CN108303700A - 可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器，包括半导体激光发生器、高精度透镜光学***，该激光传感器还包括线性COMS位置传感器模块以及信号处理***；所述信号处理***包括放大滤波电路模块、高速AD转换电路模块、高速FIFO电路模块、DSP控制电路模块、比较及筛选电路模块、像元计数处理电路模块、信号指示输出电路模块。本发明通过采用上述电路设计，能使激光传感器达到超小尺寸、超小光斑和超高精度的效果，激光光斑直径仅为0.5mm，既能满足安装空间的要求，尤其对于高精密智能化设备的要求，又能实现对直径小于1mm的微小物体如芯片的针脚，头发丝等类似物品的稳定可靠的检测。

Description

可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器
技术领域：
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及工业自动化行业非接触式检测激光传感器，特指一种可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器。
背景技术：
背景1：现有的光电传感器，接近传感器等尺寸都偏大，不适合要求结构精巧，安装空间受限的精密智能自动化机械。现在工业生产领域，自动化生产设备要求智能化的同时，本身结构设计也更精密，更小巧，所以要求传感器在实现稳定可靠检测的同时，本身尺寸越小越好，不要占用大的安装空间，这就要求传感器本身尺寸要尽量小。
背景2：现在工业生产领域，被检测的物体材料不同，如金属材料和非金属材料等，不同材料表面处理不一样，很多材料做了表面处理后就要求不能机械碰触，不然就会损伤或损坏材料，故要求不能跟材料直接接触进行检测，不受材料的影响稳定检测。
背景3：现有的光电传感器，超声波等传感器光斑，声波都偏大，不适合检测如芯片针脚等细小工件的检测。现在工业生产领域，很多零部件设计非常小巧。如半导体行业芯片的针脚等，这些被检测的物体由于是微小物体(直径<1mm)，也要是对其稳定检测。
上述3个背景叠加在一起，这本身就是难以都处理好的矛盾，现有的传感器很难满足上述要求。
发明内容：
本发明的目的即在于克服现有技术的上述不足之处，提供可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器。
本发明采用的技术方案是：一种可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器，包括半导体激光发生器、高精度透镜光学***，其中：该激光传感器还包括线性COMS位置传感器模块以及信号处理***；所述信号处理***包括放大滤波电路模块、高速AD转换电路模块、高速FIFO电路模块、DSP控制电路模块、比较及筛选电路模块、像元计数处理电路模块、信号指示输出电路模块；
其中，线性COMS位置传感器模块与放大滤波电路模块和比较及筛选电路模块连接，放大滤波电路模块依次连接高速AD转换电路模块、高速FIFO电路模块、DSP控制电路模块，比较及筛选电路模块分别与高速FIFO电路模块、DSP控制电路模块和像元计数处理电路模块连接，像元计数处理电路模块与DSP控制电路模块和信号指示输出电路模块相互连接；
线性COMS位置传感器模块还连接有CPLD扫描驱动电路模块，CPLD扫描驱动电路模块还分别与AD转换电路模块和像元计数处理电路模块连接；
半导体激光发生器包括激光二极管、激光二极管驱动器、激光电流调节模块、激光频率调节模块以及激光智能控制模块；激光智能控制模块与DSP控制电路模块连接；高精度透镜光学***与线性COMS位置传感器模块连接。
所述半导体激光发生器由第一比较器、激光二极管D1、D2、D3、D4、电阻R2、R3、R4、可调电阻R5、电容C4组成，其中，电阻R2与激光二极管D1、D2串联，电阻R3与激光二极管D3、D4串联，电阻R4与可调电阻R5串联，三组串联后并联，并联后一公共端接电阻R1后接电源，另一公共端与DSP控制电路模块连接；第一比较器的正输入接脚连接电阻R3与激光二极管D3之间，负输入接脚连接可调电阻R5的调节端，第一比较器的电源输入与电阻R1连接；第一比较器的输出端与DSP控制电路模块连接；电容C4的一端连接电阻R2、R3、R4的公共端，另一端连接DSP控制电路模块；
所述DSP控制电路模块由第二比较器、电阻R6、R7、R8、二极管D5、发光二极管D6、三极管Q1、信号继电器KS组成，其中，第二比较器的正输入接脚与电容C4连接，第二比较器的负输入接脚与第一比较器的输出端连接；电阻R6、R7及发光二极管D6串联，二极管D5与信号继电器KS并联后与三极管Q1的发射极连接；电阻R6、二极管D5、信号继电器KS的公共端与电阻R2、R3、R4的公共端连接；三极管Q1的集电极与发光二极管D6连接并与激光二极管D2、D4的公共端连接；第二比较器的输出端与电阻R6、R7的公共端连接，且三极管Q1的基极经过电阻R8后也与电阻R6、R7的公共端连接；
所述比较及筛选电路模块由第三比较器、电容C2、C3、电阻R9、R10以及发光二极管D7组成；其中，第三比较器的正输入接脚通过电阻R11与电源连接，第三比较器的负输入接脚经过电容C2后接地，第三比较器的接地接脚经过电容C3后接地；电阻R10、R9、发光二极管D7串联，电阻R10的外端连接电源，发光二极管D7的负极接地；第三比较器的输出端与电阻R9、R10的公共端连接并与像元计数处理电路模块连接；
所述像元计数处理电路模块和信号指示输出电路模块由第一运算放大器、电容C1、电阻R12、R13、发光二极管D8、二极管D9和三极管Q2共同组成；其中，第一运算放大器的正输入接脚与电容C1连接且电容C1另一端接地，同时第一运算放大器的正输入接脚还经过一电阻R14与DSP控制电路模块中的电阻R6、二极管D5、信号继电器KS的公共端连接；第一运算放大器的负输入接脚与第三比较器的输出端连接；第一运算放大器的输出端与电阻R12、R13、二极管D9的负极、三极管Q2的发射极共同连接；二极管D9的正极与三极管Q2的集电极连接并连接信号输出端；三极管Q2的基极与第一运算放大器连接；发光二极管D8的正极与电阻R12串联，发光二极管D8的负极接地；
所述放大滤波电路模块由第二运算放大器、电阻R23、R24、R25、R26、R27、R28和电容C6组成，其中，第二运算放大器的正输入接脚经过串联的电阻R24、R23与电源连接；电阻R26、R27、R28、电容C6的一端共同连接，电阻R26的另一端与第二运算放大器的负输入接脚连接，电阻R27的另一端接电源，电阻R28的另一端接地，电容C6的另一端与半导体激光发生器中的电阻R4连接；电阻R25的一端与第二运算放大器的负输入接脚连接，另一端与第二运算放大器的输出端连接；第二运算放大器的输出端还与高速AD转换电路模块、高速FIFO电路模块连接；
所述高速AD转换电路模块和高速FIFO电路模块由第三运算放大器、可调电阻R21、电阻R22、R29、电容C7以及三极管Q3共同连接组成，其中，第三运算放大器的正输入接脚串联电阻R29后与第二运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的正输入接脚还与电容C7连接，电容C7另一端接地；第三运算放大器的负输入接脚连接可调电阻R21的调节端，可调电阻R21的另两端分别接电源和接地；三极管Q3的集电极与第三运算放大器的输出端连接，三极管Q3的基极与电阻R22串联后与第三运算放大器连接；三极管Q3的发射极与电阻R6、二极管D5、信号继电器KS的公共端连接。
所述半导体激光发生器中激光头的直径为3mm且带螺纹，激光头长度为16mm，激光光斑直径为0.5mm。
本发明通过采用上述电路设计，能使激光传感器达到超小尺寸、超小光斑和超高精度的效果，激光光斑直径仅为0.5mm，既能满足安装空间的要求，尤其对于高精密智能化设备的要求，又能实现对直径小于1mm的微小物体如芯片的针脚，头发丝等类似物品的稳定可靠的检测；而且，本发明激光传感器的电路模块简化，成本更低，可降低用户采购成本。
附图说明：
图1是本发明激光传感器的电路结构框图；
图2是本发明激光传感器的电路图；
图3是本发明激光传感器的测距原理图；
图4是本发明激光传感器的实物示意图。
具体实施方式：
下面结合具体实施例和附图对本发明进一步说明。
如图1～图3所示，本发明所述的一种可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器，包括半导体激光发生器1、高精度透镜光学***11，其中：该激光传感器还包括线性COMS位置传感器模块12以及信号处理***；所述信号处理***包括放大滤波电路模块2、高速AD转换电路模块3、高速FIFO电路模块4、DSP控制电路模块5、比较及筛选电路模块6、像元计数处理电路模块7、信号指示输出电路模块8；
其中，线性COMS位置传感器模块12与放大滤波电路模块2和比较及筛选电路模块6连接，放大滤波电路模块2依次连接高速AD转换电路模块3、高速FIFO电路模块4、DSP控制电路模块5，比较及筛选电路模块6分别与高速FIFO电路模块4、DSP控制电路模块5和像元计数处理电路模块7连接，比较及筛选电路模块6对高速FIFO电路模块4进行读写控制，比较及筛选电路模块6对像元计数处理电路模块7进行计数控制；像元计数处理电路模块7与DSP控制电路模块5和信号指示输出电路模块8相互连接；
线性COMS位置传感器模块12还连接有CPLD扫描驱动电路模块13，CPLD扫描驱动电路模块13还分别与高速AD转换电路模块3和像元计数处理电路模块7连接；
半导体激光发生器1包括激光二极管101、激光二极管驱动器102、激光电流调节模块103、激光频率调节模块104以及激光智能控制模块105；激光智能控制模块105与DSP控制电路模块5连接；高精度透镜光学***11与线性COMS位置传感器模块12连接；
半导体激光发生器1的激光二极管在其驱动器的工作下发射激光，经过高精度透镜光学***11朝被测物体发射，经过物体反射回来的光线经过高精度透镜光学***11接收，经过线性COMS位置传感器模块12转换成电信号由信号处理***进行分析、处理后输出检测结果；通过激光智能控制模块105、激光电流调节模块103、激光频率调节模块104来根据需要调节激光物性，以适应不同检测需要。
所述半导体激光发生器1由第一比较器14、激光二极管D1、D2、D3、D4、电阻R2、R3、R4、可调电阻R5、电容C4组成，其中，电阻R2与激光二极管D1、D2串联，电阻R3与激光二极管D3、D4串联，电阻R4与可调电阻R5串联，三组串联后并联，并联后一公共端接电阻R1后接电源，另一公共端与DSP控制电路模块连接；第一比较器14的正输入接脚连接电阻R3与激光二极管D3之间，负输入接脚连接可调电阻R5的调节端，第一比较器14的电源输入与电阻R1连接；第一比较器14的输出端与DSP控制电路模块连接；电容C4的一端连接电阻R2、R3、R4的公共端，另一端连接DSP控制电路模块5；
所述DSP控制电路模块5由第二比较器51、电阻R6、R7、R8、二极管D5、发光二极管D6、三极管Q1、信号继电器KS组成，其中，第二比较器51的正输入接脚与电容C4连接，第二比较器51的负输入接脚与第一比较器14的输出端连接；电阻R6、R7及发光二极管D6串联，二极管D5与信号继电器KS并联后与三极管Q1的发射极连接；电阻R6、二极管D5、信号继电器KS的公共端与电阻R2、R3、R4的公共端连接；三极管Q1的集电极与发光二极管D6连接并与激光二极管D2、D4的公共端连接；第二比较器51的输出端与电阻R6、R7的公共端连接，且三极管Q1的基极经过电阻R8后也与电阻R6、R7的公共端连接；
所述比较及筛选电路模块6由第三比较器61、电容C2、C3、电阻R9、R10以及发光二极管D7组成；其中，第三比较器61的正输入接脚通过电阻R11与电源连接，第三比较器61的负输入接脚经过电容C2后接地，第三比较器61的接地接脚经过电容C3后接地；电阻R10、R9、发光二极管D7串联，电阻R10的外端连接电源，发光二极管D7的负极接地；第三比较器61的输出端与电阻R9、R10的公共端连接并与像元计数处理电路模块7连接；
所述像元计数处理电路模块7和信号指示输出电路模块8由第一运算放大器71、电容C1、电阻R12、R13、发光二极管D8、二极管D9和三极管Q2共同组成；其中，第一运算放大器71的正输入接脚与电容C1连接且电容C1另一端接地，同时第一运算放大器71的正输入接脚还经过一电阻R14与DSP控制电路模块5中的电阻R6、二极管D5、信号继电器KS的公共端连接；第一运算放大器71的负输入接脚与第三比较器61的输出端连接；第一运算放大器71的输出端与电阻R12、R13、二极管D9的负极、三极管Q2的发射极共同连接；二极管D9的正极与三极管Q2的集电极连接并连接信号输出端；三极管Q2的基极与第一运算放大器71连接；发光二极管D8的正极与电阻R12串联，发光二极管D8的负极接地；
所述放大滤波电路模块2由第二运算放大器21、电阻R23、R24、R25、R26、R27、R28和电容C6组成，其中，第二运算放大器21的正输入接脚经过串联的电阻R24、R23与电源连接；电阻R26、R27、R28、电容C6的一端共同连接，电阻R26的另一端与第二运算放大器21的负输入接脚连接，电阻R27的另一端接电源，电阻R28的另一端接地，电容C6的另一端与半导体激光发生器中的电阻R4连接；电阻R25的一端与第二运算放大器21的负输入接脚连接，另一端与第二运算放大器的输出端连接；第二运算放大器21的输出端还与高速AD转换电路模块3、高速FIFO电路模块4连接；
所述高速AD转换电路模块3和高速FIFO电路模块4由第三运算放大器31、可调电阻R21、电阻R22、R29、电容C7以及三极管Q3共同连接组成，其中，第三运算放大器31的正输入接脚串联电阻R29后与第二运算放大器21的输出端连接，第三运算放大器31的正输入接脚还与电容C7连接，电容C7另一端接地；第三运算放大器31的负输入接脚连接可调电阻R21的调节端，可调电阻R21的另两端分别接电源和接地；三极管Q3的集电极与第三运算放大器31的输出端连接，三极管Q3的基极与电阻R22串联后与第三运算放大器31连接；三极管Q3的发射极与电阻R6、二极管D5、信号继电器KS的公共端连接。
再如图4所示，所述半导体激光发生器中激光头A的直径为3mm且带螺纹连接固定螺母a，激光头A长度为16mm，激光光斑直径为0.5mm，达到超小尺寸、超小光斑。
本发明通过采用上述电路设计，能使激光传感器达到超小尺寸、超小光斑和超高精度的效果，激光光斑直径仅为0.5mm，既能满足安装空间的要求，尤其对于高精密智能化设备的要求，又能实现对直径小于1mm的微小物体如芯片的针脚，头发丝等类似物品的稳定可靠的检测；而且，本发明激光传感器的电路模块简化，成本更低，可降低用户采购成本。
本发明的有益效果主要体现在：
1：超小尺寸M3的设计，满足了安装空间的要求，特别是高精密智能化设备的要求。
2：超小激光光斑的设计，实现对微小物体(直径<1mm)稳定可靠检测。
3：超小激光光斑的设计，可以对直径很小的物体(直径<1mm)(如芯片的针脚，头发丝)都能实现稳定可靠检测。
4：超小激光光斑的设计，可以对被检测物体实现高精度的定位，限位等。
5：超小激光光斑的设计，在工厂大规模大批量的生产过程中可以对被检测物体实现高精度的重复精度，从而保证了产品质量，性能的一致性要求。
6：选用的光源为激光光源，几乎所以的被检测物体(金属，非金属)都可以实现稳定可靠非接触检测，不存在损伤或损坏检测物体的表面。
7：通过巧妙设计，实现超小尺寸，超小光斑的同时，成本只是进口产品的三分之一。从而降低客户的采购成本。

Claims (3)

1.一种可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器，包括半导体激光发生器、高精度透镜光学***，其特征在于：该激光传感器还包括线性COMS位置传感器模块以及信号处理***；所述信号处理***包括放大滤波电路模块、高速AD转换电路模块、高速FIFO电路模块、DSP控制电路模块、比较及筛选电路模块、像元计数处理电路模块、信号指示输出电路模块；
其中，线性COMS位置传感器模块与放大滤波电路模块和比较及筛选电路模块连接，放大滤波电路模块依次连接高速AD转换电路模块、高速FIFO电路模块、DSP控制电路模块，比较及筛选电路模块分别与高速FIFO电路模块、DSP控制电路模块和像元计数处理电路模块连接，像元计数处理电路模块与DSP控制电路模块和信号指示输出电路模块相互连接；
线性COMS位置传感器模块还连接有CPLD扫描驱动电路模块，CPLD扫描驱动电路模块还分别与AD转换电路模块和像元计数处理电路模块连接；
半导体激光发生器包括激光二极管、激光二极管驱动器、激光电流调节模块、激光频率调节模块以及激光智能控制模块；激光智能控制模块与DSP控制电路模块连接；高精度透镜光学***与线性COMS位置传感器模块连接。
2.根据权利要求1所述的可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器，其特征在于：所述半导体激光发生器由第一比较器、激光二极管D1、D2、D3、D4、电阻R2、R3、R4、可调电阻R5、电容C4组成，其中，电阻R2与激光二极管D1、D2串联，电阻R3与激光二极管D3、D4串联，电阻R4与可调电阻R5串联，三组串联后并联，并联后一公共端接电阻R1后接电源，另一公共端与DSP控制电路模块连接；第一比较器的正输入接脚连接电阻R3与激光二极管D3之间，负输入接脚连接可调电阻R5的调节端，第一比较器的电源输入与电阻R1连接；第一比较器的输出端与DSP控制电路模块连接；电容C4的一端连接电阻R2、R3、R4的公共端，另一端连接DSP控制电路模块；
所述DSP控制电路模块由第二比较器、电阻R6、R7、R8、二极管D5、发光二极管D6、三极管Q1、信号继电器KS组成，其中，第二比较器的正输入接脚与电容C4连接，第二比较器的负输入接脚与第一比较器的输出端连接；电阻R6、R7及发光二极管D6串联，二极管D5与信号继电器KS并联后与三极管Q1的发射极连接；电阻R6、二极管D5、信号继电器KS的公共端与电阻R2、R3、R4的公共端连接；三极管Q1的集电极与发光二极管D6连接并与激光二极管D2、D4的公共端连接；第二比较器的输出端与电阻R6、R7的公共端连接，且三极管Q1的基极经过电阻R8后也与电阻R6、R7的公共端连接；
所述比较及筛选电路模块由第三比较器、电容C2、C3、电阻R9、R10以及发光二极管D7组成；其中，第三比较器的正输入接脚通过电阻R11与电源连接，第三比较器的负输入接脚经过电容C2后接地，第三比较器的接地接脚经过电容C3后接地；电阻R10、R9、发光二极管D7串联，电阻R10的外端连接电源，发光二极管D7的负极接地；第三比较器的输出端与电阻R9、R10的公共端连接并与像元计数处理电路模块连接；
所述像元计数处理电路模块和信号指示输出电路模块由第一运算放大器、电容C1、电阻R12、R13、发光二极管D8、二极管D9和三极管Q2共同组成；其中，第一运算放大器的正输入接脚与电容C1连接且电容C1另一端接地，同时第一运算放大器的正输入接脚还经过一电阻R14与DSP控制电路模块中的电阻R6、二极管D5、信号继电器KS的公共端连接；第一运算放大器的负输入接脚与第三比较器的输出端连接；第一运算放大器的输出端与电阻R12、R13、二极管D9的负极、三极管Q2的发射极共同连接；二极管D9的正极与三极管Q2的集电极连接并连接信号输出端；三极管Q2的基极与第一运算放大器连接；发光二极管D8的正极与电阻R12串联，发光二极管D8的负极接地；
所述放大滤波电路模块由第二运算放大器、电阻R23、R24、R25、R26、R27、R28和电容C6组成，其中，第二运算放大器的正输入接脚经过串联的电阻R24、R23与电源连接；电阻R26、R27、R28、电容C6的一端共同连接，电阻R26的另一端与第二运算放大器的负输入接脚连接，电阻R27的另一端接电源，电阻R28的另一端接地，电容C6的另一端与半导体激光发生器中的电阻R4连接；电阻R25的一端与第二运算放大器的负输入接脚连接，另一端与第二运算放大器的输出端连接；第二运算放大器的输出端还与高速AD转换电路模块、高速FIFO电路模块连接；
所述高速AD转换电路模块和高速FIFO电路模块由第三运算放大器、可调电阻R21、电阻R22、R29、电容C7以及三极管Q3共同连接组成，其中，第三运算放大器的正输入接脚串联电阻R29后与第二运算放大器的输出端连接，第三运算放大器的正输入接脚还与电容C7连接，电容C7另一端接地；第三运算放大器的负输入接脚连接可调电阻R21的调节端，可调电阻R21的另两端分别接电源和接地；三极管Q3的集电极与第三运算放大器的输出端连接，三极管Q3的基极与电阻R22串联后与第三运算放大器连接；
三极管Q3的发射极与电阻R6、二极管D5、信号继电器KS的公共端连接。
3.根据权利要求1所述的可用于微小物体检测的超小尺寸超小光斑激光传感器，其特征在于：所述半导体激光发生器中激光头的直径为3mm且带螺纹，激光头长度为16mm，激光光斑直径为0.5mm。
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