CN109084691B - 一种折射式位移传感器及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种折射式位移传感器及其测量方法，位移传感器包括：三角波反射镜，包括至少一个反射面，所述至少一个反射面沿移动方向依次分布；激光源，用于发射出激光束，且所述激光束入射至三角波反射镜的一个反射面；折射镜，用于接收所述反射面反射的激光束，并使接收的激光束发生折射；光电探测器，用于接收经折射镜折射的激光束，并测量其入射位置；处理***，用于根据光电探测器接收到的激光束的入射位置变化量，计算出被测物体的位移变化值。本发明一种折射式位移传感器，通过折射镜的设置，可以使得在增加位移传感器放大倍数的同时，降低激光入射至光电探测器的角度，从而提高位移传感器的测量精度。
Description
技术领域
本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种折射式位移传感器及其测量方法。
背景技术
基于光学三角放大法的位移测量新原理，是在光学三角放大法的基础上，结合三角波光学器件与高精度PSD(Position Sensitive Device，位置灵敏(敏感)探测器)实现的。三角波光学器件将线性位移等间隔细分，降低光学器件加工精度与尺寸要求的同时，降低高精度PSD的尺寸要求，在小范围内实现高精度位移测量。然而现有技术中的位移传感器，例如，申请号为201520393174.9，名称为《新型光臂放大式高精度长度传感器》中提供的位移传感器，位移测量原理与结构如图1所示，由图1可知，在读数头与三角波光学反射部件发生相对位移后，经过光学三角放大，水平小位移t在光电探测器(PSD)上放大至T，可以将长度测量的精度大大提升。然而其位移传感器的测量放大倍数与PSD入射角有关，传感器的放大倍数容易受到影响，即为当入射于PSD的激光束的入射角增大时，PSD本身的测量精度会下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种折射式位移传感器及其测量方法。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种折射式位移传感器，包括：
三角波反射镜，包括至少一个反射面，所述至少一个反射面沿移动方向依次分布；
激光源，用于发射出激光束，且所述激光束入射至三角波反射镜的一个反射面；
折射镜，用于接收所述反射面反射的激光束，并使接收的激光束发生折射；
光电探测器，用于接收经折射镜折射的激光束，并测量其入射位置；
处理***，用于根据光电探测器接收到的激光束的入射位置变化量，计算出被测物体的位移变化值。
在进一步的方案中，所述折射镜与光电探测器贴合。避免折射镜折射后的激光束再次发生折射。
在进一步的方案中，所述折射镜的入射面与出射面均为平面，且入射面与出射面相互平行。
在进一步的方案中，所述激光束为P偏振光。增加了激光经过折射入射至光电探测器的强度，降低了激光束以大入射角入射至折射镜时激光束的反射率，减小了折射镜反射入射光的比例，换言之可以降低光电探测器对激光入射强度的要求。
在进一步的方案中，还包括壳体，激光源、折射镜和光电探测器均固定设置于壳体内，组成一个读数头。可以保持相互之间的位置固定，也可以保障三者保持同步位移。
在进一步的方案中，所述读数头为至少两个，且所述至少两个读数头之间的位置关系满足：在测量过程中，至少有一个读数头可以读取到激光束在光电探测器上的入射位置变化量。
另一方面，本发明同时提出一种上述折射式位移传感器的测量方法，包括以下步骤:
将被测物体固定在三角波反射镜或读数头上；
调整激光源、三角波反射镜、光电探测器、折射镜的位置关系，使得激光源发射的激光束入射至三角波反射镜的一个反射面，经该反射面反射后入射至折射镜，折射镜接收到三角波反射镜的反射面反射的激光束，使接收的激光束折射并入射至光电探测器；
发射激光束，所述激光束在经三角波反射镜反射至折射镜并经过折射后,被光电探测器探测到其初始入射位置；
被测物***移，在位移过程中，光电探测器检测激光束的入射位置的变化，直到被测物体停止位移；
处理***通过光电探测器检测到的激光束的入射位置变化量，计算出被测物体的位移值。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明一种折射式位移传感器，通过折射镜的设置，使得增加位移传感器放大倍数的同时，降低激光入射至光电探测器的角度，因此位移传感器可以在提高放大倍数的同时保证光电探测器的测量稳定性，换言之可以提高位移传感器的测量精度。
2、通过两组及以上的PSD、激光器、折射镜组成的测量部件交替测量即可实现大量程高精度位移测量。
3、使用P偏振光作为入射激光，增加了激光经过折射入射至光电探测器的强度，减小了折射镜反射入射光的比例，换言之可以降低光电探测器对激光入射强度的要求。
4、通过所述折射镜的入射面与出射面均为平面，且入射面与出射面相互平行，使得入射至折射镜的激光位置变化量与入射至光电探测器的激光位置变化量相同。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。
图1所示为现有技术中位移传感器的位移测量原理示意图。
图2所示为实施例1提供的一种折射式位移传感器的测量原理示意图。
图3所示为实施例2提供的一种折射式位移传感器的测量原理示意图。
图中标号说明：
激光源1，激光束2，三角波反射镜3，反射面31，折射镜4，光电探测器5，外壳6。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例1
请参阅图2，本实施例中提供了一种折射式位移传感器，包括激光源1，激光束2，三角波反射镜3，三角波反射镜3包括有反射面31，折射镜4，光电探测器5，壳体6。
本折射式位移传感器中：
激光源1发射出激光束2，并使激光束2射向三角波反射镜3的反射面31；折射镜4用于接收激光束2被三角波反射镜3的第反射面31反射的激光束，且使该激光束发生折射；光电探测器5，用于接收经折射镜4折射的激光束，并测量其入射位置；处理***，用于根据光电探测器5接收到的激光束2的入射位置变化量计算出被测物体的位移变化值。
如图2所示，位移前的激光束2用实线表示，位移后的激光束2用虚线表示，激光束2的传输路径如下：
位移前，激光源1发射激光束2至三角波反射镜3的反射面31，三角波反射镜3的反射面31将激光束2反射至折射镜4，折射镜4接收被三角波反射镜3的反射面31反射的激光束2，且使该激光束2发生折射，光电探测器5接收经折射镜4折射后的激光束2，并测量出入射位置，此时记为第一入射位置。
位移后(图2中展示为向左位移，位移时激光源1、折射镜4和光电探测器5同步位移)，激光源1发射激光束2至三角波反射镜3的反射面31，三角波反射镜3的反射面31将激光束2反射至折射镜4，折射镜4接收被三角波反射镜3的反射面31反射的激光束2，且使该激光束2发生折射，光电探测器5接收经折射镜4折射后的激光束2，并测量出入射位置，此时记为第二入射位置。根据第一入射位置与第二入射位置即可计算出激光源1的位移量，即被测物体的位移量。
容易理解的，入射光线与光电探测器接收面的夹角过小时，入射光线的光斑会发生重心的偏移，对光电探测器的测量精度造成影响。通过折射镜的设置，使得增加位移传感器放大倍数的同时，降低激光入射至光电探测器的角度，因此可以提高位移传感器的测量精度。且在本方案中，为了避免经折射镜折射后的激光束再次发生折射对测量精度造成影响，所述折射镜与光电探测器贴合。
在进一步的方案中，所述折射镜4的入射面与出射面均为平面，且入射面与出射面相互平行。使得入射至折射镜4的激光位置变化量与入射至光电探测器5的激光位置变化量相同，从而简化了位移测量计算公式。
作为一种较优的实施方式，所述激光束2为P偏振光。通过采用偏振光，增加了激光经过折射入射至光电探测器的强度，降低了激光束以大入射角入射至折射镜时激光束的反射率，减小了折射镜反射入射光的比例，换言之可以降低光电探测器对激光入射强度的要求。
在本方案中，还包括壳体6，激光源1、折射镜4和光电探测器5均固定设置于壳体6内，组成一个读数头。
上述折射式位移传感器还可以包括壳体6，激光源1、折射镜4和光电探测器5均固定设置于壳体6内，组成读数头。从而可以保持相互之间的位置固定，也可以保障三者保持同步位移。
测量时，可以根据实际应用情况，采用将三角波反射镜3固定在被测物体上，读数头保持固定不动，被测物体发生位移时，三角波反射镜3与读数头发生相对运动，读数头可以测量得到三角波反射镜3即被测物体的位移值；或者，也可以采用将读数头固定在被测物体上，三角波反射镜3保持不动，被测物体发生位移带动读数头运动，读数头与三角波反射镜3发生相对位移，读数头可以测得读数头与三角波反射镜3之间的相对位移，进而得到被测物体的位移值；测量时可任意选择三角波反射镜3或者读数头来固定在被测物体上，提高了测量便利性。
基于上述折射式位移传感器，其测量方法包括以下步骤:
将被测物体固定在三角波反射镜或读数头上；
调整激光源、三角波反射镜、光电探测器、折射镜的位置关系，使得激光源发射的激光束入射至三角波反射镜的一个反射面，经该反射面反射后入射至折射镜，折射镜接收到三角波反射镜的反射面反射的激光束，使接收的激光束折射并入射至光电探测器；
发射激光束，所述激光束在经三角波反射镜反射至折射镜并经过折射后,被光电探测器探测到其初始入射位置；
被测物***移，在位移过程中，光电探测器检测激光束的入射位置的变化，直到被测物体停止位移；
处理***通过光电探测器检测到的激光束的入射位置变化量，计算出被测物体的位移值。
实施例2
可以参阅图3，本实施例中的折射式位移传感器与实施例1所述的折射式位移传感器相比，区别在于：本实施例中提供的折射式位移传感器中，包括两个读数头，两个读数头结构一致，且所述两个读数头之间的位置关系满足：在测量过程中，至少有一个读数头可以读取到激光束在光电探测器上的入射位置变化量。
本实施例中所述折射式位移传感器可以实现连续位移测量。具体的，可以选用两个读数头中的一个来测量，当其中一个读数头内的激光束反射点位于反射面的某些位置，如反射面的顶端、两个反射面的交线位置等，对应光电探测器的长度又有限，因此可能无法反射到对应光电探测器，该光电探测器就无法计算出其位移值，另一个读数头内的激光束反射点位于另一个反射面的其他位置，可反射到对应光电探测器并可以进行换算测量，能够实现被测物体移动的过程中，三角波反射镜3上各反射面31所反射的激光束中至少有一条可以反射到对应的光电探测器，此时处理***可以来回切换计算两个读数头内的光电探测器的反射激光束位置变化，进行叠加累计，以实现对被测物***移一次性变化或连续位移变化的测量，其测量方法简单、可靠，操作方便，并且能够提高测量精度。
应用本实施例中所述折射式位移传感器进行测量时，其步骤如下：
将被测物体固定在三角波反射镜或读数头上；
调整激光源、三角波反射镜、光电探测器、折射镜的位置关系，使得激光源发射的激光束入射至三角波反射镜的一个反射面，经该反射面反射后入射至折射镜，折射镜接收到三角波反射镜的反射面反射的激光束，使接收的激光束折射并入射至光电探测器；
发射激光束，所述激光束在经三角波反射镜反射至折射镜并经过折射后,被光电探测器探测到其初始入射位置；
被测物***移，在位移过程中，光电探测器检测激光束的入射位置的变化，直到被测物体停止位移；
处理***通过光电探测器检测到的激光束的入射位置变化量，计算出被测物体的位移值。
容易理解的，本实施例中，设置两个读数头的目的是避免其中一组光电探测器接收不到激光束时，可以通过另一组光电探测器接收激光束，实现位移测量，因此除了如图3所示的设置方式外，还可以有其他设置方式，只要将两个读数头错开设置，使得两个读数头中的激光束入射至三角波反射镜的反射面的初始入射点位置不同即可。同时，在保证至少有一组读数头的光电探测器可以接收到激光束的情况下，不限制读数头的数量与放置位置。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (5)
1.一种折射式位移传感器，其特征在于，包括：
三角波反射镜，包括至少一个反射面，所述至少一个反射面沿移动方向依次分布；
激光源，用于发射出激光束，且所述激光束入射至三角波反射镜的一个反射面；
折射镜，用于接收所述反射面反射的激光束，并使接收的激光束发生折射；
光电探测器，用于接收经折射镜折射的激光束，并测量其入射位置；
处理***，用于根据光电探测器接收到的激光束的入射位置变化量，计算出被测物体的位移变化值；
所述折射镜与光电探测器贴合；
所述折射镜的入射面与出射面均为平面，且入射面与出射面相互平行。
2.根据权利要求1所述的折射式位移传感器，其特征在于，所述激光束为P偏振光。
3.根据权利要求1-2任一所述的折射式位移传感器，其特征在于，还包括壳体，激光源、折射镜和光电探测器均固定设置于壳体内，组成一个读数头。
4.根据权利要求3所述的折射式位移传感器，其特征在于，所述读数头为至少两个，且所述至少两个读数头之间的位置关系满足：在测量过程中，至少有一个读数头可以读取到激光束在光电探测器上的入射位置变化量。
5.根据权利要求3-4任一所述的折射式位移传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤:
将被测物体固定在三角波反射镜或读数头上；
调整激光源、三角波反射镜、光电探测器、折射镜的位置关系，使得激光源发射的激光束入射至三角波反射镜的一个反射面，经该反射面反射后入射至折射镜，折射镜接收到三角波反射镜的反射面反射的激光束，使接收的激光束折射并入射至光电探测器；
发射激光束，所述激光束在经三角波反射镜反射至折射镜并经过折射后,被光电探测器探测到其初始入射位置；
被测物***移，在位移过程中，光电探测器检测激光束的入射位置的变化，直到被测物体停止位移；
处理***通过光电探测器检测到的激光束的入射位置变化量，计算出被测物体的位移值。
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