CN109141258A - 带有折射镜的光路一致式位移传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种带有折射镜的光路一致式位移传感器及其测量方法，该带有折射镜的光路一致式位移传感器包括激光束，入射至三角波反射镜的第一反射面；反射镜，用于接收激光束被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且使该激光束在激光束入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面；折射镜，用于接收反射镜反射至三角波反射镜的第二反射面后经第二反射面反射的激光束，并使入射的激光束发生折射；光电探测器，用于接收经所述折射镜折射后的激光束，并测量其入射位置。本发明位移传感器，通过折射镜的设置，使得增加位移传感器放大倍数的同时，降低激光入射至光电探测器的角度。

Description

带有折射镜的光路一致式位移传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种带有折射镜的光路一致式位移传感器及其测量方法。

背景技术

基于光学三角放大法的位移测量新原理，是在光学三角放大法的基础上，结合三角波光学器件与高精度PSD(Position Sensitive Device，位置灵敏(敏感)探测器)实现的。三角波光学器件将线性位移等间隔细分，降低光学器件加工精度与尺寸要求的同时，降低高精度PSD的尺寸要求，在小范围内实现高精度位移测量。然而现有技术中的位移传感器，例如，申请号为201810481645.X，名称为《光路一致式位移传感器及其测量方法》中提供的位移传感器，位移测量原理与结构如图1所示，由图1可知，在读数头与三角波光学反射部件发生相对位移后，经过光学三角放大，水平小位移在光电探测器(PSD)上进行放大，可以将长度测量的精度大大提升。然而其位移传感器的测量放大倍数与PSD入射角有关，传感器的放大倍数容易受到影响，即为当入射于PSD的激光束的入射角增大时，PSD本身的测量精度会下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以提高测量精度的带有折射镜的光路一致式位移传感器及应用该位移传感器进行位移测量的方法。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种带有折射镜的光路一致式位移传感器，包括：

三角波反射镜，包括第一反射面和第二反射面；

激光束，入射至三角波反射镜的第一反射面；

反射镜，用于接收激光束被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且使该激光束在激光束入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面；

折射镜，用于接收反射镜反射至三角波反射镜的第二反射面后经第二反射面反射的激光束，并使入射的激光束发生折射；

光电探测器，用于接收经所述折射镜折射后的激光束，并测量其入射位置；

处理系统，用于根据光电探测器接收到的激光束的入射位置变化量计算出被测物体的位移变化值。

作为一种可实施方式，所述三角波反射镜的第一反射面和第二反射面分别与水平面的夹角为150度，激光束入射至第一反射面的入射角为30度，反射镜平行于第一反射面。

作为一种可实施方式，所述折射镜与光电探测器贴合。

作为一种可实施方式，所述激光束为P偏振光。

作为一种可实施方式，所述所述折射镜的入射面与出射面均为平面，且入射面与出射面相互平行。

作为一种可实施方式，还包括壳体，激光束由激光源发射得到，激光源、反射镜、折射镜和光电探测器均固定设置于壳体内，组成读数头。

作为一种可实施方式，所述读数头为至少两个，且所述至少两个读数头之间的位置关系满足：在测量过程中，至少有一个读数头可以读取到激光束在光电探测器上的入射位置变化量。

另一方面，本发明实施例还提供了一种上述带有折射镜的光路一致式位移传感器的测量方法，包括以下步骤：

将被测物体固定在三角波反射镜或读数头上；

调整激光束、三角波反射镜、光电探测器、反射镜、折射镜的位置关系，使得反射镜接收到激光束被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且该激光束在激光束入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面，且折射镜能够接收到三角波反射镜的第二反射面反射的激光束，使得激光束发生折射并入射至光电探测器；

发射激光束，所述激光束先后经过所述三角波反射镜的第一反射面、反射镜、第二反射面、折射镜后,被光电探测器探测到入射激光束的初始位置；

被测物体位移，在位移过程中，光电探测器检测激光束的位置的变化，直到被测物体停止位移；

处理系统通过对光电探测器检测到的位置变化进行处理，获得被测物体的位移值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明带有折射镜的光路一致式位移传感器，通过反射镜的设置，可以使得位移前后的激光沿相同的路径入射至光电探测器，即位移测量的放大倍数与三角波的反射面的角度无关，因此可以不受反射面的角度限制而降低放大倍数影响，换言之可以增大放大倍数，提高测量精度。

本发明带有折射镜的光路一致式位移传感器，通过折射镜的设置，使得增加位移传感器放大倍数的同时，降低激光入射至光电探测器的角度，因此位移传感器可以不受反射面的角度限制而降低放大倍数影响，换言之可以增大放大倍数。

本发明带有折射镜的光路一致式位移传感器，通过所述折射镜的入射面与出射面均为平面，且入射面与出射面相互平行，使得入射至折射镜的激光位置变化量与入射至光电探测器的激光位置变化量相同。

本发明带有折射镜的光路一致式位移传感器，通过采用偏振激光，增加了激光经过折射入射至光电探测器的强度，减小了折射镜反射入射光的比例，换言之可以降低系统对激光入射强度的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。

图1所示为现有技术中光路一致的位移传感器的位移测量原理示意图。

图2所示为实施例1提供的一种结构的带有折射镜的光路一致式位移传感器的测量原理示意图。

图3所示为实施例1提供的另一种结构的带有折射镜的光路一致式位移传感器的测量原理示意图。

图4所示为实施例2提供的一种结构的带有折射镜的光路一致式位移传感器的测量原理示意图。

图5所示为位移计算公式原理示意图。

图中标号说明：

激光源1，激光束2，三角波反射镜3，第一反射面31，第二反射面32，反射镜4，折射镜5，光电探测器6，壳体7。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

请参阅图2，本实施例中提供了一种带有折射镜的光路一致式位移传感器，包括激光源1，三角波反射镜3，反射镜4，折射镜5，光电探测器6，其中，三角波反射镜3包括多个反射面，为了便于理解，本文中将用于接收激光源发射的激光束的反射面定义为第一反射面31，将用于接收反射镜反射的激光束的反射面定义为第二反射面32。

本新型带有折射镜的光路一致式位移传感器中：

激光源1用于发射出激光束2，并射向三角波反射镜3的第一反射面31；反射镜4用于接收激光束2被三角波反射镜3的第一反射面31反射的激光束，且使该激光束在激光束2入射至同一个第一反射面31的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜3的第二反射面32；折射镜5，用于接收反射镜4反射至三角波反射镜3的第二反射面32后经第二反射面32反射的激光束2，并使入射的激光束2发生折射；光电探测器6，用于接收经所述折射镜5折射后的激光束2，并测量其入射位置；如图2所示，光电传感器6采用PSD，位移前的激光束2用实线表示，位移后的激光束2用虚线表示，激光束2的传输路径如下：

位移前，激光源1发射激光束2至三角波反射镜3的第一反射面31，三角波反射镜3的第一反射面31将激光束2反射至反射镜4，反射镜4将第一反射面31反射的激光束反射至第二反射面32，第二反射面32再将入射激光束反射至折射镜5；折射镜5接收反射镜4反射至三角波反射镜3的第二反射面32后经第二反射面32反射的激光束2，并使入射的激光束2发生折射；光电探测器6接收经所述折射镜5折射后的激光束2，并测量其入射位置；此时记为第一入射位置。

位移后(图2中展示为向左位移，位移时激光源1、反射镜4、折射镜5和光电探测器6同步位移)，激光源1发射激光束2至三角波反射镜3的第一反射面31，三角波反射镜3的第一反射面31将激光束2反射至反射镜4，反射镜4将第一反射面31反射的激光沿位移前相同的路径反射至第二反射面32，第二反射面32再将入射激光束沿位移前相同的路径反射至折射镜5；折射镜5接收反射镜4反射至三角波反射镜3的第二反射面32后经第二反射面32反射的激光束2，并使入射的激光束2发生折射；光电探测器6接收经所述折射镜5折射后的激光束2，并测量其入射位置；此时记为第二入射位置。根据第一入射位置与第二入射位置即可计算出激光源1的位移量，即被测物体的位移量。

容易理解的，入射光线与光电探测器接收面的夹角过小时，入射光线的光斑会发生重心的偏移，对光电探测器的测量精度造成影响。通过折射镜的设置，使得增加位移传感器放大倍数的同时，降低激光入射至光电探测器的角度，因此位移传感器可以提高位移测量精度。且在本方案中，为了避免经折射镜折射后的激光束再次发生折射对测量精度造成影响，所述折射镜与光电探测器贴合。

在进一步的方案中，所述折射镜5的入射面与出射面均为平面，且入射面与出射面相互平行。使得入射至折射镜5的激光位置变化量与入射至光电探测器的激光位置变化量相同，从而提高了位移传感器的测量精度。而当折射镜5的入射面与出射面均为平面，且入射面与出射面相互平行时，计算过程根据三角几何关系即可获得，如图5所示，θ为入射至折射镜的激光束与折射镜的夹角，δ为光电探测器与被测物体位移方向的锐角夹角。

作为一种较优的实施方式，所述激光束2为P偏振光。通过采用偏振光，增加了激光经过折射入射至光电探测器的强度，降低了激光束以大入射角入射于折射镜时激光束的反射率，减小了折射镜反射入射光的比例，换言之可以降低系统对激光入射强度的要求。

作为一种较优的实施方式，如图2所示，三角波反射镜3的第一反射面31和第二反射面32分别与水平面的夹角为150度(仅以水平向右为正方向且沿逆时针方向旋转为例)，激光源1发射的激光束2入射至第一反射面31的入射角为30度，反射镜4平行于第一反射面31。在保障反射镜4使得激光束2入射至同一个第一反射面31的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜3的第二反射面32的情况下，可以有其他不同的设置方式。

例如，图3所示，可以通过如下方式实现激光束2入射至同一个第一反射面31的测量过程中，反射镜反射的激光束在位移前后沿同一路径反射至三角波反射镜3的第二反射面32：反射镜4平行于第一反射面31，也平行于第二反射面32，激光束2与第一反射面31的锐角夹角等于两倍第一反射面31与水平面的夹角，即图3中标示的角度1等于角度2。

如图3可知，对于三角波反射镜3，在满足第一反射面和第二反射面平行(即与水平面的夹角一致)的条件下，其具体结构没有限制，即对于形成三角波的两个反射面的夹角没有限制，例如图2中所示为两个反射面的夹角为120度；又例如图3中所示为两个反射面的夹角为150度，等等。且三角波也并非一定需要等腰三角波，即形成三角波的两个反射面与水平面的锐角夹角可以相等，也可以不相等。

可以参阅图1，带有折射镜的光路一致式位移传感器还可以包括壳体7，激光束2由激光源1发射得到，激光源1、反射镜4、折射镜5和光电探测器6均固定设置于壳体7内，组成读数头，激光源1发射的激光束2及其反射光束均可以通过读数头的收发端面。激光源1、反射镜4、折射镜5和光电探测器6均固定设置于壳体7内，可以保持相互之间的位置固定，也可以保障三者保持同步位移。

测量时，可以根据实际应用情况，采用将三角波反射镜3固定在被测物体上，读数头保持固定不动，被测物体发生位移时，三角波反射镜3与读数头发生相对运动，读数头可以测量得到三角波反射镜3即被测物体的位移值；或者，也可以采用将读数头固定在被测物体上，三角波反射镜3保持不动，被测物体发生位移带动读数头运动，读数头与三角波反射镜3发生相对位移，读数头可以测得读数头与三角波反射镜3之间的相对位移，进而得到被测物体的位移值；测量选择三角波反射镜3或者读数头来固定在被测物体上，提高了测量便利性。

基于上述带有折射镜的光路一致式位移传感器，其测量方法包括以下步骤：

调整激光束、三角波反射镜、光电探测器、反射镜、折射镜的位置关系，使得反射镜接收到激光束被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且该激光束在激光束入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面，且折射镜能够接收到三角波反射镜的第二反射面反射的激光束，使得激光束发生折射并入射至光电探测器；

发射激光束，所述激光束先后经过所述三角波反射镜的第一反射面、反射镜、第二反射面、折射镜后,被光电探测器探测到入射激光束的初始位置；

被测物体位移，在位移过程中，光电探测器检测激光束的位置的变化，直到被测物体停止位移；

处理系统通过对光电探测器检测到的位置变化进行处理，获得被测物体的位移值。

实施例2

可以参阅图4，与实施例1中所述的带有折射镜的光路一致式位移传感器相比，区别在于：本实施例中提供的带有折射镜的光路一致式位移传感器中，包括两个读数头，两个读数头结构一致，且所述两个读数头之间的位置关系满足：在测量过程中，至少有一个读数头可以读取到激光束在光电探测器上的入射位置变化量。

本实施例中所述位移传感器可以实现连续位移测量。具体的，可以选用两个读数头中的激光束之一来测量，当其中一个激光束反射点位于反射面的某些位置，如反射面的顶端、两个反射面的交线位置等，对应光电探测器的长度又有限，因此可能无法反射到对应光电探测器，该光电探测器就无法计算出其位移值，另一个激光束反射点位于另一个反射面的其他位置，可反射到对应光电探测器并可以进行换算测量，能够实现被测物体移动的过程中，三角波反射镜3上各反射面所反射的激光束中至少有一条可以反射到对应的光电探测器，此时处理系统可以来回切换计算两个光电探测器的反射激光束位置变化，进行叠加累计，以实现对被测物体位移一次性变化或连续增量式位移变化的测量，其测量方法简单、可靠，操作方便，并且能够提高测量精度。

容易理解的，本实施例中，设置两个读数头的目的是避免其中一组光电探测器接收不到激光束时，可以通过另一组光电探测器接收激光束，实现位移测量，因此除了如图5所示的设置方式外，还可以有其他设置方式，只要两个读数头错开设置，使得激光束入射至三角波反射镜的第一反射面的初始入射点位置不同即可。例如第二个读数头内的激光束可以入射至处于激光束入射的第一反射面同侧的另一个第一反射面，也可以入射至处于激光束入射的第一反射面对侧的另一个第一反射面，还可以入射至激光束所入射的同一个反射面，但是入射点位置不同。

同时，在保证至少有一组读数头的光电探测器接收到激光束的入射位置的情况下，不限制读数头的数量与放置位置。

应用本实施例中所述带有折射镜的光路一致式位移传感器进行测量时，其步骤如下：

步骤一，将被测物体固定在三角波反射镜或读数头上；

步骤二，调整激光束、三角波反射镜、光电探测器、反射镜、折射镜的位置关系，使得反射镜接收到激光束被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且该激光束在激光束入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面，且折射镜能够接收到三角波反射镜的第二反射面反射的激光束，使得激光束发生折射并入射至光电探测器；

发射激光束，所述激光束先后经过所述三角波反射镜的第一反射面、反射镜、第二反射面、折射镜后,被光电探测器探测到入射激光束的初始位置；

被测物体位移，在位移过程中，光电探测器检测激光束的位置的变化，直到被测物体停止位移；

处理系统通过对光电探测器检测到的位置变化进行处理，获得被测物体的位移值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种带有折射镜的光路一致式位移传感器，其特征在于，包括：

三角波反射镜，包括第一反射面和第二反射面；

激光束，入射至三角波反射镜的第一反射面；

反射镜，用于接收激光束被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且使该激光束在激光束入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面；

折射镜，用于接收反射镜反射至三角波反射镜的第二反射面后经第二反射面反射的激光束，并使入射的激光束发生折射；

光电探测器，用于接收经所述折射镜折射后的激光束，并测量其入射位置；

处理系统，用于根据光电探测器接收到的激光束的入射位置变化量计算出被测物体的位移变化值。

2.根据权利要求1所述的带有折射镜的光路一致式位移传感器，其特征在于，反射镜平行于第一反射面，同时平行于第二反射面，激光束与第一反射面的锐角夹角等于两倍第一反射面与水平面的夹角。

3.根据权利要求2所述的带有折射镜的光路一致式位移传感器，其特征在于，所述三角波反射镜的第一反射面和第二反射面分别与水平面的夹角为150度，激光束入射至第一反射面的入射角为30度。

4.根据权利要求1所述的带有折射镜的新型位移传感器，其特征在于，所述折射镜与光电探测器贴合。

5.根据权利要求1所述的带有折射镜的新型位移传感器，其特征在于，所述激光束为P偏振光。

6.根据权利要求1所述的带有折射镜的光路一致式位移传感器，其特征在于，所述折射镜的入射面与出射面均为平面，且入射面与出射面相互平行。

7.根据权利要求1-6任一所述的带有折射镜的光路一致式位移传感器，其特征在于，还包括壳体，激光束由激光源发射得到，激光源、反射镜、折射镜和光电探测器均固定设置于壳体内，组成读数头。

8.根据权利要求7所述的带有折射镜的光路一致式位移传感器，其特征在于，所述读数头为至少两个，且所述至少两个读数头之间的位置关系满足：在测量过程中，至少有一个读数头可以读取到激光束在光电探测器上的入射位置变化量。

9.根据权利要求1-8任一所述的带有折射镜的光路一致式位移传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将被测物体固定在三角波反射镜或读数头上；

调整激光束、三角波反射镜、光电探测器、反射镜、折射镜的位置关系，使得反射镜接收到激光束被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且该激光束在激光束入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面，且折射镜能够接收到三角波反射镜的第二反射面反射的激光束，使得激光束发生折射并入射至光电探测器；

发射激光束，所述激光束先后经过所述三角波反射镜的第一反射面、反射镜、第二反射面、折射镜后,被光电探测器探测到入射激光束的初始位置；

被测物体位移，在位移过程中，光电探测器检测激光束的位置的变化，直到被测物体停止位移；

处理系统通过对光电探测器检测到的位置变化进行处理，获得被测物体的位移值。