CN103983199B - 光学位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种光学位移传感器，属于机械技术领域。它解决了现有的位移传感器测量误差高且不方便校正的问题。本光学位移传感器，所述位移探测器的数量为两个：探测器一和探测器二，所述物镜一、分光棱镜一、分光棱镜二、成像镜一和探测器一在壳体内由右至左设置，所述激光器位于分光棱镜一上部且在两者之间具有固连在壳体内的偏振片，所述壳体内还具有参考面，上述的物镜二固连在壳体内且物镜二位于参考面与分光棱镜一之间，所述分光棱镜一与物镜一之间以及分光棱镜一与物镜二之间均具有四分之一波片,所述探测器二位于分光棱镜二上部，上述成像镜二位于探测器二与分光棱镜二之间。本光学位移传感器测量误差小且误差便于校正。

Description

光学位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，特别是一种光学位移传感器。

背景技术

基于激光聚焦偏移的光学位移传感器具有灵敏度高、稳定性好、机构简洁、动态范围大等优势。

但由于传感器本身的机械结构、光学机构在外界环境温度变化的情况下容易受温度的变化产生偏移，使传感器的测量产生误差。

中国专利CN1957230提供了一种“位移传感器信号的误差校正方法”，它用于对电感式位移或角度传感器的传感器信号中由于电磁干扰而产生的误差进行校正的方法和装置。在通过已知方式激活至少一个会产生电磁干扰的元器件，并由此使电感式位移或角度传感器的传感器信号产生已知的误差时，对测得的传感器信号进行该误差的校正。

但是，上述的位移传感器主要是对已知误差与测量误差之间的比较，然后对其进行校正。但是，上述误差校正中已知误差不好确认，导致其误差校正难度较大。并且，上述专利的误差校正作业也显得不甚繁琐。

现有的其它位于传感器也都存在着类似的问题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述问题，提供一种能方便消除测量误差的光学位移传感器。

本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种光学位移传感器，包括壳体、激光器、分光棱镜、物镜、成像镜和位移探测器，其特征在于，所述物镜的数量为两个：物镜一和物镜二，所述分光棱镜的数量为两个：分光棱镜一和分光棱镜二，所述成像镜的数量为两个：成像镜一和成像镜二，所述位移探测器的数量为两个：探测器一和探测器二，所述物镜一、分光棱镜一、分光棱镜二、成像镜一和探测器一在壳体内由右至左设置，所述激光器位于分光棱镜一上部且在两者之间具有固连在壳体内的偏振片，所述壳体内还具有参考面，上述的物镜二固连在壳体内且物镜二位于参考面与分光棱镜一之间，所述分光棱镜一与物镜一之间以及分光棱镜一与物镜二之间均具有四分之一波片,所述探测器二位于分光棱镜二上部，上述成像镜二位于探测器二与分光棱镜二之间。

激光器发射的激光光束经偏振片进入分光棱镜一，在分光棱镜一的作用下将光束分成两个偏振光部：s偏振光部分和p偏振光部分。s偏振光部分进入物镜一处，p偏振光部分进入物镜二处。

由物镜一处透过的s偏振光部分进入被测表面，s偏振光部分经被测表面反射后进入分光棱镜二。在分光棱镜二的作用下s偏振光部分进入成像镜二，在成像镜二的作用下光束在探测器二处形成光斑。

由物镜二处透过的p偏振光部分进入参考面，p偏振光部分经参考面反射后进入分光棱镜二。在分光棱镜二的作用下p偏振光部分进入成像镜一，在成像镜一的作用下光束在探测器一处形成光斑。

将由参考反射面和被测平面反射的光束经偏振分光棱镜一及偏振分光棱镜二组成的共光路后分别进入成像镜一和成像镜二。以对参考反射面的位移测量作为参考，对被测平面的位移进行修正，抑制共光路中噪音及激光器光强和指向稳定性变化引起的误差。

四分之一波片是位于分光棱镜一的两个出射面处，偏振光经过四分之一波片后，成为圆偏振光。圆偏振光经被测平面或者参考面反射后，再次进入四分之一波片，由四分之一波片出射的光重新转变为线偏振光。

在上述的光学位移传感器中，所述分光棱镜一与分光棱镜二之间的壳体内固连有滤光片。

通过滤光片将过滤掉杂散光，保证分光棱镜二能稳定地将两个偏振光部分分别入射至成像镜二和成像镜一处。

在上述的光学位移传感器中，所述偏振片与壳体之间具有当偏振片摆动后能将其定位的定位机构。

根据实际的测量需要，对偏振片调节后通过定位机构能将偏振片牢牢的定位住。

在上述的光学位移传感器中，所述的壳体内固连有连接架，上述参考面和物镜一均固连在连接架上，所述连接架的材料为锆钨酸盐(ZrW2O8)。

该材料的连接架热膨胀系数较小，减少了测量误差。

在上述的光学位移传感器中，所述的壳体内固连有连接架，上述参考面和物镜一均固连在连接架上，所述连接架的材料为石英。

同样的，该材料的连接架热膨胀系数比较小，它也减少了测量误差。

在上述的光学位移传感器中，所述的偏振片固连在调节板上，上述的定位机构位于调节板与壳体内侧之间。

偏振片是普通的光学器件，偏振片对入射的偏振光具有遮蔽和透过的功能，可使纵向光或横向光一种透过，一种遮蔽。

通过偏振片使进入分光棱镜一处的光束为线偏振光。

在上述的光学位移传感器中，所述的定位机构包括转轴、弹性件、定位件和定位条，所述的定位条固连在壳体内，所述调节板上具有凹入的定位孔，上述的弹性件和定位件均位于定位孔处且在弹性件的弹力作用下定位件部分伸出定位孔，所述的定位条呈弧形且在定位条上具有以转轴为圆心弧形分布的若干定位凹口，所述的定位件能嵌入上述任意一个定位凹口处。

施加外力推动调节板，克服弹性件的弹力后定位件缩入定位孔。当然，此时定位件由定位凹口处脱出。

停止施加外力后，在弹性件的弹力作用下定位件重新嵌入定位凹口处，从而将调节板定位。

在上述的光学位移传感器中，所述的定位条为塑料材料，所述定位条通过胶水粘结在上述的壳体内侧。

传感器的壳体也为塑料材料，材料相同的壳体、定位条通过胶水能牢固的连接在一起。

当然，如果传感器的壳体为金属材料时，定位条也采用金属材料。然后，两者通过焊接或者胶水粘结相固连。

在上述的光学位移传感器中，所述的弹性件为螺旋弹簧，且弹性件的两端分别作用在定位孔底部和定位件上。

在上述的光学位移传感器中，所述定位件为圆珠，所述定位孔端口处具有呈环形凸出的挡沿，所述挡沿处形成的孔径略小于圆珠直径。

在挡沿的阻挡作用下圆珠位于定位孔内，而无法由定位孔内脱落。当然，在弹性件的弹力作用下圆珠是部分伸出定位孔的。

在上述的光学位移传感器中，所述的定位机构包括转轴、棘轮、弹簧和棘爪，所述的转轴固连在调节板上，所述的棘轮固连在转轴上，所述的棘爪铰接在壳体内，上述的弹簧位于棘爪与壳体之间且在弹簧的弹力作用下棘爪嵌于上述的棘轮上。

在弹簧的弹力作用下棘爪始终具有嵌入棘轮的趋势。由于棘轮是固连在转轴上的，而转轴又是固连在调节板上的。因此，该状态时调节板是不能够绕转轴转动的。一旦施加外力克服弹簧的弹力后，棘爪由棘轮的齿背上滑过，从而能使调节板绕转轴转动。

调节板位置调整到位后，停止施加外力，在弹簧的弹力作用下棘爪限制棘轮转动，重新将调节板定位，固连在调节板上的偏振片也随着一同被定位。

在上述的光学位移传感器中，所述的位移探测器为光电位移探测器。

光电位移探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测。

与现有技术相比，本光学位移传感器产生较大测量误差时，以参考面反射的位移量作为参考，对被测平面的位移进行修正，从而抑制共光路中噪音以及激光器强度和指向稳定性变化引起的误差。误差修正过程中以参考面的位移量座位参考，其修正精度比较高且误差修正简便。

同时，偏振片由于能旋转。因此，针对具有不同反射率的被测物，可通过调整偏振片的角度，使得从参考面和被测面反射回来的光强基本一致，提供测量的精准度。

另外，偏振片位置调整好以后，只需要停止施加推动调节板的外力即可，因此，其调节简便，具有很高的实用价值。

附图说明

图1是本光学位移传感器的原理图。

图2是实施例一中光学位移传感器的定位机构的剖视结构示意图。

图3是图2中定位件处的局部放大结构示意图。

图4是图2中定位条的俯视结构示意图。

图5是实施例二中光学位移传感器的定位机构的剖视结构示意图。

图6是图5中棘轮、棘爪处的结构示意图。

图中，1、壳体；2、激光器；3、分光棱镜一；4、分光棱镜二；5、物镜一；6、物镜二；7、成像镜一；8、成像镜二；9、探测器一；10、探测器二；11、被测平面；12、参考面；13、四分之一波片；14、滤光片；15、调节板；15a、定位孔；15a1、挡沿；16、转轴；17、弹性件；18、定位件；19、定位条；19a、定位凹口；20、偏振片；21、棘轮；22、棘爪；23、弹簧。

具体实施方式

实施例一

如图1所示，本光学位移传感器包括壳体1、激光器2、分光棱镜一3、分光棱镜二4、物镜一5、物镜二6、成像镜一7、成像镜二8、探测器一9和探测器二10。本实施例中，探测器一9和探测器二10均为光电位移探测器。

物镜一5、分光棱镜一3、分光棱镜二4、成像镜一5和探测器一9在壳体1内由右至左设置。激光器2位于分光棱镜一3上部，激光器2与分光棱镜一3之间具有偏振片20，偏振片20连接在壳体1内。

壳体1内还具有参考面12，物镜二6固连在壳体1内且物镜二6位于参考面12与分光棱镜一3之间。本实施例中，壳体1内固连有连接架，参考面12和物镜一5均固连在连接架上，连接架的材料为锆钨酸盐(ZrW2O8)，根据实际情况，连接架采用石英材料也是可行的。

分光棱镜一3与物镜一5之间具有四分之一波片13，分光棱镜一3与物镜二6之间均具有另外一个四分之一波片13。探测器二10位于分光棱镜二4上部，成像镜二8位于探测器二10与分光棱镜二4之间。

分光棱镜一3与分光棱镜二4之间的壳体1内固连有滤光片14。

如图2和图3和图4所示，偏振片20固连在调节板15上，调节板15与壳体1之间具有当调节板15摆动后能将其定位在壳体1内的定位机构。

定位机构包括转轴16、弹性件17、定位件18和定位条19，定位条19固连在壳体1内，调节板15上具有凹入的定位孔15a，弹性件17和定位件18均位于定位孔15a处，在弹性件17的弹力作用下定位件18部分伸出定位孔15a。定位条19呈弧形且在定位条19上具有以转轴16为圆心弧形分布的若干定位凹口19a，定位件18能嵌入任意一个定位凹口19a处。本实施例中，弹性件17为螺旋弹簧，当然，根据实际需要也可以采用其它能顶压定位件18的普通弹簧。

定位条19为塑料材料，壳体1也为塑料材料，定位条19通过胶水粘结在壳体1内侧。

弹性件17的两端分别作用在定位孔15a底部和定位件18上。本实施例中，定位件18为圆珠，定位孔15a端口处具有呈环形凸出的挡沿15a1，挡沿15a1处形成的孔径略小于圆珠直径。

本传感器在激光聚焦偏移位移传感器的光路中加入一个线偏振分光棱镜，在激光器和分光棱镜之间加入一个偏振片20，可连续条件出射激光束的线偏振方向。并在该分光棱镜的两个出射端分别放在两个四分之一波长的波片，四分之一波片光轴方向的放置使得透过两个四分之一波片的光为圆偏振的。

使得两束光中的一束入射到参考反射面，另一束入射到被测平面。由参考反射面和被测平面反射回的两束光将分别进入两个光电位移探测***。

物镜一5和物镜二6是两个光学性能完全相同或非常接近的物镜，两个物镜的主光轴与偏振分光棱镜的主光轴完全一致或相距相同的距离。

将由参考面12和被测平面11反射的光束经分光棱镜一3及分光棱镜二4组成的共光路后分别进入成像镜一7和成像镜二8。以对参考面12的位移测量作为参考，对被测平面11的位移进行修正，抑制共光路中噪音及激光器光强和指向稳定性变化引起的误差。

具体而言，激光器2发射的激光光束经偏振片20进入分光棱镜一3，在分光棱镜一3的作用下将光束分成两个偏振光部：s偏振光部分和p偏振光部分。s偏振光部分经分光棱镜一3进入物镜一5处，p偏振光部分经分光棱镜一3进入物镜二6处。

由物镜一5处透过的s偏振光部分进入被测表面11，s偏振光部分经被测表面11反射后进入分光棱镜二4。在分光棱镜二4的作用下s偏振光部分进入成像镜二8，在成像镜二8的作用下光束在探测器二10处形成光斑。

由物镜二6处透过的p偏振光部分进入参考面12，p偏振光部分经参考面12反射后进入分光棱镜二4。在分光棱镜二4的作用下p偏振光部分进入成像镜一7，在成像镜一7的作用下光束在探测器一9处形成光斑。

将由参考面12和被测平面11反射的光束经偏振分光棱镜一3及偏振分光棱镜二4组成的共光路后分别进入成像镜一7和成像镜二8。以对参考面12的位移测量作为参考，对被测平面11的位移进行修正，抑制共光路中噪音及激光器光强和指向稳定性变化引起的误差。

上述的共管路指的是分光棱镜二4与分光棱镜一3之间的光路部分。

实施例二

本实施例同实施例一的机构及原理基本相同，不一样的地方在于定位机构包括转轴16、棘轮21、弹簧23和棘爪22。转轴16固连在调节板15上，棘轮21固连在转轴16上。棘爪22铰接在壳体1内，弹簧23位于棘爪22与壳体1之间且在弹簧23的弹力作用下棘爪22嵌于上述的棘轮21上，见图5和图6所示。

在弹簧23的弹力作用下棘爪22始终具有嵌入棘轮21的趋势。由于棘轮21是固连在转轴16上的，而转轴16又是固连在调节板上的。因此，该状态时调节板15是不能够绕转轴16转动的。一旦施加外力克服弹簧23的弹力后，棘爪22由棘轮21的齿背上滑过，从而能使调节板15绕转轴16转动。

调节板15位置调整到位后，停止施加外力，在弹簧23的弹力作用下棘爪22限制棘轮21转动，重新将调节板15定位，固连在调节板15上的偏振片20也随着一同被定位。

Claims (6)

1.一种光学位移传感器，包括壳体(1)、激光器(2)、分光棱镜、物镜、成像镜和位移探测器，其特征在于，所述物镜的数量为两个：物镜一(5)和物镜二(6)，所述分光棱镜的数量为两个：分光棱镜一(3)和分光棱镜二(4)，所述成像镜的数量为两个：成像镜一(7)和成像镜二(8)，所述位移探测器的数量为两个：探测器一(9)和探测器二(10)，所述物镜一(5)、分光棱镜一(3)、分光棱镜二(4)、成像镜一(7)和探测器一(9)在壳体(1)内由右至左设置，所述激光器(2)位于分光棱镜一(3)上部且在两者之间具有固连在壳体(1)内的偏振片(20)，所述壳体(1)内还具有参考面(12)，上述的物镜二(6)固连在壳体(1)内且物镜二(6)位于参考面(12)与分光棱镜一(3)之间，所述分光棱镜一(3)与物镜一(5)之间以及分光棱镜一(3)与物镜二(6)之间均具有四分之一波片(13),所述探测器二(10)位于分光棱镜二(4)上部，上述成像镜二(8)位于探测器二(10)与分光棱镜二(4)之间；所述分光棱镜一(3)与分光棱镜二(4)之间的壳体(1)内固连有滤光片(14)；所述偏振片(20)与壳体(1)之间具有当偏振片(20)摆动后能将其定位的定位机构；所述的偏振片(20)固连在调节板(15)上，上述的定位机构位于调节板(15)与壳体(1)内侧之间；所述的定位机构包括转轴(16)、弹性件(17)、定位件(18)和定位条(19)，所述的定位条(19)固连在壳体(1)内，所述调节板(15)上具有凹入的定位孔(15a)，上述的弹性件(17)和定位件(18)均位于定位孔(15a)处且在弹性件(17)的弹力作用下定位件(18)部分伸出定位孔(15a)，所述的定位条(19)呈弧形且在定位条(19)上具有以转轴(16)为圆心弧形分布的若干定位凹口(19a)，所述的定位件(18)能嵌入上述任意一个定位凹口(19a)处。

2.根据权利要求1所述的光学位移传感器，其特征在于，所述的壳体(1)内固连有连接架，上述参考面(12)和物镜一(5)均固连在连接架上，所述连接架的材料为锆钨酸盐(ZrW2O8)。

3.根据权利要求2所述的光学位移传感器，其特征在于，所述的定位条(19)为塑料材料，所述定位条(19)通过胶水粘结在上述的壳体(1)内侧。

4.根据权利要求3所述的光学位移传感器，其特征在于，所述的弹性件(17)为螺旋弹簧，且弹性件(17)的两端分别作用在定位孔(15a)底部和定位件(18)上。

5.根据权利要求4所述的光学位移传感器，其特征在于，所述定位件(18)为圆珠，所述定位孔(15a)端口处具有呈环形凸出的挡沿(15a1)，所述挡沿(15a1)处形成的孔径略小于圆珠直径。

6.根据权利要求5所述的光学位移传感器，其特征在于，所述的定位机构包括转轴(16)、棘轮(21)、弹簧(23)和棘爪(22)，所述的转轴(16)固连在调节板(15)上，所述的棘轮(21)固连在转轴(16)上，所述的棘爪(22)铰接在壳体(1)内，上述的弹簧(23)位于棘爪(22)与壳体(1)之间且在弹簧(23)的弹力作用下棘爪(22)嵌于上述的棘轮(21)上。