CN215932124U - 一种工作距离可调的激光位移传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种工作距离可调的激光位移传感器，激光器射出激光，经过发射镜组后投射在被测表面，表面散射光经过一组反射镜调整接收角度后，通过变焦接收镜组成像于光敏器件，通过音圈电机调节发射镜组与激光器之间的相对位置，将激光束准确地在不同工作距离的平面聚焦，光敏器件上的光斑位置和反射镜的偏转角度则反映了被测物体的距离。本实用新型可切换设置多个量程档位，通过控制驱动发射镜组、转动反射镜、变焦接收镜组和光敏器件运动到特定位置，实现另一个工作距离及对应的测量量程的切换，不需要测量系统中额外的设备进行补偿，实现工作距离和测量量程的自动化无缝切换。

Description

一种工作距离可调的激光位移传感器

技术领域

本实用新型涉及光学测量设备技术领域，具体涉及一种工作距离可调的激光位移传感器。

背景技术

由于激光位移传感器具有结构简单、非接触、高精度、测量速度快、可实时处理等优点，被广泛应用于各种几何参数检测、表面形貌测量和三维建模等场合。

激光位移传感器往往具有特定的量程，在产品系列中每种型号对应于一个特定的量程。由于激光位移传感器的量程与测量精度是一对矛盾关系，单个传感器不能满足实际生产中出现的大尺度高精度的测量需求，目前主要的解决方案有：

（1）与高精度运动平台配合进行跟踪测量，将激光位移传感器安装在运动平台上，即将超出量程时利用高精度运动平台移动激光位移传感器，使其重新回到量程中心，利用平台精确的空间移动和定位功能补偿激光位移传感器的量程。

（2）机器视觉引导，首先通过三维形貌测量设备对被测表面进行扫描获得粗糙的全局模型，并利用此模型为激光位移传感器规划测量路径，配合运动平台进行扫描测量。

（3）采用机械变量程式的传感器，如专利CN2018102458559“一种多量程集成的激光测头装置及其使用方法”和专利CN2018102599415“双量程复合的激光测头装置及其表面测量方法”提到，通过改变激光发射模块和接收模块之间的距离来改变传感器的测量量程。

上述方法中，方法（1）需要高精度的运动平台进行补偿和精度保证，大幅度提高了系统成本；方法（2）同样需要采用价格相对较高的三维形貌测量设备，并且从三维点云数据获得面型到产生引导测量路径，目前还没有比较成熟的处理工具；方法（3）需要进行不同量程模块的切换安装，引入机械安装误差，降低测量系统的自动化程度，并且改变量程后激光打在被测表面的不同位置，对同一位置测量需要重新校准，使用复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术存在的问题，提供一种工作距离可调的激光位移传感器。

为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本实用新型通过以下技术方案实现：

一种工作距离可调的激光位移传感器，包括壳体、以及设置在所述壳体内的激光器、发射镜组、音圈电机、光敏器件、变焦接收镜组、中心处理电路、固定反射镜和转动反射镜，其中：

所述激光器设置于发射镜组的上方，并且所述发射镜组与激光器的光轴重合且垂直于被测表面，所述音圈电机由环形线圈定子和安装在环形线圈定子内圈的动子组成，所述发射镜组连接在音圈电机的动子上，所述音圈电机的动子带动发射镜组沿其环形线圈定子的轴向方向上下移动从而调节发射镜组与激光器之间的轴向距离，以实现发射激光在不同工作距离的聚焦；

所述转动反射镜转动地设置在壳体内，用于旋转调整接收角度接收不同量程下被测表面的反射光，所述固定反射镜与转动反射镜相对设置，用于将转动反射镜反射来的光再反射至变焦接收镜组，所述变焦接收镜组变焦移动将光射至光敏器件上；

所述光敏器件转动地设置在壳体内，用于旋转调整接收变焦接收镜组变焦移动后的反射光，实现在此工作距离对应的量程范围内的清晰成像；

所述中心处理电路根据当前的量程档位和光敏器件上的光斑位置分布得到被测表面到壳体的距离，并且所述中心处理电路连接并控制驱动音圈电机带动发射镜组、转动反射镜的旋转、变焦接收镜组的变焦移动、以及光敏器件的旋转，用于切换不同工作距离对应的量程测量。

进一步的，所述转动反射镜采用一维扫描振镜模块或者由独立反射镜加旋转运动机构构成的模块。

进一步的，所述变焦接收镜组由采用变焦光学结构的接收镜组变焦模块和接收镜组定焦模块组成，用以满足针对不同工作距离下的成像要求。

进一步的，所述光敏器件通过相应的旋转底座转动地设置在壳体内，使光敏面与不同工作距离下的像平面重合。

进一步的，所述光敏器件采用CCD图像传感器、CMOS图像传感器或位置敏感传感器。

本实用新型的有益效果是:

本实用新型可切换设置多个量程档位，当中心处理电路计算得到被测表面的距离靠近当前工作距离对应的量程末端时，开始触发进入另一个量程档位，通过控制驱动发射镜组、转动反射镜、变焦接收镜组和光敏器件运动到特定位置，实现另一个工作距离及对应的测量量程，实现了单个传感器的工作距离可调，从而实现测量量程可调，不需要测量系统中额外的设备进行补偿，同时传感器内部的运动部件可以完全通过中心处理电路控制驱动，可以实现工作距离和测量量程的自动化无缝切换。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2a为本实用新型的变焦接收镜组结构示意图；

图2b为本实用新型的变焦光学结构设计示意图；

图3为本实用新型的工作距离调整示意图；

图4为本实用新型的传感器测距流程图。

图中标号说明：1、壳体，2、激光器，3、发射镜组，4、音圈电机，5、光敏器件，6、变焦接收镜组，61、接收镜组变焦模块，62、接收镜组定焦模块，7、中心处理电路，8、固定反射镜，9、转动反射镜，10、被测表面。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例，来详细说明本实用新型。

如图1所示，一种工作距离可调的激光位移传感器，包括壳体1、以及设置在所述壳体1内的激光器2、发射镜组3、音圈电机4、光敏器件5、变焦接收镜组6、中心处理电路7、固定反射镜8和转动反射镜9，其中：

所述激光器2设置于发射镜组3的上方，并且所述发射镜组3与激光器2的光轴重合且垂直于被测表面10，所述音圈电机4由环形线圈定子和安装在环形线圈定子内圈的动子组成，所述发射镜组3连接在音圈电机4的动子上，所述音圈电机4的动子带动发射镜组3沿其环形线圈定子的轴向方向上下移动从而调节发射镜组3与激光器2之间的轴向距离，以实现发射激光在不同工作距离的聚焦；

所述转动反射镜9转动地设置在壳体1内，用于旋转调整接收角度接收不同量程下被测表面10的反射光，所述固定反射镜8与转动反射镜9相对设置，用于将转动反射镜9反射来的光再反射至变焦接收镜组6，所述变焦接收镜组6变焦移动将光射至光敏器件5上；

所述光敏器件5转动地设置在壳体1内，用于旋转调整接收变焦接收镜组6变焦移动后的反射光，实现在此工作距离对应的量程范围内的清晰成像；

所述中心处理电路7根据当前的量程档位和光敏器件5上的光斑位置分布得到被测表面10到壳体1的距离，并且所述中心处理电路7连接并控制驱动音圈电机4带动发射镜组3、转动反射镜9的旋转、变焦接收镜组6的变焦移动、以及光敏器件5的旋转，用于切换不同工作距离对应的量程测量。在本实施例中，针对不同的工作距离，音圈电机4带动发射镜组3使发射激光聚焦在当前工作距离，转动反射镜9旋转使得当前工作距离上的光线经过转动反射镜9和固定反射镜8的两次反射后与变焦接收镜组6的光轴共线，变焦接收镜组6进行变焦运动使得成像的像平面经过光敏器件5的旋转中心，旋转光敏器件5使得光敏面与当前的像平面重合以获得清晰的成像，图1中表示即为不同工作距离OA、O’A和O”A经过转动反射镜9反射后都经过固定反射镜8的同一点B，反射后与变焦接收镜组6的光轴BC重合，并且C点为光敏器件5的旋转中心。

所述转动反射镜9采用一维扫描振镜模块或者由独立反射镜加旋转运动机构构成的模块。

如图2a所示，所述变焦接收镜组6由采用变焦光学结构的接收镜组变焦模块61和接收镜组定焦模块62组成，用以满足针对不同工作距离下的成像要求，如图2b所示，为参考的变焦光学设计，相同的光学镜片组，通过改变相互之间的间距，可以实现对不同位置的物平面进行成像。

如图3所示，为具体的工作距离调整示意图，从而切换不同的测量量程；传感器存在三种可切换的工作距离和对应的测量量程；其中点O处的工作距离对应测量量程PQ，点O’处的工作距离对应测量量程P’Q’，点O”处的工作距离对应测量量程P”Q”，T₁₂和T₂₃分别是量程PQ和P’Q’之间以及量程P’Q’和P”Q”之间的切换触发点；当被测表面10位于量程PQ内并到达触发位置T₁₂时，中心处理电路7将驱动发射镜组3、转动反射镜9、变焦接收镜组6和光敏器件5运动到指定位置，将传感器的工作距离调整到点O’处对应的位置，实现P’Q’测量量程范围；当被测表面10继续向远处移动直到触发量程P’Q’范围内的触发位置T₂₃时，中心处理电路7将同样驱动驱动发射镜组3、转动反射镜9、变焦接收镜组6和光敏器件5运动到指定位置，将传感器的工作距离调整到点O”处对应的位置，实现P”Q”测量量程范围。

所述光敏器件5通过相应的旋转底座转动地设置在壳体1内，使光敏面与不同工作距离下的像平面重合。

所述光敏器件5采用CCD图像传感器、CMOS图像传感器或位置敏感传感器。

如图4所示，一种工作距离可调的激光位移传感器测距过程包括以下步骤：

步骤1）传感器状态初始化；

步骤2）中心处理电路7发射测量信号；

步骤3）中心处理电路7处理接收信号；

步骤4）中心处理电路7根据当前的量程档位和光斑位置信息计算被测表面10到壳体1的距离；

步骤5）判断被测表面10是否接近量程终点并到达量程切换触发位置，若是，则进入步骤6），若否，则输出测量结果并结束；

步骤6）中心处理电路7控制驱动音圈电机4带动发射镜组3到指定位置、转动反射镜9旋转到指定位置、变焦接收镜组6进行变焦、光敏器件5旋转到与像平面重合，进行量程切换，并跳转至步骤2）。

本实用新型动作过程及原理

激光器2射出激光，经过发射镜组3后投射在被测表面10，被测表面10的散射光经过转动反射镜9与固定反射镜8的组合调整接收角度后，通过变焦接收镜组6变焦成像于光敏器件5，通过音圈电机4调节发射镜组3与激光器2之间的相对位置，将激光束准确地在不同工作距离的平面聚焦，光敏器件5上的光斑位置和反射镜的偏转角度则反映了被测物体的距离。在某一工作距离下，发射镜组3、转动反射镜9、变焦接收镜组6和光敏器件5都保持静止不动；相邻的工作距离之间存在测量量程的重叠区间，进行量程切换的触发位置位于这个重叠区间内；中心处理电路7根据当前的量程档位和光敏器件5上的光斑位置分布得到被测表面10到壳体1的距离，当被测表面10逐渐接近当前工作距离对应的测量量程末端直到触发量程切换时，中心处理电路7控制驱动发射镜组3、转动反射镜9、变焦接收镜组6和光敏器件5运动到特定位置，实现另一个工作距离对应的量程测量。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种工作距离可调的激光位移传感器，其特征在于，包括壳体（1）、以及设置在所述壳体（1）内的激光器（2）、发射镜组（3）、音圈电机（4）、光敏器件（5）、变焦接收镜组（6）、中心处理电路（7）、固定反射镜（8）和转动反射镜（9），其中：

所述激光器（2）设置于发射镜组（3）的上方，并且所述发射镜组（3）与激光器（2）的光轴重合且垂直于被测表面（10），所述音圈电机（4）由环形线圈定子和安装在环形线圈定子内圈的动子组成，所述发射镜组（3）连接在音圈电机（4）的动子上，所述音圈电机（4）的动子带动发射镜组（3）沿其环形线圈定子的轴向方向上下移动从而调节发射镜组（3）与激光器（2）之间的轴向距离，以实现发射激光在不同工作距离的聚焦；

所述转动反射镜（9）转动地设置在壳体（1）内，用于旋转调整接收角度接收不同量程下被测表面（10）的反射光，所述固定反射镜（8）与转动反射镜（9）相对设置，用于将转动反射镜（9）反射来的光再反射至变焦接收镜组（6），所述变焦接收镜组（6）变焦移动将光射至光敏器件（5）上；

所述光敏器件（5）转动地设置在壳体（1）内，用于旋转调整接收变焦接收镜组（6）变焦移动后的反射光，实现在此工作距离对应的量程范围内的清晰成像；

所述中心处理电路（7）根据当前的量程档位和光敏器件（5）上的光斑位置分布得到被测表面（10）到壳体（1）的距离，并且所述中心处理电路（7）连接并控制驱动音圈电机（4）带动发射镜组（3）、转动反射镜（9）的旋转、变焦接收镜组（6）的变焦移动、以及光敏器件（5）的旋转，用于切换不同工作距离对应的量程测量。

2.根据权利要求1所述的工作距离可调的激光位移传感器，其特征在于，所述转动反射镜（9）采用一维扫描振镜模块或者由独立反射镜加旋转运动机构构成的模块。

3.根据权利要求1所述的工作距离可调的激光位移传感器，其特征在于，所述变焦接收镜组（6）由采用变焦光学结构的接收镜组变焦模块（61）和接收镜组定焦模块（62）组成，用以满足针对不同工作距离下的成像要求。

4.根据权利要求1所述的工作距离可调的激光位移传感器，其特征在于，所述光敏器件（5）通过相应的旋转底座转动地设置在壳体（1）内，使光敏面与不同工作距离下的像平面重合。

5.根据权利要求4所述的工作距离可调的激光位移传感器，其特征在于，所述光敏器件（5）采用CCD图像传感器、CMOS图像传感器或位置敏感传感器。

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