CN110057303B - 一种直线位移测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种直线位移测量装置，光产生部的发射面和光成像部的接收面处于同一平面，测量部至少具有相对于光产生部的发射面和光成像部的接收面所处平面的夹角为预设角度的预设表面，测量部可沿着光产生部和光成像部排列的方向位移；光产生部用于向测量部的预设表面发出光，第一汇聚部用于收集由测量部的预设表面反射回的光并将光汇聚到光成像部，光成像部用于接收光并成像；数据处理部用于根据测量部发生位移前后在光成像部上的成像点到光成像部中心轴的距离、第一汇聚部的焦距以及光成像部中心轴到光产生部中心轴的距离计算出测量部的位移量。本直线位移测量装置与现有技术相比制作工艺更为简单，生产成本低，并且处理电路也更为简单。
Description
技术领域
本发明涉及位移测量技术领域，特别是涉及一种直线位移测量装置。
背景技术
目前，在机床上用来精密测量物体的位移的工具是光栅尺位移传感器，简称为光栅尺，它主要包括增量式和绝对式两种。由于绝对式光栅尺不需要寻找参考原点，在断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量，无需进行归零，并且测量精度高，抗干扰能力强，稳定性高，绝对编码范围大，可测量较大量程的线性位移，还可以进行非线性修正，因此绝对式光栅尺作为位移测量工具在工业中的应用越来越广。
绝对式光栅尺的制作方法使用光刻法，不仅加工工序复杂，效率低，而且生产成本也十分昂贵。另外在进行测量时，由于采用了带有绝对位置信息的绝对码道和用于产生细分位置信息的增量码道来提高测量精度，使得为了接收增量码道入射的参考信号需要很多的光电接收元件，使得电路较复杂，并且要在信号处理过程中进行平均作用以消除噪声，电路处理信号难度较大。
发明内容
鉴于以上所述，本发明提供一种直线位移测量装置，与现有技术相比制作工艺更为简单，生产成本低，并且处理电路也更为简单。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种直线位移测量装置，包括光产生部、光成像部、第一汇聚部、数据处理部和测量部，所述光产生部的发射面和所述光成像部的接收面处于同一平面，所述测量部至少具有相对于所述光产生部的发射面和所述光成像部的接收面所处平面的夹角为预设角度的预设表面，所述测量部可沿着所述光产生部和所述光成像部排列的方向位移；
所述光产生部用于向所述测量部的预设表面发出光，所述第一汇聚部用于收集由所述测量部的预设表面反射回的光并将光汇聚到所述光成像部，所述光成像部用于接收光并成像；
所述数据处理部用于根据所述测量部发生位移前后在所述光成像部上的成像点到所述光成像部中心轴的距离、所述第一汇聚部的焦距以及所述光成像部中心轴到所述光产生部中心轴的距离计算出所述测量部的位移量。
优选的，所述数据处理部具体用于：
根据所述测量部发生位移前在所述光成像部上的成像点到所述光成像部中心轴的距离、所述第一汇聚部的焦距以及所述光成像部中心轴到所述光产生部中心轴的距离，计算出此时所述光产生部发出的光在所述预设表面上的投射点到所述光产生部所处平面的距离L0，计算公式表示为：
根据所述测量部发生位移后在所述光成像部上的成像点到所述光成像部中心轴的距离、所述第一汇聚部的焦距以及所述光成像部中心轴到所述光产生部中心轴的距离，计算出此时所述光产生部发出的光在所述预设表面上的投射点到所述光产生部所处平面的距离L，计算公式表示为：
根据以下公式计算所述测量部的位移量d：
d＝ΔL/tanθ，ΔL＝L-L0；
其中，B表示光成像部中心轴到光产生部中心轴的距离，F表示第一汇聚部的焦距，D0表示测量部发生位移前在光成像部上的成像点到光成像部中心轴的距离，D表示测量部发生位移后在光成像部上的成像点到光成像部中心轴的距离，θ表示测量部的预设表面相对于光产生部的发射面和光成像部的接收面所处平面的夹角。
优选的，还包括用于将所述光产生部发出的光汇聚到所述测量部的预设表面的第二汇聚部。
优选的，所述第二汇聚部和所述第一汇聚部处于同一平面。
优选的，所述测量部包括基座和设置在所述基座上的形成预设表面的介质层。
优选的，所述测量部的基座和介质层可拆卸连接。
优选的，所述介质层为玻璃层或者表面平整度满足预设要求的非玻璃材质层。
优选的，以所述光产生部发出的光在所述预设表面上的投射点到所述光产生部所处平面的距离最大的位置作为测量零点位置，所述测量部沿着从所述光成像部指向所述光产生部的方向位移。
优选的，所述测量部设置在导轨上，可沿导轨移动。
优选的，所述光产生部和所述数据处理部通过无线方式传输数据，所述光成像部和所述数据处理部通过无线方式传输数据。
由上述技术方案可知，本发明所提供的直线位移测量装置包括光产生部、光成像部、第一汇聚部、数据处理部和测量部，光产生部的发射面和光成像部的接收面处于同一平面，测量部至少具有相对于光产生部的发射面和光成像部的接收面所处平面的夹角为预设角度的预设表面，其中光产生部用于向测量部的预设表面发出光，第一汇聚部收集由测量部的预设表面反射回的光并将光汇聚到光成像部，光成像部接收光并成像，数据处理部根据测量部发生位移前后在光成像部上的成像点到光成像部中心轴的距离、第一汇聚部的焦距以及光成像部中心轴到光产生部中心轴的距离计算出测量部的位移量。本发明直线位移测量装置与现有技术相比制作工艺更为简单，生产成本低，并且处理电路也更为简单。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例提供的一种直线位移测量装置的示意图；
图2为本发明实施例提供的一种测量部的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的直线位移测量装置的测量原理示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的一种直线位移测量装置包括光产生部、光成像部、第一汇聚部、数据处理部和测量部，所述光产生部的发射面和所述光成像部的接收面处于同一平面，所述测量部至少具有相对于所述光产生部的发射面和所述光成像部的接收面所处平面的夹角为预设角度的预设表面，所述测量部可沿着所述光产生部和所述光成像部排列的方向位移；
所述光产生部用于向所述测量部的预设表面发出光，所述第一汇聚部用于收集由所述测量部的预设表面反射回的光并将光汇聚到所述光成像部，所述光成像部用于接收光并成像；
所述数据处理部用于根据所述测量部发生位移前后在所述光成像部上的成像点到所述光成像部中心轴的距离、所述第一汇聚部的焦距以及所述光成像部中心轴到所述光产生部中心轴的距离计算出所述测量部的位移量。
光产生部的发射面是指光产生部出射光的面，光成像部的接收面是指光成像部接收光照射的面。
测量部能够沿着光产生部和光成像部排列的方向位移，在测量部发生位移之前，记录当前位置在光成像部所形成的成像点到其中心轴的距离；在测量部发生位移之后，记录当前位置在光成像部所成的成像点到其中心轴的距离。数据处理部根据光产生部、光成像部、测量部预设表面上的光投射点以及光成像部上的成像点各位置满足的三角几何关系，能够根据测量部发生位移前光成像部上的成像点到其中心轴的距离、第一汇聚部的焦距以及光成像部中心轴到光产生部中心轴的距离计算出此时光产生部发出的光在预设表面上的投射点到光产生部所处平面的距离，能够根据测量部发生位移后光成像部上的成像点到其中心轴的距离、第一汇聚部的焦距以及光成像部中心轴到光产生部中心轴的距离计算出此时光产生部发出的光在预设表面上的投射点到光产生部所处平面的距离。进一步利用测量部的预设表面与光产生部发射面和光成像部接收面所处平面具有的夹角，根据测量部发生位移前后光产生部发出的光在预设表面上的投射点到光产生部所处平面的距离之差和测量部位移量满足的三角函数关系，计算出测量部的位移量。
本实施例直线位移测量装置利用光三角测距原理和基于测量部的形状所满足的三角函数关系实现测量位移，与现有技术相比，本装置制作工艺更为简单，生产成本低，并且处理电路也更为简单。
下面结合附图和具体实施方式对本直线位移测量装置进行详细说明。请参考图1，图1为本实施例提供的一种直线位移测量装置的示意图，根据图可看出，所述直线位移测量装置包括光产生部10、光成像部11、第一汇聚部12、数据处理部14和测量部13。
光产生部10用于发出光，投射到测量部13的预设表面，可选的，光产生部10可以是激光器，或者也可采用其它光源，都在本发明保护范围内。
第一汇聚部12用于收集由测量部13的预设表面反射回的光并将光汇聚到光成像部11，第一汇聚部12到光成像部11接收面的距离等于第一汇聚部12的焦距，使得由测量部反射回的光通过第一汇聚部12聚焦到光成像部11上。可选的，第一汇聚部12可采用透镜。
光成像部11用于接收通过第一汇聚部12的光并成像。光成像部11可采用线性CCD阵列，或者也可采用其它类型的光电成像器件，都在本发明保护范围内。
测量部13至少具有相对于光产生部10的发射面和光成像部11的接收面所处平面的夹角为预设角度的预设表面，测量部13的预设表面能够反射光，优选为平整的表面。作为一种实施方式，请参考图2，测量部13包括基座131和设置在基座131上的形成预设表面的介质层130。介质层可以是玻璃层，或者介质层可以是表面平整度满足预设要求的非玻璃材质层。优选的，测量部13的基座和介质层可拆卸连接，这种连接方式便于更换基座或者介质层，能够根据实际测量需求选用不同角度的基座，来改变测量部的预设表面相对于光产生部发射面的夹角。
在具体实施时，可将测量部13设置在导轨上，可沿导轨移动，将测量部与被测量机构相对静止地连接，当被测量机构发生位移时带动测量部移动，从而实现对被测量机构的位移测量。具体的可通过测量部13的基座将测量部设置在导轨上。
进一步优选的，本实施例直线位移测量装置还包括用于将所述光产生部10发出的光汇聚到所述测量部13的预设表面的第二汇聚部15。第二汇聚部15用于将光产生部10发出的光汇聚到测量部13的预设表面。优选的，第二汇聚部15和第一汇聚部12处于同一平面，能够提高测量准确性。第二汇聚部15可采用透镜。
请结合图3，本直线位移测量装置中，数据处理部14具体用于：根据所述测量部发生位移前在所述光成像部上的成像点到所述光成像部中心轴的距离、所述第一汇聚部的焦距以及所述光成像部中心轴到所述光产生部中心轴的距离，计算出此时所述光产生部发出的光在所述预设表面上的投射点到所述光产生部所处平面的距离L0，计算公式表示为：
根据所述测量部发生位移后在所述光成像部上的成像点到所述光成像部中心轴的距离、所述第一汇聚部的焦距以及所述光成像部中心轴到所述光产生部中心轴的距离，计算出此时所述光产生部发出的光在所述预设表面上的投射点到所述光产生部所处平面的距离L，计算公式表示为：
根据以下公式计算所述测量部的位移量d：
d＝ΔL/tanθ，ΔL＝L-L0；
其中，B表示光成像部中心轴到光产生部中心轴的距离，F表示第一汇聚部的焦距，D0表示测量部发生位移前在光成像部上的成像点到光成像部中心轴的距离，D表示测量部发生位移后在光成像部上的成像点到光成像部中心轴的距离，θ表示测量部的预设表面相对于光产生部的发射面和光成像部的接收面所处平面的夹角。
优选的在应用本直线位移测量装置测量位移时，能够以光产生部10发出的光在所述预设表面上的投射点到所述光产生部10所处平面的距离最大的位置作为测量零点位置，所述测量部13沿着从所述光成像部11指向所述光产生部10的方向位移。
可选的，光产生部和数据处理部通过无线方式传输数据，光成像部和数据处理部通过无线方式传输数据。数据处理部14可包括现场可编程门阵列。
以上对本发明所提供的一种直线位移测量装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (9)
1.一种直线位移测量装置，其特征在于，包括光产生部、光成像部、第一汇聚部、数据处理部和测量部，所述光产生部的发射面和所述光成像部的接收面处于同一平面，所述测量部至少具有相对于所述光产生部的发射面和所述光成像部的接收面所处平面的夹角为预设角度的预设表面，所述测量部可沿着所述光产生部和所述光成像部排列的方向位移；
所述光产生部用于向所述测量部的预设表面发出光，所述第一汇聚部用于收集由所述测量部的预设表面反射回的光并将光汇聚到所述光成像部，所述光成像部用于接收光并成像；
所述数据处理部用于根据所述测量部发生位移前后在所述光成像部上的成像点到所述光成像部中心轴的距离、所述第一汇聚部的焦距以及所述光成像部中心轴到所述光产生部中心轴的距离计算出所述测量部的位移量；
所述数据处理部具体用于：
根据所述测量部发生位移前在所述光成像部上的成像点到所述光成像部中心轴的距离、所述第一汇聚部的焦距以及所述光成像部中心轴到所述光产生部中心轴的距离，计算出此时所述光产生部发出的光在所述预设表面上的投射点到所述光产生部所处平面的距离L0，计算公式表示为：
根据所述测量部发生位移后在所述光成像部上的成像点到所述光成像部中心轴的距离、所述第一汇聚部的焦距以及所述光成像部中心轴到所述光产生部中心轴的距离，计算出此时所述光产生部发出的光在所述预设表面上的投射点到所述光产生部所处平面的距离L，计算公式表示为：
根据以下公式计算所述测量部的位移量d：
d＝ΔL/tanθ，ΔL＝L-L0；
其中，B表示光成像部中心轴到光产生部中心轴的距离，F表示第一汇聚部的焦距，D0表示测量部发生位移前在光成像部上的成像点到光成像部中心轴的距离，D表示测量部发生位移后在光成像部上的成像点到光成像部中心轴的距离，θ表示测量部的预设表面相对于光产生部的发射面和光成像部的接收面所处平面的夹角。
2.根据权利要求1所述的直线位移测量装置，其特征在于，还包括用于将所述光产生部发出的光汇聚到所述测量部的预设表面的第二汇聚部。
3.根据权利要求2所述的直线位移测量装置，其特征在于，所述第二汇聚部和所述第一汇聚部处于同一平面。
4.根据权利要求1所述的直线位移测量装置，其特征在于，所述测量部包括基座和设置在所述基座上的形成预设表面的介质层。
5.根据权利要求4所述的直线位移测量装置，其特征在于，所述测量部的基座和介质层可拆卸连接。
6.根据权利要求4所述的直线位移测量装置，其特征在于，所述介质层为玻璃层或者表面平整度满足预设要求的非玻璃材质层。
7.根据权利要求1-6任一项所述的直线位移测量装置，其特征在于，以所述光产生部发出的光在所述预设表面上的投射点到所述光产生部所处平面的距离最大的位置作为测量零点位置，所述测量部沿着从所述光成像部指向所述光产生部的方向位移。
8.根据权利要求1-6任一项所述的直线位移测量装置，其特征在于，所述测量部设置在导轨上，可沿导轨移动。
9.根据权利要求1所述的直线位移测量装置，其特征在于，所述光产生部和所述数据处理部通过无线方式传输数据，所述光成像部和所述数据处理部通过无线方式传输数据。
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