CN117889778A - 一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器及其应用，传感器内部的双激光发射器发射两道线阵激光，通过公用柱透镜镜组转化为条状光束，经分射棱镜后射向两侧被测物体表面，经物体反射的激光经回路球面透镜聚光，被内部的面阵探测器接收。根据不同的距离，探测器可以在不同的角度下接收这组光线。根据这个角度及已知的固件尺寸、距离信息，数字信号处理器就能计算出激光传感器和被测物体之间的距离，从而实现测距，同时，通过线光束宽度方向上信息，可形成被侧面二维轮廓检测。在线轮廓激光器外安装有保护罩,用以防辐和防尘等。本发明适用于腔体空间的内壁轮廓测量。
Description
技术领域
本发明涉及精密检测技术，具体涉及一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器。本发明可用于不同规格阀座口径的密封面测量，尤其适用于腔体空间的内壁轮廓的测量。设计双侧出光双面同步测量结构，具体可实现距离探测和轮廓探测等参数检测的同时，也节约了所需空间、提高了扫描效率和测量精度。
背景技术
闸阀阀座密封面测量通常包含多方面要求。精确的测量可以确保阀座密封面的平整度和光洁度符合要求，平整度和光洁度的高低会直接影响到阀门的密封性能的好坏。生产应用中，密封性能优良的闸阀阀门一般会要求光洁度Ra值在零点几微米以内，平整度则是在几十微米以内。传统的测量方法通常需要人工操作，耗时耗力，且对操作人员的技术要求较高，特别是对于大型尺寸口径的压阀阀座密封面，由于其体积庞大、重量较重，测量过程更加复杂和困难，导致测量效率低下。另外，人为测量中，不同操作人员之间测量结果可能存在一定的差异，缺乏一致性和可比性，若测量过程中需要手工处理和分析，不但处理过程繁琐，人为误差和不确定性也在所难免。为解决上述问题，现代技术上会通过引入高精度测量仪器，自动化测量系统和数据处理软件等，以提高测量精度、效率和一致性。同时，还会采用非接触式测量方法，如激光测量技术，以提高测量的准确性和可靠性，由其优越的测量性能，目前已在工业领域广泛应用。
线激光轮廓传感器的原理是基于激光干涉测量技术。当激光束照射到被测物体表面时，激光光束会发生反射、散射和折射等现象，这些现象会导致反射激光的相位发生变化，形成干涉信号，通过测量干涉信号的相位差，可以推算出被测物体表面的形状和轮廓。目前，市场上2D和3D线激光轮廓传感器发展上均都较为成熟，主要国外厂家有德国米铱、Cognex和基恩士等，国内厂家有深视智能、海康威视和青波光电等。各家厂商所生产的产品精度方面基本都已达到微米级别，光源以蓝色和红色激光为主，测量范围也从几毫米到几百毫米不等。具体测量应用时，上述技术与产品更多的是适用于平面或近平面物体的扫描，从而绘制出2D或3D轮廓。线激光传感器在高精度非接触式表面轮廓测量技术中应用广泛，但目前市场上成熟的应用于测量表面轮廓的线激光传感器普遍适用于平面或近平面物体的测量，在面对类柱面腔体内部测量时，面对不同规格的内径，上述传感器往往会因为安装条件或测量方式的问题而影响测量精度和测量效率。
为解决上述问题，本发明公开了一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器。传感器内部激光发射器发出的激光，通过公用柱透镜镜组进行聚光，经分射棱镜后射向两侧被测物体表面，经物体反射的激光经回路球面透镜聚光，被内部的面阵探测器接收，实现了双侧出光双面同步测量结构，节约了检测所需空间的同时，也提高了扫描效率和测量精度。
发明内容
本发明的目的是提出一种可同时测量两侧轮廓的线激光传感器，更适用于类柱面腔体的内部轮廓测量。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以解决：
一种可同时测量两侧轮廓的线激光传感器，包括激光发射器、共用柱透镜组、等腰直角三棱镜、等腰棱镜、球面透镜、面阵探测器、信号处理模块以及外保护罩。
所述激光发射器产生两道互相平行的激发激光；所述激发激光进入共用柱透镜组；所述共用柱透镜组将激光光束扩大为条状光束；所述条状光束通过直角等腰棱镜后射向两侧被测物表面；所述射向两侧被测物表面的光束在物体表面产生漫反射光；所述漫反射光射向回路中的等腰棱镜两腰面后被偏转；所述被偏转光束经过回路中的球面透镜聚焦于面阵探测器上；所述面阵探测器将光信号转换为电信号，传输给信号处理模块。所述信号处理模块对输入的电信号进行数字化等处理，从而得到可用于后续数据处理和分析的数字化数据；所述激光发射器外壳安装有保护罩，用于防辐与防尘。
进一步的，所述激光发射器为双出光半导体激光器，具有体积小，重量轻，效率高和发射激光连续性、可见性好等优点，所述激发激光波长优选为635nm到650nm之间。
进一步的，所述共用柱透镜组共一前一后两组，柱透镜组的焦点与所述线激光器光源相对应，准直后得到两条平行的条状光束。
进一步的，所述两条平行条状光束分别从高精度等腰直角三棱镜直角面射入，棱镜表面镀有反射膜，使得光路偏转一定角度后再次射出。
进一步的，光路从等腰直角三棱镜直角面两侧射出后发射至被测物上，且角度与被测物平面相垂直，光线在被测物表面产生漫反射，被测物优先选择腔体内部。
进一步的，所述漫反射光分别从回路高精度等腰棱镜的两腰面射入，入射光束与棱镜腰面成一夹角，棱镜表面同样镀有反射膜，两侧入射光经反射后成平行光束。
进一步的，所述平行光束经回路中球面透镜后发生聚焦，最终入射到共用面阵探测器上。面阵式探测器可以采用CMOS(互补金属氧化物半导体)、CCD(电荷耦合器件)或PSD(位置敏感期)图像传感器，优先选用CMOS芯片。探测器将等腰三角棱镜接受信号时的角度信息、固件尺寸和两个三棱镜间距离信息等转换为电信号。
进一步的，信号处理模块用于控制所述面阵探测器曝光，将所述光探测器输入的电信号进行放大、滤波、数字化和解码等处理，从而得到可用于后续数据处理和分析的数字化数据，实现测距与待测物的轮廓检测。
进一步的，所述传感器自身保护壳外有安装保护罩，保护罩由防辐罩与防尘罩组成，在激光发射和接收窗口均有防尘罩，防尘罩安装于防辐罩上，所述直角等腰棱镜偏转激光、所述漫反射光分别透过防尘罩后射出、射入。
本发明相对于现有技术的有益效果为：
第一，本发明两个激光发射系统共用同一个光路，简化了系统设计与安装，减少光学元件数量和复杂度，提高系统稳定性和可靠性的同时降低了系统成本；第二，本发明利用双侧发射激光的方式来测量被测物体的轮廓，特别适用于腔体内相关参数的精确测量；第三，本发明选取了表面镀有反射材料的直角三棱镜和等腰棱镜，提供高反射率的同时，又避免环境中幅射光直接射入，既确保激光的传输方向和位置精确可控，又保护了传感器内相关电子器件；第四，本发明保护壳外安装有防辐罩与防尘罩，适用于存有辐射或环境较恶劣的工业环境中。
附图说明
图1是本发明一种实施例的可同时测量两侧轮廓的线激光传感器结构与组成原理图；
图2是本发明一种实施例的可同时测量两侧轮廓的线激光传感器结构加防辐罩和防尘罩后的组成原理示意图；
图3是本发明一种实施例线激光传感器结构内相关符号参数；
图4是本发明所设计线激光轮廓传感器理论模型及加防辐罩、防尘罩后的模型示意图；
图5是本发明所设计的防辐罩与线激光轮廓传感器装配后的爆炸图；
图6是所设计的一种线轮廓传感器防辐罩侧盖以及与其待配合防辐罩状态示意图；
图7是本发明一种实施例的线激光轮廓传感器应用实现示意图；
图8是本发明一种变形例的线激光轮廓传感器应用实现示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做具体说明。
本发明的实施例涉及一种可同时测量两侧轮廓的线激光传感器，可用于不同规格阀座口径的密封面测量，尤其适用于腔体空间的内壁轮廓的测量。以下参考附图来说明根据本发明所提出的一种实施例。
如图1所示，根据本发明所提出测量装置的一种实施例，一种可同时测量两侧轮廓的线激光传感器包括激光发射器100、共用柱透镜组101、直角等腰棱镜102、等腰棱镜103、球面透镜104、面阵探测器105、信号处理模块300。
在本实施例中，所述激光发射器100产生两道互相平行的激发激光400；所述激发激光400进入共用柱透镜组101；所述共用柱透镜组101将激光光束扩大为条状光束401；所述条状光束401通过直角等腰棱镜102后射向两侧被测物表面200；所述射向两侧被测物表面的光束在物体表面产生漫反射光402；所述漫反射光402射向回路中的等腰棱镜103两腰面后被偏转；所述被偏转光束经过回路中的球面透镜104聚焦于面阵探测器105上；所述面阵探测器将光信号转换为电信号，传输给信号处理模块300；
在本实施例中，所述激光发射器100为双出光半导体激光器，所述激发激光400优选为红色激光；所述共用柱透镜组101共两组，第一组柱透镜用于放大激光二极管的短轴，第二组透镜对入射激光进行准直，用于将激光束聚焦成为两条平行的条状光束细线，消除激光束的散射，提高测量的精度和稳定性。
在本实施例中，所述两条平行条状光束细线分别从高精度直角等腰棱镜102的两腰面射入，棱镜表面镀有高反射率反射膜，可选材料有铝或二氧化钛等，使得光路偏转90度后再次射出条状光束401。所选直角等腰棱镜102由N-BK7、紫外熔融石英、CaF2或ZnSe制作而成。
在本实施例中，所述光路分别从等腰直角棱镜102直角面两侧射出后发射至被测物200上，且光路垂直于被测物200的法面。光线在被测物表面产生漫反射402，被测物优先选择腔体内部。如图2所示，线激光传感器从等腰直角棱镜两腰面射出后，穿过安装于防辐罩A00上的防尘罩A03-1后从两侧再次射出。
在本实施例中，所述两侧被测物上的漫反射光402分别从防尘罩A03-2两侧再次射入后，再从回路高精度等腰棱镜103的两腰面射入，入射光束与等腰棱镜103的腰面形成一夹角，等腰棱镜103的腰面同样镀有高反射率反射膜，两腰面入射光经反射后为两束平行光线。
在本实施例中，所述等腰棱镜103可选取不同规格形式以满足不同的测量范围。如图3所示，取直角等腰棱镜102折射光线延长线与其中轴线的交点为原点O1，原点O1到条状光束401射于所述被测物间的距离取为L0，漫反射光线402与等腰棱镜103两侧接触点的连线、等腰棱镜中轴线两者交点设为O2，O2到所述接触点距离设为L1，O1与O2距离取为d0,O2到等腰棱镜103的所示顶点距离设为h2、到等腰棱镜103的底边距离设为h1，两棱镜底边距离为d2，直角等腰棱镜102底边到O1距离为d1。所述漫反射光与等腰棱镜102腰面夹角为α。由于漫反射光402在等腰棱镜102腰面发生反射，故反射后光线与腰面夹角同样为α，即等腰棱镜顶角大小为2α。其中L0、d1、d2、h1为定值，由所述等腰棱镜103因选取顶角大小不同而规格不同，设h2为变量以满足对等腰棱镜103的选型要求。
综上，可得数学关系式为：
d0＝d1+d2+h1 (1)
tan2α＝(L0-L1)/d0 (2)
对两边进行展开，得到公式：
可得出L0、d0、h2、α间关系式为：
h2 tan3α-L0tan2α-(h2+2d0)tanα+L0＝0 (4)
在本实施例中，所述两条平行光束经回路中球面透镜104后发生聚焦，最终入射于共用面阵探测器105上。面阵式探测器105可以采用CMOS(互补金属氧化物半导体)、CCD(电荷耦合器件)或PSD(位置敏感期)图像传感器等，优先选用CMOS芯片。探测器将等腰三角棱镜103接受信号时的角度信息、固件尺寸和两个三棱镜间距离信息等转换为电信号。
在本实施例中，信号处理模块300由数字信号处理器、逻辑控制电路、外部输入输出电路、数据存储器等部分组成。其中，所述逻辑控制电路用于控制所述面阵探测器105曝光，将所述面阵探测器105输出的电信号采集为数字信号；所述数字信号处理器用于处理所述数字信号得到光谱信息，并通过所述数据存储器存储上述数据；外部输入输出电路用于外部触发信号的接入。
如图4所示，将所述一种可同时测量两侧轮廓的线激光传感器600未安装和已安装防护罩A00前后两种模型的对比。所述防护罩厚度设定为3mm,材料可选取为碳化硼聚乙烯板或铅版等。
图5所示，是本发明所设计的防辐罩与线激光轮廓传感器装配后的爆炸图，展示了所述防护罩A00结构由上盖板A01、下盖板A02和侧盖板A03三部分组成。所述上盖板A00与下盖板A02设计有用以所述激光传感器的固定孔。所述上盖板A01下端与下盖板A02上端均设计一定可相互扣合的薄板块，以保证整体防护罩的抗辐射性能。所述上盖板A01、下盖板A02和侧盖板A03均设计有若干螺纹孔，以保证盖板与所述线激光传感器之间配合紧实。
如图6所示，所述一种可同时测量两侧轮廓的线激光传感器的条状光束401由直角等腰棱镜102射出后，透过所述防尘罩A03-1。所述漫反射光线402透过另一个防尘罩A03-2再次射入所述线激光轮廓传感器。所述防尘罩A03-1、A03-2固定于所述侧盖板A03上，所述防尘罩A03-1、A03-2厚度设计为2mm。所述防尘罩A03-1、A03-2侧边均为拔模设计，以尽可能避免影响所述激发激光401、所述漫反射光402的发射或接收。
如图7所示，是本发明一种实施例的线激光轮廓传感器应用实现示意图，所述漫反射光402所在平面与所述线激光轮廓传感器移动方向为平行关系，所述线激光轮廓传感器移动方向与被测物200的腔体内圆的轴线方向同向，同时所述线激光轮廓传感器可在被测物200的腔体内移动的同时自转，以便于绘制出整个管道内壁的轮廓形貌。
如图8所示，是本发明另一种实施例的线激光轮廓传感器应用实现示意图，所述激光光束402所在平面与所述线激光轮廓传感器移动方向为垂直关系，同时所述线激光轮廓传感器可通过固定轴700实现自转，被测物200位于线激光轮廓传感器两侧可实现同时测量。当被测物200是腔体800时，第二实施例较第一实施例在测量沿腔体内轴向方向的如焊缝等表面轮廓时更具有优势。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于包括激光发射器(100)、共用柱透镜组(101)、直角等腰棱镜(102)、等腰棱镜(103)、球面透镜(104)、面阵探测器(105)、信号处理模块(300)；
所述激光发射器(100)产生两道互相平行的激发激光(400)；所述激发激光(400)进入共用柱透镜组(101)；所述共用柱透镜组(101)将激光光束扩大为条状光束(401)；所述条状光束(401)通过直角等腰棱镜(102)后射向两侧被测物(200)表面；所述射向两侧被测物表面的光束在物体表面产生漫反射光(402)；所述漫反射光(402)射向回路中的等腰棱镜(103)两腰面后被偏转；所述被偏转光束经过回路中的球面透镜(104)聚焦于面阵探测器(105)上；所述面阵探测器将光信号转换为电信号，传输给信号处理模块(300)。
2.根据权利要求1所述的一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于，所述共用柱透镜组(101)共两组，第一组柱透镜用于放大激光二极管的短轴，第二组透镜对入射激光进行准直，用于将激光束聚焦成为两条平行的条状光束细线，消除激光束的散射。
3.根据权利要求1所述的一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于，所述两条平行条状光束细线分别从高精度直角等腰棱镜(102)的两腰面射入，棱镜表面镀有高反射率反射膜，使得光路偏转90度后再次射出条状光束(401)。
4.根据权利要求1所述的一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于，该线激光轮廓传感器还包括防辐罩(A00)，所述防护罩(A00)由上盖板(A01)、下盖板(A02)和侧盖板(A03)三部分组成；所述上盖板(A01)与下盖板(A02)设计有固定激光传感器的固定孔；所述上盖板(A01)下端与下盖板(A02)上端均设计有能够相互扣合的薄板块，以保证整体防护罩的抗辐射性能；所述上盖板(A01)、下盖板(A02)和侧盖板(A03)均设计有若干螺纹孔，以保证盖板与所述线激光传感器之间配合紧实。
5.根据权利要求4所述的一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于，所述光路分别从等腰直角棱镜(102)直角面两侧射出后发射至被测物(200)上，且光路垂直于被测物(200)的法面；光线在被测物表面产生漫反射光(402)，线激光传感器从等腰直角棱镜两腰面射出后，穿过安装于防辐罩(A00)上的防尘罩(A03-1)后从两侧再次射出。
6.根据权利要求4所述的一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于，所述两侧被测物上的漫反射光(402)分别从防尘罩(A03-2)两侧再次射入后，再从回路高精度等腰棱镜(103)的两腰面射入，入射光束与等腰棱镜(103)的腰面形成一夹角，等腰棱镜(103)的腰面同样镀有高反射率反射膜，两腰面入射光经反射后为两束平行光线。
7.根据权利要求4所述的一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于，共用柱透镜组(101)、直角等腰棱镜(102)、等腰棱镜(103)、球面透镜(104)位置之间的关系约束如下：
设直角等腰棱镜(102)折射光线延长线与其中轴线的交点为原点O1，原点O1到条状光束(401)射于所述被测物(200)之间的距离取为L0，漫反射光线402与等腰棱镜(103)两侧接触点的连线、等腰棱镜中轴线两者交点设为O2，O2到所述接触点距离设为L1，O1与O2距离取为d0,O2到等腰棱镜(103)的顶点距离设为h2、到等腰棱镜(103)的底边距离设为h1，两棱镜相对底边距离为d2，直角等腰棱镜(102)底边到O1距离为d1；所述漫反射光与等腰棱镜(102)腰面夹角为α；由于漫反射光(402)在等腰棱镜(102)腰面发生反射，故反射后光线与腰面夹角同样为α，即等腰棱镜顶角大小为2α；其中L0、d1、d2、h1为定值，由所述等腰棱镜(103)选取顶角大小不同而规格不同，设h2为变量以满足对等腰棱镜(103)的选型要求；
综上，可得关系式为：
d0＝d1+d2+h1(1)
tan2α＝L0-L1d0(2)
对两边进行展开，得到公式：
可得出L0、d0、h2、α间关系式为：
h2tan3α-L0tan2α-h2+2d0tanα+L0＝0(4)。
8.根据权利要求4所述的一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于，所述两条平行光束经回路中球面透镜(104)后发生聚焦，最终入射于共用面阵探测器(105)上；面阵式探测器(105)采用CMOS、CCD或PSD图像传感器；探测器将等腰三角棱镜(103)接收信号时的角度信息、固件尺寸和两个三棱镜间距离信息转换为电信号。
9.根据权利要求4所述的一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于，所述防护罩厚度设定为3mm,材料可选取为碳化硼聚乙烯板或铅版；所述防尘罩(A03-1)、A03-2厚度设计为2mm，且侧边均为拔模设计，以尽可能避免影响所述条状光束(401)、漫反射光(402)的发射或接收。
10.根据权利要求1所述的一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器，其特征在于用于不同规格阀座口径的密封面测量，包括腔体空间内壁轮廓的测量。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311807215.XA CN117889778A (zh) | 2023-12-26 | 2023-12-26 | 一种可同时测量两侧轮廓的线激光轮廓传感器及其应用 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN117889778A true CN117889778A (zh) | 2024-04-16 |
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