CN210570504U - 一种反射式位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种反射式位移传感器，包括读数头、圆弧反射镜，圆弧反射镜用于将接收到的激光束反射至透镜；读数头包括：激光器，用于发射激光束；透镜，用于将接收到的激光束聚光透射至光电探测器；光电探测器，用于接收透镜透射的激光束；处理器，用于计算光电探测器上激光束入射点之间的距离，并换算为读数头与圆弧反射镜之间的相对位移量。通过移动读数头或者移动圆弧反射镜，来完成对被测物件的测量，通过透镜对激光束进行聚光，使得入射至光电探测器的激光近似平行，确保光电探测器的检测精度。本实用新型先将被测物件的位移变化量转化为角度变化，再将角度变化转化为位移量变化，通过光学几何关系即可得到被测物件的实际位移量。

Description

一种反射式位移传感器

技术领域

本实用新型涉及精密测量技术领域，特别涉及一种反射式位移传感器。

背景技术

位移传感器是一种常用的几何量传感器，在航空航天、工业生产、机械制造以及军事科学等很多领域中都有广泛的使用。位移的测量方式有很多种，较小位移(如小于1cm)通常使用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，较大的位移(如大于1cm)通常使用同步器、光栅、容栅、磁栅等传感器技术来测量。其中光栅传感器因具有实现数字化、精度高(目前分辨率最高的可达到纳米级)、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。

光栅式传感器采用光栅叠栅条纹远离测量位移的传感器，光栅是在一块长条形的光学比例尺或金属尺上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

光栅传感器由于光刻工艺的物理结构限制，造成其测量精度很难再有提升，无法满足越来越高的测量精度的需求，迫切需要开发一种结构简单，精度更高的传感器。专利号为201520393174.9的实用新型专利《新型光臂放大式高精度长度传感器及长度传感器组》，提出了一种新型位移传感器，但该传感器测量原理要求入射角大时其位移测量精度才能实现更高的精度。由于光电探测器，特别是PSD对于入射角有一定的要求，过大的入射角将造成光电探测器的探测精度降低。

实用新型内容

本实用新型的目的在于改善现有技术中所存在的不足，提供一种反射式位移传感器，通过将被测物件的位移量转化为角度变化量，再通过光电探测器将角度变换两转化为位移量变化量，最终得到被测物件的实际位移量。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型实施例提供了以下技术方案：

一种反射式位移传感器，包括：

读数头，用于测量被测物件；

圆弧反射镜，所述圆弧反射镜用于接收激光束，并将接收到的激光束反射至第一光电探测器；

所述读数头包括：

激光器，用于发射激光束；

第一透镜，用于接收圆弧反射镜反射的激光束，并将接收到的激光束透射至第一光电探测器；

第一光电探测器，用于接收第一透镜透射的激光束，且与处理器电连接；

处理器，用于计算第一光电探测器上激光束入射点之间的距离，并根据第一光电探测器上激光束入射点之间的距离换算读数头与圆弧反射镜之间的相对位移量。

更进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述读数头还包括：

分光镜，用于将圆弧反射镜反射的激光束透射至第一光电探测器，以及反射至第二光电探测器；

第二透镜，与第一透镜平行设置，用于接收分光镜反射的激光束，并将接收到激光束透射至第二光电探测器；

第二光电探测器，与第一光电探测器平行设置，用于接收第二透镜透射的激光束，且与处理器电连接。

更进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述第一透镜、第二透镜为双凸透镜，且与光电探测器没有接触。

作为另一种可实施方式，所述第一透镜、第二透镜为平凸透镜，且与光电探测器贴合。

更进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述一种反射式位移传感器设置于壳体内，所述读数头相对于壳体移动设置，圆弧反射镜相对于壳体固定设置。

更进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述读数头连接有位移装置，所述位移装置带动读数头在壳体内移动。

更进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述圆弧反射镜包括若干组反射结构，每组所述反射结构包括圆弧面、吸收面。

更进一步地，为了更好的实现本实用新型，所述读数头的数量为多个。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

本实用新型通过移动读数头或者移动圆弧反射镜，来完成对被测物件位移量的测量，通过透镜对激光束进行聚光，使得入射至光电探测器的激光近似平行，确保光电探测器的检测精度。本实用新型先将被测物件的位移变化量转化为角度变化，再将角度变化转化为位移量变化，通过光学几何关系即可得到被测物件的实际位移量。由于将位移变化转变了成角度变化，光电探测器距离圆弧反射镜越远，则其放大倍数越大，使得本位移传感器的测量精度更容易提高。

本实用新型通过设置吸收面，将部分角度下的圆弧反射镜的反射光进行吸收，避免多次反射的激光对光电探测器的测量进行干扰。

本实用新型通过设置分光镜，将圆弧反射镜与读数头之间位移变化量对于角度测量过程中的误差进行了修正，进一步提高了本位移传感器的测量精度。

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单地介绍，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的附图。

图1为本实用新型中读数头移动的示意图；

图2为本实用新型中圆弧反射镜移动的示意图；

图3为本实用新型使用多个读数头的示意图；

图4为本实用新型中圆弧反射镜的结构示意图；

图5为本实用新型激光束射入吸收面时的局部放大图；

图6为本实用新型透镜使用平凸透镜的示意图；

图7为本实用新型实施例2中圆弧反射镜移动的示意图；

图8为本实用新型实施例4中半边透镜的示意图。

主要元件符号说明

读数头1，激光器100，圆弧反射镜200，第一光电探测器300，第一透镜400，分光镜500，第二透镜600，第二光电探测器700，圆弧面201，吸收面202。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本实用新型的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性，或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

实施例1：

本实用新型通过下述技术方案实现，如图1所示，一种反射式位移传感器，包括圆弧反射镜200、读数头1；所述圆弧反射镜200用于接收激光束，并将接收到的激光束反射至第一光电探测器300；所述读数头1包括激光器100、第一透镜400、第一光电探测器300、处理器，其中：

激光器100，用于向圆弧反射镜200发射激光束。

第一透镜400，设置于圆弧反射镜200和第一光电探测器300之间，用于接收圆弧反射镜200反射的激光束，并将激光束聚光透射至第一光电探测器300。

第一光电探测器300，用于接收第一透镜400透射的激光束，且与处理器电连接。

处理器，用于计算测量前后第一光电探测器300上激光束入射点之间的距离，并根据第一光电探测器300上激光束入射点之间的距离换算读数头1与圆弧反射镜200之间的相对位移量。

更进一步地，所述第一透镜400为双凸透镜。

更进一步地，所述圆弧反射镜200包括若干组反射结构，如图4所示，每组所述反射结构包括一个圆弧面201、一个吸收面202，所述圆弧面201的底端与吸收面202的底端连接，该吸收面202的顶端与下一组反射接收的圆弧面201的顶端连接，每组反射结构依此顺次连接。

所述一种反射式位移传感器设置于壳体内，所述读数头1相对于壳体移动设置，圆弧反射镜200相对于壳体固定设置。所述读数头1连接有位移装置(未在附图中示出)，用于带动读数头1在壳体内移动。读数头1中的光学器件激光源、第一透镜400、第一光电探测器300均相对固定，当位移装置带动读数头1移动时，读数头1中的光学器件一起移动。

如图1所示，假设位移装置带动读数头1向左移动了X的位移，即测量得到被测物件的位移量为X，图1中实现表示读数头1移动前的位置，虚线表示读数头1移动后的位置。测量开始前，激光器100发射的激光束发射至圆弧反射镜200的圆弧面201上，激光束在圆弧面201上的入射点为c1，经圆弧面201的反射后，激光束落在第一透镜400的a1点处，最后激光束经第一透镜400聚光透射至第一光电探测器300上，激光束在第一光电探测器300上的入射点为b1。测量开始后，读数头1向左移动了X的位移，此时激光器100发射的激光束发射至圆弧反射镜200的圆弧面201上，激光束在圆弧面201上的入射点移动至为c2，经圆弧面201的反射后，激光束落在第一透镜400的a2点处，最后激光束经第一透镜400聚光透射至第一光电探测器300上，激光束在第一光电探测器300上入射点为b2。由于读数头1在向左移动X的位移时，第一透镜400和第一光电探测器300也向左移动了X的位移，以便观察和分析，测量过程中激光束在第一透镜400上的入射点a1到了移动后的第一透镜400上的a1`点处，同样，激光束在第一光电探测器300上入射点b1到了移动后的第一光电探测器300上的b1`点处。那么测量开始到测量完成时，激光束在第一光电探测器300上的入射点距离为b1`点到b2点之间的距离，即位移量Y，且Y大于X。处理器通过计量Y的大小，即可得到读数头1相对于圆弧反射镜200的位移量X。需要说明的是，本位移传感器在出厂时，即设置了第一光电探测器300上激光束入射点的距离Y分别对应了读数头1相对于圆弧反射镜200的位移量X，通过查表或既定公式，即可根据第一光电探测器300上的已知距离Y得到读数头1的移动位移量X，通过第一透镜400对圆弧反射镜200反射的激光束进行聚光，使得测量前后从第一透镜400透射至第一光电探测器300的激光束近似平行，确保第一光电探测器300上激光束入射点之间距离测量的精度。本实用新型先将被测物件的位移量转换为测量前后两束激光束射入第一透镜400时的角度变化量，再将角度变化量转换为两束激光束在第一光电探测器300上入射点之间的长度变化，通过光学几何关系或者既定公式即可得到被测物件的位移量。

作为另一种实施方式，所述一种反射式位移传感器设置于壳体内，所述圆弧反射镜200相对于读数头1移动。所述圆弧反射镜200连接有位移装置(未在附图中示出)，用于带动圆弧反射镜200移动。圆弧反射镜200移动时，读数头1中的光学器件激光源、第一透镜400、第一光电探测器300均相对于壳体固定，圆弧反射镜200跟随被测物件一起移动。

如图2所示，假设位移装置带动圆弧反射镜200向右移动了X的位移，即测量得到被测物件的位移量为X，图2中实线表示圆弧反射镜200移动前的位置，虚线表示圆弧反射镜200移动后的位置。测量开始前，激光器100发射的激光束发射至圆弧反射镜200的圆弧面201上，激光束在圆弧面201上的入射点为c1，经圆弧面201的反射后，激光束落在第一透镜400的a1点处，最后激光束经第一透镜400聚光透射至第一光电探测器300上，激光束在第一光电探测器300上的入射点为b1。测量开始后，圆弧反射镜200向右移动了X的位移，此时激光器100发射的激光束发射至圆弧反射镜200的圆弧面201上，激光束在移动后的圆弧面201上的入射点为c2，经圆弧面201的反射后，激光束落在第一透镜400的a2点处，最后激光束经第一透镜400聚光透射至第一光电探测器300上，激光束在第一光电探测器300上入射点为b2。那么测量开始到测量结束时，激光束在第一光电探测器300300上的入射点距离为b1点到b2点之间的距离Y，且Y大于X。处理器通过计量Y的大小，即可得到圆弧反射镜200相对于读数头1的位移量X。

需要说明的是，如5图所示，测量开始时，激光器100发射的激光束射入圆弧反射镜200，落在圆弧面201的c1点处；当圆弧反射镜200向右移动了X的距离后，激光束落在圆弧面201的c2点处，此时圆弧面201反射激光束的时候，由于与吸收面202的距离太近，激光束反射时落在吸收面202上，这样激光束就不能射入第一光电探测器300。那么如图3所示，为解决这个问题，本实用新型设置多个读数头1，当其中一个读数头1在测量时，发生激光束落入吸收面202的情况时，那么采用其他的读数头1来完成测量工作。同时由于设置有吸收面202，激光束入射至吸收面202后将被吸收面吸收，避免再次反射至圆弧面201后最终入射至第一光电探测器300上。

一种反射式位移传感器的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：测量开始前，开启激光源，使得激光源向圆弧反射镜200发射激光束；圆弧反射镜200将接收到激光束反射至第一透镜400，第一透镜400将接收到的激光束聚光透射至第一光电探测器300，处理器记录此时第一光电探测器300上的激光束入射点b1；

步骤S2：测量开始时，位移装置带动读数头1移动以测量被测物件；

步骤S3：在位移装置移动过程中，激光束不间断入射至圆弧反射镜，此时圆弧反射镜200将接收到的激光束反射至第一透镜400，第一透镜400将接收到的激光束聚光透射至第一光电探测器300，处理器记录此时第一光电探测器300上的激光束入射点b2；

步骤S4：处理器计算第一光电探测器300上激光束入射点b1与b2之间的距离Y，并根据距离Y得到读数头1相对于圆弧反射镜200的位移量X。

实施例2：

作为一种可实施方式的举例，如图6所示，所述第一透镜400为平凸透镜，且所述平凸透镜的平面与第一光电探测器300贴合，测量前后激光束分别落在平凸透镜的a1点和a2点处，最终激光束射入第一光电探测器300的b1点和b2点处，处理器根据第一光电探测器300上激光束的入射点b1和b2之间的距离Y，即可得到圆弧反射镜200相对于读数头1的位移量X。

本实施列的其他部分与上述实施列相同，故不再赘述。

实施例3：

作为另一种可实施方式，如图7所示，一种反射式位移传感器，包括圆弧反射镜200、读数头1；所述圆弧反射镜200用于接收激光束，并将接收到的激光束反射至分光镜500；所述读数头1包括激光器100、分光镜500、第一透镜400、第二透镜600、第一光电探测器300、第二光电探测器700、处理器，其中：

激光器100，用于向圆弧反射镜200发射激光束。

分光镜500，用于接收圆弧反射镜200反射的激光束，并将接收到的激光束透射至第一透镜400，以及反射至第二透镜600。为了便于区分，将分光镜500透射至第一透镜400的激光束定义为透射激光束，将分光镜500反射至第二透镜600的激光束定义为反射激光束。

第一透镜400，设置于分光镜500与第一光电探测器300之间，用于接收分光镜500透射的透射激光束，并将透射激光束聚光透射至第一光电探测器300。

第一光电探测器300，用于接收第一透镜400透射的透射激光束，且与处理器电连接。

第二透镜600，与第一透镜平行设置，设置于分光镜500与圆弧反射镜200之间，用于接收分光镜500反射的反射激光束，并将反射激光束聚光透射至第二光电探测器700。

第二光电探测器700，与第一光电探测器300平行，用于接收第二透镜600透射的反射激光束，且与处理器电连接。

处理器，用于计算测量前后第一光电探测器300和第二光电探测器700上激光束入射点之间的距离，并根据第一光电探测器300和第二光电探测器700上激光束入射点之间的距离换算读数头1与圆弧反射镜200之间的相对位移量。

所述一种反射式位移传感器设置于壳体内，所述圆弧反射镜200相对于读数头1移动。所述圆弧反射镜200连接有位移装置(未在附图中示出)，用于带动圆弧反射镜200移动。圆弧反射镜200移动时，读数头1中的光学器件激光源、分光镜500、第一透镜400、第二透镜600、第一光电探测器300、第二光电探测器700均相对于壳体固定，被测物件跟随圆弧反射镜200一起移动。需要说明的是，所述第一透镜400、第二透镜600的焦距相同，但分光镜500与第一透镜400之间的距离和分光镜500与第二透镜600之间的距离为2:1，或n：1，n为已知正数。

如图7所示，假设位移装置带动圆弧反射镜200向右移动了X的位移，即测量得到被测物件的位移量为X，图7中实线表示圆弧反射镜200移动前的位置，虚线表示圆弧反射镜200移动后的位置。测量开始前，激光器100发射的激光束发射至圆弧反射镜200的圆弧面201上，激光束在圆弧面201上的入射点为c1，经圆弧面201的反射后，激光束落在分光镜500上，经分光镜500透射的透射激光束落在第一透镜400的a1点处，最后透射激光束经第一透镜400聚光透射至第一光电探测器300上，透射激光束在第一光电探测器300上的入射点为b1；经分光镜500反射的反射激光束落在第二透镜600的d1点处，最后反射激光束经第二透镜600聚光透射至第二光电探测器700上，反射激光束在第二光电探测器700上的入射点为e1。测量开始后，圆弧反射镜200向右移动了X的位移，此时激光器100发射的激光束发射至圆弧反射镜200的圆弧面201上，激光束在移动后的圆弧面201上的入射点为c2，经圆弧面201的反射后，激光束落在分光镜500上，经分光镜500透射的透射激光束落在第一透镜400的a2点处，最后透射激光束经第一透镜400聚光透射至第一光电探测器300上，透射激光束在第一光电探测器300上入射点为b2；经分光镜500反射的反射激光束落在第二透镜600的d2点处，最后反射激光束经第二透镜600聚光透射至第二光电探测器700上，反射激光束在第二光电探测器700上入射点为e2。那么测量开始到测量结束时，透射激光束在第一光电探测器300上的入射点距离为b1点到b2点之间的距离Y1，且Y1大于X；反射激光束在第二光电探测器700上的入射点距离为e1点到e2点之间的距离Y2，且Y2大于X。处理器通过计量Y1与Y2的差值，根据三角关系即可得到圆弧反射镜200相对于读数头1的位移量X。本实施例先将被测物件的位移量转换为测量前后两束激光束射入第一透镜400和第二透镜600时的角度变化量，再将角度变化量转换为两束激光束在第一光电探测器300和第二光电探测器700上入射点之间的长度变化，根据分光镜500分别与第一透镜400和第二透镜600之间的已知距离，通过光学几何关系或者既定公式即可得到被测物件的实际位移量。

一种反射式位移传感器的测量方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：测量开始前，开启激光源，使得激光源向圆弧反射镜200发射激光束，圆弧反射镜200将接收到激光束反射至分光镜500；分光镜500将接受到的激光束透射至第一透镜400，以及反射至第二透镜600；第一透镜400将接收到的激光束聚光透射至第一光电探测器300，处理器记录此时第一光电探测器300上的激光入射点b1；第二透镜600将接收到的激光束聚光透射至第二光电探测器700，处理器记录此时第二光电探测器700上的激光束入射点d1；

步骤S2：测量开始时，位移装置带动读数头1移动以测量被测物件；

步骤S3：在位移装置移动过程中，激光束不间断入射至圆弧反射镜200，此时圆弧反射镜200将接收到的激光束反射至分光镜500；分光镜500将接收到的激光束透射至第一透镜400，以及反射至第二透镜600；第一透镜400将接收到的激光束透射至第一光电探测器300，处理记录此时第一光电探测器300上的激光束入射点b2；第二透镜600将接收到激光束聚光透射至第二光电探测器700，处理器记录此时第二光电探测器700上的激光束入射点d2；

步骤S4：处理器计算第一光电探测器300上激光束入射点b1与b2之间的距离Y1，以及计算第二光电探测器700上激光束入射点d1与d2之间的距离Y2；并根据距离Y1与Y2的差值得到圆弧反射镜200相对于读数头1的位移量X。

本实施列的其他部分与上述实施列相同，故不再赘述。

实施例4：

上述实施例中激光束进入透镜后射入光电探测器时，测量前后的激光束只能近似平行，不能保证完全平行，为了尽可能的使两束激光束平行射入光电探测器，如图8所示，将透镜更改为半边透镜，那么从圆弧反射镜反射至透镜的激光束都能更接近透镜的焦点，这样就能使得透镜透射至光电探测器的激光束近似平行。

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，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种反射式位移传感器，其特征在于：包括：

读数头，用于测量被测物件；

圆弧反射镜，所述圆弧反射镜用于接收激光束，并将接收到的激光束反射至第一光电探测器；

所述读数头包括：

激光器，用于发射激光束；

第一透镜，用于接收圆弧反射镜反射的激光束，并将接收到的激光束透射至第一光电探测器；

第一光电探测器，用于接收第一透镜透射的激光束，且与处理器电连接；

处理器，用于计算第一光电探测器上激光束入射点之间的距离，并根据第一光电探测器上激光束入射点之间的距离换算读数头与圆弧反射镜之间的相对位移量。

2.根据权利要求1所述的一种反射式位移传感器，其特征在于：所述读数头还包括：

分光镜，用于将圆弧反射镜反射的激光束透射至第一光电探测器，以及反射至第二光电探测器；

第二透镜，与第一透镜平行设置，用于接收分光镜反射的激光束，并将接收到激光束透射至第二光电探测器；

第二光电探测器，与第一光电探测器平行设置，用于接收第二透镜透射的激光束，且与处理器电连接。

3.根据权利要求2所述的一种反射式位移传感器，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜为双凸透镜。

4.根据权利要求2所述的一种反射式位移传感器，其特征在于：所述第一透镜、第二透镜为平凸透镜，且与光电探测器贴合。

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种反射式位移传感器，其特征在于：所述一种反射式位移传感器设置于壳体内，所述读数头相对于壳体移动设置，圆弧反射镜相对于壳体固定设置。

6.根据权利要求5所述的一种反射式位移传感器，其特征在于：所述读数头连接有位移装置，所述位移装置带动读数头在壳体内移动。

7.根据权利要求1所述的一种反射式位移传感器，其特征在于：所述圆弧反射镜包括若干组反射结构，每组所述反射结构包括圆弧面、吸收面。

8.根据权利要求1所述的一种反射式位移传感器，其特征在于：所述读数头的数量为多个。

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