CN86102577A - 光传感器 - Google Patents

Abstract

在一个具有机壳(19)的光传感器中，光发射器(17，20)和光接收器(12，15)相互并排放置。通过偏转镜(14)将接收光束(11)在前接收透镜(12)之后偏转至光电传换器(15)上，偏转镜能环绕横轴(13)转动，通过转动偏转镜(14)，可以改变探测距离。

Description

光传感器

本发明涉及一种灵敏的遥测光传感器，该传感器具有一个外壳，外壳内并排放置一个光发射器和一个具有光电转换装置的光接收器。光发射器发射一束发射光束，而光接收器则接收一束很细的接收光束，该接收光束代表由发射光束所照射的物体上反射的散射光锥体的极小一部分。发射光束和接收光束的夹角可变，因此，两束光可相交于距外壳某一给定距离处，该距离可以通过改变光束夹角加以调节。

此种传感器用于识别在使光导入光传感器的特定距离处的反光物体。为此，发射光束和接收光束必须相交于待识别的物体处。为了得到具有一定可调探测范围的光传感器，由德国公开文件2811413，3004691和2924685业已知道，通过改变发射光束和/或接收光束的角度，使得两条光束的交点落在外壳之外的一定距离之内，于是，在预定的距离范围内，即可预先选择所希望的扫描距离。

这类已知的光传感器的缺点在于：光源和/或光电转换装置必须能在机壳中作回转运动，这一点是十分不利的，特别是由于这些元件都需和电源相联，可调性十分有限。

一种灵敏的遥测光传感器已为人们所知（德国专利2924685），在此种传感器机壳内，包含一个光发射器和一个光接收器，两者分别带有成象光学系统。光发射器和光接收器两者的光学系统的光轴相交于距传感器机壳的某一距离处，该距离可以调节，以便预先据此定出探测范围。为此，光发射器和光接收器，连同各自的光学系统一起，分别通过旋转支架加以调节。旋转支架由驱动轴带动旋转使得光学系统的轴交角得以改变。

将光发射器，光接收器和有关的光学元件固定在旋转支架上的这种已知组合方式十分复杂，装置相当昂贵，且组装困难，工作时不够稳定。为了给旋转运动提供足够的自由度，电路联线必须分布在外面，因此，不得不采用特殊方法对装置进行布线，且导线不可能固定地附在外面。

本发明的目的，就是要提供开始所说的那种光传感器，在这种光传感器中，所有的光电元件，尽可能多的光学元件，以及整个电子线路，都能固定不动地安放在机壳内，但同时又不必牺牲在距机壳一定距离处，在具体探测范围内明显可调这一优点。

为了达到这一目的，本发明提出了两种方案：一种是利用偏转镜将发射光束在前发射透镜之前偏转到前发射透镜上，前发射透镜固定在机壳上，偏转镜环绕光源的横轴旋转，而光源则固定在外壳内光轴的侧面;另一种更为可取的方案是，利用偏转镜将接收光束在前接收透镜之后偏转到光电转换装置上，类似地，前接收透镜固定在机壳上，偏转镜环绕横轴旋转，而光电转换装置固定在机壳内光轴的侧面。

因此，本发明采用一只旋转偏转镜来调节穿过光发射和光接收的光学系统的两条中心光束之间的夹角，而光发射器、光接收器以及与之有关的两个前透镜，则固定在相应的机壳上不动。

由于本发明采用的这种结构，只需位于光传感器机壳内接收光束一侧或发射光束一侧的偏转镜可动，而所有其它的电子元件，光电元件以及光学元件则可固定不动，也就是说可以在机壳内精确调整后加以固定。依照本发明的这种光传感器使得同时能够通过适当旋转偏转镜，将探测范围精确调节至距机壳某一预定的距离处。

对发射光束而言，最好让其沿垂直于包含前发射透镜的壁由内部发出。

如果前接收透镜和前发射透镜上下或并排地固定在机壳的一个侧壁上，且最好是用单一的透明材料模压成型，那样，就能得到一个非常紧凑的装置。

如果将光源（最好用发光二极管）放在前发射透镜的焦平面处，那么沿光轴方向装置就做得非常紧凑。

另外，偏转镜应当位于前接收透镜及其焦平面之间，且最好放在距前接收透镜焦距的三分之二处。

偏转镜的旋转轴，也最好垂直于接收光束和发射光束所确定的平面。这样，光源和光电转换装置就能在机壳内处于同一平面上，实际上也就与前透镜处于同一平面，这就使机壳作得很薄。

为了使光发射器和光接收器之间留有适当的空间供偏转镜旋转，根据进一步改善的实施方案，光电转换装置安放在偏转镜的远离光源的一边。

很小的旋转角范围（比如25°）就足以使探测区域能覆盖距机壳不同距离的各点。偏转镜的旋转范围，通常限制在20°至30°角之间。这时，接收光束就可以偏转足够远，以适应实际发生的各种情况。

光学和结构上的优选实施方案是这样设计的：即接收光束在偏转镜的一端被偏转大约90°角，此端最好是最薄端。

为了防止偏转镜的表面偏离所要求的位置，偏转镜的表面应当紧靠其旋转轴。

为了得到调节灵敏的偏转镜，本发明的一种特别优选实施方案中，偏转镜是通过蜗轮传动来调节的。为此，偏转镜方便地固定在与旋转轴同轴的扇形齿轮上。

本发明结构上的一个有益改进，其特征在于：偏转镜通过两个水平承插（spigot），能旋转地支装在机壳上。

为了保证偏转镜及其驱动机械部件的固定尽可能不受机械部件运动的影响，且工作时又不会产生撞击或振动，本发明进一步改进的实施方案提供了上述的扇形齿轮，它通过一弹性极好的偏移的环箍与偏转镜连接，这样一来，上述的水平承插就被蜗杆压紧在支架上。

如果扇形齿轮位于旋转轴朝向光源的一侧，则可以获得特别紧凑的布局。按这种布局，蜗杆应位于旋转轴和光源之间，且蜗杆的转轴沿平行于前透镜光轴方向延伸。这样，发射器部件和接收器部件之间的空间，从光学观点考虑是多余的，但却被有效地用来安放和旋转固定支撑蜗杆的蜗杆轴。

为了能以简单的方式改变或精确调整探测距离，根据本发明进一步有益的改进，蜗杆轴有一个调节旋钮，它可以通过机壳后壁上的开孔进行转动。

上述的弹性环箍能产生一定的摩擦力，这便于固定一度选定了的调节机构，固定偏转镜已选定的调节机构，还可以利用在蜗杆轴的圆周法兰盘和机壳后壁内表面之间放置紧固密封环的方法进一步改善。如果蜗杆只有一两圈，最好是稍大于1.2圈，且如果从蜗杆轴径向伸出的端面与扇形齿轮的有齿部分提供的对立面（Counter    Surfaces）相配合，来限制扇形齿轮的转角，将更为有利。这样一来，缩短了的蜗杆同时又被用来限制偏转镜的转动范围。

为了避免在转动区域的端头，由于施加于蜗杆轴的转矩过大而使部件损坏，本发明进一步采取以下措施：即将蜗杆螺纹的两头部分直至最末端加工成斜面，使得在相应端面与对立面的交界处，当施加于蜗杆轴的转矩过大，有可能产生损坏危险时，蜗杆在相应的端面附近能很快滑至对立面的外缘，使得蜗杆转动而扇形齿轮不动，直至落入最邻近的齿槽中。为了一方面能灵敏地调节偏转镜，另一方面又能在蜗杆和扇形齿轮之间实现自锁紧，蜗杆的螺距角应选择得尽可能小。具体说为4°至6°之间，最好是5°。

蜗杆的螺距应特别加以选定，使得用户利用扇形齿轮上三个相邻的齿槽，能够实现希望的转动范围。

本发明的光传感器最好用于识别距光传感器机壳某一极限距离（最大距离）以内的物体。对距光传感器机壳的距离超过这一极限（最大距离）的物体则不能识别，而只能识别靠近光传感器机壳的物体。

为了达到这一点，在本发明的一个更有利的实施方案中，光电转换装置是一个联结至微分放大器的微分光转换装置，它相对于偏转镜是这样放置的：即当物体被置于极限距离处或比最大距离稍远处，微分放大器的输出信号为零，而当物体被置于较远距离时，其信号的相位符号与物体被置于较近距离处时的符号相反。

在此装置中，光电转换装置将特殊地由两个依次放置在偏转镜附近的光转换器组成。

为了使得在由于干扰而引起的小信号扰动时不致于得到存在信号，应当进一步规定处理电路有一个响应阈值，这样，当出现在微分放大器输出端的信号具有正确的相位符号且明显地不等于零，亦即实际的最大距离小于极限距离时，存在信号就首先被发送出去。

因此物体的存在可以由接收信号的信号幅值或由传感器的几何成象原理来推断。例如，首先发生的情况是，当物体距离传感器很远且反射率很低时，这时接收到的光通量太少，无法为光转换器所识别。如果物体的反射率足够高，且距离传感器足够近，那末，无论物体处于探测范围之内还是之外，都可以根据几何成象原理加以确定。如果物体距光传感器的距离大于发射光束和接收光束交点至传感器的距离，那么物体将主要地由位于靠近前透镜的光转换器上的接收透镜成象。如果物体位于传感器和接收发射光束交点之间，那么它将主要地由远离前透镜的光转换器上的接收透镜成象。通过求出两光电流差，即可得到输出信号，其相位符号表明物体是处于选定的探测范围之内还是之外。

下面将参考附图，对本发明作详细的介绍。这些附图是：

图1是表示根据本发明的光传感器有关光路的侧视简图;

图2是本发明的光传感器机械结构部分侧视截面图;

图3是图2沿线Ⅲ-Ⅲ的截视图。

由图1可见，前接收透镜12和前发射透镜17一上一下地固定在机壳19的前壁18上，两透镜间距很小，机壳19呈平行六面体状，窄壁垂直于图1的画面。作为光源的发光二极管20位于前发射透镜17的焦点处，因此，沿垂直于机壳19的前壁18的方向从前发射透镜17发出的是一束很细的发射光束16。反光物体44假定放置在距机壳19的前壁18的极限距离A处，该反光物体将在一个与该物体材料有关的散射圆锥体范围内沿虚线箭头所指示方向使发射光束16的入射光反射。散射圆锥体的极小部分，实际上就是接收光束11将被前接收透镜12捕获，并通过位于前接收透镜12之后的偏转镜14反射至光电转换装置15。光电转换装置15位于机壳的较下部分，由图1可见，它由两个一前一后放置的光转换器45组成，根据本发明要求，这两个光转换器接至微分放大器38上，所以在微分放大器38的输出端出现的信号对应于降落到两个光转换器45上光通量的差。

如果物体44如图1所示位于距机壳19极限距离A处，也就是说当距离超过A时，物体44就不能再被光传感器所探测，那么接收光束11就直接落在两个光转换器45间空的中央。在如图1所示的中心位置，微分放大器38的输出信号为零。如果没有物体存在，则微分放大器38的输出信号也为零。

现在，为了区分“物体在探测范围之内”和“物体在探测范围之外”这两种说法，将微分放大器38的输出信号加到处理电路39上，在处理电路中，将对信号的振幅和相位符号加以计算。比如，如果信号为正，且达到由计算电路39所给定的响应阈值，那么这意味着“物体是在探测范围之内”。相反，如果信号为负，那么就表明“物体在探测范围之外”。

根据优选实施方案，如果响应阈值是在计算电路39内部给出，那么，当物体朝机壳19的方向作任一所需的微小位移时，在计算电路39的输出端55将不产生存在信号，而只有当物体44位于距机壳19足够近的距离A1时，才有存在信号产生。

根据本发明，偏转镜14能按双箭头所指方向绕旋转轴13转动，旋转轴13垂直于图1的图面。枢轴运动是由旋转调节旋钮29产生的，旋钮29从后壁28加以调节，并通过适当的传动机构40使其与可转动的偏转镜14相联结。

根据待指示的物体44离开传感器的距离A，将偏转镜14调节至一定的角度，使得接收光束11和发射光束16的交点位于物体44处。这样就可以保证，对于每一所要求的探测范围，接收光束11正好落在光电转换装置15所要求的中心位置上。

在图2和图3中，采用同样的参考代号来表示与图1相对应的部件。

如图2所示，作为光源的光二极管20固定在按锥形向外张开的发散光锥41里，前发射透镜17位于光锥41的最大截面区域内。光二极管20和前发射透镜17之间的区域是密封的，因此不会弄脏。光二极管20相对前发射透镜17和机壳19调好后加以固定。

在前接收透镜12的后面，也有一个相应的光锥42，它的后部是敞开的，使得偏转镜14能安置在那里，并具有所需的旋转空间。偏转镜14两边各有一承插22，借助于承插22，它可以自由转动地安装在机壳的固定支架43上。环箍23固定在偏转镜14的下部，它环绕旋转轴13，以近似圆周的轨道向上伸展直至旋转轴13的正上方，接着过渡成扇形齿轮21，扇形齿轮21有三个沿径向向外配置的齿槽35，36，37。两个齿46，47位于齿槽之间，而在齿槽35，37两边的圆周方向，扇形齿轮21的实体稍作进一步延伸，延伸的长度大于齿46，47的宽度，延伸部分的径向尺寸与齿46，47相同。

蜗杆24从上面与扇形齿轮21的齿槽35，36，37啮合，蜗杆是在可环绕纵轴25旋转的蜗杆轴26上加工成形的。根据本发明要求，蜗杆24非常短，它围绕蜗杆轴26只延伸一圈多。在蜗杆的两端是端面32，它被用作过渡边界（也参见图3）。

在蜗杆轴26的尾端设调节旋钮29，其上有一横槽，该调节旋钮从机壳19的后壁28上的开孔27伸出，因此，可以从外面利用诸如改锥等工具进行调节。

蜗杆轴26在距后壁28很近处，有一圆周法兰盘30，在圆周法兰盘30和后壁28之间装有紧固密封环31。

如图3所示，蜗杆24沿端面32逐步展平。

蜗杆轴26的前端，借助于旋转承插48，插入纵向孔49中，并可来回旋转，纵向孔49开在位于发射部件和接收部件之间的机壳实心体上。蜗杆轴26的靠前部分有一圆周法兰盘50，它紧靠机壳19的环状台阶51，以保证蜗杆轴26可靠的轴向固定，这对于在偏转镜14的旋转位置一旦选定后，就可靠地维持不变是很重要的。密封环31制作得具有足够的弹性，以便利用其弹力将圆周法兰盘50沿纵向紧压在环状台阶51上。

由此而产生的摩擦力也是十分重要的，因为它能防止蜗杆轴26的旋转位置一旦选定后，由于诸如振动等不希望的方式而引起改变。

扇形齿轮21的蜗杆轴26以及承插22和环箍23的相对位置，应保证蜗杆24沿图2向下方向对环箍23施加一不大的力，使得承插22向下压在支架43上。为了在此情况下不会产生过大的偏移力，根据本发明，环箍23应作得具有一定的弹性，使得相互联结的部件之间具有完全合适的弹性接触压力。这样，一方面保证不受机械运动的影响，另一方面，相互移动的部件之间能产生较大的摩擦力，从而防止一旦被选定后的转动位置会发生不希望的自动变动。

上述的光传感器的工作方式如下：

为了定出在距机壳19所需要的极限距离A处的探测范围，将一试验物体放在物体44的位置，随后来回转动蜗杆轴26的调节旋钮29，直至接收光束11达到图1所示的中间位置，且计算电路39的微分放大器38的输出信号为零。然后，利用调节旋钮29将偏转镜14转向一方，使得两个光转换器45中后面一个接收较多的光，直至在计算电路39的输出端52刚刚出现存在信号，也就是刚刚超过响应阈值。这一位置（如14′）在进行相应调整之后，由于本发明提供的各个旋转元件之间摩擦力的作用保持不变。

当端面32贴到扇形齿轮21相应的对立面33时就确定了扇形齿轮21转动范围的极限位置。在此情况下，为了防止由于进一步用力旋转调节旋钮29而造成扇形齿轮21的损坏，将端面32部分加工成斜面34，当过大的转矩加到调节旋钮29上时，蜗杆34便滑到扇形齿轮21的边缘上，此时，蜗杆轴26和/或环箍23作弹性偏移，蜗杆24在扇形齿轮边缘上滑动而并不使齿轮转动，直至最后再次滑进第一齿槽35或37中，这里的第一齿槽就是原先蜗杆从中被弹性托起并斜面34滑动到扇形齿轮21边缘上的那个齿槽。于是，以很简单的方式实现了对转矩的限制，从而趋免了任何敏感部件的损坏。

Claims (30)

1、一种灵敏的遥测光传感器包含有一机壳，在机壳中，相邻地放置一光发射器和一具有光电转换装置的光接收器，它们分别发射一束发射光束和接收一束很细的接收光束，该接收光束代表由发射光束所照射的物体上反射的散射光锥体的极小部分，由于发射光束和接收光束夹角可变，两光束相交于距机壳某一所要求的定距离处，该距离可以通过改变光束夹角加以调节，此种光传感器的特征在于：或者是利用偏转镜(14)将发射光束(16)在前发射透镜(17)之前偏转到前发射透镜上；或者更为可取的是，利用偏转镜(14)将接收光束(11)在前接收透镜(12)之后偏转到光电转换装置(15)上。其中前发射透镜固定在机壳上，偏转镜环绕光源(20)的横轴(13)旋转，而光源则固定在机壳内光轴的侧面；类似地，后一种方案的前接收透镜也固定在机壳上，偏转镜环绕横轴旋转，而光电转换装置固定在机壳内光轴的侧面。

2、根据权利要求1的光传感器，其特征在于：所述的发射光束（16）相对机壳具有固定的方向。

3、根据权利要求2的光传感器，其特征在于：所述的发射光束（16）沿垂直于包含前发射透镜（17）的壁（18）的方向由机壳（19）内发生。

4、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：前接收透镜和前发射透镜相互一上一下或并排地固定在机壳（19）的壁（18）上，且最好由单一透明材料模压成型。

5、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：光源（20）最好为发光二极管，它被置于前发射透镜（17）的聚焦平面处。

6、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：接收器（15）被置于前接收透镜（12）的焦平面处。

7、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：偏转镜（14）位于前接收透镜（12）和该透镜的焦平面之间，实际上最好位于距前接收透镜（12）焦距的三分之二处。

8、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：偏转镜（14）的旋转轴（13）沿垂直于接收光束和发射光束（11，16）所限定的平面（图1）延伸。

9、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：光电转换装置（15）位于偏转镜（14）的远离光源（20）的一侧。

10、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：偏转镜具有限定的转动范围。

11、根据权利要求10的光传感器，其特征在于：转动范围被限定在20°至30°角，典型地限定在约25°角。

12、根据权利要求8或权利要求9的光传感器，其特征在于：接收光束（11）在偏转镜（14）的端部被偏转约90°角，此端最好是最薄端。

13、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：偏转镜（14）的表面紧靠它的旋转轴（13）。

14、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：偏转镜（14）通过蜗轮传动装置（23，24）加以调节。

15、根据权利要求14的光传感器，其特征在于：偏转镜（14）固定在与旋转轴（13）同轴的扇形齿轮（21）上。

16、根据权利要求15的光传感器，其特征在于：偏转镜（14）借助于两个水平承插（22）能自由旋转地支承在机壳（19）上。

17、根据权利要求15和16的光传感器，其特征在于：扇形齿轮（21）通过一弹性极好的偏移环箍（23）与偏转镜（14）联结，使得承插（22）被蜗杆（24）压到支架（43）上。

18、根据权利要求15至17的光传感器，其特征在于：扇形齿轮（21）位于旋转轴（13）朝向光源（20）的一边。

19、根据权利要求18的光传感器，其特征在于：蜗杆（24）位于旋转轴（13）和光源（20）之间，而蜗杆的转轴沿平行于前透镜（12，17）光轴方向伸展。

20、根据权利要求19的光传感器，其特征在于：蜗杆轴（24）位于蜗杆轴（26）上，蜗杆轴（26）能自由转动地支承在机壳（19）上。

21、根据权利要求20的光传感器，其特征在于：蜗杆轴（26）有一调节旋钮（29），它通过机壳（19）后壁（28）上的开孔（27）进行旋转。

22、根据权利要求21的光传感器，其特征在于：密封环（31）紧固在蜗杆轴（26）的圆周法兰盘（30）和后壁（28）的内表面之间。

23、根据权利要求14至22的光传感器，其特征在于：蜗杆（24）有一至二圈，最好是稍大于1.2圈;从蜗杆轴（26）径向伸出的端面（32）与扇形齿轮（21）的有齿部分提供的对立面（33）相配合，以限制扇形齿轮（21）的转角。

24、根据权利要求23的光传感器，其特征在于：将蜗杆（24）螺纹的两头部分直至最末端，加工成斜面（34），使得在相应端面（32）与对立面（33）的交界处，当施加于蜗杆轴（26）的转矩过大，有可能产生损坏危险时，蜗杆（26）在相应的端面（32）附近能滑至对立面（33）的外缘，使得蜗杆（24）转动而扇形齿轮（21）不动，直至落入最邻近的齿槽（35或37）中。

25、根据权利要求14至24中一个权利要求的光传感器，其特征在于：蜗杆（24）的螺距角为4°至6°之间，最好为5°。

26、根据权利要求14至24中的一个权利要求的光传感器，其特征在于：扇形齿轮（21）有三个相邻的齿槽（35，36，37）。

27、根据前面任一条权利要求的光传感器，其特征在于：光电转换装置为一联结至微分放大器（38）的微分光转换装置（15），它相对于偏转镜（14）是这样放置的：即当物体（44）被置于极限距离（A）处或比最大距离稍远处时，微分放大器（38）的输出信号为零，而当物体被置于更远距离处时，其信号的相位符号与物体被置于较近距离处时的正相反。

28、根据权利要求27的光传感器，其特征在于：光电转换装置是由两个依次放置在偏转镜（14）附近的光转换器（45）组成。

29、根据权利要求27或权利要求28的光传感器，其特征在于：微分放大器（38）被连接至处理电路（39）上，该处理电路只发送信号和相位符号相当于物体位于极限距离（A）内的存在信号。

30、根据权利要求29的光传感器，其特征在于：处理电路（39）有一响应阈值，使得当出现在微分放大器（38）输出端的信号具有正确的相位符号且明显地不等于零，亦即实际的最大距离（A1）小于极限距离（A）时，存在信号就首先被发送出去。

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