CN108801147A - 一种测量物体运动速度的光学装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非接触式的针对运动物体速度测量的测量装置与方法。所述装置由激光器、分光棱镜、平面反射镜、被测运动物体、收集透镜以及光电探测***构成。激光器发出一束激光被分光棱镜分成能量接近相等的两束激光，又经过平面反射镜将两束激光入射到运动物体表面同一测量点。利用收集透镜的聚光作用将来自测量点的散射光会聚在光电探测器的光敏面上。利用光外差技术可以获取两束入射光在同一方向对应的散射光之间的差频。该差频与物体的运动速度之间存在对应关系。本发明具有结构紧凑、成本低、精度高以及能测量瞬时速度的特点。
Description
技术领域
本发明涉及对平整物体表面速度和长度的精确测量领域，尤其涉及一种测量物体运动速度的光学装置及测量方法。
背景技术
随着现代工业自动化程度的提高，***的自动运行对传感器的可靠性要求越来越高，不仅要求其工作稳定和高测量精度。如轧钢厂需要对钢板长度的精确测量来降低生产成本，传统的测量方法在高温、高速情况下无法满足测量要求，这就需要高可靠性的非接触式传感器来实现。
目前大多数的激光测速装置采用的是窄线宽的固体或气体激光器，激光器的成本高且尺寸大。采用需要定制的等光程分光棱镜将入射激光分成两束平行出射的激光束，再利用大口径会聚透镜对光束进行会聚，光路长、***体积大且价格昂贵。且***对调整精度要求高，***灵活性差，难以满足实际工程的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种测量物体运动速度的光学装置及测量方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种测量物体运动速度的光学装置，包括激光器、分光棱镜、第一平面反射镜、第二平面反射镜、被测运动物体、凸透镜、光电探测器；
所述分光棱镜位于激光器的前端，第一平面反射镜和第二平面反射镜位于棱镜激光出射面前方，并与对应的出射面存在相同的夹角，激光器发出的光线经分光棱镜分光后，一束光线入射至第一平面反射镜，另一束光线入射至第二平面反射镜，两束光线分别经两块平面反射镜反射后，汇集于一点，该点处设置运动物体,在运动物体与分光棱镜之间设置凸透镜，凸透镜可对运动物体表面的光点进行成像，在像点处设置光电探测器。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明的***采用半导体激光器，出射波长为λ的单色激光入射到一能量分光棱镜分成能量近似相等的两束激光，经由两片前表面反射的平面反射镜对两支光路折转以后入射到运动物体表面同一点，来自该点的散射光携带了物体的运动信息，不同方向入射光对应的散射光经过收集透镜的会聚作用聚集在光电探测器的光敏面上，其输出的随多普勒频率变化的电流信号经过后面电路的I-V转换、滤波、放大等处理后可供数据处理器处理成需要的速度或者长度信息，进而显示出来。2)所述方法的更进一步设计在于采用前表面反射的平面反射镜折转光路，减小***的尺寸与重量，且易满足等光程原则，同时可以方便调整测量距离(光电探测器至测量点之间的距离)。3)所述方法的更进一步设计在于接收后向散射光，对不透明运动物体的测量信噪比更强，效果更佳。4)所述方法的更进一步设计在于使用了非共轴***，降低了***费用，使***通用性更强。
附图说明
图1为运动物体速度与长度测量方案的原理框图。
图2为运动物体速度与长度测量光学原理图。
图3为平面反射镜调整方案结构图。
图4为改变测量距离示意图。
具体实施方式
本发明针对平整表面的运动速度与其长度的测量，并兼顾高温、高速以及复杂的工业环境，一种可行的思路是采用非接触式的光电传感器进行测量。可以减少环境中油污、高温、震动等对测量结果的影响，提高整个***的稳定性。物体运动速度测定的实现方案如图1。本发明的主要特点是采用非接触式的光电传感方式测量物体运动速度与长度，其优点是：测量***是动态测量的过程，不需要停下工件的运行，且不会对被测件的运动进行干扰，同时，测量***的稳定性高，不易受环境因素如温度、震动、油渍等因素影响。本方案主要基于激光多普勒测速技术，利用运动物体表面的微粒对入射光频率调制的作用，并将不同方向入射光对应的散射光进行叠加。同时考虑***的尺寸大小、重量等因素，优化了激光多普勒测速技术。采用前表面反射镜将入射光折转，不仅可以减轻***重量，还可以避免采用会聚透镜而产生的像差对测量结果的影响。光电探测器接收到按多普勒频率变化的信号。实验中先确定两支光束交角θ角，进而确定信号频率与物体表面的运动速度之间的线性关系。而被测件长度测定可以在τ0时间内对速度进行积分：
结合附图，本发明的一种测量物体运动速度的光学装置，包括激光器1、分光棱镜2、第一平面反射镜3-1、第二平面反射镜3-2、被测运动物体4、凸透镜5、光电探测器6；
所述分光棱镜2位于激光器1的前端，第一平面反射镜3-1和第二平面反射镜3-2位于棱镜激光出射面前方，并与对应的出射面存在相同的夹角，激光器1发出的光线经分光棱镜2分光后，一束光线入射至第一平面反射镜3-1，另一束光线入射至第二平面反射镜3-2，两束光线分别经两块平面反射镜反射后，汇集于一点，该点处设置运动物体4,在运动物体4与分光棱镜2之间设置凸透镜5，凸透镜5可对运动物体4表面的光点进行成像，在像点处设置光电探测器6。
所述激光器采用半导体激光器。
所述分光棱镜为能量分光棱镜。
所述平面反射镜采用前表面镀反射膜的反射镜。
一种基于上述物体运动速度测量的光学装置的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、启动激光器1，在两束光线的汇集点处放置运动物体4，之后测量入射至运动物体4两束光线的夹角θ；测量入射至运动物体4两束光线的夹角θ采用以下方法：
步骤1-1、测量第一平面反射镜3-1、第二平面反射镜3-2两个反射光点之间的距离；
步骤1-2、测量第一平面反射镜3-1的光点到运动物体4表面光点的距离；
步骤1-3、测量第二平面反射镜3-2的光点到运动物体4表面光点的距离；
步骤1-4、利用三角函数关系，确定两束光线的夹角θ。
步骤2、调整凸透镜5位置，使光束汇集点对应的像点落在光电探测器6的光敏面上；
步骤3、对光电探测器输出的信号进行频谱分析，获取两束光的差频信号；
步骤4、对步骤3的差频信号输出至外部设备，由外部设备计算运动物体的速度。
一种基于上述物体运动速度光学装置的测量距离可调的测量方法，包括以下步骤：
步骤1、开启激光器，调整第一平面反射镜3-1和第二平面反射镜3-2的紧固结构，使两束反射光线汇集于一点；调整第一平面反射镜3-1和第二平面反射镜3-2的具体过程为：
步骤101、调节第一平面反射镜3-1的调整螺钉，移动由第一平面反射镜3-1反射的激光光点；
步骤102、调节第二平面反射镜3-2的调整螺钉，移动由第二平面反射镜3-2反射的激光光点，并保证第一平面反射镜3-1和第二平面反射镜3-2关于棱镜分光面对称；
步骤103、使第一平面反射镜3-1反射的激光束和第二平面反射镜3-2反射的激光束交于同一点。
步骤2、在光线汇集点放置运动物体4，之后测量入射至运动物体4两束光线的夹角θ；
步骤3、调整凸透镜5位置，使光束汇集点对应的像点落在光电探测器6的光敏面上；
步骤4、对光电探测器输出的信号进行频谱分析，获取两束光的差频信号；
步骤5、对步骤3的差频信号输出至外部设备，由外部设备计算运动物体的速度。
本发明基于激光多普勒测速技术，结合双光束—双散射光方案的特点，即获取的多普勒信号的频率与散射光之间的夹角无关。并采用平面反射镜转折光路，优化***结构，缩小***尺寸，并采用高速光电探测器并结合一定的信号处理与显示电路实现对物体速度与长度的测量，本***采用非接触式探测，提高了***的稳定性与抗干扰性。
下面结合实施例对本发明做进一步详细的描述。
实施例1
本实施例的激光器1使用可使用方向性好的半导体激光器。如附图2所示，能量分光棱镜2分光面镀半透半反膜，固定第一平面反射镜3-1和第二平面反射镜3-2位置，使两束光等光程入射到物体4表面同一点。并精确测定两束入射光的夹角θ，并用一个焦距为f'的透镜5将测量点成像在光电探测器6的光敏面上，图中位置关系满足高斯成像公式：且要求主光线垂直于探测器光敏面以提高散射光利用率。再将输出的电流信号经过后续电路的I-V转换、滤波、放大、A/D转换等处理，获取信号的频率由获取运动物体速度。
实施例2
本实施例与上述实施例基本相同，不同之处在于平面反射镜后面的支撑结构，该结构采用螺钉紧固并且方位可以调整的固定结构，调整结构如附图3所示，平面反射镜11固定在活动板10中央。固定板7与活动板10采用三个调节螺钉9与三个拉勾弹簧8紧固方式，调节螺钉通过位于固定板上的螺孔将活动板10顶起，同时又利用三根拉勾弹簧8与六个拉勾12将固定板7与活动板10连接。通过调整螺丝9与拉勾弹簧8的反方向作用力紧固调整机构。通过调节螺钉9来调节平面镜11位置，从而达到改变入射光束交角θ与测量的距离，如图4所示，实现***在不同应用领域灵活转换而不必改变***的原始结构。另一方面，收集透镜采用可调焦式镜头以配合测量距离的改变。数据采集与处理过程与上述实施例相同，不再赘述。
Claims (8)
1.一种测量物体运动速度的光学装置，其特征在于，包括激光器[1]、分光棱镜[2]、第一平面反射镜[3-1]、第二平面反射镜[3-2]、被测运动物体[4]、凸透镜[5]、光电探测器[6]；
所述分光棱镜[2]位于激光器[1]的前端，第一平面反射镜[3-1]和第二平面反射镜[3-2]位于棱镜激光出射面前方，并与对应的出射面存在相同的夹角，激光器[1]发出的光线经分光棱镜[2]分光后，一束光线入射至第一平面反射镜[3-1]，另一束光线入射至第二平面反射镜[3-2]，两束光线分别经两块平面反射镜反射后，汇集于一点，该点处设置运动物体[4],在运动物体[4]与分光棱镜[2]之间设置凸透镜[5]，凸透镜[5]可对运动物体[4]表面的光点进行成像，在像点处设置光电探测器[6]。
2.根据权利要求1所述的测量物体运动速度的光学装置，其特征在于，所述激光器采用半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的测量物体运动速度的光学装置，其特征在于，所述分光棱镜为能量分光棱镜。
4.根据权利要求1所述的测量物体运动速度的光学装置，其特征在于，所述平面反射镜采用前表面镀反射膜的反射镜。
5.一种基于权利要求1所述的物体运动速度测量的光学装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、启动激光器[1]，在两束光线的汇集点处放置运动物体[4]，之后测量入射至运动物体[4]两束光线的夹角θ；
步骤2、调整凸透镜[5]位置，使光束汇集点对应的像点落在光电探测器[6]的光敏面上；
步骤3、对光电探测器输出的信号进行频谱分析，获取两束光的差频信号；
步骤4、对步骤3的差频信号输出至外部设备，由外部设备计算运动物体的速度。
6.根据权利要求5所述的测量方法，其特征在于，步骤1中测量入射至运动物体[4]两束光线的夹角θ采用以下方法：
步骤1-1、测量第一平面反射镜[3-1]、第二平面反射镜[3-2]两个反射光点之间的距离；
步骤1-2、测量第一平面反射镜[3-1]的光点到运动物体[4]表面光点的距离；
步骤1-3、测量第二平面反射镜[3-2]的光点到运动物体[4]表面光点的距离；
步骤1-4、利用三角函数关系，确定两束光线的夹角θ。
7.一种基于权利要求1所述物体运动速度光学装置的测量距离可调的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、开启激光器，调整第一平面反射镜[3-1]和第二平面反射镜[3-2]的紧固结构，使两束反射光线汇集于一点；
步骤2、在光线汇集点放置运动物体[4]，之后测量入射至运动物体[4]两束光线的夹角θ；
步骤3、调整凸透镜[5]位置，使光束汇集点对应的像点落在光电探测器[6]的光敏面上；
步骤4、对光电探测器输出的信号进行频谱分析，获取两束光的差频信号；
步骤5、对步骤3的差频信号输出至外部设备，由外部设备计算运动物体的速度。
8.根据权利要求7所述的测量距离可调的测量方法，其特征在于，步骤1中调整第一平面反射镜[3-1]和第二平面反射镜[3-2]的具体过程为：
步骤101、调节第一平面反射镜[3-1]的调整螺钉，移动由第一平面反射镜[3-1]反射的激光光点；
步骤102、调节第二平面反射镜[3-2]的调整螺钉，移动由第二平面反射镜[3-2]反射的激光光点，并保证第一平面反射镜[3-1]和第二平面反射镜[3-2]关于棱镜分光面对称；
步骤103、使第一平面反射镜[3-1]反射的激光束和第二平面反射镜[3-2]反射的激光束交于同一点。
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