CN109444913A - 一种数字智能型微型激光位移传感器及其测距方法 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种数字智能型微型激光位移传感器及其测距方法，包括壳体、设置于所述壳体内部的光学支架、固设于所述光学支架上的激光发射装置、固设于所述光学支架上的反射装置、设置在所述反射装置光路出射端并与所述光学支架卡接的光学接收装置、和与所述光学接收装置连接的线缆。本申请还公开了一种数字智能型微型激光位移传感器的测距方法。本申请的数字智能型微型激光位移传感器及其测距方法，能够实现在高精度测量基础上进行位移传感器的多方位调整，实现多种测试环境的适配，便于使用。
Description
技术领域
本发明涉及激光位移检测技术领域，具体是一种数字智能型微型激光位移传感器及其测距方法。
背景技术
在激光测距技术领域中，现如今应用的最多的是激光位移传感器。激光位移传感器充分利用了光学原理中光路的反射以及光学接收部件的性能，达到高了效率便捷的测距效果。
现有专利CN207741703U提供了一种激光位移传感器内部光路多角度、多位置调整的光路结构，包括机械外壳，机械外壳的内部一侧设置有激光器，激光器与机械外壳通过激光器固定底座固定连接，机械外壳的内部另一侧设置有镜头固定压盖，镜头固定压盖与机械外壳通过光学调整***底座固定连接，镜头固定压盖的内部包裹有光学镜头。该技术优点在于采用可调整的光路结构，实现不同测量量程的激光位移传感器的光路需求。
但是，该技术的技术手段为采用开设长槽进行光学部件的移动从而实现上述效果，由于在激光检测技术中，受光部分和受光元件的距离会影响到测量精度，当光学部件发生位置移动时，其本身会造成测量精度变化，在不知情的情况下，仅以适应测量量程为主的进行光学部件移动，可能造成测量精度下降、测试结果不可靠的问题。因此，急需一种激光位移传感器，不仅能够保证高精度测量，并且具备能够多方位测量调整，使用多种测试环境。
发明内容
本发明旨在提供一种数字智能型微型激光位移传感器及其测距方法，其能保证提高测试精度，并且位置的调整相对便捷。
为实现上述目的，本发明提供了一种数字智能型微型激光位移传感器，包括壳体、设置于所述壳体内部的光学支架、固设于所述光学支架上的激光发射装置、固设于所述光学支架上的反射装置、设置在所述反射装置光路出射端并与所述光学支架卡接的光学接收装置、和与所述光学接收装置连接的线缆，所述激光发射装置包括发射透镜支架、开设于所述光学支架上的发射透镜支架移动槽、和固设于所述发射透镜支架上的发射光阑，所述发射透镜支架可以在所述发射透镜支架移动槽上沿着光的出射方向前后移动。
优选的，所述激光发射装置还包括激光灯PCB板、设置于所述激光灯PCB板输出端的发射透镜、固设于所述光学支架上的激光灯支架、贯穿并与所述激光灯支架卡接的激光灯固定座、和开设于所述壳体上的激光出射口，所述激光灯PCB板延伸至所述激光灯固定座内，所述激光灯固定座沿着光出射方向上开设有小孔，所述激光灯支架上朝向所述发射透镜的一侧上开设有激光灯光线的出射孔，所述出射孔的孔径小于所述发射透镜的直径，所述激光灯PCB板的激光发射端、所述出射孔、和所述激光出射口的中心点位于同一直线上。
优选的，所述反射装置包括与所述光学支架卡接的接收聚焦透镜、和设置于所述光学支架内的接收反射镜片，被测物反射的光线透过所述接收聚焦透镜后经所述接收反射镜片反射。
进一步优选的，所述接收反射镜片的底部转动连接有与所述光学支架固定连接的旋转座。
更进一步优选的，所述接收反射镜片和所述旋转座通过转动轴连接，所述旋转座上垂直于转动轴的方向上开设有孔，所述反射镜片与所述旋转座转动后通过拧紧螺钉压紧转动轴进行固定。
优选的，所述反射装置与所述光学接收装置所在的竖直平面呈45°～90°的锐角。
更进一步优选的，所述光学接收装置与所述反射镜片所在的竖直平面呈45°～60°的锐角。
优选的，所述光学接收装置为线阵CMOS器件或CCD线性相机，所述光学接收装置通过导线电性连接设置于所述壳体外壁的数码管。
优选的，所述线缆贯穿所述壳体设置，所述壳体与所述线缆的连接处设有紧固槽和与所述紧固槽紧配的卡线五金件，所述卡线五金件圆弧内设有锯齿，所述线缆通过所述卡线五金件和所述紧固槽固定，并与所述激光灯PCB板电性连接。
本发明还公开了一种数字智能型微型激光位移传感器的测距方法，该方法适用于权利上述任意一项所述的数字智能型微型激光位移传感器，该方法包括以下步骤：
步骤一、沿着所述发射透镜支架移动槽调整所述发射透镜支架的位置，直至通过所述发射光阑的激光能够清晰的照射至待测物；
步骤二、转动所述反射镜片，转动后的所述反射镜片与所述光学接收装置所在竖直平面的夹角呈45°～90°锐角，直至反射的光斑能够在所述光学接收装置上清晰的成像；
步骤三、移动待测物或传感器对待测物进行测距，通过所述光学接收装置接收到的光斑位置，生成二维标定曲线；
步骤四、将二维标定曲线沿着X轴和Y轴分别进行区间分割，将X轴的区间分割点分别记作X1和X2，将Y轴的区间分割点分别记作Y1和Y2；
步骤五、选取曲线中测试物上同一水平面测试结果的一点作为测试点，该测试点像点位置为Xm，Xm落入X1与X2之间，测试距离Ym对应区间分割值Y1和Y2，实际距离Ym通过下列公式获得：
或者
选取曲线中测试物上同一水平面测试结果的一点作为测试点，该测试点像点位置为Xn1，Xn1落入X1与X2之间，该点与原点的连线在靠近X轴方向上形成有锐角，该锐角记为θn1，则该测试点测试距离
Yn1＝Xn1×tanθn1，
在X1与X2之间选取若干个测试点，其像点位置分别为Xn2、Xn3…Xnn，若干个测试点形成的夹角分别是θn2、θn3…θnn，根据Yn1的计算公式得到各测试点的测试距离为Yn2、Yn3…Ynn，该段曲线对应的测试物到达传感器的实际距离Yn通过以下公式获得：
根据本发明的数字智能型微型激光位移传感器及其测距方法，通过设置在发射透镜支架下的发射透镜移动槽与旋转座的设置，能够在位移传感器进行测距的过程中进行多角度调整，提高数字智能型微型激光位移传感器本身对多种测量环境的适配性能，并通过本申请多点检测的测距方法，提高数字智能型微型激光位移传感器的测量精准度。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本申请实施例的俯视图；
图2为本申请实施例传感器外部的结构示意图；
图3为本申请实施例数字智能型微型激光位移传感器的结构***示意图；
图4为本申请实施例中各部件与光学支架安装的***示意图；
图5为本申请实施例中卡线五金件与紧固槽的安装示意图；
图6为本申请实施例中接受反射镜片与旋转座的安装示意图；
图7为本申请实施例中测距方法的流程图；
图8为本申请实施例中获取Ym的曲线示意图；
图9为本申请实施例中获取Yn的曲线示意图；
附图标记说明：1-壳体，101-指示灯，102-第二PCB板，103-亚克力滤光片，104-第一PCB板，2-光学支架，3-激光发射装置，31-激光灯PCB板，32-发射透镜，33-发射透镜支架，34-发射透镜支架移动槽，35-发射光阑，36-激光灯支架，37-激光灯固定座，38-激光出射口，39-出射孔，4-反射装置，41-接收聚焦透镜，42-接收反射镜片，43-旋转座，44-转动轴，5-光学接收装置，6-线缆，61-紧固槽，62-卡线五金件，7-数码管。
具体实施方式
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
一种数字智能型微型激光位移传感器，如图1所示，包括壳体1、设置于壳体1内部的光学支架2、固设于光学支架2上的激光发射装置3、固设于光学支架2上的反射装置4、设置在反射装置4光路出射端并与光学支架2卡接的光学接收装置5、和与光学接收装置5连接的线缆6。需要说明的是，激光发射装置3和反射装置4与光学支架2的固定连接方式本技术领域中的任意一种固定连接方式，本实施例采用螺接的方式。
结合图1和图3所示，激光发射装置3包括发射透镜支架33、开设于光学支架2上的发射透镜支架移动槽34、和固设于发射透镜支架33上的发射光阑35，发射透镜支架33可以在发射透镜支架移动槽34上沿着光的出射方向前后移动。其中，发射透镜支架33与光学支架2一体成型，发射光阑35与发射透镜支架33卡接进行固定。
光学支架2与壳体1的内腔壁无缝贴合进行固定，发射透镜支架33在发射透镜支架移动槽34上移动，能够使得激光的光线更为清晰的照射出去。
光学接收装置5为线阵CMOS器件或CCD线性相机，光学接收装置5通过导线电性连接设置于壳体1外壁的数码管7。
如图2、图3和图4所示，激光发射装置3还包括激光灯PCB板31、设置于激光灯PCB板31输出端的发射透镜32、固设于光学支架2上的激光灯支架36激光灯支架36可以是螺接于光学支架2上、贯穿并与激光灯支架36卡接的激光灯固定座37、和开设于壳体1上的激光出射口38。
激光灯PCB板31延伸至激光灯固定座37内，激光灯固定座37沿着光线出射方向开设有小孔，在本实施例中，优选该孔的孔径尺寸范围为0.5～5mm，由于孔径尺寸极小，能够将激光出射前滤过较多的杂光，提高激光接收到光斑的清晰度，进一步提高测量精度。
激光灯支架36上朝向发射透镜32的一侧上开设有激光灯光线的出射孔39，出射孔39的孔径小于发射透镜32的直径，由于光学支架2上的各个部件均通过卡接进行固定，当各部件之间通过尺寸进行配合时，能够紧密的连接，并确保激光灯PCB板31的激光发射端、出射孔39、和激光出射口38的中心点位于同一直线上。
借由上述结构，如图3所示，反射装置4包括与光学支架2卡接的接收聚焦透镜41、和设置于光学支架2内的接收反射镜片42，被测物反射的光线透过接收聚焦透镜41后经接收反射镜片42反射。激光自激光灯PCB板31出射，接触被测物进行反射后，通过接收聚焦透镜41进入传感器内部并有反射镜片42进行反射。
作为本实施例的一种优选的实施方式，如图6所示，接收反射镜片42的底部转动连接有与光学支架2固定连接的旋转座43。激光位移传感器在检测过程中，本领域人员所熟知的是精度的提高意味着受光部分与受光元件的距离变长，但是，由于传感器需要使用各种检测环境，所以，越小的体积越能够提高其适配能力。因而，需要通过其他的办法进行小尺寸前提下的高精度测量。通过反射镜片42和可调角度的旋转座43结合，能够使得反射光斑更为清晰的到达受光元件，提高测试精度。
在本实施例中，接收反射镜片42和旋转座43通过转动轴44连接，在其他的一些实施方式中，接收反射镜片42与旋转座43的转动方式还可以是其他任意一种分体式转动方式。旋转座43上垂直于转动轴的方向上开设有孔，反射镜片42与旋转座43转动后通过拧紧螺钉压紧转动轴44进行固定。
作为本实施例的另一种优选的实施方式，反射镜片42与光学接收装置5所在的竖直平面呈45°～90°的锐角。在本实施例现有的一些实施方式中，已经公开了光学接收装置5与反射镜片42间的夹角为22.5°和60°的情况，虽然本领域技术人员都能够理解该夹角的大小会影响传感器的检测精度，并且该夹角的大小会影响到传感器本身尺寸的大小。但是，在本申请的实施方式中，由于本申请实施例中设置了发射透镜支架移动槽34，通过发射透镜支架33在发射透镜支架移动槽34上的移动调节，能够实现较大角度下满足亮度的接收光斑。在本实施方式中，特别的，选取45°～60°锐角为优选角度。选取时，配合不同程度的光学接收装置5和调节不同位置的发射透镜支架33，使得在光学接收装置5上形成清晰的光斑后进行测试。在实际使用中，例如使用激光灯发射端与接收反射镜片42的距离为18mm的激光位移传感器时，当检测距离在18～24mm时，选取反射镜片42与光学接收装置5之间的角度为45°～49°，能够使得光学接收装置5上形成清晰且明亮的光斑，光学接收装置5能够敏感的进行分析测试距离；当检测距离在24～28mm时，选取反射镜片42与光学接收装置5之间的角度为50°～55°，能够使得光学接收装置5上形成清晰且明亮的光斑，光学接收装置5能够敏感的进行分析测试距离；当检测距离在29～35mm时，选取反射镜片42与光学接收装置5之间的角度为55°～60°，能够使得光学接收装置5上形成清晰且明亮的光斑，光学接收装置5能够敏感的进行分析测试距离。当然，在本实施例的实际使用中还存在其他的测试距离，均可以通过调节光学接收装置5和接受反射镜片42的夹角的调节，得到高精度的测试结果，本实施例不一一赘述。即使遇到阶段式检测环境或者遮挡式检测环境，都能够在调节后通过同一传感器获取高精度的测试结果。
线缆6在实际使用过程中，可能会因为外部的拉扯造成对传感器内部元件的拉扯，导致线路断裂或者元件偏移，最终都会造成对检测结果的影响。结合图3和图5所示，线缆6贯穿壳体1设置，壳体1与线缆6的连接处设有紧固槽61和与紧固槽61紧配的卡线五金件62，卡线五金件62圆弧内设有锯齿，线缆6通过卡线五金件62和紧固槽61固定，并与激光灯PCB板31电性连接。卡线五金件62和紧固槽61紧配，并配合点胶，能够将线缆6与传感器固定，避免上述存在的问题出现。
在本实施例中，结合图3和图6所示，壳体1上激光出射口38所在的一面胶粘有亚克力滤光片103，激光从激光灯PCB板射出后，通过光阑35和亚克力滤光片103的过滤，使得光线更为清晰、聚集。
由于在智能型激光位移传感器中，PCB板会占据较大的空间，为了更好地减小设备本身的尺寸，在本实施例中，在光学支架2的侧面设置了第二PCB板102，第二PCB板102与壳体1卡接进行固定，其与数码管7电性连接，将数码管7覆盖于第二PCB板102上并与壳体1螺接进行固定；和在光学支架2的上方设置了第一PCB板104，第一PCB板104与光学接收装置5、激光灯PCB板31、第二PCB板102分别电性连接，作为主控PCB板；和接收线阵CMOS器件或CCD线性相机的线性数据，并对数据内容进行特性分析获取测距结果，并通过盖板105与壳体螺接进行对第一PCB板104的保护。通过充分利用空余空间放置大尺寸部件，减小了传感器的尺寸。
在本实施例中，光学支架2与壳体1的内腔壁采用螺接进行固定，便于后期调试、维修等工作需要的拆卸。在壳体1的外壁上，还设置了指示灯101，并在尺寸适配的情况下选择显示面更大的指示灯101，指示灯101与第一PCB板104电性连接，当线阵CMOS器件或CCD线性相机接收到光斑时，指示灯101亮，表示出工作状态。例如：在激光灯正常照射的情况下，指示灯101不亮，则表示一下几种可能性：(1)指示灯101损坏，检修标准为查看PCB板工作结果；(2)接收反射镜片42损坏或者角度需要调整；(3)线阵CMOS器件或CCD线性相机损坏；(4)第一PCB板104损坏。上述几种情况在本领域技术人员的认知中，均能够快速便捷的判断及检测出具体的问题所在，能够更为简单的表示出传感器的工作状态，便捷使用。
本申请还公开了一种数字智能型微型激光位移传感器的测距方法，其适用于本实施例中的任意一种数字智能型微型激光位移传感器。在现有的一些激光位移传感器的测距方法中，其测距方法无外乎为回波分析法和三角测量法。回波分析法适合于长距离检测，但测量精度相对于激光三角测量法要低，最远检测距离可达250米；三角测量法更适合于高精度、短距离的测量。
在本实施例中，选用激光三角测量法作为基本测量原理，如图7所示，该测距方法具体包括以下步骤：
步骤一、沿着发射透镜支架移动槽34调整发射透镜支架33的位置，直至通过发射光阑35的激光能够清晰的照射至待测物；
步骤二、转动反射镜片42，转动后的反射镜片42与光学接收装置5所在竖直平面的夹角呈45°～90°锐角，直至反射的光斑能够在光学接收装置5上清晰的成像；
步骤三、移动待测物或传感器对待测物进行测距，通过光学接收装置5接收到的光斑位置，生成二维标定曲线；
步骤四、如图8所示，将二维标定曲线沿着X轴和Y轴分别进行区间分割，将X轴的区间分割点分别记作X1和X2，将Y轴的区间分割点分别记作Y1和Y2；
步骤五、作为本实施例的一种距离计算方法：选取曲线中测试物上同一水平面测试结果的一点作为测试点，又如图8所示，该测试点像点位置为Xm，Xm落入X1与X2之间，测试距离Ym对应区间分割值Y1和Y2，实际距离Ym通过下列公式获得：
在测试点选择的要求中，由于测试物表面无法做到绝对平直，因此生成的曲线具有一定的曲率，其升降部分均无法确定。因此尽可能选择曲线上平直的一段作为测试点的坐落区间，即在区间分割点分割时，尽可能的减小Y2与Y1的差值。通过计算曲线上的测试距离，比直接粗略的读取测试曲线所在坐标系中的纵向距离更为精准。
作为本实施例的另一种距离计算方法：选取曲线中测试物上同一水平面测试结果的一点作为测试点，如图9所示，该测试点像点位置为Xn1，Xn1落入X1与X2之间，该点与原点的连线在靠近X轴方向上形成有锐角，该锐角记为θn1，则该测试点测试距离Yn1＝Xn1×tanθn1。
在X1与X2之间选取若干个测试点，其像点位置分别为Xn2、Xn3…Xnn，若干个测试点形成的夹角分别是θn2、θn3…θnn，根据Yn1的计算公式得到各测试点的测试距离为Yn2、Yn3…Ynn，该段曲线对应的测试物到达传感器的实际距离Yn通过以下公式获得：
由于数据具有单一性，为了提高测试精度，选择多点测试法与平均距离选取法计算最终的实际距离，得到的数值具有代表性，其测试结果更为精准。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种数字智能型微型激光位移传感器，包括壳体(1)、设置于所述壳体(1)内部的光学支架(2)、固设于所述光学支架(2)上的激光发射装置(3)、固设于所述光学支架(2)上的反射装置(4)、设置在所述反射装置(4)光路出射端并与所述光学支架(2)固定连接的光学接收装置(5)、和与所述光学接收装置(5)连接的线缆(6)，其特征在于：所述激光发射装置(3)包括发射透镜支架(33)、开设于所述光学支架(2)上的发射透镜支架移动槽(34)、和固设于所述发射透镜支架(33)上的发射光阑(35)，所述发射透镜支架(33)可以在所述发射透镜支架移动槽(34)上沿着光的出射方向前后移动。
2.根据权利要求1所述的数字智能型微型激光位移传感器，其特征在于：所述激光发射装置(3)还包括激光灯PCB板(31)、设置于所述激光灯PCB板(31)输出端的发射透镜(32)、固设于所述光学支架(2)上的激光灯支架(36)、贯穿并与所述激光灯支架(36)卡接的激光灯固定座(37)、和开设于所述壳体(1)上的激光出射口(38)，所述激光灯PCB板(31)延伸至所述激光灯固定座(37)内，所述激光灯固定座(37)沿着光出射方向上开设有小孔，所述激光灯支架(36)上朝向所述发射透镜(32)的一侧上开设有激光灯光线的出射孔(39)，所述出射孔(39)的孔径小于所述发射透镜(32)的直径，所述激光灯PCB板(31)的激光发射端、所述出射孔(39)、和所述激光出射口(38)的中心点位于同一直线上。
3.根据权利要求1所述的数字智能型微型激光位移传感器，其特征在于：所述反射装置(4)包括与所述光学支架(2)卡接的接收聚焦透镜(41)、和设置于所述光学支架(2)内的接收反射镜片(42)，被测物反射的光线透过所述接收聚焦透镜(41)后经所述接收反射镜片(42)反射。
4.根据权利要求3所述的数字智能型微型激光位移传感器，其特征在于：所述接收反射镜片(42)的底部转动连接有与所述光学支架(2)固定连接的旋转座(43)。
5.根据权利要求4所述的数字智能型微型激光位移传感器，其特征在于：所述接收反射镜片(42)和所述旋转座(43)通过转动轴(44)连接，所述旋转座(43)上垂直于转动轴的方向上开设有孔，所述反射镜片(42)与所述旋转座(43)转动后通过拧紧螺钉压紧转动轴(44)进行固定。
6.根据权利要求4所述的数字智能型微型激光位移传感器，其特征在于：所述反射镜片(42)与所述光学接收装置(5)所在的竖直平面呈45°～90°的锐角。
7.根据权利要求6所述的数字智能型微型激光位移传感器，其特征在于：所述光学接收装置(5)与所述反射镜片(42)所在的竖直平面呈45°～60°的锐角。
8.根据权利要求1所述的数字智能型微型激光位移传感器，其特征在于：所述光学接收装置(5)为线阵CMOS器件或CCD线性相机，所述光学接收装置(5)通过导线电性连接设置于所述壳体(1)外壁的数码管(7)。
9.根据权利要求1所述的数字智能型微型激光位移传感器，其特征在于：所述线缆(6)贯穿所述壳体(1)设置，所述壳体(1)与所述线缆(6)的连接处设有紧固槽(61)和与所述紧固槽(61)紧配的卡线五金件(62)，所述卡线五金件(62)圆弧内设有锯齿，所述线缆(6)通过所述卡线五金件(62)和所述紧固槽(61)固定，并与所述激光灯PCB板(31)电性连接。
10.一种数字智能型微型激光位移传感器的测距方法，该方法适用于权利要求1至9任意一项所述的数字智能型微型激光位移传感器，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、沿着所述发射透镜支架移动槽(34)调整所述发射透镜支架(33)的位置，直至通过所述发射光阑(35)的激光能够清晰的照射至待测物；
步骤二、转动所述反射镜片(42)，转动后的所述反射镜片(42)与所述光学接收装置(5)所在竖直平面的夹角呈45°～90°锐角，直至反射的光斑能够在所述光学接收装置(5)上清晰的成像；
步骤三、移动待测物或传感器对待测物进行测距，通过所述光学接收装置(5)接收到的光斑位置，生成二维标定曲线；
步骤四、将二维标定曲线沿着X轴和Y轴分别进行区间分割，将X轴的区间分割点分别记作X1和X2，将Y轴的区间分割点分别记作Y1和Y2；
步骤五、选取曲线中测试物上同一水平面测试结果的一点作为测试点，该测试点像点位置为Xm，Xm落入X1与X2之间，测试距离Ym对应区间分割值Y1和Y2，实际距离Ym通过下列公式获得：
或者
选取曲线中测试物上同一水平面测试结果的一点作为测试点，该测试点像点位置为Xn1，Xn1落入X1与X2之间，该点与原点的连线在靠近X轴方向上形成有锐角，该锐角记为θn1，则该测试点测试距离
Yn1＝Xn1×tanθn1，
在X1与X2之间选取若干个测试点，其像点位置分别为Xn2、Xn3…Xnn，若干个测试点形成的夹角分别是θn2、θn3…θnn，根据Yn1的计算公式得到各测试点的测试距离为Yn2、Yn3…Ynn，该段曲线对应的测试物到达传感器的实际距离Yn通过以下公式获得：
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