CN109696129A - 一种精密位移传感器及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密位移传感器及其测量方法，其中位移传感器包括至少两个第一反射镜组，每个第一反射镜组包括反射镜一与反射镜二，所述至少两个第一反射镜组沿移动方向依次分布；激光源，用于发射出激光束；所述反射镜一，用于接收激光源射出的激光束，且使激光束反射至反射镜二，或用于接收反射镜二反射的激光源射出的激光束，且使得激光束反射至光电探测器二；所述反射镜二，用于接收激光源射出的激光束，且使激光束反射至反射镜一，或用于接收反射镜一反射的激光源射出的激光束，且使得激光束反射至光电探测器一。该传感器结构简单，测量精度高，便于批量生产。

Description

一种精密位移传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，具体涉及一种精密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。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。 从而光学传感器成为了目前测量技术领域广泛应用的工具，而现有技 术中的位移传感器，例如，申请号为201810782152.X，发明名称为《一 种基于直角反射镜组的精密位移传感器及其测量方法》中提供的位移传感 器，其传感器结构复杂，体积相对较大，成本相对较高。

发明内容

本发明的目的在于提出一种精密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：

一种精密位移传感器，包括：

至少两个第一反射镜组，每个第一反射镜组包括反射镜一与反射镜二， 所述至少两个第一反射镜组沿移动方向依次分布；

激光源，用于发射出激光束；

所述反射镜一，用于接收激光源射出的激光束，且使激光束反射 至反射镜二，或接收用于接收反射镜二反射的激光源射出的激光束， 且使得激光束反射至光电探测器二；

所述反射镜二，用于接收激光源射出激光束，且使激光束反射至 反射镜一，或用于接收反射镜一反射的激光源射出的激光束，且使得 激光束反射至光电探测器一；

所述光电探测器一，用于接收经反射镜二反射的激光束，并测量 其入射位置；

所述光电探测器二，用于接收经反射镜一反射的激光束，并测量 其入射位置；

所述激光束的光路为：依次经反射镜一、反射镜二反射后入射至 光电探测器一，或依次经反射镜二、反射镜一反射后入射至光电探测 器二；

所述光电探测器一与光电探测器二分别位于所述激光源相对立 的两侧；

处理***，用于根据光电探测器一、光电探测器二接收到的激光 束的入射位置变化量，计算出被测物体的位移变化值。

通过反射镜一或反射镜二对激光束进行反射，对被测物体的位移 距离进行方便，便于对被测物体的位移量的计算，且通过光电探测器 一与光电探测器二分别位于所述激光源相对立的两侧实现了位移传 感器的连续测量。

在进一步的方案中，还包括第二反射镜组一、第二反射镜组二、 所述第二反射镜组一包括反射镜三与反射镜四，所述第二反射镜组二 包括反射镜五与反射镜六；所述第二反射组一与反射镜组二分别位于 所述激光源相对立的两侧；

所述反射镜三，用于接收反射镜二反射的激光束，并使得激光束 反射至反射镜四；

所述反射镜四，用于接收反射镜三反射的激光束，并使得激光束 反射至反射镜二；

所述反射镜六，用于接收反射镜一反射的激光束，并使得激光束 反射至反射镜五；

所述反射镜五，用于接收反射镜六反射的激光束，并使得激光束 反射至反射镜一；

所述反射镜一，用于接收激光源发射的激光束或反射镜五反射的 激光束，并使得激光束反射至反射镜二，或接收反射镜二反射的激光 束，并使得激光束反射至反射镜六或光电探测器一；

所述反射镜二，用于接收激光源发射的激光束或反射镜四反射的 激光束，并使得激光束反射至反射镜一，或接收反射镜一反射的激光 束，并使得激光束反射至反射镜三或光电探测器二。通过第二反射镜 组一与第二反射镜组二，扩大了被测物体的位移量的放大倍数。

在进一步的方案中，还包括壳体，激光源、光电探测器一、光电测 器二、第二反射镜组一、第二反射镜组二均固定设置于壳体内，组成 一个读数头。可以保持激光源、光电探测器一、光电测器二、第二反 射镜组一、第二反射镜组二相互之间的位置固定，也可以保障各组件 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一或光电探测器二上的入射位置变化量。保 证了位移传感器的连续测量。

在进一步的方案中，所述反射镜一与反射镜二组成夹角为直角的 反射镜组，激光源发射的激光束呈45度角入射至反射镜一或反射镜 二。使得传感器的结构更加紧凑，方便位移传感器的数据计算。

在进一步的方案中，所述反射镜三与反射镜四组成夹角为直角的 反射镜组，所述反射镜五与反射镜六组成夹角为直角的反射镜组，所 述反射镜三与反射镜五均与所述反射镜一平行，所述反射镜四与反射 镜六与所述反射镜二平行。使得传感器的结构更加紧凑，方便位移传 感器的数据计算。

在进一步的方案中，所述至少两个第一反射镜组首尾连接，整体 形成长条锯齿状结构。

另一方面，本发明还提供上述精密位移传感器的测量方法，其特征在于， 包括以下步骤：

将被测物体固定在第一反射镜组或读数头上；

调整激光源、第一反射镜组、第二反射镜组一、第二反射镜组二、光电探 测器一、光电探测器二的位置关系，使得激光源发射的激光束入射至第一 反射镜组的一个反射镜一或一个反射镜二；

当激光源发射的激光束入射至第一反射镜组的一个反射镜一时， 经该反射镜一反射后入射至反射镜二，反射镜二接收到反射镜一反射 的激光束，并使接收的激光束反射至第二反射镜组一的反射镜三，反 射镜三将入射的激光束反射至反射镜四，反射镜四接收反射镜三反射 的激光束，并使接收的激光束反射回反射镜二，反射镜二接收反射镜 四反射的激光束，使得激光束反射回反射镜一，反射镜一接收反射镜 二反射的激光束，使得激光束入射至光电探测器一；

当激光源发射的激光束入射至第一反射镜组的一个反射镜二时， 经该反射镜二反射后入射至反射镜一，反射镜一接收到反射镜二反射 的激光束，并使接收的激光束反射至第二反射镜组二的反射镜六，反 射镜六将入射的激光束反射至反射镜五，反射镜五接收反射镜六反射 的激光束，并使接收的激光束反射回反射镜一，反射镜一接收反射镜 五反射的激光束，使得激光束反射回反射镜二，反射镜二接收反射镜 一反射的激光束，使得激光束入射至光电探测器二；

发射激光束，所述激光束在第一反射镜组和第二反射镜组的反射镜之间多 次反射后,被光电探测器一或光电探测器二探测到其初始入射位置；

被测物***移，在位移过程中，光电探测器一或光电探测器二检测激光束 的入射位置的变化，直到被测物体停止位移；

处理***通过光电探测器一或光电探测器二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，使用本发明提供的一种精密位移传感器，其有益效果为：

1、该传感器结构简单，测量精度高，便于批量生产。

2、该传感器设备整体结构小，缩小了测头体积，便于在空间有限的应用场 合使用。

3、通过两个光电探测器的设置，保证了位移传感器的连续测量。

4、通过设置了两个第二反射镜组，再次提高了测量精度且保证了位移传感 器的连续测量，同样放大倍数的情况下体积实现了小型化设计。

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 用的附图作简单地介绍，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的附图。

图1为本发明实施例中提供的一种精密位移传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例中提供的一种精密位移传感器的结构示意图。

图3为本发明实施例中提供的一种精密位移传感器的结构示意图

图4为本发明实施例中提供的一种精密位移传感器的结构示意图。

图中标记说明

激光器1，激光束2，第一反射镜组3，反射镜一31，反射镜二32，第二反 射镜组一4，反射镜三41，反射镜四42，第二反射镜组二5，反射镜五51，反 射镜六52，光电探测器一6，光电探测器二7，壳体8。

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、 完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部 的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不 同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细 描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施 例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所 获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本实施例示意性地公开了一种精密位移传感器，激光器1， 第一反射镜组3，第一反射镜组3包括反射镜一31和反射镜二32，光电探测器 一6，光电探测器二7。

如图1所示，激光器1发射出激光束2，当激光束2入射至第一反射镜组3 的反射镜一31，所述反射镜一31将入射的激光束2反射至反射镜二32，反射 镜二32接收反射镜一31反射的激光束2，且使得激光束2反射至光电探测器一 6，光电探测器一6接收到经反射镜二32反射的激光束，并测量其入射位置；

如图2所示，激光器1发射出激光束2，当激光束2入射至第一反射镜组3 的反射镜二32，所述反射镜二32将入射的激光束2射至反射镜一32，反射镜 一31接收反射镜二32反射的激光束2，且使得激光束2反射至光电探测器二7， 光电探测器二7接收到经反射镜一31反射的激光束，并测量其入射位置；

处理***，用于根据光电探测器一6、光电探测器二7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量。

作为一种较优的实施方式，多个第一反射镜组3首尾连接，整体形成 长条锯齿状结构。

在进一步的方案中，还包括第二反射镜组一4、第二反射镜组二5、 所述第二反射镜组一4包括反射镜三41与反射镜四42，所述第二反 射镜组二5包括反射镜五51与反射镜六52；所述第二反射组一4与 反射镜组二5分别位于所述激光源1相对立的两侧；

本新型精密位移传感器中：

如图3所示，激光器1发射出激光束2，当激光束2入射至第一反射镜组1 的反射镜一31，所述反射镜一31将入射的激光束反射至反射镜二32，反射镜 二32接收反射镜一31反射的激光束，且使得激光束2反射至反射镜三41，反 射镜三41接收反射镜二32反射的激光束2，且使得激光束2反射至反射镜四 42，反射镜四42接收反射镜三41反射的激光束2，且使得激光束2反射回反射 镜二32，反射镜二32将反射镜四42反射的激光束2反射回反射镜一31，反射 镜一31接收反射镜二32反射的激光束，将激光束2反射至光电探测器一6，光 电探测器一6接收到经反射镜一31反射的激光束，并测量其入射位置；

如图4所示，激光器1发射出激光束2，当激光束2入射至第一反射镜组3 的反射镜二32，所述反射镜二32将入射的激光束2反射至反射镜一31，反射 镜一31接收反射镜二32反射的激光束2，且使得激光束2反射至反射镜六52， 反射镜六52接收反射镜一31反射的激光束2，且使得激光束2反射至反射镜五 51，反射镜五51接收反射镜六52反射的激光束2，且使得激光束2反射回反射 镜一31，反射镜31一将反射镜五51反射的激光束反射回反射镜二32，反射镜 二32接收反射镜一31反射的激光束，将激光束2反射至光电探测器二7，光电 探测器二7接收到经反射镜二32反射的激光束，并测量其入射位置；

处理***，用于根据光电探测器一6、光电探测器7二接收到的 激光束的入射位置变化量计算出被测物体的位移变化量。通过第二反 射镜组一4与第二反射镜组二5，扩大了被测物体的位移量的放大倍 数。

作为一种较优的实施方式，还包括壳体8，激光源1、第二反射镜组一 4、第二反射镜组二5、光电探测器一6、光电探测器二7均固定设置 于壳体内。通过壳体的设置，可以保持激光源1、第二反射镜组一4、 第二反射镜组二5、光电探测器一6、光电探测器二7相互之间的位 置固定，也可以各组件保持同步位移。

测量时，可以根据实际应用情况，采用将读数头固定在被测物体 上，第一反射镜组固定不动，被测物体发生位移时，读数头与第一反 射镜组发生相对运动，光电探测器可以测量得到被测物体的位移值； 或者，也可以采用将第一反射镜组固定在被测物体上，读数头保持不 动，被测物体发生位移第一反射镜组运动，第一反射镜组与读数头发 生相对位移，光电探测器可以测得被测物体的位移值；测量选择第一 反射镜组或者读数头来固定在被测物体上，提高了测量便利性。

作为一种较优的实施方式，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。保证了位移传 感器的连续测量。

基于上述精密位移传感器，其测量方法包括以下步骤：

将被测物体固定在第一反射镜组或读数头上；

调整激光源、第一反射镜组、第二反射镜组一、第二反射镜组二、光电探 测器一、光电探测器二的位置关系，使得激光源发射的激光束入射至第一 反射镜组的一个反射镜一或一个反射镜二；

当激光源发射的激光束入射至第一反射镜组的一个反射镜一时， 经该反射镜一反射后入射至反射镜二，反射镜二接收到反射镜一反射 的激光束，并使接收的激光束反射至第二反射镜组一的反射镜三，反 射镜三将入射的激光束反射至反射镜四，反射镜四接收反射镜三反射 的激光束，并使接收的激光束反射回反射镜二，反射镜二接收反射镜 四反射的激光束，使得激光束反射回反射镜一，反射镜一接收反射镜 二反射的激光束，使得激光束入射至光电探测器一；

当激光源发射的激光束入射至第一反射镜组的一个反射镜二时， 经该反射镜二反射后入射至反射镜一，反射镜一接收到反射镜二反射 的激光束，并使接收的激光束反射至第二反射镜组二的反射镜六，反 射镜六将入射的激光束反射至反射镜五，反射镜五接收反射镜六反射 的激光束，并使接收的激光束反射回反射镜一，反射镜一接收反射镜 五反射的激光束，使得激光束反射回反射镜二，反射镜二接收反射镜 一反射的激光束，使得激光束入射至光电探测器二；

发射激光束，所述激光束在第一反射镜组和第二反射镜组的反射镜之间多 次反射后,被光电探测器一或光电探测器二探测到其初始入射位置；

被测物***移，在位移过程中，光电探测器一或光电探测器二检测激光束 的入射位置的变化，直到被测物体停止位移；

处理***通过光电探测器一或光电探测器二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。

本发明的激光器，第一反射镜组3，第一反射镜组3包括反射镜一31和反 射镜二32，第二反射镜组一4，第二反射镜组一4包括反射镜三41与反射镜四 42，第二反射镜组二5，第二反射镜组二5包括反射镜五51与反射镜六52，光 电探测器一6，光电探测器二7，壳体8，其部件均为通用标准件或本领域技 术人员知晓的部件，其结构和原理都为本技术人员均可通过技术手册得知或 通过常规实验方法获知，本发明解决的问题是现有的位移传感器结构复杂，同 等放大倍数的情况下测头体积难以做小的难题，本发明通过上述部件的互相组 合，实现精密位移测量，该传感器结构简单，测量精度高，且实现了位移量的 连续测量。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种精密位移传感器，其特征在于，包括：

至少两个第一反射镜组，每个第一反射镜组包括反射镜一与反射镜二，所述至少两个第一反射镜组沿移动方向依次分布；

激光源，用于发射出激光束；

所述反射镜一，用于接收激光源射出的激光束，且使激光束反射至反射镜二，或用于接收反射镜二反射的激光源射出的激光束，且使得激光束反射至光电探测器二；

所述反射镜二，用于接收激光源射出激光束，且使激光束反射至反射镜一，或用于接收反射镜一反射的激光源射出的激光束，且使得激光束反射至光电探测器一；

所述光电探测器一，用于接收经反射镜二反射的激光束，并测量其入射位置；

所述光电探测器二，用于接收经反射镜一反射的激光束，并测量其入射位置；

所述激光束的光路为：依次经反射镜一、反射镜二反射后入射至光电探测器一，或依次经反射镜二、反射镜一反射后入射至光电探测器二；

所述光电探测器一与光电探测器二分别位于所述激光源相对立的两侧；

处理***，用于根据光电探测器一、光电探测器二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。

2.根据权利要求1所述的精密位移传感器，其特征在于，还包括第二反射镜组一、第二反射镜组二、所述第二反射镜组一包括反射镜三与反射镜四，所述第二反射镜组二包括反射镜五与反射镜六；所述第二反射组一与反射镜组二分别位于所述激光源相对立的两侧；

所述反射镜三，用于接收反射镜二反射的激光束，并使得激光束反射至反射镜四；

所述反射镜四，用于接收反射镜三反射的激光束，并使得激光束反射至反射镜二；

所述反射镜六，用于接收反射镜一反射的激光束，并使得激光束反射至反射镜五；

所述反射镜五，用于接收反射镜六反射的激光束，并使得激光束反射至反射镜一；

所述反射镜一，用于接收激光源发射的激光束或反射镜五反射的激光束，并使得激光束反射至反射镜二，或接收反射镜二反射的激光束，并使得激光束反射至反射镜六或光电探测器一；

所述反射镜二，用于接收激光源发射的激光束或反射镜四反射的激光束，并使得激光束反射至反射镜一，或接收反射镜一反射的激光束，并使得激光束反射至反射镜三或光电探测器二。

3.根据权利要求2所述的精密位移传感器，其特征在于，还包括壳体，激光源、光电探测器一、光电测器二、第二反射镜组一、第二反射镜组二均固定设置于壳体内，组成一个读数头。

4.根据权利要求3所述的精密位移传感器，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一与光电探测器二光电探测器一或光电探测器二上的入射位置变化量。

5.根据权利要求2所述的精密位移传感，其特征在于，所述反射镜一与反射镜二组成夹角为直角的反射镜组，激光源发射的激光束呈45度角入射至反射镜一或反射镜二。

6.根据权利要求5所述的精密位移传感，其特征在于，所述反射镜三与反射镜四组成夹角为直角的反射镜组，所述反射镜五与反射镜六组成夹角为直角的反射镜组，所述反射镜三与反射镜五均与所述反射镜一平行，所述反射镜四与反射镜六与所述反射镜二平行。

7.根据权利要求1所述的精密位移传感器，其特征在于，所述至少两个第一反射镜组首尾连接，整体形成长条锯齿状结构。

8.权利要求2-6任一所述的精密位移传感器的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

将被测物体固定在第一反射镜组或读数头上；

调整激光源、第一反射镜组、第二反射镜组一、第二反射镜组二、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，使得激光源发射的激光束入射至第一反射镜组的一个反射镜一或一个反射镜二；

当激光源发射的激光束入射至第一反射镜组的一个反射镜一时，经该反射镜一反射后入射至反射镜二，反射镜二接收到反射镜一反射的激光束，并使接收的激光束反射至第二反射镜组一的反射镜三，反射镜三将入射的激光束反射至反射镜四，反射镜四接收反射镜三反射的激光束，并使接收的激光束反射回反射镜二，反射镜二接收反射镜四反射的激光束，使得激光束反射回反射镜一，反射镜一接收反射镜二反射的激光束，使得激光束入射至光电探测器一；

当激光源发射的激光束入射至第一反射镜组的一个反射镜二时，经该反射镜二反射后入射至反射镜一，反射镜一接收到反射镜二反射的激光束，并使接收的激光束反射至第二反射镜组二的反射镜六，反射镜六将入射的激光束反射至反射镜五，反射镜五接收反射镜六反射的激光束，并使接收的激光束反射回反射镜一，反射镜一接收反射镜五反射的激光束，使得激光束反射回反射镜二，反射镜二接收反射镜一反射的激光束，使得激光束入射至光电探测器二；

发射激光束，所述激光束在第一反射镜组和第二反射镜组的反射镜之间多次反射后,被光电探测器一或光电探测器二探测到其初始入射位置；

被测物***移，在位移过程中，光电探测器一或光电探测器二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***通过光电探测器一或光电探测器二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。