一种激光光斑中心测量装置的制作方法

本实用新型属于光电测量技术领域，具体地说涉及一种大量程激光光斑中心测量装置。

背景技术：

位移和形变量的测量在表面测量、材料测量、精密机械测量等众多领域起着越来越重要的作用。测量位移或者形变量，可以采用接触式测量法和非接触式测量法，传统的接触式测量方法存在较大的局限性，而非接触式的测量法往往采用面阵CCD获取激光光斑图像，再采用算法识别光斑中心。但由于面阵CCD的几何尺寸、像素等规格限制，其硬件层面的拓展空间小，代价大。因此需要较大量程时，多通过光学放大方式来提取信息，但这存在图像分辨率降低的问题。受此特点影响，激光光斑中心测量的方式多用于小量程的高精度测量领域。因此，如何在不改变精度的前提下，大幅拓展量程是本领域的一个技术难点。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提供一种激光光斑中心测量装置，本实用新型能够在低成本下实现高精度和大量程的测量。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：

一种激光光斑中心测量装置，其特征在于：包括激光接收器，所述激光接收器包括控制组件、基板和线阵感光元件，所述线阵感光元件与控制组件连接，所述线阵感光元件分别固定在基板的X轴方向和Y轴方向，X轴方向上的线阵感光元件与Y轴方向上的线阵感光元件配合在基板上均匀形成纵横交错的感光区域。

所述线阵感光元件分别固定在基板X轴方向的任意一条边上和基板Y轴方向的任意一条边上。

所述线阵感光元件在基板X轴方向和Y轴方向上的数量均为一个或多个，当均为多个时，基板X轴方向上任意相邻两线阵感光元件的端部错位搭接，基板Y轴方向上任意相邻两线阵感光元件的端部错位搭接。

所述线阵感光元件分别固定在基板X轴方向的两条相平行边上和基板Y轴方向的两条相平行边上。

所述线阵感光元件在基板X轴方向两条相平行边上的数量均为一个或多个，当均为一个时，基板X轴方向两条边上的线阵感光元件相平行且错位相交，当均为多个时，基板X轴方向两条边上的线阵感光元件均呈一字间隔设置，且其中一条边上的任一线阵感光元件均对应位于另一条边上的相邻两线阵感光元件之间或其中一条边上的任意相邻两线阵感光元件位于另一条边上对应线阵感光元件的两端；所述线阵感光元件在基板Y轴方向两条相平行边上的数量均为一个或多个，当均为一个时，基板Y轴方向两条边上的线阵感光元件相平行且错位相交，当均为多个时，基板Y轴方向两条边上的线阵感光元件均呈一字间隔设置，且其中一条边上的任一线阵感光元件均对应位于另一条边上的相邻两线阵感光元件之间或其中一条边上的任意相邻两线阵感光元件位于另一条边上对应线阵感光元件的两端。

所述线阵感光元件分别固定在基板X轴/Y轴方向的任意一条边上和基板Y轴/X轴方向的两条相平行边上。

所述线阵感光元件在基板X轴/Y轴方向上的数量为一个或多个，当为多个时，基板X轴/Y轴方向上任意相邻两线阵感光元件的端部错位搭接；所述线阵感光元件在基板Y轴/X轴方向两条相平行边上的数量均为一个或多个，当均为一个时，基板Y轴/X轴方向两条边上的线阵感光元件相平行且错位相交，当均为多个时，基板Y轴/X轴方向两条边上的线阵感光元件均呈一字间隔设置，且其中一条边上的任一线阵感光元件均对应位于另一条边上的相邻两线阵感光元件之间或其中一条边上的任意相邻两线阵感光元件位于另一条边上对应线阵感光元件的两端。

所述线阵感光元件为线阵CCD、线阵CMOS或PSD位置传感器。

所述控制组件包括主控模块、驱动运放模块和供电稳压模块，主控模块通过驱动运放模块与线阵感光元件连接，供电稳压模块分别与主控模块和驱动运放模块连接。

所述的测量装置还包括激光发射器，所述激光发射器用于发射与感光区域垂直的激光光斑。

采用本实用新型的优点在于：

1、本实用新型采用线阵感光元件形成均匀且纵横交错的感光区域，能够有效接收并解析激光光斑信号，从而实现二维高精度的位移测量。与现有技术中的面阵CCD测量方案相比，本实用新型仅在基板的X轴方向和Y轴方向设置线阵感光元件即可，不仅结构更加简单，成本也更加低廉。

2、本实用新型中可通过增加线阵感光元件的数量来延伸感光区域的面积，实现了高精度下的低成本、大量程测量方案。且由于激光光斑的长度可以自由设计，因此，整个装置其理论上的量程可拓展空间非常大。另外，当线阵感光元件的数量增加，即X轴和/或Y轴上的线阵感光元件的数量为多个时，线阵感光元件在基板上能够有三种排布结构，第一种是仅在基板的相邻两条边上设置线阵感光元件，即线阵感光元件在基板上呈L形结构，该种结构中线阵感光元件采用错位搭接结构；第二种是在基板的四条边上均设置线阵感光元件，即线阵感光元件在基板上呈方形结构，该种结构中相平行边上的线阵感光元件均采用一字间隔排列结构；第三种是则是第一种与第二种的结合。通过这三种不同排布结构的配合，使得本实用新型能够适用不同行业。

3、本实用新型采用的线阵感光元件激光等均是成熟且被广泛使用的技术，确保了整个测量装置的稳定、经济。

附图说明

图1为实施例1的结构示意图；

图2为实施例1中线阵感光元件在基板上的结构示意图；

图3为实施例1中线阵CCD的结构原理示意图；

图4为实施例1中线阵CCD数据采集的原理示意图；

图5为实施例2中线阵感光元件在基板上的一种结构示意图；

图6为实施例2中线阵感光元件在基板上的另一种结构示意图；

图7为实施例3中线阵感光元件在基板上的结构示意图；

图中标记为：1、激光接收器，2、激光发射器，3、线阵感光元件，4、主控模块，5、驱动运放模块，6、供电稳压模块，7、感光区域，8、基板。

具体实施方式

实施例1

本实施例公开了一种激光光斑中心测量装置，如图1所示，包括激光发射器2和激光接收器1，所述激光接收器1包括控制组件、基板8和线阵感光元件3，所述线阵感光元件3与控制组件连接，所述线阵感光元件3分别固定在基板8的X轴方向和Y轴方向，X轴方向上的线阵感光元件3与Y轴方向上的线阵感光元件3配合在基板8上均匀形成纵横交错的感光区域7。所述控制组件包括主控模块4、驱动运放模块5和供电稳压模块6，主控模块4通过驱动运放模块5与线阵感光元件3连接，供电稳压模块6分别与主控模块4和驱动运放模块5连接。所述激光发射器2用于发射与感光区域7垂直相交的激光光斑。其中，所述激光发射器2可以发射不同角度相交的激光光斑，但优选采用十字激光模组发射十字激光光斑，便于快速确定激光光斑坐标中心。依托激光具有精度高、扩散小、照射距离远、准直等特点，确保形成的光斑图案稳定、可靠的特点。

本实施例中，所述线阵感光元件3分别固定在基板8X轴方向的任意一条边上和基板8Y轴方向的任意一条边上，且线阵感光元件3在基板8X轴方向和Y轴方向上的数量均为一个或多个，具体结构分别如下：

当线阵感光元件3在基板8X轴方向和Y轴方向上的数量均为一个时，X轴方向上的线阵感光元件3与Y轴方向上的线阵感光元件3相垂直，此时感光区域7的面积较小。

当线阵感光元件3在基板8X轴方向和Y轴方向上的数量均为多个时，如图2所示，基板8X轴方向上任意相邻两线阵感光元件3的端部错位搭接，基板8Y轴方向上任意相邻两线阵感光元件3的端部错位搭接；时感光区域7的面积较大，能够增大测量量程。其中，由于线阵感光元件3的两端为壳体，两端部分不能感应到激光光斑，因此需要采用错位搭接的结构来保护在基板8上形成均匀的感光区域7。进一步的，所述错位搭接是指X轴方向或Y轴方向上的线阵感光元件3分两排间隔设置，并使上一排线阵感光元件3的端部对应搭接在下一排线阵感光元件3的端部上。

本实施例中，所述线阵感光元件3可以为线阵CCD、线阵CMOS或PSD位置传感器，下面以线阵CCD作为线阵感光元件3为例来说明主控模块4、驱动运放模块5和供电稳压模块6的功能作用：

所述线阵CCD，用于在基板8上形成纵横交错的感光区域7，确保每个轴向的其中一个线阵CCD能够接收到激光发射器2发射出的激光光斑信号，线阵CCD在基板8上的位置预知，这样，通过X轴方向和Y轴方向的线阵CCD就能够以二维的角度计算出激光光斑中心，从而准确测量待测目标是否发生位移。线阵CCD具有位置分辨率高、响应速度快、设计简易、可靠性好的特点。

所述驱动运放模块5，其驱动芯片模组产生准确的一系列驱动脉冲给线阵CCD，通过反相器稳定驱动信号后提供给线阵CCD，线阵CCD根据时序逐位输出用于描述激光光强的脉冲信号，然后经过反向放大有效势阱电压值，滤除复位脉冲干扰信号，再将处理后的视频信号送入至 AD 转换器进行量化，最后将量化的AD信号送至主控模块4的主控芯片PFGA进行算法处理，最终确定光斑中心位置以及待测基准点坐标。

所述供电稳压模块6，主要为主控模块4、驱动运放模块5提供稳定的电压输出，该供电稳压模块6可通过外部直流变压也可通过锂电池储能转换为需求的VCC供电电压，该供电稳压模块6具有稳定高精度的电压输出以及足够的负载能力。

所述主控模块4，处理及分析线阵CCD反馈的光斑坐标数据，包括识别位于Y轴的哪个线阵CCD接收到激光信号，识别光斑所在线阵CCD的准确坐标位置；识别位于X轴的哪个线阵CCD接收到激光信号，识别光斑所在线阵CCD的准确坐标位置。通过X轴和Y轴分别反馈给主控芯片FPGA的坐标信息计算出十字激光的中心二维坐标点，与前数次采集的坐标中心点进行对比，当发现坐标偏差到设定的限值，及时将测量的数据反馈给主控模块4。

现以线阵CCD作为线阵感光元件3为例说明本实施例的实施原理，如下：

1、安装固定以及初始化。针对激光发射器2，将激光发射器2的 十字激光模组牢固安装在待测基准面上，确保与基准面良好安装，可调整投射角度，一旦确定角度后可固定不再移动。针对激光接收器1，将线阵CCD按照L型的结构设置在基板8的X轴方向和Y轴方向上，X轴方向和Y轴方向上的线阵CCD均采用两两错位搭接且平行的方式设置，再将主控模块4、供电稳压模块6、驱动运放模块5等所有相关部件良好安装固定，并通电进入初始测量就绪状态。

2、线阵CCD进行初始测量，以定位零位位移位置。开启激光发射器2发射十字激光，通过调整投射角度和接收位置和角度，使其Y轴方向的线阵CCD能够接收到X轴方向的十字激光信号，X轴方向的线阵CCD能够接收到Y轴方向的十字激光信号，调整位置和角度，使X轴和Y轴中间附近的线性CCD能够接收到激光信号，确保待侧目标上下左右位移也能够有足够余量被监测到。

进一步地，待能够确定激光接收器1正确接收到十字激光信号后，关闭十字激光，减除环境光，再开启十字激光，多次测量，确定静态偏差在可接收范围后，进入对比测试开始分析位移偏差。

3、线阵CCD采集光斑中心，并比较分析偏差。X轴方向的线阵CCD和Y轴方向的线阵CCD将采集到的激光坐标通过主控模块4的主控芯片FPGA计算出二维光斑中心，将后续测量的光斑中心点与初始零位采集的光斑中心进行比较，确定偏移量，计算出待测目标的位移量。

其中，线阵CCD图像采集的基本工作的流程如图3所示：首先由主控模块4的主控芯片FPGA主控产生一个启动信号给CCD驱动芯片，开始一帧一帧数据的读取，CCD驱动芯片产生驱动时序提供给线阵CCD；同时CCD驱动芯片产生AD转换时钟和主控芯片FPGA中断触发时钟。主控芯片FPGA与AD转换芯片电路相连，在中断响应过程中直接将CCD数据读取到片内RAM，以进行数据的分析及处理。

线阵CCD的数据采集原理为图4所示，线阵CCD是一种新型的半导体集成光电器件，具有分辨率高、稳定性好的特点，激光照射到线阵CCD上根据驱动时序产生相应视频信号，驱动时序包括转移脉冲SH(用于感应电荷到存储单元的转移)、时钟脉冲A1\A2(用于交替将储存单元中的电荷依次转移到输出缓存)、复位脉冲RS(输出缓存器的复位清零，以便进行下一像素的输出)、钳位脉冲CP(使输出信号钳制在零信号电平上)，该时序信号通过反相器稳压输出提供给线阵CCD。

CCD输出信号OS1/OS2，主要经过运放、滤波送到AD转换电路进行数据量化，转化为多路并行数据D0-D7，最终送至主控芯片FPGA进行算法处理。

4、当待测目标发生偏移时，能够通过二维角度的线阵CCD数据精确计算出位移的方向和位移量，最后将数据传递给主控模块4，从而对待测目标进行实时监测。

实施例2

本实施例公开了一种激光光斑中心测量装置，包括激光发射器2和激光接收器1，所述激光接收器1包括控制组件、基板8和线阵感光元件3，所述线阵感光元件3与控制组件连接，所述线阵感光元件3分别固定在基板8的X轴方向和Y轴方向，X轴方向上的线阵感光元件3与Y轴方向上的线阵感光元件3配合在基板8上均匀形成纵横交错的感光区域7。所述控制组件包括主控模块4、驱动运放模块5和供电稳压模块6，主控模块4通过驱动运放模块5与线阵感光元件3连接，供电稳压模块6分别与主控模块4和驱动运放模块5连接。所述激光发射器2用于发射与感光区域7垂直相交的激光光斑。其中，所述激光发射器2可以发射不同角度相交的激光光斑，但优选采用十字激光模组发射十字激光光斑，便于快速确定激光光斑坐标中心。

本实施例中，所述线阵感光元件3分别固定在基板8X轴方向的两条相平行边上和基板8Y轴方向的两条相平行边上,其包括如下两种结构：

第一种，如图5所示，线阵感光元件3在基板8X轴方向两条相平行边上的数量均为一个，线阵感光元件3在基板8Y轴方向两条相平行边上的数量均为一个。具体的,基板8X轴方向两条边上的线阵感光元件3相平行且错位相交，基板8Y轴方向两条边上的线阵感光元件3相平行且错位相交。

第二种，如图6所示，线阵感光元件3在基板8X轴方向两条相平行边上的数量均为多个，线阵感光元件3在基板8Y轴方向两条相平行边上的数量均为多个。具体的, 基板8X轴方向两条边上的线阵感光元件3均呈一字间隔设置，且其中一条边上的任一线阵感光元件3均对应位于另一条边上的相邻两线阵感光元件3之间或其中一条边上的任意相邻两线阵感光元件3位于另一条边上对应线阵感光元件3的两端。基板8Y轴方向两条边上的线阵感光元件3均呈一字间隔设置，且其中一条边上的任一线阵感光元件3均对应位于另一条边上的相邻两线阵感光元件3之间或其中一条边上的任意相邻两线阵感光元件3位于另一条边上对应线阵感光元件3的两端。

实施例3

本实施例公开了一种激光光斑中心测量装置，包括激光发射器2和激光接收器1，所述激光接收器1包括控制组件、基板8和线阵感光元件3，所述线阵感光元件3与控制组件连接，所述线阵感光元件3分别固定在基板8的X轴方向和Y轴方向，X轴方向上的线阵感光元件3与Y轴方向上的线阵感光元件3配合在基板8上均匀形成纵横交错的感光区域7。所述控制组件包括主控模块4、驱动运放模块5和供电稳压模块6，主控模块4通过驱动运放模块5与线阵感光元件3连接，供电稳压模块6分别与主控模块4和驱动运放模块5连接。所述激光发射器2用于发射与感光区域7垂直相交的激光光斑。其中，所述激光发射器2可以发射不同角度相交的激光光斑，但优选采用十字激光模组发射十字激光光斑，便于快速确定激光光斑坐标中心。

本实施例中，所述线阵感光元件3分别固定在基板8X轴/Y轴方向的任意一条边上和基板8Y轴/X轴方向的两条相平行边上，该结构为实施例1与实施例2的组合，其包括如下两种结构：

第一种，线阵感光元件3在基板8X轴/Y轴方向上的数量为一个，线阵感光元件3在基板8Y轴/X轴方向两条相平行边上的数量均为一个。具体的，当线阵感光元件3在基板8Y轴/X轴方向两条相平行边上的数量均为一个时，基板8Y轴/X轴方向两条边上的线阵感光元件3相平行且错位相交，

第二种，如图7所示，线阵感光元件3在基板8X轴/Y轴方向上的数量为多个，线阵感光元件3在基板8Y轴/X轴方向两条相平行边上的数量均为多个。具体的，当线阵感光元件3在基板8X轴/Y轴方向上的数量为多个时，基板8X轴/Y轴方向上任意相邻两线阵感光元件3的端部错位搭接。当线阵感光元件3在基板8Y轴/X轴方向两条相平行边上的数量均为多个时，基板8Y轴/X轴方向两条边上的线阵感光元件3均呈一字间隔设置，且其中一条边上的任一线阵感光元件3均对应位于另一条边上的相邻两线阵感光元件3之间或其中一条边上的任意相邻两线阵感光元件3位于另一条边上对应线阵感光元件3的两端。

本实用新型中，无论线阵CCD或面阵CCD，常规像素间距为1-14um不等，具体视采用的CCD规格而定。光斑中心的计算精度与物理像素间距基本相同，通过算法与叠加等技术处理手段，本实用新型的精度可达0.1倍的像素间距。另外，由于面阵CCD的面板尺寸较小，1英寸（25.4mm）的就算大的了，且面阵CCD对硬件的要求要严格的多，对数据处理系统的成本亦大于线阵CCD。而本实用新型通过线阵CCD组拓展量程，其量程大小可达300mm甚至更大。同等尺寸及性能下，2片线阵CCD价格亦远小于面阵CCD的价格。因此，本实用新型能够在低成本下实现高精度和大量程的测量。