CN209230530U - 一种位移测量传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种位移测量传感器。该传感器包括光源、一号柱面镜、一号凸透镜、胶合透镜、二号柱面镜、二号凸透镜和四象限光电耦合探测器，所述胶合透镜由第一直角棱镜、第二直角棱镜和一块柱面镜胶合而成。光源发出的光，经过一号柱面镜和一号凸透镜进行光路整形得到平行光；所得平行光经过胶合透镜后入射至二号柱面镜，并经过二号柱面镜出射至目标面上形成光斑；所形成光斑的反射光沿原路返回至胶合透镜，并被胶合透镜反射到二号凸透镜；二号透镜对接收的光束进行聚焦，在四象限光电耦合探测器上以能量强弱的形式输出电信号，从而得到与电信号一一对应的距离。本实用新型位移测量传感器采用非接触式的测量方法，测量方便且精度高。
Description
技术领域
本实用新型涉及光电传感器技术领域，特别是一种位移测量传感器。
背景技术
现有的距离传感器分为接触式与非接触式两种，接触式中常用的是电容式，而非接触式常用的是超声波式。上述方式存在以下问题：第一、接触式距离传感器直接作用力在被测物上，易造成被测物损坏；第二、现有的非接触式距离传感器对被测物表面有较高的要求，体积较大，且测量精度较低。
中国专利CN103109463B公开了一种电容式距离传感器，包括一个导电、延长的平坦传感器表面，该传感器表面含有数个孔洞；虽然该传感器是柔性的，但是导电部分依然是金属的，不能完全避免接触的危害。中国专利CN107896506A公开了另一种距离传感器，包括投影光源、第一光引导装置、衍射光学元件和图像捕捉装置，这是一种非接触式的距离传感器，但是由于算法与外界的影响，测量精度低且无法实现小型化。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种结构简单、测量精度高的位移测量传感器。
实现本实用新型目的的技术解决方案为：一种位移测量传感器，包括光源、一号柱面镜、一号凸透镜、胶合透镜、二号柱面镜、二号凸透镜和四象限光电耦合探测器；
所述光源发出的光，经过一号柱面镜和一号凸透镜进行光路整形得到平行光，该平行光经过胶合透镜后入射至二号柱面镜，并经过二号柱面镜出射至目标面上形成光斑，该光斑的反射光沿原路返回至胶合透镜，并被胶合透镜反射到二号凸透镜，经过二号透镜的聚焦作用，在四象限光电耦合探测器上以能量强弱的形式输出电信号，从而得到与电信号一一对应的距离。
进一步地，所述胶合透镜由第一直角棱镜、第二直角棱镜和一块柱面镜胶合而成，其中第一直角棱镜、第二直角棱镜的最长面粘接在一起形成一个分光棱镜，该分光棱镜的出光面与所述柱面镜的平面相粘接；一号凸透镜出射的平行光，顺次通过第一直角棱镜、第二直角棱镜、柱面镜后，入射至二号柱面镜。
进一步地，所述一号凸透镜设置于一号柱面镜的一倍焦距位置。
进一步地，所述四象限光电耦合探测器设置于二号凸透镜的焦点处，并且探测器与成像形成的十字呈45°夹角。
进一步地，所述一号凸透镜、二号凸透镜的表面均镀有645nm-655nm的窄带宽滤光膜。
本实用新型与现有技术相比，其显著优点是：(1)采用非接触式的测量方法，不会造成被测物的损坏，且对被测物表面没有特定的要求；(2)当点光斑通过一组交叉放置的柱面镜时，在一个周期内的像与像距是一一对应的，这保证了在量程内的位移测量精度非常高；(3)结构紧凑、占用空间小，可适用于不同形状和材质的被测物，精度可达0.07μm。
附图说明
图1是本实用新型位移测量传感器的光学系统示意图。
图2是本实用新型位移测量传感器的柱面镜原理示意图。
图3是本实用新型位移测量传感器的四象限光电耦合探测器光斑变化示意图。
具体实施方式
结合图1～2，本实用新型位移测量传感器，包括光源1、一号柱面镜2、一号凸透镜3、胶合透镜4、二号柱面镜5、二号凸透镜6和四象限光电耦合探测器7；
所述光源1发出的光，经过一号柱面镜2和一号凸透镜3进行光路整形得到平行光，该平行光经过胶合透镜4后入射至二号柱面镜5，并经过二号柱面镜5出射至目标面上形成光斑，该光斑的反射光沿原路返回至胶合透镜4，并被胶合透镜4反射到二号凸透镜6，经过二号透镜6的聚焦作用，在四象限光电耦合探测器7上以能量强弱的形式输出电信号，从而得到与电信号一一对应的距离。
进一步地，所述胶合透镜4由第一直角棱镜、第二直角棱镜和一块柱面镜胶合而成，其中第一直角棱镜、第二直角棱镜的最长面粘接在一起形成一个分光棱镜，该分光棱镜的出光面与所述柱面镜的平面相粘接；一号凸透镜3出射的平行光，顺次通过第一直角棱镜、第二直角棱镜、柱面镜后，入射至二号柱面镜5。
胶合透镜4的作用是减少空间，降低安装难度；同时用于分光棱镜的特性，回路的光也可以很好地接受。
进一步地，所述一号凸透镜3设置于一号柱面镜2的一倍焦距位置。
进一步地，所述四象限光电耦合探测器7设置于二号凸透镜6的焦点处，并且探测器与成像形成的十字呈45°夹角。
进一步地，所述一号凸透镜3、二号凸透镜6的表面均镀有645nm-655nm的窄带宽滤光膜。
本实用新型的位移测量方法，包括以下步骤：
步骤1，光源1发出的光，经过一号柱面镜2和一号凸透镜3进行光路整形得到平行光；
步骤2，步骤1所得平行光经过胶合透镜4后入射至二号柱面镜5，并经过二号柱面镜5出射至目标面上形成光斑；
步骤3，步骤2所形成光斑的反射光沿原路返回至胶合透镜4，并被胶合透镜4反射到二号凸透镜6；
步骤4，二号透镜6对接收的光束进行聚焦，在四象限光电耦合探测器7上以能量强弱的形式输出电信号，从而得到与电信号一一对应的距离。
进一步地，步骤4所述在四象限光电耦合探测器7上以能量强弱的形式输出电信号，从而得到与电信号一一对应的距离，具体如下：
把探测器的四个象限分为A、B、C、D，根据A、B、C、D四个象限内能量的比值k得到唯一对应的距离，k的取值公式如下：
其中，VA、VB、VC、VD分别是A、B、C、D四个象限通过光电效应产生的电压值。
本实用新型的原理是：柱面镜能够减小球差和色差，原因是它能改变成像的尺寸大小。它可以把一个点光斑转换成一条线光斑。当点光斑通过一组交叉放置的柱面镜时，在一个周期内的像与像距是一一对应的，这保证了测量原理的精度。
以下结合附图，详细说明本实用新型的实施方式。
实施例
本实用新型位移测量传感器，包括光源1、一号柱面镜2、一号凸透镜3、胶合透镜4、二号柱面镜5、二号凸透镜6和四象限光电耦合探测器7；所述光源1发出的光，经过一号柱面镜2和一号凸透镜3进行光路整形得到平行光，该平行光经过胶合透镜4后入射至二号柱面镜5，并经过二号柱面镜5出射至目标面上形成光斑，该光斑的反射光沿原路返回至胶合透镜4，并被胶合透镜4反射到二号凸透镜6，经过二号透镜6的聚焦作用，在四象限光电耦合探测器7上以能量强弱的形式输出电信号，从而得到与电信号一一对应的距离。
所述胶合透镜4由第一直角棱镜、第二直角棱镜和一块柱面镜胶合而成，其中第一直角棱镜、第二直角棱镜的最长面粘接在一起形成一个分光棱镜，该分光棱镜的出光面与所述柱面镜的平面相粘接；一号凸透镜3出射的平行光，顺次通过第一直角棱镜、第二直角棱镜、柱面镜后，入射至二号柱面镜5。
所述一号凸透镜3设置于一号柱面镜2的一倍焦距位置。
所述四象限光电耦合探测器7设置于二号凸透镜6的焦点处，并且探测器与成像形成的十字呈45°夹角。
更进一步的，为了提高测量的精度，在一号凸透镜3和二号凸透镜6上需镀上645nm-655nm的窄带宽的滤光膜。
结合图1，光源1发出的光并不是平行光，所以需要经过一号柱面镜2和一号凸透镜3进行光路整形变为平行光。胶合透镜4是由两块直角棱镜和一块柱面镜胶合而成的，点光源1经过胶合透镜4后继续向前到达二号柱面镜5射出外壳打在目标面上。在目标面上的光斑部分会反射回去，在经过胶合透镜4时被反射到二号凸透镜6，经过二号凸透镜6的聚焦作用，在四象限光电耦合探测器7上以能量强弱的形式输出电信号，经过算法可得到一一对应的距离。
结合图2，点光源8在x和y方向上是对称的，当通过正柱面镜9时，形成的像10在y方向没有明显变化，x方向收缩。当到达极限时，点光斑将变成线光斑。
结合图3，通过一组交叉放置的柱面镜，当像距在量程范围内增加时，在四象限探测器上的像光斑如图3所示变化。把探测器的四个象限分为A、B、C、D，可以发现在量程内每个状态都是独一无二的，根据A、B、C、D四个象限内能量的比值k得到唯一对应的距离。
本实用新型的位移测量方法，包括以下步骤：
步骤1，光源1发出的光，经过一号柱面镜2和一号凸透镜3进行光路整形得到平行光；
步骤2，步骤1所得平行光经过胶合透镜4后入射至二号柱面镜5，并经过二号柱面镜5出射至目标面上形成光斑；
步骤3，步骤2所形成光斑的反射光沿原路返回至胶合透镜4，并被胶合透镜4反射到二号凸透镜6；
步骤4，二号透镜6对接收的光束进行聚焦，在四象限光电耦合探测器7上以能量强弱的形式输出电信号，从而得到与电信号一一对应的距离，具体如下：
把探测器的四个象限分为A、B、C、D，根据A、B、C、D四个象限内能量的比值k得到唯一对应的距离，k的取值公式如下：
其中，VA、VB、VC、VD分别是A、B、C、D四个象限通过光电效应产生的电压值，由于像散的光学特性，所以当光学系统的像平面在前焦点(即光斑在弧失方向最长时)与后焦点(即光斑在子午方向最长时)之间的时候，k是与像平面的位移成线性关系的。
作为一个实施例，一种位移测量传感器，光源1使用650nm的激光，四象限光电耦合探测器7采样精度32位，靶面大小为10mm，测量距离50±20mm，精度0.07μm。
综上所述，本实用新型位移测量传感器结构紧凑，占用空间小，可用于多种狭窄情况；可适用于所有形状和材质的被测物，解决了例如镜面反射过强的问题；没有直接作用力在被测物上，测量精度高；也可以用作表面粗糙度检测，面型尺寸检测，厚度检测，长度检测，测量距离，测量位置等。
Claims (5)
1.一种位移测量传感器，其特征在于，包括光源(1)、一号柱面镜(2)、一号凸透镜(3)、胶合透镜(4)、二号柱面镜(5)、二号凸透镜(6)和四象限光电耦合探测器(7)；
所述光源(1)发出的光，经过一号柱面镜(2)和一号凸透镜(3)进行光路整形得到平行光，该平行光经过胶合透镜(4)后入射至二号柱面镜(5)，并经过二号柱面镜(5)出射至目标面上形成光斑，该光斑的反射光沿原路返回至胶合透镜(4)，并被胶合透镜(4)反射到二号凸透镜(6)，经过二号透镜(6)的聚焦作用，在四象限光电耦合探测器(7)上以能量强弱的形式输出电信号，从而得到与电信号一一对应的距离。
2.根据权利要求1所述的位移测量传感器，其特征在于，所述胶合透镜(4)由第一直角棱镜、第二直角棱镜和一块柱面镜胶合而成，其中第一直角棱镜、第二直角棱镜的最长面粘接在一起形成一个分光棱镜，该分光棱镜的出光面与所述柱面镜的平面相粘接；一号凸透镜(3)出射的平行光，顺次通过第一直角棱镜、第二直角棱镜、柱面镜后，入射至二号柱面镜(5)。
3.根据权利要求1或2所述的位移测量传感器，其特征在于，所述一号凸透镜(3)设置于一号柱面镜(2)的一倍焦距位置。
4.根据权利要求1或2所述的位移测量传感器，其特征在于，所述四象限光电耦合探测器(7)设置于二号凸透镜(6)的焦点处，并且探测器与成像形成的十字呈45°夹角。
5.根据权利要求1或2所述的位移测量传感器，其特征在于，所述一号凸透镜(3)、二号凸透镜(6)的表面均镀有645nm-655nm的窄带宽滤光膜。
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| CN109489565A (zh) * | 2019-01-11 | 2019-03-19 | 南京华群光电技术有限公司 | 一种位移测量传感器及方法 |
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