CN115079196A - 一种长距离高精度激光位移传感器方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种长距离高精度激光位移传感器传感器方法，采用长焦距成像镜对长距离目标表面的激光光斑进行成像，可以在较长距离处获取一个较小的测量范围成像。采用多片反射镜对透过成像镜的光线进行多次折返，显著减小测头体积，提高现场安装使用的便利性。采用一体式连接板，把所有的光电元件全部安装在一起，形成集成式光电组件，实现了多个光电器件的准确定位与长久稳固，显著提升了传感器的稳定性。传感器测头的外形尺寸保持一致，具有最高程度的互换性。该传感器可以有效解决激光位移传感器距离与精度的矛盾，可以在长距离处获得较高的测量精度，而且测头体积小、成本低、稳定性好、互换性好，具有广泛的实用性和通用性。
Description
技术领域
本发明涉及一种激光位移传感器方法。具体地，是一种长距离高精度激光位移传感器方法。
背景技术
激光位移传感器，是基于激光三角测距原理实现目标距离测量的一种传感器，它具有非接触、高精度、高速度、适用广的显著优势，其应用越来越广泛。
现有的激光位移传感器通常采用不同规格，可以在不同的距离与量程范围内实现目标位移的测量。通常，激光位移传感器的测量距离越远，传感器的量程范围也越大。例如某激光位移传感器，中心距离40mm、量程范围20mm（30~50mm），中心距离110mm、量程范围100mm（60~160mm），中心距离220mm、量程范围200mm（120~320mm），等等。
一般而言，激光位移传感器的测量精度标注为相对精度，是相对于量程范围的测量精度的百分数形式。因此，量程范围越大，其绝对误差也就越大。例如某激光位移传感器的非线性为±0.1%FS，对于量程20mm规格传感器的非线性误差即为±0.02mm，对于量程100mm规格传感器的非线性误差即为±0.1mm，对于量程200mm规格传感器的非线性误差即为±0.2mm，等等。
然而，在激光位移传感器的实际应用过程中，往往需要在一个比较远的距离测量一份范围并不太大的位移量，而且绝对精度要求比较高。例如，需要在200mm距离测量20mm范围的位移，非线性误差要求±0.02mm。如果采用上述的量程20mm规格的激光位移传感器，其非线性误差为±0.02mm、精度可以满足要求，但是其量程范围仅为30~50mm、距离无法满足要求。如果采用上述的量程200mm规格的激光位移传感器，其量程范围仅为120~320mm、距离可以满足要求，但是其非线性误差为±0.2mm、测量精度无法满足要求。
一般而言，量程与精度对于所有的激光位移传感器而言总是互相矛盾的，无法求得兼顾。上述的应用情形仅仅是需要在长距离进行测量，其量程范围需求并不大。只不过，现有的激光位移传感器只有在大量程范围的规格才能达到长距离测量，而大量程传感器的绝对精度又无法满足要求。这种现象已经成为行业普遍情形，因此也是需要继续解决的问题之一。
发明内容
本发明针对现有激光位移传感器长距离测量时存在的量程范围大、测量精度低的缺陷，提出一种长距离高精度激光位移传感器方法。该传感器采用长焦距成像镜对长距离目标表面的激光光斑进行成像，可以在较长距离处获取一个较小的测量范围成像。为了克服传统长焦距镜头像距大、导致测头体积过大、成本高、不便安装等问题，采用多片反射镜对透过成像镜的光线进行多次折返，显著减小测头体积，降低硬件成本，提高现场安装使用的便利性。为了克服多个光学元件之间位置的准确性与稳固性不易保证的问题，采用一体式连接板，把激光器、聚焦镜、成像镜、反射镜以及光电器件全部安装在一起，形成集成式光电组件，实现了多个光电器件的准确定位与长久稳固，显著提升了传感器的稳定性。该传感器可以有效解决激光位移传感器距离与精度的矛盾，可以在长距离处获得较高的测量精度，而且测头的体积小、成本低、稳定性好、互换性好，具有广泛的实用性和通用性。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明提出的长距离高精度激光位移传感器的特殊之处在于，所述的传感器包括激光器、聚焦镜、成像镜、反射镜、光电器件、控制电路、连接板、外壳几个部分，其中：
所述的激光器为半导体激光二极管，可以在控制电路的控制之下产生测量用激光束，也可以在控制电路的控制之下关闭激光；
所述的聚焦镜为准直聚焦镜，可以采用光学玻璃或者树脂材料制作，可将激光二极管的发散光束汇聚成准直聚焦光束，投向被测目标的表面，并形成小尺寸的测量光斑；
所述的成像镜为长焦距镜片，可以对长距离处的被测目标表面上的激光光斑进行成像，而且可以将较小的位移范围成像到光电器件之上，以保证足够高的测量精度；
所述的反射镜为平面反射镜，并且为多片，可将透过成像镜的光束方向进行多次折返，改变光路原有方向，可以同时减小传感器的横向尺寸与纵向尺寸；
所述的光电器件为位置敏感器件，可以接受来自反射镜的光束照射，并输出与光束照射位置相关的电信号、送入控制电路进行处理；
所述的控制电路为以微处理器为核心的测控电路，一方面可以控制激光器，根据需要发射激光或者关闭激光；另一方面接收来自光电器件的电信号，计算得出位移值；
所述的连接板为一体式多功能结构件，可以同时对激光器、聚焦镜、成像镜、反射镜、光电器件进行准确而可靠的定位与固定；
所述的外壳为高稳定整体式结构件，既可以对连接板进行准确定位与可靠固定，还可以实现整个传感器的定位与固定。
本发明的长距离高精度激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的成像镜为多片镜的组合，也可以采用胶合镜；成像镜的焦距可以保证被测目标在长距离、小量程范围内的良好成像，被测目标距离越远、成像镜焦距越长。
本发明的长距离高精度激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的反射镜为镀铝平面反射镜；反射镜的数量取决于成像镜的焦距与测头尺寸限制，成像镜焦距越长、所需的反射镜的数量越多。
本发明的长距离高精度激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的连接板为结构参数可变型，可以适应全系列的所有规格，保证传感器测头的尺寸不变，实现传感器的归一化，方便用户安装使用。
附图说明
图1是本发明的长距离高精度激光位移传感器的组成示意图；
图2是本发明的成像镜原理组成示意图；
图中，1-激光器，2-聚焦镜，3-成像镜，4-反射镜，5-光电器件，6-控制电路，7-连接板，8-外壳，9-被测目标。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
本发明提出的长距离高精度激光位移传感器的特殊之处在于，所述的传感器包括激光器1、聚焦镜2、成像镜3、反射镜4、光电器件5、控制电路6、连接板7、外壳8几个部分，如图1所示，其中：
所述的激光器1为半导体激光二极管，例如波长为650nm的红光激光二极管，可以在控制电路6的控制之下产生测量用激光束，也可以在控制电路6的控制之下关闭激光；
所述的聚焦镜2为准直聚焦镜，可以采用光学玻璃或者树脂材料制作，可将激光二极管1的发散光束汇聚成准直聚焦光束，投向被测目标9的表面，并形成小尺寸的测量光斑；
所述的成像镜3为长焦距镜片，可以对长距离处的被测目标9表面上的激光光斑进行成像，而且可以将较小的位移范围成像到光电器件5之上，以保证足够高的测量精度；
所述的反射镜4为平面反射镜，并且为多片，例如图1中反射镜4为两片，分别为4a和4b；反射镜4可将透过成像镜3的光束方向进行多次折返，改变光路原有方向，可以同时减小传感器的横向尺寸与纵向尺寸；例如图1中，第一片反射镜4a对透过成像镜3的光束方向进行第一次反射，避免传感器测头的纵向尺寸过大；第二片反射镜4b对经过反射镜4a反射的光束方向进行第二次反射，避免传感器测头的横向尺寸过大；
所述的光电器件5为一维位置敏感器件，例如线阵CCD、线阵CMOS、一维PSD等；光电器件5可以接受来自反射镜4的光束照射，并输出与光束照射位置相关的电信号、送入控制电路6进行处理；例如图1中，光电器件5接受来自反射镜4b的反射光线照射，产生的电信号送入控制电路6进行处理；
所述的控制电路6为以微处理器为核心的测控电路，一方面可以控制激光器1，根据需要发射激光或者关闭激光；另一方面接收来自光电器件5的电信号，计算得出位移值；
所述的连接板7为一体式多功能结构件，可以同时对激光器1、聚焦镜2、成像镜34、反射镜、光电器件5进行准确而可靠的定位与固定；
所述的外壳8为高稳定整体式结构件，既可以对连接板7进行准确定位与可靠固定，还可以实现整个传感器的定位与固定。
本发明的长距离高精度激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的成像镜3为多片镜的组合，也可以采用胶合镜；成像镜3的焦距可以保证被测目标9在长距离、小量程范围内的良好成像，被测目标9的距离越远、成像镜3的焦距就越长；如图2所示，成像镜为双胶合透镜，可以满足长距离、小范围的成像需求；例如图1中，被测目标处于200mm距离处，位移范围为20mm（±10mm），对应的成像镜3的焦距应为120mm左右。
本发明的长距离高精度激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的反射镜4为镀铝平面反射镜，结构简单、成本低、性能良好；反射镜的数量取决于成像镜的焦距与测头尺寸限制，成像镜焦距越长、所需的反射镜的数量越多；例如图1中，被测目标9处于200mm距离处，位移范围为20mm（±10mm），成像镜3的焦距为120mm，所需的反射镜4的数量至少为2片，为图中的4a和4b。
本发明的长距离高精度激光位移传感器的特殊之处还在于，所述的连接板7为结构参数可变型，可以适应全系列的所有规格；对于不同测量距离与量程，只需改变连接板7的结构参数，就可以实现测量，并且保证传感器测头的尺寸不变，实现传感器的归一化和互换性，方便用户安装使用。
与现有技术相比，本发明的长距离高精度激光位移传感器方法的有益效果是：
（1）本发明的长距离高精度激光位移传感器采用长焦距成像镜，可以实现被测目标在较长距离处的小范围位移测量，从而即保证了测量距离，又保证了测量精度。
（2）本发明的长距离高精度激光位移传感器采用多片反射镜对透光成像镜的光线进行多次折返，从而可以克服长焦距成像镜像距过长造成的测头尺寸过大问题，同时可以降低成本，方便现场安装使用。
（3）本发明的长距离高精度激光位移传感器既可以有效解决激光位移传感器的长距离测量精度问题，而且采用多功能连接板将所有光电元件集成安装在一起，既保证了测量精度和稳定性，又使得不同规格的传感器外壳尺寸保持一致，具有最高程度的互换性，实用性和通用性极具优势。
由此可见，本发明的技术方案相比于传统的激光位移传感器而言具有非常突出的技术优势与进步。
Claims (4)
1.一种长距离高精度激光位移传感器，其特征在于：所述的传感器包括激光器、聚焦镜、成像镜、反射镜、光电器件、控制电路、连接板、外壳几个部分，其中：
所述的激光器为半导体激光二极管，可以在控制电路的控制之下产生测量用激光束，也可以在控制电路的控制之下关闭激光；
所述的聚焦镜为准直聚焦镜，可以采用光学玻璃或者树脂材料制作，将激光二极管的发散光束汇聚成准直聚焦光束，投向被测目标的表面，形成小尺寸的测量光斑；
所述的成像镜为长焦距镜片，可以对长距离处的被测目标表面上的激光光斑进行成像，而且可以将较小的位移范围成像到光电器件之上，以保证足够高的测量精度；
所述的反射镜为平面反射镜，并且为多片，可将透过成像镜的光束方向进行多次折返，改变光路原有方向，可以同时减小传感器的横向尺寸与纵向尺寸；
所述的光电器件为位置敏感器件，可以接受来自反射镜的光束照射，并输出与光束照射位置相关的电信号、送入控制电路进行处理；
所述的控制电路为以微处理器为核心的测控电路，一方面可以控制激光器，根据需要发射激光或者关闭激光；另一方面接收来自光电器件的电信号，计算得出位移值；
所述的连接板为一体式多功能结构件，可以同时对激光器、聚焦镜、成像镜、反射镜、光电器件进行准确而可靠的定位与固定；
所述的外壳为高稳定整体式结构件，既可以对连接板进行准确定位与可靠固定，还可以实现整个传感器的定位与固定。
2.根据权利要求1所述的长距离高精度激光位移传感器，其特征还在于：所述的成像镜为多片镜的组合，也可以采用胶合镜；成像镜的焦距可以保证被测目标在长距离、小量程范围内的良好成像，被测目标距离越远、成像镜焦距越长。
3.根据权利要求1所述的长距离高精度激光位移传感器，其特征还在于：所述的反射镜为镀铝平面反射镜；反射镜的数量取决于成像镜的焦距与测头尺寸限制，成像镜焦距越长、所需的反射镜的数量越多。
4.根据权利要求1所述的长距离高精度激光位移传感器，其特征还在于：所述的连接板为结构参数可变型，可以适应全系列的所有规格，保证传感器测头的尺寸不变，实现传感器的归一化，方便用户安装使用。
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