CN208283418U - 基于多普勒效应带修正结构的测速传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，所述测速传感器包括有激光器与激光束：激光器发射激光束，激光束入射至三角反射镜，分光镜接收三角反射镜反射的激光束并将其分为激光束一与激光束二，所述激光束一反射至棱镜，光电探测器一接收经棱镜折射并射出的激光束一，并测量其入射位置，同时光电探测器二接收所述激光束二，并测量其入射位置。本实用新型通过多普勒效应：指物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化，同时棱镜对不同波长的激光折射角不同，通过激光束一在光电探测器上入射位置的变化，从而计算被测物体的速度，同时根据光电探测器二接收到激光束二的入射位置对被测物体的速度做出修正。

Description

基于多普勒效应带修正结构的测速传感器

技术领域

本实用新型涉及测量技术领域，具体涉及一种基于多普勒效应带修正结构的测速传感器。

背景技术

近年来，随着半导体激光器与光电探测器的出现，使得激光三角法测量成为可能并且得以广泛应用。激光三角法测量是凭借三角波光学器件和高精度PSD(PositionSensitive Device，位置灵敏(敏感)探测器)，在物体进行了小幅运行时，通过光学三角进行放大，水平运行在光电探测器(PSD)上放大距离，从而在小范围内实现高精度的运动或速度测量。多普勒效应是波源和观察者有相对运动时，观察者接收到波的频率与波源发出的频率并不相同的现象，因此，利用多普勒效应可以进行速度(大小)测量。然而速度是矢量，目前市面上的测速传感器在计算速度时，无法修正因为物体的运动方向使得自身光路产生的偏差，使得被测物体的速度大小计算出现误差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提出一种基于多普勒效应带修正结构的测速传感器。

为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：

一种基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，包括：

激光器，用于发射出激光束；

所述激光束，入射至三角反射镜的所述第一反射面，经第一反射面反射后入射至所述第二反射面；

分光镜，用于接收第二反射面反射的激光束，并将激光束分为激光束一与激光束二；

所述激光束一，入射至棱镜；

所述棱镜，用于使入射的激光束一发生折射，并透射出去；

光电探测器一，用于接收从所述棱镜中透射出的激光束一，并测量其入射位置；

光电探测器二，用于接收从所述分光镜中透射出的激光束二，并测量其入射位置；

处理***，用于根据光电探测器一接收到的激光束一的入射位置变化量、光电探测器二接收到的激光束二的入射位置变化量，计算出被测物体的速度。

在进一步的方案中，所述三角反射镜附着在被测物体上，三角反射镜随着被测物体的移动而移动。通过直接将三角反射镜固定在被测物体上，既能达到波源和观察者相对位置发生变动的目的，又实现反射激光随着被测物体的移动而同步运动。

在进一步的方案中，所述三角反射镜的第一反射面与第二反射面的夹角为直角。第一反射面与第二反射面的夹角为直角时，入射至第一反射面的入射光线和从第二反射面出射的光线平行，从而有利于***中各部件的布置，使整体结构尽可能小型化，也方便于被测物体的速度计算。

在进一步的方案中，所述棱镜的材质为光子晶体。光子晶体可以减少光的色散与衰弱。

在进一步的方案中，所述棱镜包括棱镜面一与棱镜面二，所述经分光镜分射出的激光束一入射至棱镜的棱镜面一，并发生折射，发生折射后的激光束一入射至棱镜面二时，棱镜面二使得激光束一再次发生折射，并使激光束一从棱镜面二射出。

在进一步的方案中，所述棱镜面一与棱镜面二相接，其夹角为锐角。

在进一步的方案中，光电探测器一的接收面与经三角反射镜的第二反射面反射的激光束平行，光电探测器二的接收面与经三角反射镜的第二反射面反射的激光束垂直。

另一方面，本实用新型同时提出位置变化量与运行速度标定方法，步骤如下：

步骤一：在被测物体上设置三角反射镜，使得三角反射镜可与被测物体同步运行；

步骤二：调整激光器、分光镜、三角反射镜、棱镜、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，激光束入射三角反射镜的第一反射面，经第一反射面反射后入射至第二反射面，经第二反射面反射后入射至分光镜，所述分光镜将激光束分为激光束一与激光束二，所述激光束一入射至棱镜，经棱镜透射后被光电探测器一接收，所述激光束二入射至光电探测器二；

步骤三：在标准运动方向下，给定大小不同的速度V1、V2、V3…Vn,记录对应速度下的光电探测器一的位置变化量X1、X2、X3…Xn，记录对应速度下的光电探测器二的位置变化量Y1、Y2、Y3…Yn,修正后的光电探测器位置变化量为X1-kY1、X2-kY2、X3-kY3…Xn-kYn，α2为入射至光电探测器二的激光束与光电探测器二的接收面的夹角，α1为入射至光电探测器一的激光束与光电探测器一的接收面的夹角，通过非线性拟合获得标准运动方向下，运动速度与光电探测器的位置变化量的公式和/或关系曲线。

另一方面，本实用新型还提供一种上述基于多普勒效应带有修正结构的测速传感器的测量方法，包括以下步骤：

在被测物体上设置三角反射镜，使得三角反射镜可与被测物体同步运行；

调整激光器、分光镜、三角反射镜、棱镜、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，激光束入射三角反射镜的第一反射面，经第一反射面反射后入射至第二反射面，经第二反射面反射后入射至分光镜，所述分光镜将激光束分为激光束一与激光束二，所述激光束一入射至棱镜，经棱镜透射后被光电探测器一接收，所述激光束二入射至光电探测器二；

被测物体沿靠近或远离激光器的方向做不规则运行，且运动过程中激光器发射的激光束沿同一光路传输至三角反射面的第一反射面；

根据光电探测器一在运动过程中接收到的激光束一的入射位置的变化量及光电探测器二的入射位置变化量，计算被测物体的速度。

与现有技术相比，使用本实用新型提供的一种基于多普勒效应带有修正结构的测速传感器及其测量方法，其有益效果为：本实用新型通过多普勒效应：指物体辐射的波长因为光源和观测者的相对运动而产生变化，同时根据棱镜对不同波长的激光折射角不同，根据光电探测器一在运动过程中接收到的激光束一的入射位置的变化量及光电探测器二的入射位置变化量计算被测物体的速度。本实用新型测速传感器结构简单，成本低，并且利用光电探测器二的入射位置变化量修正了因为物体的运动方向不规则而使得自身光路产生的偏差导致的测量误差，避免了被测物体在其它方向上的运动对速度测量的影响，测量精度较传统方法有显著提高。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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为本实用新型实施例中提供的一种基于多普勒效应带修正结构的测速传感器的结构示意图。

图2为本实用新型实施例中提供的另一种结构的基于多普勒效应带修正结构的测速传感器的结构示意图。

图3为本实用新型实施例中提供的另一种结构的基于多普勒效应带修正结构的测速传感器的结构示意图。

图中标记说明

激光器1，激光束2，激光束一21，激光束二22，分光镜3，被测物体4，三角反射镜5，第一反射面51，第二反射面52，棱镜6，棱镜面一61，棱镜面二62，光电探测器一7，光电探测器二8。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，本文中所述的标准运动方向是指，被测物体的运动方向与激光源的激光方向相同；不规则运行方向是指，在被测物体向激光源靠近或远离的运动过程中，除标准运动方向以外的方向。

请参阅图1，本实施例示意性地公开了一种基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，包括激光器1，激光束2，激光束一21，激光束二22，分光镜3，三角反射镜5，棱镜6，光电探测器一7，光电探测器二8，其中三角反射镜,5包括第一反射面51和第二反射面52，同时三角反射镜5附着在被测物体4上，所述棱镜6包括棱镜面一61和棱镜面二62。

本新型基于多普勒效应带修正结构的测速传感器中：

激光器1用于发射出激光束2，激光束2入射至三角反射镜5的第一反射面51，经第一反射面51反射后入射至所述第二反射面52；分光镜3接收第二反射面52反射的激光束2后，使得激光束2分成激光束一21与激光束二22，并使得所述激光束一21入射至棱镜6的棱镜面一61，棱镜面一61使得入射的激光束一21发生折射并入射至棱镜面二62，棱镜面二62使得激光束一21再次发生折射，并射出，光电探测器一7接收由棱镜面二62射出的激光束一21，并测量其入射位置。同时，光电探测器二8接收由分光镜3分射出的激光束二22，并测量其入射位置。处理***，用于根据光电探测器一接收到的激光束一的入射位置变化量、光电探测器二接收到的激光束二的入射位置变化量，计算被测物体的速度。

如图1所示，箭头方向为被测物体与三角反射镜的运动方向，被测物体与三角反射镜运动前的位置用实线表示，被测物体与三角反射镜运动后的位置用虚线表示。另外的，光电传感器一7与光电传感器二8均采用PSD(位置敏感探测器)，被测物体运动前的激光束一21与激光束二22用实线表示，被测物体运动后的激光束一21与激光束二22用虚线表示，激光束一21与激光束二22的传输路径如下：

被测物体运动前，激光器1用于发射出激光束2，激光束2入射至三角反射镜5的第一反射面51，经第一反射面51反射后入射至所述第二反射面52；分光镜3接收第二反射面52反射的激光束2后，使得激光束2分成激光束一21与激光束二22，并使得所述激光束一21入射至棱镜6的棱镜面一61，棱镜面一61使得入射的激光束一21发生折射并入射至棱镜面二62，棱镜面二62使得激光束一21再次发生折射，并射出，光电探测器一7接收由棱镜面二62射出的激光束一21，并测量其入射位置。此时此处记为第一入射位置。

同时，光电探测器二8接收由分光镜3分射出的激光束二22，并测量其入射位置。此时此处记为第二入射位置。

被测物体运动后(被测物体沿靠近或远离激光器的方向做不规则运动，即沿不规则运动方向运动)，激光器1用于发射出激光束2，激光束2入射至三角反射镜5的第一反射面51，经第一反射面51反射后入射至所述第二反射面52；分光镜3接收第二反射面52反射的激光束2后，使得激光束2分成激光束一21与激光束二22，并使得所述激光束一21入射至棱镜6的棱镜面一61，棱镜面一61使得入射的激光束一21发生折射并入射至棱镜面二62，棱镜面二62使得激光束一21再次发生折射，并射出，光电探测器一7接收由棱镜面二62射出的激光束一21，并测量其入射位置。此时此处记为第三入射位置。

同时，光电探测器二8接收由分光镜3分射出的激光束二22，并测量其入射位置。此时此处记为第四入射位置。

根据第一入射位置与第三入射位置即可得到光电探测器一探测到的入射位置变化量，同时，通过第二入射位置与第四入射位置即可计算得到光电探测器二探测到的入射位置变化量，对光电探测器一探测到的位置变化量进行修正，再利用修正后的位置变化量即可计算得到较为准确的被测物体的运动速度的大小。

多普勒频移公式如下：

观察者和发射源的频率关系为公式1所示：

f'为观察到的频率；

f为发射源于该介质中的原始发射频率；

v为波在该介质中的行进速度；

v₀为观察者移动速度，若接近发射源则前方运算符号为+号,反之则为-号；

v_s为发射源移动速度，若接近观察者则前方运算符号为-号，反之则为+号。

对于本实用新型而言，激光发射源静止不动，则多普勒频移公式可以简化为公式2：

由于光学材料折射率与光的波长属于非线性关系，因此基于上述结构的测速传感，本实用新型提出了一种位置变化量与运动速度的标定方法，步骤如下：

步骤一：在被测物体上设置三角反射镜，使得三角反射镜可与被测物体同步运行；

步骤二：调整激光器、分光镜、三角反射镜、棱镜、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，激光束入射三角反射镜的第一反射面，经第一反射面反射后入射至第二反射面，经第二反射面反射后入射至分光镜，所述分光镜将激光束分为激光束一与激光束二，所述激光束一入射至棱镜，经棱镜透射后被光电探测器一接收，所述激光束二入射至光电探测器二；

步骤三：在标准运动方向下，给定大小不同的速度V1、V2、V3…Vn,记录对应速度下的光电探测器一的位置变化量X1、X2、X3…Xn，记录对应速度下的光电探测器二的位置变化量Y1、Y2、Y3…Yn,修正后的光电探测器位置变化量为X1-kY1、X2-kY2、X3-kY3…Xn-kYn，α2为入射至光电探测器二的激光束与光电探测器二的接收面的夹角，α1为入射至光电探测器一的激光束与光电探测器一的接收面的夹角，如图2所示，通过非线性拟合获得标准运动方向下，运动速度与光电探测器的位置变化量的公式和/或关系曲线。

在实际应用中，即可根据上述标定方法得到的公式或关系曲线，及光电探测器一和光电探测器二测得的入射位置变化量，得到被测物体的运动速度。

如图2或3所示(图中PSD1与棱镜之间的位于上方的实线为等效线)，由于被测物体运动方向的不规则，使得在运动的过程中，三角反射镜的第二反射面反射的激光束不能沿原光路入射至棱镜的棱镜面一，而是发生了一定的偏移(图中所示的t)，导致棱镜透射后的激光束在光电探测器一的入射位置，相比于沿标准运动方向运动时，发生了偏移，偏移量为图中所示的x1,使得光电探测器一实际探测到的位移变化量(假设为x)，既受激光波长变化所致，也受运动方向不规则所致，因此要消除运动方向不规则性导致的计算误差。由图2或3可知，因此有即对光电探测器一实际探测到的位移变化量x进行修正，修正后的位移量为：α2为入射至光电探测器二的激光束与光电探测器二的接收面的夹角，α1为入射至光电探测器一的激光束与光电探测器一的接收面的夹角。再用修正后的位移量及标定得到的公式或关系曲线即可计算出被测物体的运动速度。

作为一种较优的实施方式，所述第一反射面8与第二反射面9的夹角为直角。容易理解的，此处将第一反射面8与第二反射面9的夹角设置为直角是为了便于各部件的布置，尽可能减小整个设备的尺寸，及方便被测物体运动速度的计算，在保证激光束入射至三角反射镜5的所述第一反射面8，经第一反射面8反射后入射至所述第二反射面9，第二反射面9可以将激光反射至分光镜5的情况下，不限制第一反射面与第二反射面的夹角度数。

作为一种较优的实施方式，三角反射镜5附着在被测物体4上，三角反射镜随着被测物体的移动而移动。通过直接将三角反射镜固定在被测物体上，既能达到波源和观察者相对位置发生变动的目的，又实现反射激光随着被测物体的移动而同步运动。

作为一种较优的实施方式，棱镜面一61与棱镜面二62呈锐角相接。在保障激光束一21入射棱镜6，棱镜6使所述激光束一21发生折射，并透射出去后，激光束一21仍然能入射光电探测器一7的情况下，不限制棱镜面一61与棱镜面二62的夹角度数。

作为一种较优的实施方式，所述棱镜6的材质优选为光子晶体。此处采用光子晶体是为了减少光的色散与衰弱，在保证激光束一21仍能入射至光电探测器一7的情况下，对棱镜的材质不做限制。

作为一种较优的实施方式，所述光电探测器一7的接收面与经三角反射镜的第二反射面9反射的激光束平行，光电探测器二8的接收面与经三角反射镜的第二反射面9反射的激光束垂直。容易理解的，此处的设置是为了减小整个设备的尺寸，及方便被测物体运动速度的计算，此处不限制光电探测器的摆放角度。

作为一种较优的实施方式，分光镜的摆放位置宜满足：第二反射面反射的激光束呈45°入射至分光镜，使得测速传感器的整体结构美观，当然分光镜及棱镜的摆放位置也可以没有特殊限定，如图2和3所示。

上述本实施例中提供的基于多普勒效应的带修正结构测速传感器，其基于多普勒效应实现，整个测速传感器的结构简单，成本低，且测量精度高。

基于上述基于多普勒效应带有修正结构的测速传感器，其测量方法包括以下步骤：

步骤一：

在被测物体上设置三角反射镜，使得三角反射镜可与被测物体同步运行；

步骤二：

调整激光器、分光镜、三角反射镜、棱镜、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，激光束入射三角反射镜的第一反射面，经第一反射面反射至第二反射面，经第二反射面反射后入射至分光镜，所述分光镜将激光束分为激光束一与激光束二，所述激光束一入射至棱镜，经棱镜透射后被光电探测器一接收，所述激光束二入射至光电探测器二；

步骤三：

被测物体沿靠近或远离激光器的方向做不规则运行，且运动过程中激光器发射的激光束沿同一光路传输至三角反射面的第一反射面；

步骤四：

根据光电探测器一在运动过程中接收到的激光束一的入射位置的变化量及光电探测器二的入射位置变化量，计算被测物体的速度。

当被测物体不是按照标准运动方向运行时，光电探测器一上的入射位置变化量由两个因素决定，即被测物体的运行速度(大小)和运行方向，本实施例方案中，通过光电探测器二测得的入射位置变化量即可测得运动方向导致的位置变化，因此，利用光电探测器二测得的数据对光电探测器一测得的数据进行修正，即可消除运动方向对光电探测器一的数据的影响，进而提高测量的准确度。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，本实用新型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实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，其特征在于，包括：

可随被测物体同步移动的三角反射镜，包括第一反射面和第二反射面；

激光器，用于发射出激光束；

所述激光束，入射至三角反射镜的所述第一反射面，经第一反射面反射后入射至所述第二反射面；

分光镜，用于接收第二反射面反射的激光束，并将激光束分为激光束一与激光束二；

所述激光束一，入射至棱镜；

所述棱镜，用于使入射的激光束一发生折射，并透射出去；

光电探测器一，用于接收从所述棱镜中透射出的激光束一，并测量其入射位置；

光电探测器二，用于接收从所述分光镜中透射出的激光束二，并测量其入射位置；

处理***，用于根据光电探测器一接收到的激光束一的入射位置变化量、光电探测器二接收到的激光束二的入射位置变化量，计算出被测物体的速度。

2.根据权利要求1所述的基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，其特征在于，所述三角反射镜的第一反射面与第二反射面之间的夹角为直角。

3.根据权利要求1或2所述的基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，其特征在于，第二反射面反射的激光束呈45°入射至分光镜。

4.根据权利要求1所述的基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，其特征在于，所述棱镜的材质为光子晶体。

5.根据权利要求4所述的基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，其特征在于，所述棱镜包括棱镜面一与棱镜面二，所述经分光镜分射出的激光束一入射至棱镜的棱镜面一，并发生折射，发生折射后的激光束一入射至棱镜面二时，棱镜面二使得激光束一再次发生折射，并使激光束一从棱镜面二射出。

6.根据权利要求5所述的基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，其特征在于，所述棱镜面一与棱镜面二相接，其夹角为锐角。

7.根据权利要求1所述的基于多普勒效应带修正结构的测速传感器，其特征在于，光电探测器一的接收面与经三角反射镜的第二反射面反射的激光束平行；和/或，光电探测器二的接收面与经三角反射镜的第二反射面反射的激光束垂直。