具有参考光束的激光位移传感器的制作方法

本发明涉及的是一种位移测量技术领域的传感器，具体是一种具有参考光束的激光位移传感器。

背景技术：

目前，制造业作对各种在线检测手段也提出了越来越高的要求，除了高精度、非接触、数字化等测量性能要求之外，对于稳定性、通用性、互换性等维护性能的要求也是与日俱增，以期不断降低维护成本，已经成为公认的在线检测领域的未来趋势。其中，位移是一项重要的测量内容，被广泛应用在工业检测的各个领域中。激光三角位移传感器作为光电检测中的一种非接触式测量方法，具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、测量点小、适用范围广等优点，受到越来越广泛的关注。

但是目前世界上现有的激光位移传感器基本上都存在一个共同的问题：由于采用半导体激光二极管作为光源，而激光二极管自身存在明显的不稳定性，导致激光二极管发出的激光束的指向性存在漂移。而这种漂移将直接产生测量误差，严重降低位移传感器的测量精度。

为了解决上述问题，有些学者提出双ccd技术方案（例如天津大学张伟娜的学位论文《用于橡胶厚度测量的双光路位移传感器的研制》），采用两个ccd对称分布于激光发光平面的两侧，同时接收漫发射光，即在两个ccd上同时获得两个定位结果，通过数据处理可以计算出被测位移值。这种方法可以有效解决激光束指向性漂移。但是，这种方法也存在一定的限制，主要在于同时采用两套光电器件，将导致传感器的电路系统非常复杂、成本大幅度提高、外形体积也显著增加，导致传感器的性价比大幅度下降。因此，这种方法并没有成功应用于传感器产品之中。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对现有激光位移传感器的激光指向性漂移带来的测量精度下降问题，提出一种具有参考光束的激光位移传感器方法，可有效抑制激光漂移。

本发明的激光位移传感器在发射镜组前端加入一个半反半透镜，分出一束激光形成参考光束。该参考光束通过一块反射镜反射后投向光电器件之上，形成一个参考波形。这样，在光电器件上可以形成两个波形，通过数据处理不仅可以得到被测位移值，而且还可以有效抑制激光束指向性的漂移对测量精度的影响。本发明的激光位移传感器只有一个光电器件、一个接收镜组，电路系统保持不变，系统简单、成本低、性价比高、实用性强。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的激光位移传感器主要包括：一个激光器、一个发射镜组、一个半反半透镜、一个反射镜、一个接收镜组、一个光电器件、测控电路、外壳和电缆等元件。

本发明的激光位移传感器的特殊之处在于，在发射镜组前端加入一个半反半透镜，从而产生两束激光：一束透过半反半透镜，形成测量光束；另一束经过半反半透镜后发射，形成参考光束。测量光束照射到被测目标的表面上并形成一个测量光斑，该测量光斑通过接收镜组后成像在光电器件敏感面上，并形成一个测量波形。参考光束经过一个反射镜后也投射到光电器件敏感面上，并形成另一个参考波形。这样，在光电器件上同时得到两个波形，光电器件将两个波形的信号传送到测控电路，测控电路通过一定的算法得到被测物体的位移测量结果，并将位移测量结果形成标准数字信号，通过电缆传送给其他设备。

本发明的激光器可以采用激光二极管等小型激光器，优先选用半导体激光二极管，要求输出光强稳定，输出光束截面形状为单峰且持续稳定。同时，为了满足测控要求，该激光二极管不仅是可以持续发光的，而且是可以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的。

本发明的发射镜组是同时具有聚焦与准直功能的光学镜组，保证激光束在被测目标表面形成的测量光斑在整个测量量程范围内保持最小，而且基本不变。

本发明的半反半透镜的特殊之处在于，该半反半透镜的投射反射比例并不是50%:50%的。为了保证测量光束具有足够的强度，同时为了避免参考光束直接投向光电器件产生饱和现象，半反半透镜的投射反射比例应不超过70%:30%。

本发明的反射镜的特殊之处在于，反射镜的布局需要保证投向光电器件的参考光束方向与接收镜组的光轴平行，从而保证参考波形与测量波形的对称性，以便消除激光指向性漂移的影响。

本发明的接收镜组的采用低像差平场镜组，减少成像误差。

本发明的滤光片与接收镜组平行布置，可以有效避免被测目标移动时产生的成像偏差。此外，本发明的滤光片采用与激光二极管的波长吻合的窄带滤光片，可以减少环境光的干扰和影响，保持传感器工作的稳定性和可靠性。

本发明的光电器件可以采用线阵ccd或cmos，其像素数目可根据测量精度来选用，其采样速度可根据传感器的测量速度要求来选用。光电器件的位置与姿态满足萨氏定律，保证被测目标在全量程范围内满足横聚焦。

本发明的外壳的作用，一方面是保证各个单元器件之间相互位置关系的准确和稳定，另一方面是具有防水、防尘、防环境光干扰的作用，保证传感器具有更高的可靠性和防护等级。

本发明的电缆的作用，一方面是为传感器提供所需的电源，另一方面是负责将测控电路形成的标准化数据传送到外部设备，因此，电缆均需要采用防水型器件，并采用标准的通用数字接口。

本发明提出用于上述激光位移传感器的数据处理方法。具体如下：

当激光器发出的激光束经过半反半透镜后产生两束光束-测量光束和参考光束后，两束光分别投向光电器件，并分别形成两个波形-测量波形和参考波形。当被测目标移动时，参考波形保持不动，而测量波形将产生与被测位移同步的移动。因此，可以通过计算测量波形与参考波形之间的距离表征被测位移。每个波形的位置可以采用常规的质心法、加权质心法、曲线拟合等方法来确定，然后利用两个波形的位置之差作为被测位移值的表征，由此实现位移检测。

当激光器发出的激光束的指向性出现漂移时，通过发射镜组的光束也随之产生角度偏移。这样，经过半反半透镜之后的测量光束与参考光束均产生同样的角度偏移，两个光束在光电器件上形成的测量波形与参考波形的位置也相应产生偏移，而且偏移的大小与方向一致。因此，当采用两个波形的位置坐标之差作为位移测量结果时，两个波形的偏移量互相抵消，从而实现对激光束指向性漂移的抑制，大幅度提高位移测量的稳定性。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的具有参考光束的激光位移传感器组成示意图；

图2为本发明的激光位移传感器数据处理方法示意图；

图3为本发明的激光位移传感器抑制激光指向性漂移的原理示意图；

图4为本发明的激光位移传感器抑制激光指向性漂移的算法示意图；

图中，1为被测目标，2为半反半透镜，3为反射镜，4为发射镜组，5为激光器，6为测控电路，7为外壳，8为电缆，9为光电器件，10为接收镜组，11为滤光片。

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：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，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。

如图1所示，本发明的激光位移传感器主要包括：半反半透镜2、反射镜3、发射镜组4、激光器5、测控电路6、外壳7、电缆8、光电器件9、接收镜组10、滤光片11等。

本发明的激光位移传感器的特殊之处在于，在发射镜组4后面加入一个半反半透镜2，从而产生两束激光：一束透过半反半透镜，形成测量光束；一束经过半反半透镜后发射，形成参考光束。测量光束照射到被测目标1的表面上并形成一个测量光斑，该测量光斑通过接收镜组10后成像在光电器件9的敏感面上，并形成一个测量波形。参考光束经过一个反射镜3后也投射到光电器件9的敏感面上，并形成另一个参考波形。这样，在光电器件9上同时得到两个波形，光电器件9将两个波形的信号传送到测控电路6，测控电路6通过一定的算法得到被测物体1的位移测量结果，并将位移测量结果形成标准数字信号，通过电缆8传送给其他设备。

本发明的激光器5可以采用激光二极管等小型激光器，优先选用半导体激光二极管，例如to-18封装的小型激光二极管。要求激光器5输出的光强稳定，例如输出功率根据要求可选5mw。要求激光器5输出光束截面形状为单峰且持续稳定，例如符合m2=0的高斯分布。同时，为了满足测控要求，该激光二极管不仅是可以持续发光的，而且是可以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的，例如要求激光二极管3的可调制频率为100khz。

本发明的发射镜组4是同时具有聚焦与准直功能的光学镜组，保证激光束在被测目标1表面形成的测量光斑在整个测量量程范围内保持最小，而且基本不变。例如，要求在30mm～80mm（量程50mm）范围内测量光斑的尺寸最小可达0.05mm，最大不超过0.2mm。

本发明的半反半透镜2的特殊之处在于，该半反半透镜2的投射反射比例并不是50%:50%的。为了保证测量光束具有足够的强度，同时为了避免参考光束直接投向光电器件9产生饱和现象，半反半透镜2的投射反射比例应不超过70%:30%。

本发明的反射镜3的特殊之处在于，反射镜3的布局需要保证投向光电器件的参考光束方向与接收镜组10的光轴完全平行，从而保证参考波形与测量波形的对称性。反射镜3可以采用各种通行的轻质反射镜。

本发明的接收镜组10采用低像差平场镜组，减少成像误差。

本发明的滤光片11与接收镜组10平行布置，可以有效避免被测目标1移动时产生的成像偏差。此外，本发明的滤光片11采用与激光二极管的波长吻合的窄带滤光片，可以减少环境光的干扰和影响，保持传感器工作的稳定性和可靠性。假设激光器5的波长为650nm，则滤光片11的中心波长取为650nm，半带宽可取为30nm左右。

本发明的光电器件9可以采用线阵ccd或cmos，其像素数目可根据测量精度来选用，其采样速度可根据传感器的测量速度要求来选用。假设测量分辨率为0.01%，细分倍数为10，则可以选用1000pixel的光电器件。光电器件9的位置与姿态满足萨氏定律，保证被测目标1在全量程范围内满足横聚焦。

本发明的外壳的7作用，一方面是保证各个单元器件之间相互位置关系的准确和稳定，另一方面是具有防水、防尘、防环境光干扰的作用，保证传感器具有更高的可靠性和防护等级。

本发明的电缆8的作用，一方面是为传感器提供所需的电源，另一方面是负责将测控电路6形成的标准化数据传送到外部设备，因此，电缆8均需要采用防水型器件，并采用标准的通用数字接口。

本发明提出用于上述激光位移传感器的数据处理方法。具体如下：

当激光器5发出的激光束经过半反半透镜2后产生两束光束-测量光束和参考光束，两束光分别投向光电器件9，并分别形成两个波形-测量波形和参考波形。当被测目标1移动时，参考波形保持不动，而测量波形将产生与被测位移同步的移动。因此，可以通过计算测量波形与参考波形之间的距离来表征被测位移。每个波形的位置可以采用常规的质心法、加权质心法、曲线拟合等方法来确定，然后利用两个波形的位置之差作为被测位移值的表征，由此实现位移检测。

图2为本发明的激光位移传感器的位移测量原理示意图。假设，参考光束在光电器件9上产生的参考波形的质心位置为pref，测量光束在光电器件9上产生的测量波形的质心位置为pmeas，则被测位移可以表征为：

d=pmeas-pref

当被测目标1移动到另一位置d′后，在测量光束光电器件9上的测量波形的位置变为p′meas，此时被测位移可以表征为：

d′=p′meas-pref

当激光器发出的激光束的指向性出现漂移时，通过发射镜组的光束也随之产生角度偏移。这样，经过半反半透镜之后的测量光束与参考光束均产生同样的角度偏移，两个光束在光电器件上形成的测量波形与参考波形的位置也相应产生偏移，而且偏移的大小与方向一致。因此，当采用两个波形的位置坐标之差作为位移测量结果时，两个波形的偏移量互相抵消，从而实现对激光束指向性漂移的抑制，大幅度提高位移测量的稳定性。

如图3所示，当激光器3发出的激光束的指向向右出现一个较小的角度偏移时。此时，透过半反半透镜2形成的测量光束也随之产生向右的角度偏移，在被测目标1表面上形成的测量光斑的位置也将向右偏离理想的照射点，测量光斑通过滤光片11和接收镜组10之后在光电器件9上形成的测量波形的位置pmeas也相应向左产生一定偏移δm，即：

p′meas=pmeas-δm

与此同时，经过半反半透镜2反射形成的参考光束也随之产生向左的角度偏移，经过反射镜3之后在光电器件9上形成的参考波形的位置pref也相应向左产生一定偏移δr，即：

p′ref=pref-δr

此时被测位移应该表征为（如图4所示）：

d′=p′meas-p′ref=（pmeas-δm）-（pref-δr）

即：

d′=（pmeas-pref）-（δm-δr）

可以推证，通过合理的常规光学设计，可以实现δm=δr。由此可知，此时的被测位移可以表征为：

d′=（pmeas-pref）=d

可以看出，激光束指向性漂移对最终的测量结果没有产生影响。换言之，本发明的具有参考光束的激光位移传感器可以从根本上抑制激光器产生的指向性漂移对测量精度的影响，大幅度提高位移测量的稳定性。

本发明的有益效果是，与现有的激光位移传感器相比，本发明采用一个半反半透镜将激光束一分为二，形成测量光束和参考光束。测量光束投向被测目标后，经过接收镜组成像到光电器件之上；参考光束经过反射镜后也投向光电器件之上，从而形式两个波形。通过巧妙的数据处理，不仅可以得到更高精度的测量结果，而且可以有效抑制激光指向性漂移的影响。这种方法使整个传感器系统的结构更加简单，集成度更高，体积更小，使用范围更加广泛。