δx与Δd的几何关系表达式为：
其中θ2为：
进一步地，所述超精密激光位移传感器的元器件安装位置参数l1、l2、l3、α、β以及所述圆弧形镜面反射装置(2)曲率半径r，可根据检测精度进行更改，以满足不同检测环境的要求。
本发明的有益效果是：本发明通过在被检测物反射激光到激光接收装置的光路中加入圆弧形镜面反射装置，利用方向相同而入射位置不同的激光束在圆弧形镜面上入射角的变化，使最终投射到激光接收装置上的激光光斑位置发生较大的改变，实现被检测物位移量在激光接收装置上的高倍率放大；在激光接收装置分辨率一定的情况下，可实现对被检测物位移超高精度测量。
附图说明
图1为超精密位移激光感测方法原理示意图。
图中标记为，1—激光发射装置，2—圆弧形镜面反射装置，3—激光接收装置，4—被检测物，5—控制器，51—激光控制模块，52—信息处理模块，53—数据计算模块，54—输出接口模块。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，所述超精密激光位移传感器组成包括激光发射装置(1)，圆弧形镜面反射装置(2)，激光接收装置(3)，控制器(5)。优选地，所述激光发射装置(1)为具有较高平行度的激光发射管；，所述圆弧形镜面反射装置(2)为曲率半径为r的镜面反射元件；所述激光接收装置(3)为CCD(电荷耦合装置)或PSD(光电位置传感器)，与所述控制器(5)连接。所述控制器(5)包含激光控制模块(51)、信息处理模块(52)、数据计算模块(53)、输出接口模块(54)；所述激光控制模块(51)主要用于对所述激光发射装置(1)的启停控制，所述信息处理模块(52)主要实现对激光接收装置(3)的受光位置信息进行采集处理，得到激光光斑在激光接收装置(3)上的位置值，所述数据计算模块(53)主要依据激光接收装置(3)上受光位置变化量计算被检测物的位移值，所述输出接口模块(54)主要实现传感器检测位移数据的对外输出功能。
优选标定方式，以所述圆弧形镜面反射装置(2)的象限点p10作为标定点，即被检测物(4)反射激光束处于p10点时，激光束在所述检测物(4)上的投射点为p00，所述激光接收装置(3)上激光投射点为p20，由所述信息处理模块(52)处理记录p20点的位置，作为所述激光位移传感器的标定零点；所述p10仅为优选标定点，也可选用所述圆弧形镜面反射装置(2)上其它位置进行标定。所述圆弧形镜面反射装置(2)的圆心O在投射点p00的X、Y方向上的安装距离值分别是l1和l2，所述激光发射装置(1)以与被检测物(4)呈入射角度α安装；所述激光接收装置(3)与Y方向呈角度β安装，与圆弧形镜面反射装置(2)的圆心O安装距离为l3。
在实际检测过程中，当所述被检测物(4)发生位移Δd后，激光束在被检测物(4)上的投射点变为p01，在所述圆弧形镜面反射装置(2)上的投射点为p11，所述激光接收装置(3)上的投射点变为p21；投射点p20与投射点p21之间的距离Δx由所述信息处理模块(52)通过激光接收装置(3)上接收的信息处理得到。Δx与Δd之间的映射几何关系为：
其中θ2为：
所述数据计算模块(53)依据所述几何关系计算获得被检测物(4)的位移值Δd，最后由所述输出接口模块(54)实现位移值Δd的输出。
优选地，所述信息处理模块(52)将处理得到的激光接收装置(3)接收的激光光斑中心(受光强度最大位置)作为当前检测位置。
所述激光移位传感器元器件的安装位置参数l1、l2、l3、α、β以及元器件的尺寸参数r，对所述Δx与Δd的映射几何关系有直接影响；在具体实施过程中，依据检测要求对所述参数进行优选适，以达到最佳的检测效果。
本发明的实现原理：由于圆弧型面的镜面反射，对于投射点不同而方向相同的激光束，其入射角有较大变化。如图1所示，圆弧形镜面反射装置(2)上的投射点p10和p11，其入射角分别是θ1和θ2；入射角的变化致使反射激光束在方向上发生较大变化，最终体现在所述激光接收装置(3)上受光位置的较大变化；形成的有益效果是所述被检测物(4)的位移变化量Δd，对应于所述激光接收装置(3)以较大倍率放大后的距离值Δx；在所述激光接收装置(3)的分辨率一定的情况下，实现对被检测物(4)微小位移量的超高精度检测。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。倘若本发明的这些修改和变形属于本发明的权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也包含这些改动和变形在内。

Claims (2)

1.一种超精密位移激光感测方法，用于采用一种超精密激光位移传感器对物体进行超精密位移测量，其特征在于，所述超精密激光位移传感器包括激光发射装置(1)，圆弧形镜面反射装置(2)，激光接收装置(3)，控制器(5)；所述激光发射装置(1)与被检测物(4)之间以入射角度α安装；所述圆弧形镜面反射装置(2)的圆心O与激光投射点p00在X方向的安装距离为l1，在Y方向的安装距离为l2；所述激光接收装置(3)与Y方向呈角度β安装，与圆弧形镜面反射装置(2)的圆心O安装距离为l3；所述激光发射装置(1)和激光接收装置(3)分别与控制器(5)连接；所述圆弧形镜面反射装置(2)曲率半径为r；所述控制器(5)包含所述激光发射装置(1)的激光控制模块(51)、所述激光接收装置(3)的信息处理模块(52)、数据计算模块(53)、输出接口模块(54)；基于所述超精密激光位移传感器，所述超精密位移激光感测方法包括如下步骤：
1)由所述激光控制模块(51)控制激光发射装置(1)发射激光束投射至被检测物(4)上投射点p00，所述激光束经被检测物(4)和圆弧形镜面反射装置(2)两次反射后投射至所述激光接收装置(3)上点p20，由所述信息处理模块(52)采集处理得到投射点p20所在位置；
2)所述被检测物(4)发生位移Δd时，所述激光束投射至被检测物(4)上投射点p01，经被检测物(4)和圆弧形镜面反射装置(2)两次反射后投射至所述激光接收装置(3)上点p21，由所述信息处理模块(52)采集处理得到投射点p21所在位置；
3)所述数据计算模块(53)依据激光接收装置(3)上投射点p20与p21位置计算两者之间的距离Δx，再依据Δx与Δd的映射几何关系，计算得到被检测物(4)的位移值Δd；当经过所述激光投射点p00反射的激光束位于所述圆弧形镜面反射装置(2)的象限点p10时，所述Δx与Δd的几何关系表达式为：
其中θ2为：
2.根据权利要求1所述的一种超精密位移激光感测方法，其特征在于：所述超精密激光位移传感器的元器件安装位置参数l1、l2、l3、α、β以及所述圆弧形镜面反射装置(2)曲率半径r，可根据检测精度进行更改，以满足不同检测环境的要求。
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