CN110260799B - 一种光谱共焦位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光谱共焦位移传感器，包括光源耦合器，入射光纤，光谱共焦位移传感探头，接收光纤，光谱仪，所述光谱仪固定连接所述接收光纤的出光端，所述光谱仪带有感光元件并用于把被测物体的反射光进行色散聚焦到感光元件上且量化成光谱曲线。通过光谱共焦工作原理，避免使用激光直接照射到物体表面而呈现颗粒状的散斑，克服不易确定像点的质心位置的缺陷。

Description

一种光谱共焦位移传感器

技术领域

本发明涉及光电精密测量领域，尤其涉及的是一种光谱共焦位移传感器。

背景技术

随着我国的航空航天、汽车、造船等高技术产业飞速发展，对产品和零部件外形尺寸的工艺水平及精度要求越来越高，所以，能否进行高效率、高精度的检测，将直接关系到产品的质量和使用寿命。

能进行高效率、高精度测量的技术手段通常分为接触式测量(以机械式和压电式为主)与非接触式测量(光学式为主)两类。非接触式光学测量具有如下优点：

无损检测：可测量柔软和易变形件、脆性和易损件，特别适合不允许接触的场景。

远距离测量：可远离被测物体进行扫描测量。

测量效率高：不像接触测头那样需要探测、返回、移动等进行逐点测量，可高速扫描测量。

测量精度高：光斑可聚焦到很小，进而可探测一般机械测头难以探测的部位。

其中，光学测量以三角测量法应用最广泛。而根据三角测量法制成的三角位移传感器通常所使用的光源为具有亮度高、探测信噪比高的激光光源，但使用激光进行三角测量时，照射到物体表面的激光会呈现颗粒状的散斑，而且被测物体的颜色、材质和放置的角度会影响的光斑的分布，从而确定像点的质心位置变得异常困难，导致三角法测量误差比较大，在测量光洁度高的物体表面时这些缺陷更为明显，为了更加精细、更加稳定的测量位移，需要采用新型位移测量技术。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

本发明解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种光谱共焦位移传感器，通过光谱共焦工作原理，避免使用激光直接照射到物体表面而呈现颗粒状的散斑，克服不易确定像点的质心位置的缺陷。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种光谱共焦位移传感器，包括底座，其中，还包括有：

光源耦合器，所述光源耦合器用于产生多色光；

入射光纤，所述入射光纤的入光端固定连接在所述光源耦合器中并用于接收所述光源耦合器所发出的多色光；

光谱共焦位移传感探头，所述光谱共焦位移传感探头固定连接在所述入射光纤的出光端，所述光谱共焦位移传感探头用于对入射光纤传导的多色光进行轴向色散后将不同波长的光分别聚焦，并对被测物体的反射光进行传导。

接收光纤，所述接收光纤的入光端固定设置在所述光谱共焦位移传感探头内，所述接收光纤的入光端用于选择性的接收所述光谱共焦位移传感探头传导的被测物体的反射光；

光谱仪，所述光谱仪固定连接所述接收光纤的出光端，所述光谱仪带有感光元件并用于把被测物体的反射光进行色散聚焦到感光元件上且量化成光谱曲线。

进一步，所述光谱共焦位移传感探头包括：

探头壳体，所述探头壳体与入射光纤和接收光纤固定连接；

半透半反光学镜，所述半透半反光学镜固定设置在所述入射光纤的出光端的正下方；

反光镜，所述反光镜固定设置在所述探头壳体的内侧壁上，所述反光镜用于反射所述半透半反光学镜所发出的反射光，所述接收光纤入光端位于所述反光镜的上方。

进一步，所述半透半反光学镜包括有上三棱镜，与上三棱镜相胶合的下三棱镜，所述胶合面镀有半透半反膜，所述半透半反膜与所述入射光纤的出光端射出的光线呈45°设置，所述上三棱镜和所述下三棱镜均采用等边直角棱镜，所述上三棱镜和所述下三棱镜的直角边相等。

进一步，所述上三棱镜上背向所述反光镜的一面设置为哑光面。

进一步，所述探头壳体的末端固定设置有用于对光线进行色散聚焦的色散镜头，所述色散镜头包括有准直镜组和色散聚焦镜组，所述准直镜组设置在多色光光源的一侧，用于多色光源的准直；所述色散聚焦镜组设置在被测物体的一侧，用于将多色光分别聚焦，并产生轴向色散。

进一步，所述光谱仪包括机壳，固定设置在机壳中并位于所述接收光纤出光端的轴向上且用于对反射光进行色散的棱镜组，固定设置在所述棱镜组的出光端并用于对色散后的光进行聚焦的聚焦透镜组，所述感光元件设置在聚焦透镜组的出光端并用于接收聚焦后的多色光。

进一步，所述光谱仪还包括用于对反射光进行准直的准直透镜组，所述准直透镜组设置在所述接收光纤的出光端与所述棱镜组之间。

进一步，所述机壳设置有两层，所述聚焦透镜组位于所述机壳的上层，所述感光元件位于所述机壳的下层，所述聚焦透镜组与所述感光元件的光路之间设置有用于转变光线传播方向的光线转向镜组，所述光线转向镜组包括有上反光镜，设置在所述上反光镜下方位置的下反光镜，所述光线转向镜组用于，使从上层的聚焦透镜组射出的光线聚焦到下层的感光元件上。

进一步，所述光谱共焦位移传感探头还设置有提示组件，所述提示组件包括有：

发光件，所述发光件设置在光源耦合器中；

导光光纤，所述导光光纤的一端连接在所述光源耦合器中且另一端延伸连接在探头壳体的侧壁上，所述导光光纤用于传导所述发光件发出的提示光。

进一步，所述入射光纤，接收光纤，导光光纤外表面套设有保护套，所述保护套一端固定设置在探头壳体内。

采用上述方案的有益效果是：本发明提出的一种光谱共焦位移传感器，通过光源耦合器产生多色光，多色光在入射光纤中传导到光谱共焦位移传感探头内；通过光谱共焦位移传感探头内的透镜组和光学元件使多色光发生光谱色散，不同波长的单色光聚焦到不同的轴向位置，使波长与被测物体的位移产生对应关系；被测物体表面反射的反射光通过探头接收并由接收光纤传输到光谱仪，光谱仪对反射光进行聚焦并通过设置在光谱仪中的感光元件对反射光进行量化处理，量化后的光波在光谱仪上产生一个光谱波峰，光谱曲线的峰值位置与聚焦于被测物体表面的波长产生对应关系；光谱仪将波长、被测物体的位移和光谱波峰位置三者建立对应关系后进行分析，通过光谱波峰位置反推出被测物体的位移，实现通过光谱共焦原理测量位移的过程，避免使用激光直接照射到物体表面而呈现颗粒状的散斑，克服不易确定像点的质心位置的缺陷。

附图说明

图1是本发明的一种光谱共焦位移传感器的实施例的连接示意框图。

图2是本发明实施例的光源耦合器的结构示意图。

图3是本发明实施例的光谱共焦位移传感探头的正视图。

图4是本发明实施例的光谱共焦位移传感探头的剖视图。

图5是本发明实施例的光谱共焦位移传感探头的光路示意图。

图6是本发明实施例的半透半反光学镜的结构示意图。

图7是传统分光镜的光路示意图。

图8是本发明实施例的色散镜头的光路示意图。

图9是本发明实施例的提示组件的结构示意图。

图10是本发明实施例的光谱仪的剖视图。

图11是本发明实施例的测量结果显示图。

图中：1000、光源耦合器；1100、多色光光源；1200、带通滤光片；2000、光谱共焦位移传感探头；2100、入射光纤；2200、接收光纤；2300、半透半反光学镜；2310、上三棱镜；2311、哑光面；2320、下三棱镜；2330、半透半反膜；2400、反光镜；2410、镜座；2500、色散镜头；2510、准直镜组；2520、色散聚焦镜组；3000、提示组件；3100、探头壳体；3110、上壳体；3111、沉孔；3120、下壳体；3210、发光件；3300、导光光纤；3400、插槽；3500、滤光片；3600、透光镜；3700、保护套；4000、光谱仪；4100、机壳；4200、棱镜组；4300、聚焦透镜组；4400、感光元件；4500、准直透镜组；4600、光线转向镜组；4700、上反光镜；4800、下反光镜；5000、被测物体。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、图2所示，本发明提出一种光谱共焦位移传感器，包括有光源耦合器1000，所述光源耦合器1000包括用于产生多色光的多色光光源1100；多色光光源1100可使用激光荧光系统，也可使用LED灯发光照射荧光粉产生白光，还可以是LED灯直接产生白光，光源耦合器1000产生的光能可以适当调节，同时通过反馈控制实现光源耦合器1000产生持续的、亮度恒定的多色光，从而使光能量和测量更加稳定；光源耦合部分设置有带通滤光片1200,让有效的多色光通过,对无效的红外光和热量进行过滤,避免后续部件受热变形，对整个系统的性能有改善作用。

如图1、图2所示，在所述光源耦合器1000上可装配连接有入射光纤2100，入射光纤2100固定连接在光源耦合器1000上后，入射光纤2100的入光端固定连接在所述光源耦合器1000中，入射光纤2100用于接收并传导所述多色光光源1100所发出的多色光；如图3、图4所示，在入射光纤2100的出光端固定连接光谱共焦位移传感探头2000，所述光谱共焦位移传感探头2000用于对入射光纤2100传导的多色光进行轴向色散和聚焦，并对被测物体的反射光进行接收和传导；在所述光谱共焦位移传感探头2000上固定连接有接收光纤2200，所述接收光纤2200的入光端固定设置在所述光谱共焦位移传感探头2000内，所述接收光纤2200的入光端用于选择性接收所述光谱共焦位移传感探头2000传导的被测物体5000的反射光，接收到的反射光在接收光纤2200内进行传导；如图1、图10所示，在接收光纤2200的出光端可装配连接有光谱仪4000，当所述光谱仪4000与所述接收光纤2200的出光端装配好后，所述光谱仪4000与接收光纤2200的出光端实现固定连接，所述光谱仪4000带有感光元件4400并用于把被测物体5000的反射光进行色散聚焦到感光元件4400上且量化成光谱曲线。这样，通过光源耦合器1000产生多色光，多色光在入射光纤2100中传导到光谱共焦位移传感探头2000内。通过光谱共焦位移传感探头2000内的透镜组和光学元件使多色光发生光谱色散，不同波长的单色光聚焦到不同的轴向高度，使波长与被测物体5000的位移产生对应关系；被测物体表面反射的反射光通过探头接收并由接收光纤2200传输到光谱仪4000，光谱仪4000对反射光进行聚焦并通过设置在光谱仪4000中的感光元件4400对反射光进行量化处理，量化后的光波在光谱仪4000上产生一个光谱波峰，光谱曲线的峰值位置与聚焦于被测物体表面的波长产生对应关系；光谱仪4000将波长、被测物体的位移和光谱波峰位置三者建立对应关系后进行分析，通过光谱波峰反推出被测物体的位移，实现利用光谱共焦原理测量位移的过程(如图11)；因此本方案中的光谱共焦位移传感器通过光谱共焦工作原理，避免使用激光直接照射到物体表面而呈现颗粒状的散斑，克服不易确定像点的质心位置的缺陷。

采用入射光纤2100和接收光纤2200分离的方式，使发射光和反射光从不同的光路中传输，从而避免光线在传输过程中产生内部干扰，提高了光谱共焦系统的信噪比，而且发射光和反射光的单独传输通道，使光路顺畅，不会出现自身反射，从而减少自身反射光造成的干扰和能量损失。而传统的光路设置过程中，采用的是Y型光纤，入射光纤和接收光纤在探头内耦合成一条光纤，形成Y型光纤，这样会产生内部串扰，降低信噪比，影响有效信号的提取和整个系统的稳定性。而本方案中的入射光纤2100和接收光纤2200单独进行设置，可以避免传统Y型光纤的问题，使光的传播更加稳定。

如图3、图4、图5所示，本实施例中的所述光谱共焦位移传感探头2000具体包括有探头壳体3100，所述探头壳体3100与入射光纤2100和接收光纤2200固定连接，探头壳体3100优先采用圆柱形壳体，用于对探头内的光学元件进行安装、支撑且对结构进行保护，易于想到的是，探头壳体3100可设置有方形，多边形或其他特定形状。在所述探头壳体3100内固定设置有半透半反光学镜2300，所述半透半反光学镜2300位于所述入射光纤2100的出光端的正下方；所述半透半反光学镜2300对通过入射光纤2100传导后的多色光实现一半透射而一半反射，而当透射的光线经过被测物体反射形成反射光后照射到半透半反光学镜2300上，半透半反光学镜2300对反射光进行一半透射，一半反射；在所述探头壳体3100的内侧壁上固定设置有反光镜2400，所述反光镜2400用于反射所述半透半反光学镜2300所发出的反射光，即反光镜2400对半透半反光学镜2300所反射的光线进行再次反射，所述接收光纤2200入光端位于所述反光镜2400的上方，通过反光镜2400所反射的反射光进入到接收光纤2200的入光端，再通过接收光纤2200传递反射光到光谱仪4000。

本实施例中采用的入射光纤2100和接收光纤2200的入光端和出光端用于导光的纤芯，直径均为微米级，通常为50-100微米，非常小；当反射光的焦点落在接收光纤2200的纤芯之外时，无法对反射光进行接收，而需要测量的相应波长的反射光可以顺利通过接收光纤2200的纤芯，被顺利接收和传导，实现对不同波长的反射光进行选择和物理过滤，因此可以通过缩小光纤的纤芯直径来使采样信号更锐利，从提高采样信号的信噪比和测量精确度。

如图5、图6所示，本实施例中的半透半反光学镜2300包括有上三棱镜2310，与上三棱镜2310通过胶水粘接的下三棱镜2320，所述胶合面镀有半透半反膜2330，所述半透半反膜2330为分光比为1:1的半透半反膜2330，半透半反膜2330采用超薄的膜片，厚度为微米级，通过半透半反膜2330可让多色光透过膜片，在所述半透半反膜2330与所述入射光纤2100的出光端射出的光线呈45°设置，易于想到的是，采用其他角度设置也可实现光路，而呈45°的设置的光路设计更简单，更加标准化，所述上三棱镜2310和所述下三棱镜2320均采用等边直角棱镜，所述上三棱镜2310和所述下三棱镜2320的直角边相等，这样形成的半透半反膜2330实现多面通光，当多色光沿轴向射入半透半反光学镜2300后，光线从上三棱镜2310的直角边的法线方向射入，在上棱镜上的光轴不产生偏移，当光线射到半透半反膜2330上时，一部分光线进行透射到下三棱镜2320上，一部分光线进行反射，反射到背向所述反光镜2400的一面，在上三棱镜2310背向所述反光镜2400的一面上进行涂黑处理从而成为哑光面2311，当光被半透半反光学镜2300反射到哑光面2311上时，被哑光面2311吸收，因此可以减少整个系统的杂散光，提高信噪比。射到下三棱镜2320上的光线由于半透半反膜2330的厚度很小，因此产生的折射后的偏移量小，这样可认为多射光线从下三棱镜2320上射出时，基本不发生位置偏移，从下三棱镜2320上射出的光线的光轴与从入射光线的出光端射出的光轴重合。这样实现所有多色光的波长共光轴，而且不发生光轴偏移，有利于后续对多色光进行色散和聚焦。

如图7所示，传统的探头采用的是分光镜，分光镜有一定厚度，使光波产生了垂直光轴方向的横向偏移，而波长不同，其横向偏移不相等，导致各种波长的光轴发生分离，经过色散镜头的聚焦点上不在光轴上，其连线也不是一条直线，所以会产生较大的轴向像差和横向像差而降低MTF值，使整个系统产生较大误差，难以保证整个系统的测量精度。因此，本方案采用的半透半反光学镜2300可以实现所有多色光共光轴，不发生光轴偏移，即发射光线和接收光线沿光轴完全对称，而且没有垂直光轴方向的偏移，可以更好的消除像差，同时其结构简单，提高机械结构的可加工性。

如图5所示，本实施例中在所述探头壳体3100的内壁上一体成型设置有镜座2410，所述反光镜2400粘接固定设置在所述镜座2410上，所述反光镜2400的反光面与所述探头壳体3100的轴向呈45°设置。通过镜座2410对反光镜2400形成稳定支撑，使反光镜2400的反光面与所述探头壳体3100的轴向呈45°，便于对光线进行反射，使通过被测物体反射后的光线经半透半反光学镜2300转折90°到达反光镜2400，反光镜2400对其转折90°，使光线顺利进入接收光纤2200的入光端。

如图4、图5、图8所述探头壳体3100的末端固定设置有用于对光线进行色散聚焦的色散镜头2500，所述色散镜头2500包括准直镜组2510和色散聚焦镜组2520，所述准直镜组2510固定设置在靠近多色光光源的一侧，用于多色光的准直；所述色散聚焦镜组2520设置在被测物体的一侧，用于将多色光分别聚焦，使不同波长的光的焦点沿轴向分布在不同高度。从半透半反光学镜2300射出的光线到达色散镜头2500，先通过准直镜组2510对多色光进行准直，使出射光线变成为轴向平行光，轴向平行光到达色散聚焦镜组2520，从色散聚焦镜组2520射出的多色光由于波长的不同而聚焦在不同的高度，各焦点高度按照波长的顺序，沿轴向依次排列。

所述准直镜组2510与色散聚焦镜组2520同轴设置，且所述准直镜组2510和色散聚焦镜组2520共焦点。这样，使准直镜组2510与色散聚焦镜组2520形成4F光学系统，进一步减小杂散光。准直镜组2510与色散聚焦镜组2520结构简单，易于加工装配和调整，同时实现轴向位移与波长有较好的函数关系的优点；例如，轴向位移与波长产生三次函数关系时，有利于加快后续处理数据的运算速度。

如图10所示，本发明的所述光谱仪4000包括机壳4100，在机壳4100中固定设置有棱镜组4200，棱镜组4200位于所述接收光纤2200出光端的轴向上，棱镜组4200用于对反射光进行色散，在机壳4100内固定设置有聚焦透镜组4300，聚焦透镜组4300用于对色散后的光进行聚焦，位于机壳4100内的所述感光元件4400设置在聚焦透镜组4300的出光端并用于接收聚焦后的多色光。这样，通过棱镜组4200对接收光纤的出光端发出的多色光进行色散，色散后的光通过聚焦透镜组4300进行聚焦，使焦点位于感光元件4400上，通过感光元件4400与控制电路连接，从而实现电信号输出，即对反射光进行量化处理，量化后的光波在光谱仪4000上产生一个光谱波峰，光谱曲线的峰值位置与聚焦于被测物体表面的波长产生对应关系；光谱仪4000将波长、被测物体的位移和光谱波峰位置三者建立对应关系后进行分析，通过光谱波峰位置反推出被测物体的位移，实现使用光谱共焦原理测量位移的过程。本实施例采用棱镜组4200进行色散，具有较小的光能量损失。

而传统的光谱仪4000，还可采用光栅进行分光，与棱镜组4200相比，光栅分光的光能量损失较大，对于光谱共焦系统，最终照射到光谱仪4000的感光器件上的有效光能信号很弱，影响测量精度和效果。

如图10所示，所述光谱仪4000还包括用于对反射光进行准直的准直透镜组4500，所述准直透镜组4500设置在所述接收光纤2300的出光端与所述棱镜组4200之间。光线是发散的，即开始相邻的两条光线传播后会相离越来越远，准直透镜组4500对反射光进行准直，使多色光平行射入棱镜组4200。平行光束的方向稳定性高，在接收平面上能形成稳定的中心，有利于后续对多色光进行色散。

如图10所示，所述机壳4100设置有两层，所述聚焦透镜组4300位于所述机壳4100的上层，所述感光元件4400位于所述机壳4100的下层，所述聚焦透镜组4300与所述感光元件4400的光路之间设置有用于转变光线传播方向的光线转向镜组4600，所述光线转向镜组4600包括有上反光镜4700，设置在所述上反光镜4700下方位置的下反光镜4800，所述光线转向镜组4600用于使从上层的聚焦透镜组4300射出的光线聚焦到下层的感光元件4400上。这样，通过光线转向镜组4600使光线实现转向和掉头，从而充分利用上下空间，使原有的水平光路变换为上下光路，使光谱仪4000的长度变短，有利于光谱仪4000小型化和便携化。

如图4、图9所示，本实施例的光谱共焦位移传感探头2000还包括提示组件3000，光源耦合器1000作为单独结构与探头壳体3100分开设置。提示组件3000包括在光源耦合器1000内，通过卡扣设置，用于产生提示光的发光件3210；可拆卸的发光件3210也可直接固定在光源耦合器1000内。所述发光件3210为双色LED灯，也可为其他可见光光源，当探头操作正常且被测物体在有效测量区域时，由控制系统发出控制信号点亮发光件3210，发光件3210发出绿色光，提醒使用者操作正常，可以继续操作。当探头操作不正常或被测物体不在有效测量区域时，由控制系统发出控制信号点亮发光件3210，发光件3210发出红光，提示使用者操作出现问题，需要更正。发光件3210发出不同颜色的光便于使用者了解探头的使用情况，增加便利性。易于想到的是，发光件3210还可设置为发射多色光，如当被测物体放置在有效测量区域但不是最佳位置时，发光件3210发出黄光等。光源耦合器1000和探头壳体3100之间设置有导光光纤3300，导光光纤3300的入光端可拆卸连接在光源耦合器1000中，优选的连接方式为导光光纤3300的入光端正对发光件3210的发光面，探头壳体3100上开设有插槽3400，导光光纤3300的另一端(出光端)通过插槽3400可拆卸连接在探头壳体3100的侧壁上，导光光纤3300用于将光源耦合器1000中的发光件3210发出的光传导到探头壳体3100的侧壁，从而实现提示光从探头壳体3100的侧壁上发出，当手握探头壳体3100进行位置测量时，方便人眼获取探头壳体3100上发出的指示光，通过指示光的不同颜色，从而判断物体的摆放位置的状态。本实施例中通过采用可拆卸连接，便于导光光纤3300的维护和更换。所述的发光件3210可设置为一个或多个，当设置为一个时，导光光纤3300传导一个发光件3210的光，会导致传递到探头壳体3100上的光较弱，从而导致光线的辨识度不高，因此本实施例所述发光件3210设置有多个，根据数量不同按照不同排列方式排列在光源耦合器1000中，所述的导光光纤3300设置有多个，发光件3210和导光光纤3300的关系为一一对应连接关系，多个导光光纤3300呈对称分布或圆周阵列分布在探头壳体3100的侧壁上，这样由导光光纤一一对应传导发光件3210产生的光，因此，光从探头壳体3100上发出后辨识度高。优选的，在本实施例中发光件设置有2个，在保证良好提示效果的前提下，采用更少的发光件以减少发热对探头的影响，发光件3210左右对称布置在光源耦合器1000中，通过卡扣和螺纹连接固定在光源耦合器1000中，导光光纤3300也设置有2个，分别通过插槽3400与发光件3210连接，两个导光光纤3300的出光端在探头壳体3100上呈左右对称设置，发光件3210发出的指示光能通过导光光纤3300的传导，从各个方向射出，使用者能从各个角度观察到探头工作情况。

如图9所示，所述发光件3210和导光光纤3300的入光端之间，固定设置有滤光片3500，滤光片3500固定设置在发光件和导光光纤3300之间，滤光片3500用于过滤红外线，减小探头壳体3100发热变形，提高探头精度。

如图9所示，所述探头壳体3100的侧壁上开有沉孔3111，连接导光光纤3300的出光端的插槽3400开在沉孔3111底部，且导光光纤3300的出光端与沉孔3111底部的插槽3400可拆卸连接；通过沉孔3111的设置，在探头壳体3100上形成对导光光纤3300连接位进行避让，避免使用者在使用过程中触碰到导光光纤3300，从而影响导光光纤3300，或损伤导光光纤3300与探头壳体3100的连接位。

如图9所示，位于所述沉孔3111的开口端，通过粘接固定设置有透光镜3600，透光镜3600为玻璃材质或塑料材质，透光镜3600可以为平面镜或凹透镜，平面透光镜3600的设置可以对导光光纤3300的出光端进行保护，本实施例中优选凹透镜，凹透镜可以将导光光纤3300从发光件3210传导过来的光发散传导到探头外，使光的指示范围更广，更有利于使用者观察。

如图9所示，所述的探头壳体3100设置为两部分，包括有上壳体3110和下壳体3120，上壳体3110和下壳体3120均为圆柱形，上壳体3110和下壳体3120通过螺纹或卡扣配合而实现可拆卸连接，导光光纤3300的出光端连接在上壳体3110的沉孔3111上；而探头的其他精密光学部件设置在下壳体3120上，这样导光光纤3300传导从发光件3210发出来的光时，不可避免的会产生热量，通过上壳体3110与下壳体3120的分开设置，从而上壳体3110和下壳体3120之间产生配合间隙，导光光纤300的热量大部分会传导到上壳体3110上，上壳体3110与下壳体3120的配合间隙会抵消上壳体3110因受热产生的形变量，从而减少产生的热量对下壳体3120及下壳体3120中的高精度元件的影响，提高探头精度。

本方案中，将光源耦合器1000与光谱共焦位移传感探头2100分开设置，设置在光源耦合器1000中的发光件2210实现发光，并通过导光光纤2300进行传导光后在探头壳体2100上显示，让产生热量的发光件2210与探头壳体2100分离而不影响探头壳体2100，从而减少发光件2210发光时产生的热量对光谱共焦位移传感探头2100精度的影响，减少测量误差，提高测量精度；通过滤光片2500过滤红外线，进一步减小发热量和传导的热量；将探头壳体3100设置成可拆卸的上壳体3110和下壳体3120两个部分，产生的少量热量集中在上壳体3110上而不对下壳体3120上的主要光学部件产生影响，从而减少测量误差，提高测量精度。

在本方案中，所述入射光纤2100，接收光纤2200，多个导光光纤3300外表面套设有保护套3700，所述保护套3700一端固定设置在探头壳体3100内。这样通过保护套3700使入射光纤2100，接收光纤2200，多个导光光纤3300形成一条连接结构，便于装配的同时，对入射光纤2100，接收光纤2200，多个导光光纤3300进行保护。

综上所述，本发明提出的一种光谱共焦位移传感器，通过光源耦合器1000产生多色光，多色光在入射光纤2100中传导到光谱共焦位移传感探头2000内。通过光谱共焦位移传感探头2000内的半透半反光学镜和色散镜头使多色光发生光谱色散，不同波长的单色光聚焦到不同的轴向位置，使波长与被测物体的位移产生对应关系；被测物体表面的反射光通过探头接收并由接收光纤2200传输到光谱仪4000，光谱仪4000对反射光进行聚焦并通过设置在光谱仪4000中的感光元件4400对反射光进行量化处理，量化后的光波在光谱仪4000上产生一个光谱波峰，光谱曲线的峰值位置与聚焦于被测物体表面的波长产生对应关系；光谱仪4000将波长、被测物体的位移和光谱波峰位置三者建立对应关系后进行分析，通过光谱波峰位置反推出被测物体的位移，实现使用光谱共焦原理测量位移的过程。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种光谱共焦位移传感器，其特征在于，包括：

光源耦合器，所述光源耦合器用于产生多色光；

入射光纤，所述入射光纤的入光端固定连接在所述光源耦合器中并用于接收所述光源耦合器所发出的多色光；

光谱共焦位移传感探头，所述光谱共焦位移传感探头固定连接在所述入射光纤的出光端，所述光谱共焦位移传感探头用于对入射光纤传导的多色光进行轴向色散后将不同波长的光分别聚焦，并对被测物体反射光进行传导；

接收光纤，所述接收光纤的入光端固定设置在所述光谱共焦位移传感探头内，所述接收光纤的入光端用于选择性的接收所述光谱共焦位移传感探头传导的被测物体的反射光；光谱仪，所述光谱仪固定连接所述接收光纤的出光端，所述光谱仪带有感光元件并用于把被测物体的反射光进行色散聚焦到感光元件上且量化成光谱曲线；

所述光谱共焦位移传感探头包括有：

探头壳体，所述探头壳体与入射光纤和接收光纤固定连接；

半透半反光学镜，所述半透半反光学镜固定设置在所述入射光纤的出光端的正下方；

反光镜，所述反光镜固定设置在所述探头壳体的内侧壁上，所述反光镜用于反射所述半透半反光学镜所发出的反射光，所述接收光纤入光端位于所述反光镜的上方；

所述入射光纤和所述接收光纤采用分离方式，使发射光和反射光从不同的光路中传输，从而避免光线在传输过程中产生内部干扰，提高了光谱共焦系统的信噪比，而且发射光和反射光的单独传输通道，使光路顺畅，不会出现自身反射，从而减少自身反射光造成的干扰和能量损失；

所述入射光纤和所述接收光纤的入光端和出光端用于导光的纤芯的直径均为50-100微米，实现对不同波长的反射光进行选择和物理过滤；

所述光谱共焦位移传感探头还设置有提示组件，所述提示组件包括有：

发光件，所述发光件设置在光源耦合器中；

导光光纤，所述导光光纤的一端连接在所述光源耦合器中且另一端延伸连接在探头壳体的侧壁上，所述导光光纤用于传导所述发光件所发出的提示光；

所述发光件和所述导光光纤的入光端之间固定设置有滤光片；

将所述光源耦合器与所述光谱共焦位移传感探头分开设置，设置在所述光源耦合器中的所述发光件实现发光，并通过所述导光光纤进行传导光后在所述探头壳体上显示，让产生热量的所述发光件与所述探头壳体分离而不影响探头壳体，通过所述滤光片过滤红外线以减小所述探头壳体的热量。

2.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于，所述半透半反光学镜包括有上三棱镜，与上三棱镜胶合的下三棱镜，胶合面镀有半透半反膜，所述半透半反膜与所述入射光纤的出光端射出的光线呈45°设置，所述上三棱镜和所述下三棱镜均采用等边直角棱镜，所述上三棱镜和所述下三棱镜的直角边相等。

3.根据权利要求2所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于，所述上三棱镜上背向所述反光镜的一面设置为哑光面。

4.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于，所述探头壳体的末端固定设置有用于对光线进行色散聚焦的色散镜头，所述色散镜头包括准直镜组和色散聚焦镜组，所述准直镜组设置在多色光光源的一侧，用于多色光光源的准直；所述色散聚焦镜组设置在被测物体的一侧，用于将多色光分别聚焦并产生轴向色散。

5.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于，所述光谱仪包括机壳，固定设置在机壳中并位于所述接收光纤出光端的轴向上且用于对反射光进行色散的棱镜组，固定设置在所述棱镜组的出光端并用于对色散后的光进行聚焦的聚焦透镜组，所述感光元件设置在聚焦透镜组的出光端并用于接收聚焦后的多色光。

6.根据权利要求5所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于，所述光谱仪还包括用于对反射光进行准直调整的准直透镜组，所述准直透镜组设置在所述接收光纤的出光端与所述棱镜组之间。

7.根据权利要求6所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于，所述机壳设置有两层，所述聚焦透镜组位于所述机壳的上层，所述感光元件位于所述机壳的下层，所述聚焦透镜组与所述感光元件的光路之间设置有用于转变光线传播方向的光线转向镜组，所述光线转向镜组包括有上反光镜，设置在所述上反光镜下方位置的下反光镜，所述光线转向镜组用于使上层的聚焦透镜组射出的光线聚焦到下层的感光元件上。

8.根据权利要求1所述的光谱共焦位移传感器，其特征在于，所述入射光纤，接收光纤，导光光纤外表面套设有保护套，所述保护套一端固定设置在探头壳体内。