光学位移测量器及位移测量方法与流程

本发明涉及距离测量领域，特别是一种光学位移测量器及位移测量方法。

背景技术：

位移指物体相对于某参考坐标系一点的距离的变化量，它是描述物体空间位置变化的物理量。位移传感器又称为线性传感器，是将位移转换成电量的传感器。位移传感器的发展经历了两个阶段，经典位移传感器阶段和半导体位移传感器阶段。二十世纪80年代以前，人们以经典电磁学为理论基础，把不便于定量监测和处理的位移、位置、液位、尺寸、流量、速度、振动等物理量转换为易于定量监测、便于作信息传输与处理的电学量。近20年来，位移传感器种类繁多，应用领域不断扩大，同时有越来越多的创新技术被运用到传感器中，如基于oem的lvdt技术、超声波技术、磁致伸缩技术、光纤技术、时栅技术等，位移传感器技术已取得了突破性进展。由于技术的进步，使得各种传感器性能大幅度提高，成本大幅度降低，从而极大地扩展了应用范围，形成了一个高速增长的产业。

然而，目前在10-50mm的量程、精度为0.1mm的测量区间内，能适用于强电磁场环境的低成本位移测量设备还暂时缺乏，无法方便地推广应用。

技术实现要素：

本发明为了克服现有技术的不足，提供了一种光学位移测量器及位移测量方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种光学位移测量器，包括：封闭暗腔、光源、扩散导光板、第一光强传感器、隔板、主控模块和传动结构；所述光源、扩散导光板、第一光强传感器设置在封闭暗腔内，所述封闭暗腔用于将外界环境中的光线隔离开；所述扩散导光板设置在光源附近，用于使光源发出的光沿着扩散导光板均匀扩散减弱；所述隔板设置在光源和第一光强传感器之间，避免光源发出的光直射到第一光强传感器上；所述第一光强传感器与主控模块连接，用于将接收到的数据发送给主控模块；所述传动结构从封闭暗腔中伸出，用于传递外界的位移活动；所述第一光强传感器和传动结构固定连接，在传动结构的带动下平行于扩散导光板直线移动，移动轨迹的延长线穿过光源。

封闭暗腔将外部的光线隔绝掉，隔板将光源和第一光强传感器隔离开，使第一光强传感器只能接收到光源发出并由扩散导光板传递过来的光，得到的测量数据不受干扰，有效降低了误差。扩散导光板将光源发出的光线均匀地扩散分布到扩散导光板的面板上，第一光强传感器在扩散导光板一侧移动时，接收到的光强信息是连续变化的，同时可以在较短的距离内有明显的光强变化，保证了测量的精度。对于一个稳定光源，光照强度和与光源之间的距离是一一对应的关系，因此通过读取出光强的变化量，并由主控模块记录并换算出第一光强传感器的位移量。由于第一光强传感器和外部通过传动结构传动连接的，故即可方便地得出需要测量的物件的位移数据。光线通过扩散导光板传播，不会受到磁场的干扰，可在强磁场环境下使用。

于本发明一实施例中，所述光源设置在扩散导光板端部，所述光源包括恒定光源。

这里所说的端部，是指位于扩散导光板的发光面板尽头的边缘部分。光源设置在扩散导光板端部，从扩散导光板的导光面上发出的光都是从光源射入并在扩散导光板中反射扩散后射出的，避免了光源的光线直接照射第一光强传感器。当光线直射第一光强传感器时，由于光强衰减慢，即使发生了位移光照强度的变化量也无法被探知，使设备无法准确地测量。采用包括稳流驱动led灯在内的恒定光源，可以保证当第一光强传感器移动时，在同一个位置的光照强度是相同的，避免因为光源发光强度变化使测量出现偏差。

于本发明一实施例中，还包括第二光强传感器，所述第二光强传感器设置在第一光强传感器移动路线的延长线上，第二光强传感器和光源之间的相对位置固定；所述第二光强传感器在扩散导光板上的垂直投影点位于光源在扩散导光板上的垂直投影点和第一光强传感器在扩散导光板上的垂直投影点之间；所述第二光强传感器和主控模块连接。

由于供电环境不稳定或者设备老化等原因，难以保持光源的光照强度一直维持不变，因此加入第二光强传感器。在进行位移测量时，第一光强传感器跟随着需测量的物体同步运动，第二光强传感器与光源之间的相对位置固定不变。第一光强传感器和第二光强传感器分别从扩散导光板的两个不同位置上的测量出光强数据，并将光强数据相除得到一个比值。由于光强和距离一一对应，且第二光强传感器固定不动，将其接收到的光强数据设为参考值，可以有效地消除光源的光强波动对测量准度的影响，通过采集处理比值的变化计算出位移的距离。

与本发明一实施例中，所述主控模块与光源连接，用于控制光源的启停。

光源的持续性发光和光强传感器的持续工作既浪费能源也会加速零部件的老化。将第一光强传感器、第二光强传感器和光源通过主控模块控制，可以根据设定的频率同时启动进行位移测量，在测量完毕后再一齐关闭，减少闲置运行时间，节约了能源，延长了使用寿命。

于本发明一实施例中，所述光源发出的光包括红外线、可见光和紫外线中的至少一种。

于本发明一实施例中，所述光源包括单色光源。

根据不同使用环境及设备情况，可以采用不同的光线作为光源，更加灵活方便。相比于复合光，单色光在进行折射时的出射角度相同，可以保证在整个扩散导光板中的光线分布及亮度变化更加平顺。

于本发明一实施例中，所述扩散导光板外形呈板状、窄条状或柱状中的一种。

光强传感器和光源在扩散导光板上的垂直投影都是位于一条直线上的，将扩散导光板的宽度缩小，对数据的测量不会产生影响。更窄的扩散导光板可以使整个光学位移测量器的体积减小，节约了加工成本，节省出不少安装和使用空间。

于本发明一实施例中，所述扩散导光板包括掺杂了散射剂的导光板。

以导光板为基底，掺杂散射剂制备成扩散导光板，可以提高导光板引导光线散射的均匀度，当光线射入扩散导光板时，通过散射形成光强的单调下降，光照强度随着与光源之间距离的增加平顺地减小，避免了光强的突然衰减导致测量不准的情况。而且通过改变散射剂的掺杂量，可以调整光线随着距离增加衰减的幅度，具有更好的适用性。

本发明还提供一种适用于上述光学位移测量器的位移测量方法，包括以下步骤：

点亮光源，获取扩散导光板上某一点的亮度和该点与光源之间距离的函数关系；

先从任意点获取亮度信息，再使第一光强传感器随着外部的活动同步发生位移，然后在获取亮度信息；

将位移前后的亮度信息对应换算为与光源之间的距离，计算出发生位移的距离。

因为光源采用的是恒定光源，在使用过程中每个坐标点上的光照强度都是确定的，这样便能将第一光强传感器监测到的光强与第一光强传感器的位置之间一一映射，从而可通过收集监测到的光强变化换算出位移数据。

本发明还提供一种适用于上述光学位移测量器的位移测量方法，包括以下步骤：

点亮光源，获取两组亮度数据，计算出第一光强比；

一个光强传感器随着外部活动发生位移，位移后再获取两组亮度数据，计算出第二光强比；

通过第一光强比和第二光强比计算出发生位移的距离。

第一光强传感器和第二光强传感器分别监测扩散导光板上两个位置上的光强，其中第二光强传感器位置固定，而光电传感器4与外界相连，可以在光学扩散板1上直线移动。这样操作后，因为比值只跟传感器所处的位置有关，即使光源发光不稳定也不会造成测量的误差。

附图说明

图1是本发明光学位移测量器的结构示意图；

图2是本发明光学位移测量器的连接关系示意图；

图3是本发明光学位移测量器一实施例的结构示意图；

图4是本发明光学位移测量器第一实施例的流程示意图；

图5是本发明光学位移测量器光强和距离之间关系的坐标示意图；

图6是本发明光学位移测量器第二实施例的流程示意图；

图7是本发明光学位移测量器第二实施例中光强比和距离之间关系的坐标示意图。

图中各附图标记为：

1、封闭暗腔；2、光源；3、扩散导光板；41、第一光强传感器；42、第二光强传感器；5、隔板；6、主控模块；7、传动结构。

具体实施方式

为让本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合附图，作详细说明如下。

请参考图1和2，本发明提供一种光学位移测量器，包括：封闭暗腔1、光源2、扩散导光板3、第一光强传感器41、隔板5、主控模块6和传动结构7；光源2、扩散导光板3、第一光强传感器41设置在封闭暗腔1内，封闭暗腔1用于将外界环境中的光线隔离开；扩散导光板3设置在光源2附近，用于使光源2发出的光沿着扩散导光板3均匀扩散减弱；隔板5设置在光源2和第一光强传感器41之间，避免光源2发出的光直射到第一光强传感器41上；第一光强传感器41与主控模块5连接，用于将接受到的数据发送给主控模块6；传动结构7从封闭暗腔1中伸出，用于传递外界的位移活动；第一光强传感器41和传动结构7连接，在传动结构7的带动下平行于扩散导光板3直线移动，移动轨迹的延长线穿过光源。

封闭暗腔1将外部的光线隔绝掉，隔板5将光源2和第一光强传感器41隔离开，使第一光强传感器41只能接收到光源2发出并由扩散导光板3传递过来的光，得到的测量数据不受干扰，有效降低了误差。扩散导光板3将光源2发出的光线均匀地扩散分布到扩散导光板3的面板上，第一光强传感器41在扩散导光板一侧移动时，接收到的光强信息是连续变化的，同时可以在较短的距离内有明显的光强变化，保证了测量的精度。对于一个稳定光源，光照强度和与光源之间的距离是一一对应的关系，因此通过读取出光强的变化量，并由主控模块6记录并换算出第一光强传感器41的位移量。由于第一光强传感器41和外部通过传动结构7传动连接的，故即可方便地得出需要测量的物件的位移数据。光线通过扩散导光板传播，不会受到磁场的干扰，可在强磁场环境下使用。

请参考图1，作为一种实施例，光源2设置在扩散导光板3端部，光源2包括恒定光源。

光源2设置在扩散导光板3端部，从扩散导光板3的导光面上发出的光都是在扩散导光板3中反射扩散后射出的，从而避免了光源2的光线直接照射第一光强传感器41。当光线直射第一光强传感器41时，由于光强衰减慢，即使发生了位移光照强度的变化量也无法被探知，使设备无法准确地测量。采用包括稳流驱动led灯在内的恒定光源，可以保证当第一光强传感器41移动时，在同一个位置的光照强度一定是相同的，避免因为光源2发光强度变化使测量出现偏差。

请参考图2和3，作为一种实施例，还包括第二光强传感器42，第一光强传感器41和第二光强传感器42设置在扩散导光板3同侧，第二光强传感器42设置在第一光强传感器41移动路线的延长线上，第二光强传感器42在扩散导光板3上的垂直投影点位于光源2在扩散导光板3上的垂直投影面点和第一光强传感器41在扩散导光板3上的垂直投影面点之间；第二光强传感器42和主控模块6连接。

由于供电环境不稳定或者设备老化等原因，难以保持光源2的光照强度一直维持不变，因此加入第二光强传感器42。在进行位移测量时，第一光强传感器41跟随着需测量的物体同步运动，第二光强传感器42与光源2之间的相对位置固定不变。第一光强传感器41和第二光强传感器42分别从扩散导光板3的两个不同位置上测量出光强数据，并将光强数据相除得到一个比值。由于光强和距离一一对应，且第二光强传感器42固定动，将其设为参考值，可以有效地消除光源的光强波动对测量准度的影响，通过采集处理比值的变化计算出位移的距离。

在一种实施例中，第一光强传感器41和第二光强传感器42设置在扩散导光板3的同侧。

在一种实施例中，第一光强传感器41和第二光强传感器42分布设置在扩散导光板3的两侧。

作为一种实施例，主控模块6与光源2连接，用于控制光源2的启停。

光源2的持续性发光和光强传感器的持续工作既浪费能源也会加速零部件的老化。将第一光强传感器41、第二光强传感器42和光源2通过主控模块6控制，可以根据设定的频率同时启动进行位移测量，在测量完毕后再由主控模块6控制关闭，减少闲置运行时间，节约了能源，延长了使用寿命。

作为一种实施例，光源2发出的光包括红外线、可见光和紫外线中的至少一种。

作为一种实施例，光源2包括单色光源。

根据不同使用环境及设备情况，可以采用不同的光线作为光源，更加灵活方便。相比于复合光，单色光在进行折射时的出射角度相同，可以保证在整个扩散导光板3中的光线分布及亮度变化更加平顺。

作为一种实施例，扩散导光板3外形呈板状、窄条状或柱状中的一种。

光强传感器和光源2在扩散导光板3上的垂直投影都是位于一条直线上的，将扩散导光板3的宽度缩小，对数据的测量不会产生影响。更窄的扩散导光板3可以使整个光学位移测量器的体积减小，节约了加工成本，节省出不少安装和使用空间。

作为一种实施例，所述扩散导光板3包括掺杂了散射剂的导光板。

以导光板为基底，掺杂散射剂制备成扩散导光板3，可以提高导光板引导光线散射的均匀度，当光线射入扩散导光板时，通过散射形成光强的单调下降，光照强度随着与光源之间距离的增加平顺地减小，避免了光强的突然衰减导致测量不准的情况。而且通过改变散射剂的掺杂量，可以调整光线随着距离增加衰减的幅度，具有更好的适用性。

请参考图4，本发明还提供一种适用于上述光学位移测量器的位移测量方法，包括以下步骤：

s101.点亮光源，获取扩散导光板上某一点的亮度和该点与光源之间距离的函数关系；

开启光源2，使其发出具有一定亮度的光线。第一光强传感器41监测在扩散导光板3上某一位置的亮度，并通过刻度尺或其他工具量出该位置和光源2之间的距离值，将亮度和距离值一一对应得出光强和距离之间的函数关系。

s102.先从任意点获取亮度信息，再使第一光强传感器随着外部的活动同步发生位移，然后在获取亮度信息；

将第一光强传感器41设置在任意位置，采集当前位置的光照强度，通过函数关系计算出距离。再让第一光强传感器41跟随着测量的物体发生位移，并再次获取第一光强传感器41上的光强数据。

s103.将位移前后的亮度信息对应换算为与光源之间的距离，计算出发生位移的距离。

通过预先测出的函数关系，将位移前与位移后的光照数据输入主控模块6，计算出各自的位置坐标，即可得出发生相对位移的距离。

如图5所示，因为光源2采用的是恒定光源，在使用过程中每个坐标点上的光照强度都是确定的，这样便能将第一光强传感器监测到的光强与第一光强传感器的位置之间一一映射，从而可通过收集监测到的光强变化换算出位移数据。

请参考图6，本发明还提供一种适用于上述光学位移测量器的位移测量方法，包括以下步骤：

s201.点亮光源，获取两组亮度数据，计算出第一光强比；

开启光源2，使其发出具有一定亮度的光线。分别从第一光强传感器41和第二光强传感器42得到两组不同的光照强度信息，将他们相除得到一个比值，称为第一光强比。

s202.一个光强传感器随着外部活动发生位移，位移后再获取两组亮度数据，计算出第二光强比；

第一光强传感器41随着外部的活动同步发生位移；位移途中或者位移完成后，再次获取第一光强传感器41和第二光强传感器42的亮度信息，相除得到一个比值，称为第二光强比。

s203.通过第一光强比和第二光强比计算出发生位移的距离；

第一光强传感器41和第二光强传感器42分别监测扩散导光板3上两个位置上的光强，其中第二光强传感器位置固定，而光电传感器4与外界相连，可以在光学扩散板1上直线移动。本例中引入光强比η，其定义为：

这里的i1为第一光强传感器41监测到的光强值，i2为第二光强传感器42监测到的光强值，两个光强值同时监测收集。

如图7所示，在一种实施例中，光源2、第一光强传感器41和第二光强传感器42依次设置在一条直线上，横坐标为第一光强传感器41和第二光强传感器42之间的距离，纵坐标为光强比。从坐标轴中可知，距离和光强比之间具有单调变化特征，也就是说存在一一对应关系，从而可通过监测收集光强参数的变化实现位移的测量。这样操作后，因为比值只跟传感器所处的位置有关，即使光源2发光不稳定也不会造成测量的误差。

在一种实施例中，光源2、第一光强传感器41和第二光强传感器42在扩散导光板3上的垂点依次排布在同一直线上，光源2设置在以扩散导光板3为界的与第一光强传感器41和第二光强传感器42相对的另一侧。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。