CN201514481U - 激光测距仪 - Google Patents

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Abstract

一种激光测距仪，包括供电***、激光模组和控制***；所述供电***连接激光模组和控制***为它们供电，其特征是所述激光模组是相位差式测距激光模组。本实用新型采用相位差式测量方法，定位于近距离精确测距精度高，输出方式多样。

Description

激光测距仪
技术领域
本实用新型涉及工业自动化控制，具体是一种用于工程精确测量等的机构测距仪。
背景技术
在激光测距领域有两种主要方法，脉冲式和相位差式，而传统的激光测距多为脉冲式测距，测量距离一般在100m以上，且误差较大，测量精度大多为“cm”数量级，对近距离的长度测量则有一定的局限性，不能进行准确测量甚至不能测量。
发明内容：
为解决传统方法在近距离激光测量中存在的近距测量不准确和误差较大的问题，本实用新型提供了一款激光测距仪，具体技术方案为：
一种激光测距仪，包括供电***、激光模组和控制***；所述供电***连接激光模组和控制***为它们供电，其特征是所述激光模组是相位差式测距激光模组。
所述控制***包括微处理器、显示模块和***输出电路；微处理器的输出端连接显示模块和***输出电路。所述***输出电路包括NPN开关量输出电路、PNP开关量输出电路、模拟电压输出电路和模拟电流输出电路。显示模块包括LED状态显示模块和液晶显示模块。
所述供电***是DC/DC转换电路，DC/DC转换电路的输入端外接直流电源，DC/DC转换电路的输出端连接激光模组和控制***。
所述相位差式测距激光模组包括光源、调制器、主振器、光学发射/接收***、光电转换器、相位测量计、主控振荡器、本机振荡器、参考信号混频器和测距信号混频器；
所述主控信号振荡器的输出端连接调制器，调制器的输出端与光源连接，载波后的光波经过光学发射***发射；其中一部分光波经内光路传到光学接收***，另一部分光波经外光路传到光学接收***，两部分光波传入光电转换器；所述光电转换器的输出端连接测距信号混频器的输入端，测距信号混频器的输入端还连接本机振荡器的输出端；所述测距信号混频器的输出端经放大电路连接相位测量计的输入端；
所述参考信号混频器的输入端连接主控振荡器和本机振荡器的输出端，参考信号混频器的输出端经选频放大电路连接相位测量计的输入端；
所述光电转换器是光电倍增管，所述光电倍增管前端设有连续减光板。
本测距仪的原理如下：
调制波发射并返回后即为高频信号，经测距信号混频器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频测距信号。该低频测距信号仍保留了高频测距信号原有的相位延迟。为了进行比相，主振高频测距信号的一部分称为参考信号与本振高频信号同时送入参考信号混频器，经过选频放大后，得到可作为比相基准的低频参考信号，由于该低频参考信号没有经过往返测线的路程，所以该低频参考信号不存在相位延迟。因此，低频测距信号和低频参考信号同时送入相位测量计采用数字测相技术进行相位比较，运算器将此相位延迟通过计算将相位差传递给微处理器，由微处理器将此变化转换成光波的传输距离并作相应显示或输出。
相位式测距采用光波作为载波，通过一个调制器使载波的振幅或频率按照调制波的变化做周期性变化，测距时，通过测量调制波在待测距离上往返传播所产生的相位变化，间接的确定传播时间，进而求得待测距离。本实用新型采用多尺测量，即采用对同一距离进行多次、不同的调制光波(这些调制光波则被称之为光尺或测尺)测量，再把测得的数据结合起来，用较长的测尺(又叫辅助测尺或粗测测尺)粗测，用较短的测尺(又叫基本测尺或精测测尺)精测，这样既可以保证测量的确定性(单值性)，又可以保证较高的测量精度。
本测距仪的主振和本振两个部件中还产生一组粗测尺的振荡频率，即主振频率和本振频率。如前所述，若用粗测尺频率进行同样的测量，把精测尺与一组粗测尺的结果组合起来，就能得到整个待测距离的数值了。
调制器，调制器有调制频带宽、调制电压较低和相位均匀性较好的优点，其作用是将测距信号载在光波上，使发射光的振幅随测距信号电压而变化，成为一种调制光波。
另外，在光接收部分增加了光电倍增管，倍增管是一种极其灵敏的高增益光电转换器件，其除了能把光信号转换成电信号以外，还能把电信号进行高倍率的放大，具有很高的灵敏度，放大倍数达到106～107数量级。在倍增管前面还设置了一个连续减光板，以便按距离的远近调节进入的光强的大小，同时可借以避免强光照射倍增管的阴极，造成阴极疲劳和损坏，起到保护作用。
一定的测尺长度对应一定的激光调制频率，又叫做测尺频率，多尺测量时采用一组数值相近的调制频率，通过测量各测尺频率的相位尾数，并取其差值来间接测定相应的差频频率的尾数，把高频信号转化为低频信号(即“同步解调”)，再进行相位差测量，这就是所谓的“差频测相”。
本实用新型利用差频测相，在每次测距时都发送并采样三次不同频率的调制光波，即三把测尺，从而保证了精确测距，测量范围0～20m，误差控制在1mm左右，使近距测量达到了一个新的高度；另外，本新型采用的激光器发射的为红色激光，更好的利用了激光发散角小、不受太阳光干扰等优点实现了精确定位。
本实用新型在显示方面提供了液晶面板实时距离显示和功能输出显示，方便和易于使用的按键，便于调节各种功能，在功能输出上，提供了NPN/PNP各一路开关量输出，具有过载保护功能，并提供了0～10V模拟电压和0～20mA模拟电流的模拟信号输出，且该模拟输出具有和测量距离成正比的特性。
本实用新型采用相位差式测量方法，定位于近距离精确测距，0～20m距离，误差1mm左右，并提供开关量和模拟量输出。
附图说明
图1是本实用新型的电路原理框图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步说明。
一种激光测距仪，包括供电***、激光模组和控制***；所述供电***连接激光模组和控制***为它们供电，其特征是所述激光模组是相位差式测距激光模组。
所述控制***包括微处理器、显示模块和***输出电路；微处理器的输出端连接显示模块和***输出电路。显示模块包括LED状态显示模块和液晶显示模块。所述***输出电路包括NPN开关量输出电路、PNP开关量输出电路、模拟电压输出电路和模拟电流输出电路。
所述供电***是DC/DC转换电路，DC/DC转换电路的输入端外接直流电源，DC/DC转换电路的输出端连接激光模组和控制***。
所述相位差式测距激光模组包括光源(本例的光源是红色激光发射器)、调制器、主振器、光学发射/接收***、光电转换器、相位测量计、主控振荡器、本机振荡器、参考信号混频器和测距信号混频器。
所述主控信号振荡器的输出端连接调制器，调制器的输出端与光源连接，载波后的光波经过光学发射***发射；其中一部分光波经内光路传到光学接收***，另一部分光波经外光路传到光学接收***，两部分光波传入光电转换器；所述光电转换器的输出端连接测距信号混频器的输入端，测距信号混频器的输入端还连接本机振荡器的输出端；所述测距信号混频器的输出端经放大电路连接相位测量计的输入端；所述参考信号混频器的输入端连接主控振荡器和本机振荡器的输出端，参考信号混频器的输出端经选频放大电路连接相位测量计的输入端。
所述光电转换器是光电倍增管，所述光电倍增管前端设有连续减光板。
供电***输入端采用外接直流供电，支持反极保护，内置DC/DC转换电路，输出DC3.3V。该3.3V为本实用新型的主控元件供电，电源输入端电压经稳压后为激光模组和输出端供电。
激光模组由光源、调制器、主振器、光学发射和接收***、相位测量计、振荡器以及各种信号混频器等组成。由光源所发出的光波(红外光或激光，本例采用激光)，进入调制器后，被来自主控振荡器(简称主振)的高频测距信号所调制，成为调幅波。这种调幅波经外光路进入接收器，会聚在光电器件上，光信号立即转化为电信号。这个电信号就是调幅波往返于测线后经过解调的高频测距信号，这个高频测距信号与来自本机振荡器(简称本振)的高频信号经测距信号混频器进行光电混频，经过选频放大后得到一个低频测距信号。该低频测距信号仍保留了高频测距信号原有的相位延迟。为了进行比相，主振高频测距信号的一部分称为参考信号与本振高频信号同时送入参考信号混频器，经过选频放大后，得到可作为比相基准的低频参考信号，由于该低频参考信号没有经过往返测线的路程，所以该低频参考信号不存在相位延迟。因此，低频测距信号和低频参考信号同时送人相位计采用数字测相技术进行相位比较，运算器将此相位延迟通过计算将相位差传递给微处理器，由微处理器将此变化转换成光波的传输距离并作相应显示或输出。
相位式测距仪的主振和本振两个部件中还包含一组粗测尺的振荡频率，即主振频率和本振频率。如前所述，若用粗测尺频率进行同样的测量，把精测尺与一组粗测尺的结果组合起来，就能得到整个待测距离的数值了。
调制器，调制器有调制频带宽、调制电压较低和相位均匀性较好的优点，其作用是将测距信号载在光波上，使发射光的振幅随测距信号电压而变化，成为一种调制光波。
另外，在光接收部分增加了光电倍增管，倍增管是一种极其灵敏的高增益光电转换器件，其除了能把光信号转换成电信号以外，还能把电信号进行高倍率的放大，具有很高的灵敏度，放大倍数达到106～107数量级。在倍增管前面还设置了一个连续减光板，以便按距离的远近调节进入的光强的大小，同时可借以避免强光照射倍增管的阴极，造成阴极疲劳和损坏，起到保护作用。
控制***：主要由微处理器和***输出控制、保护电路组成，微处理器通过串口与激光模组连接，设置为9600的波特率，采集相位计的比较值并计算相应的结果，将相关的数值通过显示面板进行人机交互，包括在显示面板上对测量距离和功能的实时显示，并控制相关量输出，输出方式包括NPN/PNP各一组的开关量输出(均有过载保护功能)、一组0～10V模拟电压和0～20mA模拟电流的模拟信号输出，该模拟输出具有和测量距离成正比的特性，并且各种输出均具有窗口输出功能，远点和近点可设置。所述NPN开关量输出电路、PNP开关量输出电路、模拟电压输出电路和模拟电流输出电路在现有技术中比较多见，在此不作进一步限制。
本实用新型利用差频测相，在每次测距时都发送并采样三次不同频率的调制光波，即三把测尺，从而保证了精确测距，测量范围0～20m，误差控制在1mm左右，使近距测量达到了一个新的高度；另外，本例采用的激光器发射的为红色激光，更好的利用了激光发散角小、不受太阳光干扰等优点实现了精确定位。

Claims (8)

1.一种激光测距仪，包括供电***、激光模组和控制***；所述供电***连接激光模组和控制***为它们供电，其特征是所述激光模组是相位差式测距激光模组。
2.根据权利要求1所述的激光测距仪，其特征是所述控制***包括微处理器、显示模块和***输出电路；微处理器的输出端连接显示模块和***输出电路。
3.根据权利要求1所述的激光测距仪，其特征是所述供电***是DC/DC转换电路，DC/DC转换电路的输入端外接直流电源，DC/DC转换电路的输出端连接激光模组和控制***。
4.根据权利要求1所述的激光测距仪，其特征是所述相位差式测距激光模组包括光源、调制器、主振器、光学发射/接收***、光电转换器、相位测量计、主控振荡器、本机振荡器、参考信号混频器和测距信号混频器；
所述主控信号振荡器的输出端连接调制器，调制器的输出端与光源连接，载波后的光波经过光学发射***发射；其中一部分光波经内光路传到光学接收***，另一部分光波经外光路传到光学接收***，两部分光波传入光电转换器；所述光电转换器的输出端连接测距信号混频器的输入端，测距信号混频器的输入端还连接本机振荡器的输出端；所述测距信号混频器的输出端经放大电路连接相位测量计的输入端；
所述参考信号混频器的输入端连接主控振荡器和本机振荡器的输出端，参考信号混频器的输出端经选频放大电路连接相位测量计的输入端。
5.根据权利要求4所述的激光测距仪，其特征是所述光电转换器是光电倍增管，所述光电倍增管前端设有连续减光板。
6.根据权利要求2所述的激光测距仪，其特征是显示模块包括LED状态显示模块和液晶显示模块。
7.根据权利要求2所述的激光测距仪，其特征是所述***输出电路包括NPN开关量输出电路、PNP开关量输出电路、模拟电压输出电路和模拟电流输出电路
8.根据权利要求4所述的激光测距仪，其特征是所述光源是红色激光发射器。
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