可抑制激光漂移和表面傾斜的對稱式激光位移傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及的是一種位移測量技術(shù)領(lǐng)域的傳感器，具體是一種可抑制激光漂移和表面傾斜的對稱式激光位移傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，制造業(yè)作對各種在線檢測手段也提出了越來越高的要求，除了高精度、非接觸、數(shù)字化等測量性能要求之外，對于穩(wěn)定性、通用性、互換性等維護性能的要求也是與日倶增，以期不斷降低維護成本，已經(jīng)成為公認的在線檢測領(lǐng)域的未來趨勢。其中，位移是一項重要的測量內(nèi)容，被廣泛應(yīng)用在工業(yè)檢測的各個領(lǐng)域中。激光三角位移傳感器作為光電檢測中的一種非接觸式測量方法，具有測量速度快、精度高、抗干擾能力強、測量點小、適用范圍廣等優(yōu)點，受到越來越廣泛的關(guān)注。
[0003]但是目前世界上現(xiàn)有的激光位移傳感器基本上都存在兩個共同的問題:其一，由于采用半導(dǎo)體激光二極管作為光源，而激光二極管自身存在明顯的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致激光二極管發(fā)出的激光束的指向性存在漂移。而這種漂移將直接產(chǎn)生測量誤差，嚴(yán)重降低位移傳感器的測量精度。其二，當(dāng)被測目標(biāo)表面出現(xiàn)一定傾斜時，在光電器件上講不可避免地產(chǎn)生波形的變化，從而導(dǎo)致定位誤差，降低位移測量精度。
[0004]為了解決上述問題，有些學(xué)者提出雙CCD技術(shù)方案(例如天津大學(xué)張偉娜的學(xué)位論文《用于橡膠厚度測量的雙光路位移傳感器的研制》)，采用兩個CCD對稱分布于激光發(fā)光平面的兩側(cè)，同時接收漫發(fā)射光，即在兩個CCD上同時獲得兩個定位結(jié)果，通過數(shù)據(jù)處理可以計算出被測位移值。這種方法可以有效解決激光束指向性漂移和被測目標(biāo)表面傾斜產(chǎn)生的測量誤差。但是，這種方法也存在一定的限制，主要在于同時采用兩套光電器件，將導(dǎo)致傳感器的電路系統(tǒng)非常復(fù)雜、成本大幅度提高、外形體積也顯著增加，導(dǎo)致傳感器的性價比大幅度下降。因此，這種方法并沒有成功應(yīng)用于傳感器產(chǎn)品之中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有激光位移傳感器的激光指向性漂移和被測表面傾斜帶來的測量精度下降問題，提出一種可抑制激光漂移的對稱式激光位移傳感器方法。該激光位移傳感器采用一個發(fā)射鏡組、兩個接收鏡組和一個光電器件實現(xiàn)位移測量，兩個接收鏡組對稱分布于發(fā)射鏡組的兩側(cè)，同時接收測量光斑的漫反射光，并同時將測量光斑成像到同一個光電器件之上，形成兩個波形，通過數(shù)據(jù)處理可以得到被測位移值。這種傳感器可以有效抑制激光束指向性的漂移和被測表面的傾斜對測量精度的影響，而且只有一個光電器件，電路系統(tǒng)保持不變，系統(tǒng)簡單、成本低、性價比高、實用性強。
[0006]
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
本發(fā)明的激光位移傳感器主要包括:發(fā)射鏡組、激光二極管、外殼、處理電路、電纜、光電器件、反射鏡、接收鏡組、濾光片等。本發(fā)明的激光位移傳感器的特殊之處在于，傳感器具有兩個接收鏡組和兩個反射鏡，對稱布置于發(fā)射鏡組的兩側(cè)。
[0007]整個系統(tǒng)的工作流程是:由激光二極管發(fā)射的激光束通過發(fā)射鏡組準(zhǔn)直和聚焦之后，照射到被測目標(biāo)的表面并形成一個測量光斑，該測量光斑分別通過左右兩個接收鏡組和反射鏡后同時成像在光電器件敏感面上，并形成兩個測量成像波形，該波形信號有光電器件傳送到處理電路，處理電路通過一定的算法得到被測物體的位移測量結(jié)果，并將位移測量結(jié)果形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，通過電纜傳送給其他設(shè)備。
[0008]本發(fā)明的激光二極管是一種小型激光二極管件，優(yōu)先選用半導(dǎo)體激光二極管，要求輸出光強穩(wěn)定，輸出光束截面形狀為單峰且持續(xù)穩(wěn)定。同時，為了滿足測控要求，該激光二極管不僅是可以持續(xù)發(fā)光的，而且是可以連續(xù)調(diào)制的，調(diào)制頻率和脈沖寬度均為連續(xù)可調(diào)的。
[0009]本發(fā)明的發(fā)射鏡組是同時具有聚焦與準(zhǔn)直功能的光學(xué)鏡組，保證激光束在被測目標(biāo)表面形成的測量光斑在整個測量量程范圍內(nèi)保持最小，而且基本不變。
[0010]本發(fā)明的接收鏡組的特殊之處在于，接收鏡組一共有兩個，對稱布置于發(fā)射鏡組的兩側(cè)，同時瞄準(zhǔn)測量光斑。左右兩個接收鏡組9完全一樣，保證對稱性。
[0011 ]本發(fā)明的濾光片與接收鏡組平行布置，可以有效避免被測目標(biāo)移動時產(chǎn)生的成像偏差。此外，本發(fā)明的濾光片采用與激光二極管的波長吻合的窄帶濾光片，可以減少環(huán)境光的干擾和影響，保持傳感器工作的穩(wěn)定性和可靠性。
[0012]本發(fā)明的反射鏡的特殊之處在于，兩個反射鏡也是對稱布置于發(fā)射鏡組的兩側(cè)，可將兩個接收鏡組的成像投向光電器件，形成兩個對稱的成像波形。反射鏡可以采用各種通行的輕質(zhì)反射鏡。
[0013]本發(fā)明的光電器件的特殊之處在于，光電器件置于激光二極管的后面，垂直于激光二極管和發(fā)射鏡組的光軸。這樣可以保證測量光斑經(jīng)過兩個接收鏡組和兩個反射鏡之后在光電器件上的成像波形位置是完全對稱的。本發(fā)明的光電器件可以采用線陣CCD或CMOS，其像素數(shù)目可根據(jù)測量精度來選用，其采樣速度可根據(jù)傳感器的測量速度要求來選用。
[0014]本發(fā)明的外殼的作用，一方面是保證各個單元器件之間相互位置關(guān)系的準(zhǔn)確和穩(wěn)定，另一方面是具有防水、防塵、防環(huán)境光干擾的作用，保證傳感器具有更高的可靠性和防護等級。
[0015]本發(fā)明的電纜的作用，一方面是為傳感器提供所需的電源，另一方面是負責(zé)將處理電路形成的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)據(jù)傳送到外部設(shè)備，因此，電纜均需要采用防水型器件，并采用標(biāo)準(zhǔn)的通用數(shù)字接口。
[0016]本發(fā)明提出用于上述對稱式激光位移傳感器的數(shù)據(jù)處理方法。
[0017]當(dāng)激光器發(fā)出的激光束的指向性沒有漂移且被測目標(biāo)表面沒有傾斜時，激光束與被測表面垂直，測量光斑位置居中，通過兩個接收鏡組和反射鏡后在光電器件上形成的兩個成像波形是一模一樣的，兩個成像波形相對于光電器件中點的位置也是對稱的。當(dāng)被測目標(biāo)前后移動時，兩個成像波形也相應(yīng)地相向移動。因此，可以采用兩個成像波形相對于光電器件中心位置的平均值作為位移測量結(jié)果，而且可以進一步提高位移測量精度。
[0018]當(dāng)激光器發(fā)出的激光束的指向性出現(xiàn)漂移時，測量光斑位置也將偏離理想的照射中點，通過兩個接收鏡組和反射鏡后在光電器件上形成的兩個成像波形的位置也相應(yīng)產(chǎn)生變化:一個成像波形靠近光電器件中點，而另一個成像波形遠離光電器件中點，而且兩個成像波形的偏移量的絕對值相等。因此，當(dāng)采用兩個成像波形相對于光電器件的中心位置的平均值作為位移測量結(jié)果時，兩個成像波形的偏移量互相抵消，從而實現(xiàn)對激光束指向性漂移的抑制，大幅度提尚位移測量的穩(wěn)定性。
[0019]當(dāng)被測目標(biāo)表面出現(xiàn)傾斜時，通過兩個接收鏡組和反射鏡后在光電器件上形成的兩個成像波形的形狀也相應(yīng)產(chǎn)生變化，兩個成像波形的質(zhì)心也隨之產(chǎn)生變化，而且兩個成像波形質(zhì)心的位置一個靠近光電器件中點、另一個遠離光電器件中點，兩個成像波形質(zhì)心的偏移量的絕對值相等。因此，當(dāng)采用兩個成像波形相對于光電器件中心位置的平均值作為位移測量結(jié)果時，兩個成像波形質(zhì)心的偏移量互相抵消，從而消除了被測目標(biāo)表面傾斜對測量結(jié)果的影響，大幅度提高位移測量的穩(wěn)定性。
[0020]
【附圖說明】
[0021]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
[0022]圖1為本發(fā)明的對稱式激光位移傳感器組成示意圖；
圖2為本發(fā)明的對稱式激光位移傳感器數(shù)據(jù)處理方法示意圖；
圖3為本發(fā)明的對稱式激光位移傳感器抑制激光指向性漂移示意圖；
圖4為本發(fā)明的對稱式激光位移傳感器消除被測表面傾斜影響示意圖；
圖中，1為被測目標(biāo)，2為發(fā)射鏡組，3為激光二極管，4為外殼，5為處理電路，6為電纜，7為光電器件，8為反射鏡，9為接收鏡組，10為濾光片。
[0023]
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明:本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0025]如圖1所示，本發(fā)明的激光位移傳感器主要包括:發(fā)射鏡組2、激光二極管3、外殼4、處理電路5、電纜6、光電器件7、反射鏡8、接收鏡組9、濾光片10等。本發(fā)明的激光位移傳感器的特殊之處在于，傳感器具有兩個接收鏡組9和兩個反射鏡8，對稱布置于發(fā)射鏡組2的兩側(cè)。
[0026]整個系統(tǒng)的工作流程是:由激光二極管3發(fā)射的激光束通過發(fā)射鏡組2準(zhǔn)直和聚焦之后，照射到被測目標(biāo)1的表面并形成一個測量光斑。該測量光斑分別通過左右兩個接收鏡組9和反射鏡8后同時成像在光電器件7的敏感面上，并形成兩個測量成像波形。該波形信號由光電器件7傳送到處理電路5，處理電路5通過一定的算法得到被測物體的位移測量結(jié)果，并將位移測量結(jié)果形成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，通過電纜6傳送給其他設(shè)備。
[0027]本發(fā)明的激光二極管3是一種小型激光二