CN109099841B

CN109099841B - 一种位置测量传感器和位置测量系统

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Publication number: CN109099841B
Application number: CN201811073309.8A
Authority: CN
Inventors: 薛金来; 聂婷; 毕国玲; 梁怀丹; 张星祥; 陈长征
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2018-09-14
Filing date: 2018-09-14
Publication date: 2020-01-31
Anticipated expiration: 2038-09-14
Also published as: CN109099841A

Abstract

本发明提供了一种位置测量传感器包括第一框架、第一PSD探测器、第一激光器和半反半透分束镜，所述第一PSD探测器、所述第一激光器和所述半反半透分束镜均设置在所述第一框架上，所述半反半透分束镜位于所述第一PSD探测器的前端，射向所述第一PSD探测器的激光，一部分透过所述半反半透分束镜射向所述第一PSD探测器，另一部分被所述半反半透分束镜反射出去；本发明还提供了一种基于上述位置测量传感器的位置测量系统，能够实现非接触、高精度实时测量。

Description

一种位置测量传感器和位置测量系统

技术领域

本发明涉及利用光路进行位置测量的技术领域，尤其涉及一种位置测量传感器和位置测量系统。

背景技术

在高精度精密仪器设备制造领域，如大型航空航天相机、望远镜、大型高端联动设备等，对结构支撑部分有很高的稳定性要求，测量精度通常在微米量级。

现有的测量方法为传统的接触式测量方法，而传统接触式测量方法通常对测量环境要求较高，且测量设备本身占用一定空间尺寸，往往对待测设备造成干扰，因而很难达到测量要求。

发明内容

本发明旨在至少解决上述技术问题之一，提供一种能够实现非接触、高精度实时测量的位置测量传感器和基于该位置测量传感器的位置测量系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种位置测量传感器，包括第一框架、第一PSD探测器、第一激光器和半反半透分束镜，所述第一PSD探测器、所述第一激光器和所述半反半透分束镜均设置在所述第一框架上，所述半反半透分束镜位于所述第一PSD探测器的前端，射向所述第一PSD探测器的激光，一部分透过所述半反半透分束镜射向所述第一PSD探测器，另一部分被所述半反半透分束镜反射出去。

一些实施例中，所述第一框架为L型框架，所述第一PSD探测器设置在所述L型框架的一条边上，所述第一激光器设置在所述L型框架的另一条边上。

一些实施例中，所述第一PSD探测器由稳压电源供电，所述第一PSD探测器通过串口线与一单片机相连。

一些实施例中，所述第一PSD探测器表面设置有第一窄带滤波片。

本发明还提供了一种位置测量系统，包括第一基座和第二基座，所述第一基座上设置有本发明提供的位置测量传感器，所述第一框架安装在所述第一基座上，所述第二基座上安装有第二框架和第三框架，所述第二框架上设置有与第一PSD探测器对应的第二激光器和与所述第一激光器对应的第二PSD探测器，所述第三框架上设置有第三PSD探测器；所述第二激光器发出射向第一PSD探测器的第二激光，所述第一激光器发出射向第二PSD探测器的第一激光，所述第二PSD探测器接收所述第一激光，所述第二激光的一部分透过所述半反半透分束镜射向所述第一PSD探测器并被所述第一PSD探测器接收，所述第二激光的另一部分被所述半反半透分束镜反射并射向第三PSD探测器，所述第三PSD探测器接收被所述半反半透分束镜反射的第二激光。

一些实施例中，所述第一基座和第二基座相对设置。

一些实施例中，所述第一激光器和所述第二激光器的中心波长不同。

一些实施例中，所述第二PSD探测器表面设置有第二窄带滤波片，所述第二窄带滤波片的波长与所述第一激光器的中心波长相同；所述第三探测器表面设置有第三窄带滤波片，所述第一窄带滤波片的波长与所述第二激光器的中心波长相同，所述第三窄带滤波片的波长与所述第二激光器的中心波长相同。

本发明的有益效果在于：提供了一种基于光学测量的位置测量传感器，通过第一PSD探测器接收与之对应的激光器发出的激光，实现对激光器位置姿态的非接触式高精度实时测量；同时，本发明提供的位置测量系统，通过第一PSD探测器、第二PSD探测器和第三PSD探测器的设置，不仅实现了位置检测的相对变化量，更能够解算出待检测激光器所在位置和角度的绝对变化量，以实现对其绝对位置的实时测量。

附图说明

图1是本发明一个实施例中，位置测量传感器的立体结构示意图。

图2是本发明一个实施例中，位置测量传感器的侧面视图。

图3是本发明一个实施例中，位置测量系统的整体组成示意图。

附图标记：

第一基座10；第一框架11；第一PSD探测器12；第一激光器13；半反半透分束镜14；第二基座20；第二框架21；第二PSD探测器22；第二激光器23；第三框架31；第三PSD探测器32。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将结合附图1、附图2和附图3详细说明一下本发明提供的位置测量传感器和位置测量系统。

如图1和图2所示，本发明的一个实施例中，提供了一种位置测量传感器，包括第一框架11、第二PSD探测器22、第二激光器23和半反半透分束镜14，第一PSD探测器12、第一激光器13和半反半透分束镜14均设置在第一框架11上，其中，半反半透分束镜14位于第一PSD探测器12的前端，射向第一PSD探测器12的激光，一部分透过半反半透分束镜14射向第一PSD探测器12，另一部分被所述半反半透分束镜14反射出去。

第一框架11为该位置测量传感器的支撑和安装结构，其余部件(比如第一PSD探测器12、第一激光器13、半反半透分束镜14等)均设置在第一框架11上。同时，安装有上述部件的第一框架11连接固定在第一基座10上，实现对位置测量传感器的安装和固定。

本发明的各个实施例中，提到的第一PSD探测器12、第二PSD探测器22和第三PSD探测器32，是一种光能/位置转换器件，由于位置量为模拟量输出，系统响应快，分辨率高，成本低，因此具有广泛应用的价值。同时可对目标信号进行调制，因而可以显著提高系统的抗干扰能力，可以用来实现高速、高精度、抗干扰能力强的位置检测系统。因而近年来采用PSD作为位置检测实现技术一直受到重视，并不断研究开发出新的应用技术。研究表明，PSD与CCD器件的最大不同之处是光电位置信号与照射强度相关，以及PSD信号的非线性影响。

半反半透分束镜14的作用是，允许部分激光穿过所述半反半透分束镜14并由其背面射出，同时，又对射向半反半透分束镜14的部分激光进行反射，通过调节半反半透分束镜安装角度，将其由正面反射至其他指定方向。

在本发明的一个实施例中，第二激光器23是与第一PSD探测器12对应的激光器，其作用是向第一PSD探测器12的方向射出激光，由第一PSD探测器12接收并确认第二激光器23所在位置。而沿第二激光器23射出的第二激光的传递方向，半反半透分束镜14位于第一PSD探测器12的前端；第二激光器23射向第一PSD探测器12的第二激光，首先要经过半反半透分束镜14，才能被第一PSD探测器12接收。

此外，半反半透分束镜14还有一个作用是对第二激光进行反射，并射向第三PSD探测器32，第三PSD探测器32接收经半反半透分束镜14反射出的部分第二激光。

本发明的一个实施例中，如图2所示，第一框架11为L型框架，第一PSD探测器12设置在L型框架的一条边上，第一激光器13设置在L型框架的另一条边上。

L型的垂直结构设计，一方面便于第一PSD探测器12和第一激光器13之间位置的固定；另一方面也便于在位置测量系统中的安装和位置设计。如图3所示，本发明的一个实施例中，L型的第一框架11两条边相互垂直，一条边固定安装在第一基座10上，另一条边则垂直于第一基座10。第一激光器13安装在垂直于第一基座10的那条边上，便于激光的射出并且沿垂直于第一基座10的方向传递；第一PSD探测器12则安装在平行于第一基座10的那条L型的边上。

本发明一个实施例中，第一PSD探测器12由稳压电源供电，为第一PSD探测器12提供持续稳定的电能；第一PSD探测器12通过串口线与单片机相连，将第一PSD探测器12接收到的位置信息传递给单片机。其中，串口线即为穿行接口，串行接口简称串口，也称串行通信接口或串行通讯接口(通常指COM接口)，是采用串行通信方式的扩展接口。

在位置测量系统中，为了避免相互干扰，第一激光器13和第二激光器23选择不同中心波长的激光器。为了达到上述目的，在位置测量传感器中，第一PSD探测器12表面设置有第一窄带滤波片，不同的窄带滤波片，其对应的波长不同。在本发明的一个实施例中，第一PSD探测器12的第一窄带滤波片，其波长与第二激光器23的中心波长相同。第一窄带滤波片、第二窄带滤波片和第三窄带滤波片均具有保护和滤波功能。

如图3所示，本发明还提供了一种位置测量系统，包括第一基座10和第二基座20，第一基座10上设置有本发明提供的位置测量传感器，上述位置测量传感器的第一框架11安装在第一基座10上，第二基座20上安装有第二框架21和第三框架31，第二框架21上设置有与第一PSD探测器12对应的第二激光器23和与第一激光器13对应的第二PSD探测器22。这里所说的对应，指的是，从初衷上来说，设置第二PSD探测器22是为了接收第一激光器13发射的第一激光，而设置第一PSD探测器12是为了接收第二激光器23发射的第二激光。

在第三框架31上设置有第三PSD探测器32，该第三PSD探测器32的设置是为了配合半反半透分束镜14使用，接收被半反半透分束镜14反射的第二激光。

第二激光器23发出射向第一PSD探测器12的第二激光，第一激光器13发出射向第二PSD探测器22的第一激光，第二PSD探测器22接收第一激光，第二激光的一部分透过半反半透分束镜14射向第一PSD探测器12并被第一PSD探测器12接收，第二激光的另一部分被半反半透分束镜14反射并射向第三PSD探测器32。

本发明一个实施例中提供的位置测量系统中，设置了三个PSD探测器，分别为第一PSD探测器12、第二PSD探测器22和第三PSD探测器32，不仅能够测量位置的相对变化量，而且可以解算出绝对的位置和角度变化。

本发明一个实施例中，为了配合使用，在一般情况下，第一基座10和第二基座20相对设置，如此能够更加容易设置两侧的探测器和激光器。

第一激光器13和第二激光器23的中心波长不同，以避免相互之间的干扰。

更具体的，本发明一个实施例中，所述第二PSD探测器22表面设置有第二窄带滤波片，所述第二窄带滤波片的波长与所述第一激光器13的中心波长相同；所述第三探测器表面设置有第三窄带滤波片，所述第一窄带滤光片的波长与所述第二激光器23的中心波长相同，所述第三窄带滤光片的波长与所述第二激光器23的中心波长相同。

本发明一个实施例中，提供了以下具体测量方式以及解算过程：

第二基座20相对于第一基座10运动。

在此条件下，第一基座10保持不动，第二基座20相对于第一基座10运动，运动方向分解为X、Y平面内的平动和绕X轴、Y轴的转动。

平动：

第二基座20在X、Y平面内平动时，第一PSD探测器12输出为：

x_i，y_i为基座i沿X、Y方向的平动。

转动：

第二基座20相对于第一基座10绕X轴、Y轴的转动时，第一PSD探测器12对第二激光器23的入射光角度不敏感，在此条件下第一PSD探测器12输出为：

θ_ix，θ_iy为基座i绕X、Y方向的转动，式中R为第二基座20旋转轴到第二PSD探测器22的距离。

第一PSD探测器12不敏感第二基座20的平动，但是敏感第二基座20的转动。

由式(1)、(2)、(3)可得：

由式(4)即可解算出第二基座20相对于第一基座10运动条件下的位置与姿态信息。

第一基座10相对于第二基座20运动：

在此条件下，第二基座20保持不动，第一基座10相对于第二基座20运动，运动方向分解为X、Y平面内的平动和绕X轴、Y轴的转动。

平动：

第一基座10在X、Y平面内平动时，第二PSD探测器22输出为

x_i，y_i为基座i沿X、Y方向的平动。

转动：

第一基座10相对于第二基座20绕X轴、Y轴的转动时，第二PSD探测器22对第一激光器13的入射光角度不敏感，在此条件下第一PSD探测器12输出为：

θ_ix，θ_iy为基座i绕X、Y方向的转动，式中R为第一基座10旋转轴到第一PSD探测器12的距离。

第三PSD探测器32不敏感第一基座10的平动，但是敏感第一基座10的转动。因此第三PSD探测器32输出：

由式(5)、(6)、(7)可得：

由式(8)即可解算出第一基座10相对于第二基座20运动条件下的位置与姿态信息。

基座1与基座2相对于各自初始状态下的运动：

当第一基座10和第二基座20均有运动时，由式(4)与(8)得：

解方程(9)得

由式(9)、(10)得：

由第一PSD探测器12、第二PSD探测器22和第三PSD探测器32的位置信息带入方程中，即可解算出第一基座10和第二基座20运动及姿态信息。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种位置测量系统，其特征在于，包括第一基座和第二基座，所述第一基座上设置有位置测量传感器，所述位置测量传感器，包括第一框架、第一PSD探测器、第一激光器和半反半透分束镜，所述第一PSD探测器、所述第一激光器和所述半反半透分束镜均设置在所述第一框架上，所述半反半透分束镜位于所述第一PSD探测器的前端，射向所述第一PSD探测器的激光，一部分透过所述半反半透分束镜射向所述第一PSD探测器，另一部分被所述半反半透分束镜反射出去；

所述第一框架安装在所述第一基座上，所述第二基座上安装有第二框架和第三框架，所述第二框架上设置有与第一PSD探测器对应的第二激光器和与所述第一激光器对应的第二PSD探测器，所述第三框架上设置有第三PSD探测器；所述第二激光器发出射向第一PSD探测器的第二激光，所述第一激光器发出射向第二PSD探测器的第一激光，所述第二PSD探测器接收所述第一激光，所述第二激光的一部分透过所述半反半透分束镜射向所述第一PSD探测器并被所述第一PSD探测器接收，所述第二激光的另一部分被所述半反半透分束镜反射并射向第三PSD探测器，所述第三PSD探测器接收被所述半反半透分束镜反射的第二激光；

所述第一PSD探测器表面设置有第一窄带滤波片。

2.根据权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，所述第一基座和第二基座相对设置。

3.根据权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，所述第一激光器和所述第二激光器的中心波长不同。

4.根据权利要求3所述的位置测量系统，其特征在于，所述第二PSD探测器表面设置有第二窄带滤波片，所述第二窄带滤波片的波长与所述第一激光器的中心波长相同；所述第三PSD探测器表面设置有第三窄带滤波片，所述第一窄带滤波片的波长与所述第二激光器的中心波长相同，所述第三窄带滤波片的波长与所述第二激光器的中心波长相同。

5.根据权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，所述第一框架为L型框架，所述第一PSD探测器设置在所述L型框架的一条边上，所述第一激光器设置在所述L型框架的另一条边上。

6.根据权利要求1所述的位置测量系统，其特征在于，所述第一PSD探测器由稳压电源供电，所述第一PSD探测器通过串口线与一单片机相连。