CN208206038U - 一种差分式位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种差分式位移传感器，该差分式位移传感器包括激光束一；分光镜组一，包括分光镜一和反光镜二，且分光镜一和反光镜二呈一定夹角设置，且使得三角波反射镜的反射面反射的激光束入射至分光镜一，一部分激光束先后经分光镜一和反光镜二反射后入射至其中一个光电探测器一，另一部分激光束经分光镜一透射后入射至另一个光电探测器一；处理系统，用于根据光电探测器一接收到的激光束一的入射位置变化量计算出被测物体的位移变化值。本实用新型差分式位移传感器，通过分光镜组一的设置，当三角波反射面的存在加工误差时，可以使得整个传感器的综合放大倍数保持一致，可靠地保障了传感器的测量精度。

Description

一种差分式位移传感器

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，特别涉及一种差分式位移传感器。

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(PositionSeitiveDevice，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。基于光学三角放大法的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t在光电探测器(PSD)上放大至T，可以将长度测量的精度大大提升。放大倍数与三角波反射镜的反射面角度有关，要保持传感器的放大倍数一致，则要求三角波反射镜的每个反射面的角度一致，然而基于加工工艺的限制，无法保障三角波反射镜的每个反射面的角度一致，而且三角波反射面本身加工过程中也必然存在加工误差，造成测量过程中的PSD的入射光角度发生变化，即目前的位移传感器的测量精度不能得到保障。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种可以减小三角波反射镜镜面加工的精度要求，提高位移测量精度的差分式位移传感器。

为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种差分式位移传感器，包括：

三角波反射镜，包括若干个反射面；

激光束一，入射至三角波反射镜的一个反射面；

分光镜组一，包括分光镜一和反光镜二，且分光镜一和反光镜二呈一定夹角设置，且使得三角波反射镜的反射面反射的激光束一入射至分光镜一，一部分激光束一先后经分光镜一和反光镜二反射后入射至其中一个光电探测器一，另一部分激光束一经分光镜一透射后入射至另一个光电探测器一；

两个所述光电探测器一，用于接收经分光镜组一透射或反射的激光束，并测量其入射位置；

处理系统，用于根据两个光电探测器一接收到的激光束一的入射位置变化量计算出被测物体的位移变化值。

进一步优化的方案中，两个光电探测器一和分光镜组一之间的设置位置满足关系：经分光镜组一后分别入射至两个光电探测器一的入射角相同。例如，分光镜一和反光镜二呈90度夹角设置，且两个光电探测器一平行设置。如此设置，可以使得当三角波反射镜的反射面的角度发生变化时，保障两个光电探测器一分别缩小和放大的倍数一致，简化运算过程。

另一个方案中，上述差分式位移传感器还包括：

激光束二，入射至三角波反射镜的一个反射面；

分光镜组二，包括分光镜三和反光镜四，且分光镜三和反光镜四呈一定角度设置，且使得三角波反射镜的反射面反射的激光束二入射至分光镜三，一部分激光束二先后经分光镜三和反光镜四反射后入射至其中一个光电探测器二，另一部分激光束二经分光镜三透射后入射至另一个光电探测器二；

两个所述光电探测器二，用于接收经分光镜组二透射或反射的激光束二，并测量其入射位置；

所述处理系统具体用于，根据两个光电探测器一上所接收到的激光束一的入射位置变化量，或两个光电探测器二上所接收到的激光束二的入射位置变化量，处理得到被测物体的位移变化值。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型差分式位移传感器，通过分光镜组一的设置，当三角波反射镜的反射面角度存在加工误差时，可以使得一个光电探测器一的放大倍数增大，而另一个光电探测器的放大倍数减小，综合结果可以保持差分式位移传感器的整体放大倍数不变，即整个差分式位移传感器的放大倍数不受三角波反射镜的反射面的角度加工误差的影响，位移测量精度对三角波反射面的角度加工误差不敏感，因此可以提高差分式位移传感器的测量精度。

本实用新型差分式位移传感器，通过光电探测器一和光电探测器二及对应分光镜组的设置，可以实现连续位移测量。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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提供的一种结构的差分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差分式位移传感器的测量原理示意图。

图4所示为实施例1提供的又一种结构的差分式位移传感器的测量原理示意图。

图5所示为实施例2提供的一种结构的差分式位移传感器的测量原理示意图。

图中标号说明：

激光源一1，激光源二2，激光束一3，激光束二4，三角波反射镜5，壳体6，光电探测器一7，光电探测器二8，分光镜组一9，分光镜组二10。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型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实用新型，并不用于限定本实用新型。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型的保护范围。

实施例1

请参阅图2，本实施例中提供了一种差分式位移传感器，包括激光源一1，三角波反射镜5，分光镜组一9，光电探测器一7，其中，

激光源一1用于发射出激光束一3，并射向三角波反射镜5的一个反射面；分光镜组一9，包括分光镜一和反光镜二，且分光镜一和反光镜二垂直设置，三角波反射镜5的反射面反射的激光束一3入射至分光镜一，一部分激光束一3先后经分光镜一和反光镜二反射后入射至其中一个光电探测器一7，另一部分激光束一3经分光镜一透射后入射至另一个光电探测器一7；两个光电探测器一7平行设置，且激光束一3入射至两个光电探测器一7的入射角相同；两个光电探测器一7用于接收入射的激光束一，并测量其入射位置；处理系统，用于根据两个光电探测器一接收到的激光束一3的入射位置变化量计算出被测物体的位移变化值。

为了保障差分式位移传感器的放大性能，入射至光电探测器一7的激光束一与光电探测器一7的夹角宜小于45度。

如图2所示，位移前的激光束一3用实线表示，位移后的激光束一3用虚线表示，激光束一3的传输路径如下：

位移前，激光源一1发射激光束一3至三角波反射镜5的一个反射面，三角波反射镜5的反射面将激光束一3反射至分光镜组一9中的分光镜一，一部分激光束一3先被分光镜一反射至反光镜二，再经反光镜二反射至其中一个光电探测器一7(图中的PSD2)，另一部分激光束一3经分光镜一透射后入射至另一个光电探测器一7(图中的PSD1)，PSD1接收分光镜一透射的激光束一，并测量出入射位置，此时记为第一入射位置，PSD2接收反光镜二反射的激光束一，并测量出入射位置，此时记为第二入射位置。

位移后(图2中展示为向左位移，位移时激光源一1、分光镜组一9和光电探测器一7同步位移)，激光源一1发射激光束一3至三角波反射镜5的同一个反射面，三角波反射镜5的反射面将激光束一3反射至分光镜组9中的分光镜一，一部分激光束一3先被分光镜一反射至反光镜二，再经反光镜二反射至其中一个光电探测器一7(图中的PSD2)，另一部分激光束一3经分光镜一透射后入射至另一个光电探测器一7(图中的PSD1)，PSD1接收分光镜一透射的激光束一，并测量出入射位置，此时记为第三入射位置，PSD2接收反光镜二反射的激光束一，并测量出入射位置，此时记为第四入射位置。

由第一入射位置和第三入射位置可得出PSD1的位移变化量，由第二入射位置和第四入射位置可得出PSD2的位移变化量，取PSD1和PSD2的位移变化量的加权平均数作为差分式位移传感器的位移变化量，再根据系统的放大倍数即可精确算出被测物体的位移量。

本实施例中，通过两个光电探测器一7及分光镜组一9的设置，当三角波反射镜的若干个反射面的角度存在加工误差时，即反射面的角度不同时，其中一个光电探测器一7(如图2中的PSD2)的放大倍数减小，而另一个光电探测器一7(如图2中的PSD1)的放大倍数增加，综合结果(即差分式位移传感器的 )即可保持差分式位移传感器整体的放大倍数不变，因此可以消除反射面的角度加工误差而影响放大倍数，换言之可以保障差分式位移传感器的放大倍数不受三角波反射镜5加工工艺的影响。

需要说明的是，本实施例中，基于方便运算及装配的考虑，将分光镜一和反光镜二呈90度夹角设置，且两个光电探测器一平行设置。但是作为可实施方式，分光镜组一也可以有其他设置，此时两个光电探测器一不平行设置，例如图3所示，只要满足如下条件即可：

分光镜一和反光镜二呈一定夹角设置，且使得三角波反射镜的反射面反射的激光束一入射至分光镜一，一部分激光束一先后经分光镜一和反光镜二反射后入射至其中一个光电探测器一，另一部分激光束一经分光镜一透射后入射至另一个光电探测器一。

例如，分光镜一和反光镜二呈非90度夹角设置时，当三角波反射镜的反射面的角度发生变化，利用PSD1和PSD2分别测出的位移将会一个缩小(相对于被测物体的位移量，依然是放大状态，即仅是放大倍数的缩小)，一个增大，但是缩小与增大的倍数不同，例如PSD1的位移增大后的放大倍数为d1倍，PSD2的位移缩小后的放大倍数为d2倍，那么此时整个差分式位移传感器的位移值(即被测物体的位移值)则为：

另外需要说明的是，当分光镜一和反光镜二呈非90度夹角设置时，也可以通过设置PSD1和PSD2之间的位置关系，使得入射至PSD1和PSD2的激光束的入射角相同，进而实现当三角波反射镜的反射面的角度发生变化时，利用PSD1和PSD2分别测出的位移变化分别缩小和增大相同的倍数，如图3所示，以简化运算过程。

还需要说明的是，图2-3中，三角波反射镜5的反射面与水平面的夹角为30度，入射至三角波反射镜5的反射面的激光束一3的入射角为30度，所以三角波反射镜5的反射面反射的激光束是竖直入射至光电探测器一7，图2-3所示仅为一个示例，本实施例中对三角波反射镜5的反射面的角度没有限制，对激光束一3入射至三角波反射镜5的反射面的入射角度也没有限制，例如图4所示。

可以参阅图1，差分式位移传感器还可以包括壳体6，激光源一1、分光镜组一9和光电探测器一7均固定设置于壳体6内，组成读数头，激光源一1发射的激光束一3及其反射光束均可以通过读数头的收发端面。激光源一1、分光镜组一9和光电探测器一7均固定设置于壳体6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5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5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5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5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5发生相对位移，读数头可以测得读数头与三角波反射镜5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5或者读数头来固定在被测物体上，提高了测量便利性。

应用上述差分式位移传感器进行位移测量时，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，调整激光束一、三角波反射镜、光电探测器一、分光镜组一的位置关系，使得三角波反射镜的反射面反射的激光束一入射至分光镜一，一部分激光束一先后经分光镜一和反光镜二反射后入射至其中一个光电探测器一，另一部分激光束一经分光镜一透射后入射至另一个光电探测器一；

步骤三，发射激光束一，所述激光束一经过所述三角波反射镜的反射面反射后入射至分光镜组一，经分光镜组一反射后被一个光电探测器一探测到该反射激光束的初始位置，经分光镜组一透射后被另一个光电探测器一检测到该透射激光束的初始位置；

步骤四，被测物体位移，在位移过程中，两个光电探测器一分别检测到激光束一的位置的变化，直到被测物体停止位移；

步骤五，处理系统通过对两个光电探测器一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5，与实施例1中所述的差分式位移传感器相比，本实施例中提供的差分式位移传感器还包括激光束二，入射至三角波反射镜5的另一个反射面；以及以下部件：

分光镜组二9，包括分光镜三和反光镜四，且分光镜三和反光镜四垂直设置，三角波反射镜5的所述另一个反射面反射的激光束二4入射至分光镜三，一部分激光束二4先后经分光镜三和反光镜四反射后入射至其中一个光电探测器二8，另一部分激光束二4经分光镜三透射后入射至另一个光电探测器二8；两个光电探测器二8的位置关系满足：激光束二4入射至两个光电探测器二8的入射角相同；两个光电探测器二8用于接收入射的激光束二4，并测量其入射位置。

本差分式位移传感器中，所述处理系统则是根据所述光电探测器一7上所接收到的激光束一3入射位置变化量和所述光电探测器二8上所接收到的激光束二4入射位置变化量，处理得到被测物体的位移变化值。

本实施例中所述差分式位移传感器可以实现连续位移测量。具体的，可以选用两个激光束之一来测量，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每一刻，三角波反射镜5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。

如图5所示，激光束一3、激光束二4分别通过激光源一1和激光源二2发射得到，此种设置可以简化差分式位移传感器的结构。当然地，激光束一3和激光束二4也可以由一个激光源得到，此时则需要一个分光镜和至少一个反射镜，结构复杂。

两套测量系统可以均设置于一个壳体内组成一个读数头，也可以两套测量系统分别设置于一个壳体内，分别组成两个读数头。具体的，激光源一、激光源二、分光镜组一、分光镜组二、两个光电探测器一和两个光电探测器二均固定设置于一个壳体内，组成一个读数头。或者，激光源一、分光镜组一和两个光电探测器一均固定设置于一个壳体内，组成一个读数头，激光源二、分光镜组二和两个光电探测器二均固定设置于另一个壳体内，组成另一个读数头。

分光镜组一和分光镜组二可以是一体成型的构件，便于制造，及保障相互间的角度固定，此时分光镜一和反光镜二为同一种原材料制作，具有分光功能，为了增强反光镜二的反光效果，可以在反光镜二的反射面设置全反射膜；也可以是由分光镜与反光镜连接构成，由于反光镜二和反光镜四只起反射作用，所以反光镜二和反光镜四可以采用全反射镜。

同理的，分光镜三与反光镜四可以呈非90度夹角设置，而且分光镜三和反光镜四之间的夹角与分光镜一和反光镜二之间的夹角可以相同，也可以不同。

如图2中所示，光电探测器采用的是位置灵敏探测器PSD。

容易理解的，本实施例中，设置激光源一和激光源二的目的是避免其中一组光电探测器(一或二)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，只要激光源一与激光源二错开设置，使得激光束一和激光束二分别在第一反射面的初始入射点位置不同即可。例如激光束二可以入射至处于激光束一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一入射的第一反射面对侧的另一个第一反射面(可参阅图5)，还可以入射至激光束一所入射的同一个反射面，但是入射点位置不同。

应用本实施例中所述差分式位移传感器进行位移测量时，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，调整激光束一、三角波反射镜、光电探测器一、分光镜组一的位置关系，使得三角波反射镜的反射面反射的激光束一入射至分光镜一，一部分激光束一先后经分光镜一和反光镜二反射后入射至其中一个光电探测器一，另一部分激光束一经分光镜一透射后入射至另一个光电探测器一；调整激光束二、三角波反射镜、光电探测器二、分光镜组二的位置关系，使得三角波反射镜的反射面反射的激光束二入射至分光镜三，一部分激光束二先后经分光镜三和反光镜四反射后入射至其中一个光电探测器二，另一部分激光束二经分光镜三透射后入射至另一个光电探测器二；

步骤三，发射激光束一，所述激光束一经过所述三角波反射镜的反射面反射后入射至分光镜组一，经分光镜组一反射后被一个光电探测器一探测到该反射激光束的初始位置，经分光镜组一透射后被另一个光电探测器一检测到该透射激光束的初始位置；或者，发射激光束二，所述激光束二经过所述三角波反射镜的反射面反射后入射至分光镜组二，经分光镜组二反射后被一个光电探测器二探测到该反射激光束的初始位置，经分光镜组二透射后被另一个光电探测器二检测到该透射激光束的初始位置；

步骤四，被测物体位移，在位移过程中，两个光电探测器一分别检测到激光束一的位置的变化，或者两个光电探测器二分别检测到激光束二的位置的变化，直到被测物体停止位移；

步骤五，处理系统通过对两个光电探测器一或者两个光电探测器二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，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型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，在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种差分式位移传感器，其特征在于，包括：

三角波反射镜，包括若干个反射面；

激光束一，入射至三角波反射镜的反射面；

分光镜组一，包括分光镜一和反光镜二，且分光镜一和反光镜二呈一定夹角设置，且使得三角波反射镜的反射面反射的激光束一入射至分光镜一，一部分激光束一先后经分光镜一和反光镜二反射后入射至其中一个光电探测器一，另一部分激光束一经分光镜一透射后入射至另一个光电探测器一；

两个所述光电探测器一，用于接收经分光镜组一透射或反射的激光束一，并测量其入射位置；

处理系统，用于根据两个光电探测器接收到的激光束一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所述的差分式位移传感器，其特征在于，两个光电探测器一和分光镜组一之间的设置位置满足关系：激光束一经分光镜组一后分别入射至两个光电探测器一的入射角相同。

3.根据权利要求2所述的差分式位移传感器，其特征在于，分光镜一和反光镜二呈90度夹角设置，且两个光电探测器一平行设置。

4.根据权利要求1所述的差分式位移传感器，其特征在于，还包括壳体，激光束一由激光源一发射得到，激光源一、分光镜组一和两个光电探测器一均固定设置于壳体内，组成读数头。

5.根据权利要求1-3任一所述的差分式位移传感器，其特征在于，还包括：

激光束二，入射至三角波反射镜的一个反射面，且激光束一与激光束二分别在三角波反射面的初始入射点位置不同；

分光镜组二，包括分光镜三和反光镜四，且分光镜三和反光镜四呈一定夹角设置，且使得三角波反射镜的反射面反射的激光束二入射至分光镜三，一部分激光束二先后经分光镜三和反光镜四反射后入射至其中一个光电探测器二，另一部分激光束二经分光镜三透射后入射至另一个光电探测器二；

两个所述光电探测器二，用于接收经分光镜组二透射或反射的激光束二，并测量其入射位置；

所述处理系统具体用于，根据两个光电探测器一上所接收到的激光束一的入射位置变化量，或两个光电探测器二上所接收到的激光束二的入射位置变化量，处理得到被测物体的位移变化值。

6.根据权利要求5所述的差分式位移传感器，其特征在于，分光镜三和反光镜四之间的夹角与分光镜一和反光镜二之间的夹角相同。

7.根据权利要求5所述的差分式位移传感器，其特征在于，激光束一和激光束二均入射至三角波反射镜的同一个反射面，或者，激光束一和激光束二分别入射至三角波反射镜的两个不同的反射面。

8.根据权利要求5所述的差分式位移传感器，其特征在于，还包括壳体，激光束一和激光束二分别由激光源一和激光源二发射得到，激光源一、激光源二、分光镜组一、分光镜组二、两个光电探测器一和两个光电探测器二均固定设置于壳体内，组成读数头。

9.根据权利要求5所述的差分式位移传感器，其特征在于，还包括两个壳体，激光束一和激光束二分别由激光源一和激光源二发射得到，激光源一、分光镜组一和两个光电探测器一均固定设置于一个壳体内，组成一个读数头，激光源二、分光镜组二和两个光电探测器二均固定设置于另一个壳体内，组成另一个读数头。

10.根据权利要求5所述的差分式位移传感器，其特征在于，分光镜组一为一体成型的构件，和/或，分光镜组二为一体成型的构件。