专利名称：主动式旋转平面镜扫描器的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用光信号测量待测对象的物理、化学等特征的扫描 装置，特别涉及一种利用漫反射光信号对待测对象的水份、成分、颜 色、距离、温度等物理和化学特征进行测量的主动式旋转平面镜扫描 器。
背景技术：
目前，在漫反射测量技术领域，国内外知名的探测仪器大都采用 以下两种方案第一，静态单点式探测这种方案采用静止的光路对 物料进行抽样式监测，监测结果有显著的局部性特点，对其它某一范 围的突变不能进行有效的反映，这往往会影响整批产品的合格率，另 外由于光源是静态的，散热效果也不太理想；第二，被动扫描式探测 这种方案一般用在成像领域，扫描部分是一单独的扫描镜，大都利用 自然光信号对目标进行分析，没有独立的光源，当需某一特殊波段的 强光信号时，该扫描结构未免会有局限性。
发明内容
本发明的技术问题是要提供一种实现全方位覆盖式扫描的主动 式旋转平面镜扫描器。首先它不仅能对待测对象进行全方位覆盖式扫 描，还可以根据不同的探测要求更换发射光源；其次由于光源直接放 在扫描器上，大大縮短了光程、减少了过渡光学元件，因此提高了光 能利用率和仪器信噪比。另外光源和散热块随扫描接收镜一起转动， 这种结构集机械散热和气流交换散热于一体，解决了由光源温度过高带来的系列问题，使工作环境更为稳定。
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种主动式旋转平面镜 扫描器， 一可控电机固定于电机固定架上，整个扫描器可通过电机固 定架与所生产仪器的机械结构固定； 一机械编码盘和后平衡块通过定 位销和电机轴的销孔固定于电机轴的后端， 一滑环模块的转子部分通 过绝缘轴套与电机轴紧密配合，外加止动螺钉止动，滑环模块的定子 部分通过滑环固定架与电机外壳的前端面固定， 一前平衡块套在前端 的电机轴上通过定位键与电机轴的键槽配合，外加轴向止动螺钉止 动； 一扫描接收镜通过45°连接块与电机轴连接，45°连接块与扫描接 收镜共同设有一垂直通孔， 一光源模块的准直镜筒插入该通孔中并固 定于45°连接块上，通过45°连接块与电机轴连接，且扫描接收镜反 射面中心在光源模块的主轴上，光源随扫描接收镜在电机控制下转 动，实现主动式覆盖型扫描。
所述的扫描接收镜为椭圆平面反射镜，镜面与电机轴的夹角为 45°公差为±0.2°。为保证45°扫描接收镜角度的精确性，在与电机轴 连接时采用面与面相接。为了使后光路接收信号的均匀性，扫描接收 镜采用椭圆平面反射镜，反射面中心必需与聚光镜、光源、光栏、准 直镜的中心共轴。
所述光源模块包括聚光镜、光源、光栏和准直镜，在所述光源的 引脚上装有散热块，在扫描器工作时使机械散热和气流交换散热相结 合，散热效果大大提高，有效地控制了扫描器的工作温度。在光学方 面，采用由聚光镜、光源、光栏、准直透镜和45°扫描接收镜组成的 共轴光路。相对离轴光路系统，由于共轴式光路系统占用空间小、结 构简单，可以减轻机械方面给电机带来的负载，便于动平衡的校正， 聚光镜的加入使得光能利用率大大提高，该光路中光栏的位置和准直透镜的焦距的选择尤为重要，合理的设计可有效控制出射光斑大小， 使得出射光斑更具均匀性和规律性。在这种结构下光源发出的光透过 光栏经准直透镜准直后透过扫描接收镜的中心孔到达探测对象，经探 测对象吸收后的漫反射光返回扫描接收镜并经其反射给后光路和探 测系统。
所述滑环模块的转子部分是导电铜轴与绝缘轴套的紧配合、绝缘 轴套与电机轴紧配后用紧定螺丝固定，其中导电铜轴与光源模块的光
源连接；所述滑环模块的定子部分是由压簧、碳刷和滑环固定架形成， 其中碳刷通过导线与电源连接。
在光源的供电方面，采用常见的碳刷接触式供电即滑环模块，固 定部分采用碳刷，转动部分采用导电铜轴。为保证供电的稳定性，采 用上下左右四面压簧推压碳刷式供电，上下左右对称的四对碳刷并联 入电源电路，有效避免了由电机轴扰动带来的接触不良问题。同时采 用恒流源作为电源，避免了碳刷接触导电铜轴时电阻的变化带来的电 流波动，使得在旋转过程中光源发光的更加稳定。
在电机转动的角度位置控制方面，在电机轴后端加机械编码盘和 光耦，以便准确判断信息的来源，对探测不同位置对象的信息进行输 出。
本发明的优越功效在于
1) 实现全方位覆盖式扫描，打破了传统的工业用在线探测仪器探 测目标的局限性；
2) 短光程、少光学元件使得本发明的光能利用率和信噪比大大提 高；
3) 本发明能根据不同的要求更换光源，有效改进了传统扫描器的 被动分析特征；
64) 本发明使机械散热和气流交换散热相接合有效控制了工作温 度，较静态光源在散热功能方面大大改善。
图l为本发明的结构示意图2为图1的剖视图3为本发明的光源模块的结构示意图4为本发明的滑环模块的结构示意图5为图4的剖视图中标号说明
l一机械编码盘；2—电机固定架;
3—滑环模块；
301—滑环固定架；302—导电铜轴;
303—绝缘轴套；304—压簧；
305—碳刷；306—导线；
4"~45°连接块；
5—光源模块；
501—聚光镜；502—光源；
503—光栏；504—准直透镜;
505—准直镜筒；506—散热块；
6—后平衡块；7—电机；
8—前平衡块；9一扫描接收镜;
IO—电机轴；ll一定位销；
12—定位键；13—销孔；
14—键槽。15—止动螺钉。
具体实施例方式
请参阅附图所示，对本发明作进一步的描述。
如图1和图2所示，本发明提供了一种主动式旋转平面镜扫描器， 一可控电机7固定于电机固定架2上， 一机械编码盘1和后平衡块6 通过定位销11和电机轴的销孔13固定于电机轴10的后端， 一滑环 模块3通过滑环固定架301与电机轴10前端面连接，前平衡块8套 在前端的电机轴上通过定位键12与电机轴的键槽14配合，外加轴向 止动螺钉15止动； 一扫描接收镜9通过45°连接块4与电机轴10连 接，45°连接块4与扫描接收镜9共同设有一垂直通 L， 一光源模块5 的准直镜筒505插入该通孔中并固定于45°连接块4上，通过45°连 接块4与电机轴10连接，且扫描接收镜9反射面中心在光源模块5 的中心轴上，光源随扫描接收镜9在电机7控制下转动，实现主动式 覆盖型扫描。
所述的扫描接收镜9为椭圆平面反射镜，扫描接收镜9与电机轴 10通过45°连接块4连接，电机轴10的连接端面应与45°连接块4 的接触面完全吻合，配合后扫描接收镜9的镜面与电机轴的夹角公差 应为45° ±0.2° ，如图2所示，角度误差较大时会引起后光路接收 光斑的稳定性。为保证45°扫描接收镜9角度的精确性，在与电机轴 10连接时采用面与面相接。为了保证后光路接收信号的均匀性，扫 描接收镜9釆用椭圆平面反射镜，反射面中心必需与聚光镜501、光 源502、光栏503、准直透镜504的中心共轴。本发明中椭圆型扫描 接收镜9尤为重要，它决定者整个扫描器的测量功能，根据测量光谱 的分布，椭圆型扫描接收镜9的镜面选用不同膜系，其基底材料和镀 膜材料的选择对仪器的信噪比和稳定性有较大的影响。由于扫描接收 镜9是转动部件，所以基底材料要选择机械强度大且不易变形的材料，电机转速不高时可选铝合金或其它合金，电机转速在一千转左右 可选择铸镁合金，如果基底材料是铝镜或其它的软质材料时可先化学 方法镀一层镍磷合金，镀膜之前要先进行光学抛光。镀膜材料的选择 要根据仪器工作的光谱范围，如果工作在可见和红外波段，可选用银 膜，工作在紫外、可见、红外可选用铝膜，工作在红外要求不高时可 用电镀铬膜，远紫外可用铂膜和铟膜。如果对反射率要求较高可选用 电介质多层高反射膜。
如图3所示，所述光源模块5包括聚光镜501、光源502、光栏 503和准直透镜504，在所述光源502的引脚上装有散热块506，使 机械散热和气流交换散热相结合，散热效果大大提高，有效地控制了 扫描器的工作温度。在光学方面，采用由聚光镜501、光源502、光 栏503、准直透镜504和45°扫描接收镜9组成的共轴光路。相对离 轴光路系统，由于共轴式光路系统占用空间小、结构简单，可以减轻 机械方面给电机带来的负载，便于动平衡的校正，聚光镜501的加入 使得光能利用率大大提高，该光路中光栏503的位置和准直透镜504 的焦距的选择尤为重要，合理的设计可有效控制出射光斑大小，使得 出射光斑更具均匀性和规律性。在这种结构下光源502发出的光透过 光栏503经准直透镜504准直后透过扫描接收镜9的中心孔到达探测 对象，经探测对象吸收后的漫反射光返回扫描接收镜9并经其反射给 后光路和探测系统。
所述光源模块5为模块类结构，便于拆装和更换。安装该模块时， 聚光镜501可以直接用胶水固定，准直镜504 —般通过准直镜筒近准 直镜504端的螺纹固定于光源模块的主体结构上。光源的固定也可以 采用模块化固定，本发明为光源设计了一种外壳，光源通过外壳与光 源模块的主体机构固定。光栏可以是独立结构，也可以和光源模块的主体结构一体。准直镜和聚光镜及光栏的同心度通过各自的外直径保
证。安装完毕后要保证聚光镜501、光源502、光栏503、准直透镜 504的中心和扫描接收镜9的反射面中心在同一条直线上，即共轴。 准直透镜504光学参数和光栏503的尺寸及位置会影响出射光斑的质 量，该扫描器要保证出射光斑绕光轴的旋转对称度和均匀度。
如图4、图5所示，所述滑环模块3的转子部分是导电铜轴302、 绝缘轴套303;所述滑环模块3的定子部分是由压簧304、碳刷305 和滑环固定架301形成。
所述滑环模块3为模块类结构，便于拆装和更换。安装该模块时， 首先将导电铜轴302与绝缘轴套303紧配在一起，然后将绝缘轴套 303与电机轴10配合，导电同轴302、绝缘轴套303、电机轴10配 合时用止动螺钉止动构成转子部分。压簧304、碳刷305及滑环固定 架301形成定子部分。定子部分的碳刷305通过导线306与外界电源 相连，转子部分的导电同轴302与光源502相连，滑环模块3通过滑 环固定架301与电机7固定。在滑环模块3中导电同轴302 —般用导 电性较好的Tl、 T2、 TU1、 TU2、 TAgO. 1，为了减小碳刷305与导电 同轴铜302之间的接触电阻，本发明采用上下左右对称结构共四对压 簧304和碳刷305。
在光源502的供电方面，采用常见的碳刷305接触式供电，固定 部分采用碳刷305，转动部分采用导电铜轴302。为保证供电的稳定 性，采用上下左右四面压簧304推压碳刷305式供电，上下左右对称 的四对碳刷305并联入电源电路，有效避免了由电机轴扰动带来的接 触不良问题。同时采用恒流源作为电源，避免了碳刷305接触导电铜 轴302时电阻的变化带来的电流波动，使得在旋转过程中光源发光的 更加稳定。
10在电机转动的角度位置控制方面，在电机轴io后端加机械编码
盘1和光耦，以便准确判断信息的来源，对探测不同位置对象的信息 进行输出。
各类器件安装完毕后，首先将扫描器固定于动平衡机上，通过调
节前平衡块8和后平衡快6使得扫描器在特定的转速下达到动平衡要 求。动平衡调试完毕后，扫描器方可正常工作，动平衡的校准精度直 接影响电机轴10的扰动程度和整机的振动程度。
本发明的应用领域主动式旋转平面镜扫描器是一种应用范围较 广的扫描器，因为其扫描接收镜9是平面镜，不存在光学像差，所以 与其匹配的后光学系统的设计具有相对的独立性，除了距离之外基本 不存在其它的耦合参数，较为常用韵与其耦合的后光学系统有牛顿望 远镜系统、伽利略望远镜系统、卡塞格林望远镜系统等。
由主动式旋转平面镜扫描器和后光学结构组合起来的系统称为 光机扫描探测系统，可以用来检测小麦、大豆等粮食作物和烟叶、茶 叶等经济作物以及钢铁、玻璃、纺线、木屑等工业原料的颜色、形状、 水份、成分等物理和化学特性，通过选用不同的后光学系统和和不同 谱段的光学探测器可以定性或定量的对目标的上述物理及化学特征 进行分析。
主动式旋转平面镜扫描器总的一般工作方式有两种， 一种是静态 观测式扫描，用在动态的生产线上，扫描器位置固定，物料相对扫描 器平动， 一般用在烟草、木屑、钢铁、玻璃等待测对象的传送带上方， 传送带的平动与扫描器的转动形成覆盖式扫描；另外一种是动态观测 式扫描，用于测量静止的大范围目标，扫描器位于移动设备上，扫描 器的转动与移动设备的平动相结合实现覆盖式扫描。
ii
权利要求
1、一种主动式旋转平面镜扫描器，其特征在于一可控电机固定于电机固定架上，一机械编码盘和后平衡块通过销子固定于电机轴的后端，一滑环模块通过滑环固定架与电机轴前端面连接，前平衡块在前端的电机轴上通过定位键与电机轴的键槽配合，用轴向止动螺钉固定；一扫描接收镜通过45°连接块与电机轴连接，45°连接块与扫描接收镜共同设有一垂直通孔，一光源模块的准直镜筒插入该通孔中并固定于45°连接块上，通过45°连接块与电机轴连接，且扫描接收镜反射面中心在光源模块的中心轴上，光源随扫描接收镜在电机控制下转动，实现主动式覆盖型扫描。
2、 按权利要求1所述的主动式旋转平面镜扫描器，其特征在于 所述光源模块固定于电机轴上，与扫描镜一起在电机的控制下转动，实现了光源转动。
3、 按权利要求1所述的主动式旋转平面镜扫描器，其特征在于 所述光源模块包括聚光镜、光源、光栏和准直镜，在所述光源的引脚上装有散热块，光源在扫描接收镜的后方，光束透过扫描接收镜 的中心孔直接到达探测对象。
4、 按权利要求1所述的主动式旋转平面镜扫描器，其特征在于所述的扫描接收镜为椭圆平面反射镜，镜面与电机轴的夹角为45°公差为±0. 2°。
5、 按权利要求1所述的主动式旋转平面镜扫描器，其特征在于所述滑环模块的转子部分是导电铜轴与绝缘轴套的紧配合，绝缘 轴套与电机轴的紧配后用止动螺钉构固定，其中导电铜轴与光源模块的光源连接；所述滑环模块的定子部分是由压簧、碳刷和滑环固定架形成，其中碳刷通过导线与电源连接。
6、按权利要求4所述的主动式旋转平面镜扫描器，其特征在于: 所述的滑环模块采用四对上下左右对称结构的压簧和碳刷，光源供电采用压簧推压碳刷供电方式，上下左右对称的四对碳刷并联入电源电路。
全文摘要
一种主动式旋转平面镜扫描器，一可控电机固定于电机固定架上，一机械编码盘和后平衡块通过销子固定于电机轴的后端，一滑环模块通过滑环固定架与电机轴前端连接，前平衡块在前端的电机轴上通过定位键与电机轴的键槽配合，外加轴向止动螺钉止动，一扫描接收镜通过45°连接块与电机轴连接，45°连接块与扫描接收镜共同设有一垂直通孔，一光源模块的准直镜筒插入该通孔中，通过45°连接块与电机轴连接，且扫描接收镜反射面中心在光源模块的中心轴上，光源随扫描接收镜在电机控制下转动，实现主动式覆盖型扫描。本发明的优点是实现全方位覆盖式扫描；提高了光能利用率；使机械散热和气流散热相接合有效控制了工作温度。
文档编号G02B26/10GK101551520SQ200910051189
公开日2009年10月7日 申请日期2009年5月14日 优先权日2009年5月14日
发明者杰 何, 刘成广, 周言木, 李伶俐, 赵新会 申请人:上海英雷红外水份系统科技有限公司