CN105676229B - 一种适用于低量程的激光测距结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于低量程的激光测距结构，包括激光装置，一个直角棱镜、单面镜、激光高反镜或双平面镜之一，激光装置内部集成有激光发射单元、激光接收单元和数据处理单元。本发明的结构，通过直角棱镜、单面镜、激光高反镜或双平面镜的反射或折射，改变了激光信号光路，有效地解决了由于在Y方向上空间有限，激光装置安装不方便；且由于待测距离小，激光测距装置精度低，误差大的问题；结构简单、成本低、安装方便，提高了低量程激光测距精度。

Description

一种适用于低量程的激光测距结构
技术领域
本发明涉及激光测量技术领域，用于安装环境距离受限及精度要求高的近距离测量，涉及一种适用于低量程的激光测距结构。
背景技术
激光具有方向性强、亮度高、单色性好、相干性好等优点，且具有测量精度高、范围广，实现非接触测量，广泛应用于测距领域。激光测距装置利用激光在空气中传播速度基本恒定的特性，一般通过激光信号在待测目标距离上的往返时间来实现距离的测量。近年来，随着激光技术、电子技术和计算机技术的发展，激光测距技术得到了快速的发展，以此为基础的激光测距装置朝着数字化、自动化、低成本和小型化的方向发展。
在低量程测量过程中，现有的激光测距装置使用普通计数器芯片(计时功能)难以精确计时，导致出现较大的计算误差。
此外，在某些应用环境中，由于安装条件限制，如安装空间狭小、安装不便等，造成现有的激光测距装置不易安装，使得测距精度受限。
因此，现有的激光测距装置，在低量程范围内与中程范围相比：测距精度低，误差大。所以，研制一种低量程的高精度激光测距结构具有实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于低量程的激光测距结构，解决现有技术在低量程激光测距中，由于结构设置的限制导致计算时间精度低以及安装环境距离受限的问题。
本发明采用的技术方案是：
方式1，
一种适用于低量程的激光测距结构，包括激光装置和一个直角棱镜，激光装置内部集成有激光发射单元、激光接收单元和数据处理单元，激光装置的激光出射方向与待测距的目标反射方向垂直设置，直角棱镜的横截面为等腰直角三角形，直角棱镜的斜面朝外，直角棱镜的一个直角边与激光装置相对，且直角棱镜的斜面中点与激光发射单元发射器、激光接收单元接收器位于同一直线；直角棱镜的另一个直角边与待测距的目标相对，且直角棱镜斜面中点与待测距的目标中心位于同一直线。
方式2，
一种适用于低量程的激光测距结构，包括激光装置和一个单面镜，激光装置内部集成有激光发射单元、激光接收单元和数据处理单元，激光装置的激光出射方向与待测距的目标反射方向垂直设置，激光发射单元的出射光通过单面镜反射到待测距的目标反射面上，待测距的目标反射面上的反射光重新经过单面镜反射到激光接收单元中。
方式3，
一种适用于低量程的激光测距结构，包括激光装置和一个激光高反镜，激光装置内部集成有激光发射单元、激光接收单元和数据处理单元，激光装置的激光出射方向与待测距的目标反射方向平行设置，激光高反镜设置在激光装置与待测距的目标之间的弯折线上，激光发射单元的入射激光通过在激光高反镜中的多次反射后出射光照在待测距的目标的反射面上，并且待测距的目标反射面上的反射光经过激光高反镜中的多次反射后返回激光接收单元中。
方式4，
一种适用于低量程的激光测距结构，包括激光装置和一个双平面镜，激光装置内部集成有激光发射单元、激光接收单元和数据处理单元，激光装置的激光出射方向与待测距的目标反射方向平行设置，双平面镜设置在激光装置与待测距的目标之间的弯折线上，激光发射单元的入射激光通过在双平面镜中的多次反射后出射光照在待测距的目标的反射面上，并且待测距的目标反射面上的反射光经过双平面镜中的多次反射后返回激光接收单元中。
本发明的有益效果是，包括以下几个方面：
1)通过使用直角棱镜，改变激光信号的光路，解决安装空间单方向距离受限制的问题；
2)通过改变激光信号的折返光路，将低量程测量实际测量距离变长，从而，降低对计数功能芯片的精度要求，提高低量程测量精度及误差；
3)结构简单、成本低，只是通过增加一个直角棱镜便可实现精度提高的功能，尤其适合低量程高精度激光测距。
附图说明
图1为现有的一种典型的激光测距装置安装示意图；
图2为本发明的一种激光测距结构布置示意图；
图3为本发明的另一种激光测距结构布置示意图。
图中，1.激光装置，2.激光照射光路，3.直角棱镜，4.目标，5.棱镜折射光路，6.激光高反镜，7.激光设备，8.激光发射单元，9.激光接收单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
如图1所示，是现有技术一种典型的激光测距安装结构，包括常规的激光设备7，激光设备7的内部集成有激光发射单元8和激光接收单元9，待测距的目标4位于激光设备7的激光照射光路方向上，某时刻开始，激光发射单元8对待测距的目标4发射出激光信号，激光接收单元9收到从待测距的目标4的回波激光信号，计算激光信号从激光发射单元8出发到达待测距的目标4并返回激光接收单元9所需的时间，由此计算待测距离d，脉冲信号往返所需时间为t，激光在空气中的传播速度为c，则有可见，时间t的计算精度决定了待测距离d的精度。在低量程测量过程中，由于量程很小，现有的激光测距方法使用普通计数器芯片(计时功能)难以精确计算时间，导致出现较大的计算误差，因此，只能要求更高精度的计数器芯片，从而增加了设备成本。
在实际测量时，如果待测距的目标4的待测距离N位于Y方向上，由于在Y方向上空间有限，激光装置1的安装很不方便，基本上难以实施；且由于待测距离小，现有的激光测距装置精度较中量程低，设置配置成本受限制(主要是计时器件的成本)，此时，采用本发明下述的结构及其安装方式进行测量，就会有更好的测量精度。
如图2所示，本发明的激光测距结构是，包括激光装置1和直角棱镜3，激光装置1的激光出射方向与待测距的目标4反射方向垂直设置，激光装置1内部集成有激光发射单元8、激光接收单元9和数据处理单元三部分，直角棱镜3的横截面为等腰直角三角形，直角棱镜3的斜面朝外，直角棱镜3的一个直角边与激光装置1相对，且直角棱镜3的斜面中点与激光装置1的激光发射单元8发射器、激光接收单元9接收器位于同一直线(图中沿X轴方向)；直角棱镜3的另一个直角边与待测距的目标4相对，直角棱镜3斜面中点与待测距的目标4中心位于同一直线(图中沿Y轴方向)。
本发明上述的结构测量原理是，
激光装置1及直角棱镜3预先校准之后，激光装置1中的激光发射单元8发射出激光脉冲信号，同时触发信号使计时电路对时标脉冲进行计数；激光信号通过直角棱镜3全反射到达待测距的目标4，经待测距的目标4反射面的反射，然后反射回来的反射光再次通过直角棱镜3全反射，被激光接收单元9接收；接着，数据处理单元将光信号转换为电脉冲信号，经放大整形后作为计数器停止计数的控制信号；最后，数据处理单元从计数器中读取脉冲数n，结合时标脉冲周期τ，进而计算出激光经过的总距离S；
直角棱镜3设置在待测距的目标4及激光装置1两者轴线延长线垂直交汇处，待测距的目标4位于Y方向，则待测距的目标4的Y方向待测距离为N；激光装置1固定安装在X方向，直角棱镜3的斜面中点与激光装置1的激光发射单元8发射器、激光接收单元9接收器的固定距离为M；激光在直角棱镜3中的全反射单程距离为L，则有N＝S/2–M–L。
本发明上述结构的工作过程是：
步骤1，根据待测距的目标4位置，按照前述的结构位置将激光装置1、直角棱镜3安装到位，确定固定距离M和直角棱镜3中的全反射单程距离L，并校正激光装置1；
步骤2，启动激光装置1，激光装置1中的激光发射单元8发射出激光脉冲信号，同时触发信号使数据处理单元中的计时电路对时标脉冲进行计数；
步骤3，激光信号通过激光照射光路2进入直角棱镜3，通过直角棱镜3斜面的全反射，经过棱镜折射光路5到达待测距的目标4，经待测距的目标4反射面的反射后，反射波重新通过直角棱镜3的全反射，被激光接收单元9接收；
步骤4，数据处理单元将接收到的光信号转换为电脉冲信号，经放大整形后作为计数器停止接计数的控制信号；
步骤5，数据处理单元从计数器中读取脉冲数n，结合时标脉冲周期τ，进而计算出激光信号遍历的总距离S；则待测距的目标4的待测距离N＝S/2–M–L。
本发明还包括但不止于以下结构设置：
将直角棱镜3替换为一个单面镜实现入射角45°及出射角45°的激光全反射，同样实现全反射改变激光信号光路，实现上述的测距目的。即激光装置1的出射光通过单面镜反射到待测距的目标4反射面上，待测距的目标4反射面上的反射光重新经过单面镜反射到激光接收单元9中。这样的话，测量距离计算式需要相应的调整。
如图3所示，改变激光信号光路的器件还可以设置为激光高反镜6，激光高反镜6与激光装置1的安装方式是，激光装置1的激光出射方向与待测距的目标4反射方向平行设置，激光高反镜6设置在激光装置1与待测距的目标4之间的弯折线上，激光装置1的入射激光通过在激光高反镜6中的多次反射后出射光照在待测距的目标4的反射面上，并且待测距的目标4反射面上的反射光经过激光高反镜6中的多次反射后返回激光装置1的激光接收单元9中。这样的话，通过相应的计算式得到相应的测量距离值。
激光高反镜6还可以替换为两个平行设置的双平面镜，实现上述的测距目的，双平面镜设置在激光装置1与待测距的目标4之间的弯折线上，激光装置1的入射激光通过在双平面镜中的多次反射后出射光照在待测距的目标4的反射面上，并且待测距的目标4反射面上的反射光经过双平面镜中的多次反射后返回激光装置1的激光接收单元9中。这样的话，测量距离计算式需要相应的调整。

Claims (1)

1.一种适用于低量程的激光测距结构，包括激光装置(1)和一个激光高反镜(6)，激光装置(1)内部集成有激光发射单元(8)、激光接收单元(9)和数据处理单元，其特征在于：
激光装置(1)的激光出射方向与待测距的目标(4)反射方向平行设置，激光高反镜(6)设置在激光装置(1)与待测距的目标(4)之间的弯折线上，激光发射单元(8)的入射激光与激光高反镜(6)入光面存在非直角的夹角，激光发射单元(8)的入射激光通过在激光高反镜(6)中的多次反射后出射光照在待测距的目标(4)的反射面上，并且待测距的目标(4)反射面上的反射光经过激光高反镜(6)中的多次反射后返回激光接收单元(9)中。
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