非接触式测量探头及设备的制作方法

1.本实用新型涉及自动化测量技术领域，尤其涉及一种非接触式测量探头及设备。


背景技术：

2.在工业生产过程中通常会用到各种物体、气体或设备，其中，生产设备可以是工业生产中使用的风扇、机械加工治具等。为了使上述物体、气体或设备在工业生产中发挥较好的作用，可以通过自动化测量确定上述物体、气体或设备的参数信息。例如，可以通过测量风扇的转速来确定风扇的工作状态或风扇的散热性能；测量机械加工治具的振动频率及/或振幅来调整机械加工治具的加工性能；测量物体表面的粗糙度以使用合适粗糙度的物体进行生产；测量气体的成分以监控生产中气体中各成分的含量。
3.现有技术中，测量设备通常采用单发射光源和单接收光源的形式，故为了保证光信号的强度以准确测量上述测量对象的参数信息，需要在测量对象上粘贴反光标签，且测量设备需要近距离垂直于测量对象以向反光标签发射光信号，反光标签将光信号反射给测量设备，使得测量设备根据接收到的光信号确定测量对象的参数信息。以风扇为例，风扇外侧具有防护网，当在风扇扇叶上粘贴反光标签时，需先将风扇防护网拆掉，待反光标签粘贴完毕后，需将防护网重新回装，同时该风扇外侧的防护网也会影响光信号的传播，进而降低了测量设备的测量精度和效率。上述方案存在操作复杂度较高、测量精度无法保证且应用范围狭窄的问题。
4.鉴于此，亟需提供一种非接触式测量探头及设备，使得在不需要粘贴反光标签的情况下完成对测量对象相关参数信息的高精度的测量。
5.需要说明的是，上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。


技术实现要素：

6.本实用新型提供一种非接触式测量探头及设备，用以解决上述操作复杂度较高、一定光阻碍下无法测量的问题。
7.根据本实用新型的第一方面，提供了一种非接触式测量探头，包括：
8.壳体；
9.至少一个光发射器，所述至少一个光发射器设置于所述壳体的一表面上，用于发射光信号至一测量对象；
10.多个光接收器，所述多个光接收器设置于所述壳体的所述表面上，且分布在每个所述光发射器周围至少两个不同方向上，所述多个光接收器用于接收由所述光发射器发射的经所述测量对象反射后的光信号。
11.可选地，所述表面为平面或者曲面。
12.可选地，所述光发射器的数量为一个，所述多个光接收器沿至少一个第一图形的边缘分布，所有所述第一图形的中心位置重叠。
13.可选地，所述光发射器的数量为多个，所述多个光发射器分布在每个所述光接收器周围至少两个不同方向上。
14.可选地，多个所述光发射器沿至少一个第二图形的边缘分布，所述多个光接收器沿至少一个第一图形的边缘分布，所有所述第一图形和所述第二图形的形状相同、大小不同且中心位置重叠。
15.可选地，所述第一图形和所述第二图形交替排列。
16.可选地，多个所述光发射器和所述多个光接收器为均匀设置。
17.可选地，所述第一图形和所述第二图形为圆形、多边形或不规则图形。
18.可选地，所述光发射器发射的光信号及所述光接收器接收的光信号均为不可见光。
19.可选地，还包括：多个滤波部件，所述滤波部件设置于所述光接收器的前方，用于滤除可见光。
20.可选地，所述非接触式测量探头应用于风扇转速的测量、机械加工治具振动频率及/或振幅的测量、气体成分的测量或物体表面粗糙度的测量。
21.根据本实用新型的第二方面，提供了一种非接触式测量设备，所述非接触式测量设备包括：
22.如第一方面任一所述的非接触式测量探头；
23.控制器，电连接于所述非接触式测量探头，用于控制所述光发射器发射光信号，且根据所述光接收器接收的光信号特征确定所述测量对象的信息；及
24.电源设备，电连接于所述非接触式测量探头及所述控制器以提供电力支持。
25.可选地，所述控制器包括模数转换单元和计算单元，所述光接收器藉由所述模数转换单元与所述计算单元连接；其中，所述光接收器用于将接收的光信号转换为模拟电信号，所述模数转换单元用于将所述模拟电信号转换为数字信号，所述计算单元用于根据所述数字信号的特征确定所述测量对象的信息。
26.可选地，所述设备还包括语音播放器，所述语音播放器与所述控制器连接，用于播放所述测量对象的信息。
27.可选地，所述设备还包括显示屏，所述显示屏与所述控制器连接，用于显示所述测量对象的信息。
28.本实用新型提出的一种非接触式测量探头及设备，可以通过位于非接触式测量探头表面的多个光接收器接收光发射器发射的经测量对象反射后的光信号。由于光接收器分布在光发射器周围至少两个不同方向上，从而可以在测量对象上不贴反光标签的情况下，有效地多角度地接收经测量对象反射后的光信号，保证了非接触式测量探头接收的光信号的强度，降低了光传播路径中的部件(例如防护网)对光信号的影响，同时降低了测量的操作复杂度，提高了测量的准确度和效率。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提
下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本实用新型提供的非接触式测量探头的主视图；
31.图2至图6是本实用新型提供的非接触式测量探头的表面上光发射器和光接收器的分布示意图；
32.图7是本实用新型提供的一种非接触式测量设备的结构示意图。
33.附图标记说明：
34.10
‑
非接触式测量设备；
35.100
‑
非接触式测量探头；
36.1011
‑
设置有光发射器和光接收器的非接触式测量探头的表面；
37.102
‑
光发射器；
38.103
‑
光接收器；
39.110
‑
控制器；
40.1101
‑
计算单元；
41.1102
‑
模数转换单元；
42.120
‑
电源设备。
具体实施方式
43.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
44.在本实用新型实施例的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
45.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
46.在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
47.本实用新型应用于自动化测量技术领域，可实现对物体、气体或设备的参数信息的自动化测量，其测量过程包括对风扇转速的测量、对机械加工治具振动频率及/或振幅的测量、对气体成分的测量、对物体表面粗糙度的测量等。从而测量对象包括但不限于：风扇、
机械加工治具、气体、或物体。
48.以下具体对本实用新型的非接触式测量探头及设备的结构进行详细说明。
49.图1是本实用新型提供的非接触式测量探头的主视图，图2至图6是本实用新型提供的非接触式测量探头的表面上光发射器和光接收器的分布示意图。本实用新型的非接触式测量探头100，包括：
50.壳体101；至少一个光发射器102，至少一个光发射器102设置于壳体101的一表面1011上，用于发射光信号至一测量对象；多个光接收器103，多个光接收器103设置于壳体101的表面1011上，且分布在每个光发射器102周围至少两个不同方向上，多个光接收器103用于接收由光发射器102发射的经测量对象反射后的光信号。
51.其中，壳体101的表面1011可以为平面或者曲面。当壳体101的表面1011为平面时，壳体101的表面1011的形状可以为各种形状，例如，圆形、多边形或任意不规则图形。当壳体101的表面1011为曲面时，即光接收器103所在的平面与光发射器102所在的平面之间具有一定的夹角，使得即使非接触式测量探头100不是正对测量对象也能收到经测量对象反射后的光信号。
52.壳体101的表面1011的形状可以与光发射器102和光接收器103的分布相关。例如，当光发射器102和光接收器103分布在圆形的边缘上时，壳体101的表面1011可以呈圆形；当光发射器102和光接收器103分布在多边形的边缘上时，壳体101的表面1011可以呈多边形。如此，可以减少表面1011上的空闲区域，减小壳体101的体积。
53.可以理解的是，设置有光接收器103和光发射器102的表面1011朝向外侧，以使光发射器102发射的光信号可以到达测量对象，光接收器103可以接收到经测量对象反射后的光信号。在测量时，光接收器103和光发射器102均朝向测量对象。由于本实用新型的多个光接收器103分布在光发射器102周围至少两个不同方向上，从而光接收器103可以尽可能的接收多个角度反射的光信号，从而本实用新型的光接收器103和光发射器102可以不正对测量对象，即在一定偏差范围内也不会影响测量结果。
54.光发射器102可以为发射光信号的任意装置，例如，常用的光发射器102可以为led(light
‑
emitting diode，发光二极管)。其中，光信号可以是可见光，也可以是不可见光。
55.可以理解的是，当光信号为可见光时，测量过程对环境的要求较高。若环境光较强，则可能会影响光接收器103对光信号的接收，光接收器103接收到的光信号可能部分来自环境光，导致测量结果的准确度较差。从而使用可见光时，需要测量环境中不包含环境光，以可以保证测量结果的准确度。
56.当光信号为不可见光时，可以减弱测量过程中环境光对测量结果的影响。常见的不可见光可以为红外光、紫外光、远红外光等。在本实用新型中，光发射器102是可以发射红外光的红外led灯。一种红外led灯可以为ir26
‑
51c红外led芯片，其由电源模块进行供电，可以发出波长940nm的红外光。
57.需要说明的是，光发射器102发射的光信号和光接收器103可以接收的光信号一致。当光发射器102发射的光信号为可见光，则光接收器103接收的光信号为可见光；当光发射器102发射的光信号为不可见光，则光接收器103接收的光信号为不可见光。
58.上述光接收器103是可以接收光信号的任意装置，常用的光接收器103可以为光电二极管，也可以称为光电传感器。本实用新型可以使用opt101光电传感器。光电传感器可以
将接收的光信号转换为电信号。
59.本实用新型的壳体101的表面1011上设置有至少一个光发射器102，当光发射器102为一个时，多个光接收器103均匀分布在该光发射器102周围的至少两个方向上；当光发射器102为多个时，其中至少一个光发射器102的周围至少两个方向上均匀分布多个光接收器103，在理想状态下，每个光发射器102的周围至少两个方向上均匀分布多个光接收器103。如此，分布在光发射器102周围的至少两个方向上的光接收器103可以接收到不同角度的经测量对象反射后的光信号。
60.可以理解的是，当上述光发射器102的数量为一个时，多个光接收器103沿至少一个第一图形的边缘分布，所有第一图形的中心位置重叠。
61.其中，第一图形可以为圆形、多边形或任意不规则图形，光接收器103可以均匀分布在第一图形的边缘上。下面以圆形为示例进行说明，但需要说明的是，图2或图3中的第一图形还可以是多边形或任意不规则图形。
62.如图2所示，第一图形为一个，一个光发射器102位于第一图形的中心位置，多个光接收器103均匀分布在第一图形的边缘。当第一图形为一个时，可以在第一图形的边缘设置较多的光接收器103，以使光接收器103可以从各个不同的角度接收经测量对象反射后的光信号。
63.如图3所示，第一图形为多个，一个光发射器102位于多个第一图形的中心位置，多个光接收器103均匀分布在多个第一图形的边缘。当第一图形为多个时，不同第一图形上的光接收器103可以分布在光发射器102的不同方向上，即任意两个第一图形上的任意两个光接收器103和光发射器102不在一条直线上。如图3所示，最里面的第一图形上的四个光接收器103分布在光发射器102周围的四个方向上，中间的第一图形上的4个光接收器103分布在光发射器102周围的另外4个方向上，最外面的第一图形上的8个光接收器103分布在光发射器102周围的另外8个方向上，如此，光接收器103分布在光发射器102的16个方向上。这样，光接收器103分布的方向越多，可以使光接收器103尽可能的接收到不同角度不同方向的光信号。
64.可选地，上述光发射器102的数量还可以为多个，多个光发射器102分布在每个光接收器103周围至少两个不同方向上。
65.可以理解的是，当每个光接收器103周围不同方向上设置有多个光发射器102时，该光接收器103可以接收到多个光发射器102发射的光信号，进一步保证光接收器103尽可能的来接收光信号。
66.上述多个光发射器102沿至少一个第二图形的边缘分布，多个光接收器103沿至少一个第一图形的边缘分布，所有第一图形和第二图形的形状相同、大小不同且中心位置重叠。
67.第一图形和第二图形可以为同一种图形。如图4所示，第一图形可以位于第二图形的外面，第一图形的边缘分布多个光接收器103，第二图形的边缘分布多个光发射器102；如图5所示，第一图形位于第二图形的里面，第一图形的边缘分布多个光接收器103，第二图形的边缘分布多个光发射器102。光接收器103和光发射器102的数量可以相同，也可以不同，如图4或5所示，光接收器103和光发射器102的数量不同。光接收器103、光发射器102、重叠的中心位置可以不在一条直线上，也可以不在一条直线上。
68.在实际应用中，第一图形和第二图形均可以为多个，并且多个第一图形和多个第二图形可以交替排列。例如，如图6所示，从最里面一层开始，第一图形
‑
第二图形
‑
第一图形
‑
69.第二图形等如此循环。当然，还可以按照第二图形
‑
第一图形
‑
第二图形
‑
第一图形等如此循环。这样，光接收器103和光发射器102可以交替出现，尽可能的保证光接收器103可以多角度的接收经测量对象反射后的光信号。
70.可以看出，图6中的第一图形和第二图形在交替排列时，其中一个图形的相邻两个图形与该图形可以不同。在实际应用中，在第一图形和第二图形交替排列时，可以连续排列至少一个第一图形之后再连续排列至少一个第二图形。
71.可选地，多个上述光发射器102和上述多个光接收器103为均匀设置。
72.可以理解的是，光发射器102和光接收器103均匀设置，即为沿第二图形边缘分布的任意两个光发射器102之间的距离相当，沿第一图形边缘分布的任意两个光接收器103之间的距离相当。避免多个光发射器102集中分布在一个区域，多个光接收器103集中分布在另一个区域。
73.当光发射器102均匀设置时，可以使测量对象接收到位于各个位置的光发射器102发射的光信号，有助于提高测量对象反射的光信号的总体光强。
74.当光接收器103均匀设置时，可以使位于各个位置的光接收器103尽可能的接收到测量对象反射的光信号，有助于提高光接收器103接收的光信号的总体光强。
75.基于上述光发射器102和光接收器103的均匀设置，可以从两个方面尽可能的保证测量结果的准确度。
76.可选地，上述第一图形和上述第二图形可以为圆形、多边形或任意不规则图形，并且第一图形和第二图形可以相同，也可以不相同。
77.当光信号为不可见光时，光接收器103的前方还可以设置滤波部件，用于滤除环境中的可见光。滤波部件的数量可以大于或等于光接收器103的数量，以保证每个光接收器103均对应一个或多个滤波部件。
78.其中，滤波部件可以为长波通滤波片，不同的长波通滤波片的截止波段不同，可以用来截止不同的可见光。例如，截止波长为800nm的长波通滤波片可以用于滤除波长小于800nm的光，由于800nm以上为红外光，从而可以将红外光以外的其余可见或不可见光滤除。
79.需要说明的是，滤波部件可以通过固定装置固定在光接收器103的前方，其中，固定装置可以为支架。
80.本实用新型可以通过滤波部件滤除环境光等可见光进入光接收器103，避免可见光对测量结果的影响，有助于提高测量结果的准确度。
81.可选地，所述非接触式测量探头可应用于风扇转速的测量、机械加工治具振动频率及/或振幅的测量、气体成分的测量或物体表面粗糙度的测量。
82.图7是本实用新型提供的非接触式测量设备的结构示意图。本实用新型的非接触式测量设备10，包括：前述非接触式测量探头100；控制器110，电连接于非接触式测量探头100，用于控制光发射器102发射光信号，且根据光接收器103接收的光信号特征确定测量对象的信息；及电源设备120，电连接于非接触式测量探头100及控制器110以提供电力支持。
83.为了实现非接触式测量探头100与控制器110的连接，图1中的非接触式测量探头
100的下表面可以引出一条引线，以与控制器110连接。
84.其中，测量对象的信息包括：风扇的转速、机械加工治具的振动频率及/或振幅、气体的成分、物体表面的粗糙度。
85.控制器110可以称为cpu(central processing unit，中央处理单元)，控制器110的处理逻辑不同时，非接触式测量设备测量的测量对象和测量对象的信息不同。控制器110上可以仅集成一种处理逻辑，以使一台非接触式测量设备可以实现一种测量对象的测量。控制器110上也可以同时集成多种处理逻辑，以使一台非接触式测量设备可以同时实现多种测量对象的测量。例如，一台非接触式测量设备可以同时实现如下至少两种测量：对风扇的转速的测量、机械加工治具的振动频率及/或振幅的测量、气体成分的测量、物体表面的粗糙度的测量。
86.上述非接触式测量探头100中的光发射器102、光接收器103、控制器110等均需要电源设备120提供电力支持。
87.可选地，所述控制器110包括模数转换单元1102和计算单元1101，光接收器103藉由模数转换单元1102与计算单元1101连接；其中，光接收器103用于将接收的光信号转换为模拟电信号，模数转换单元1102用于将模拟电信号转换为数字信号，计算单元1101用于根据数字信号的特征确定测量对象的信息。
88.以风扇为例，当测量对象的信息为风扇的转速时，多个光接收器103将接收的多路光信号转换为多路模拟电信号，模拟转换单元1102将上述多路模拟信号转换为多路数字信号并将其传入计算单元1101，计算单元将上述多路数字信号进行加和，并进行fft(fast fourier transform，快速傅里叶变换)以将时域信号转变为频域信号，然后在频域信号中搜索幅度最大的分量，最后通过公式60*f
max
/n计算风扇的转速，其中，f
max
是幅度最大的分量对应的频率，n是扇叶的个数。
89.在本实用新型中，模数转换单元1102可以为ad7606型adc芯片，为了提高灵敏度和稳定性，ad7606型adc芯片为16位高精度adc芯片。计算单元1101可以为stm32f103rc单片机。
90.上述计算单元1101确定的测量对象的信息可以发送给上位机，其中，上位机可以是任意具有显示屏或语音播放器的设备，以通过显示屏显示测量对象的信息，或通过语音播放器播放测量对象的信息；同时，计算单元1101在确定测量对象的信息时所需要的控制参数亦可通过上位机进行实时设置，例如在计算风扇转速时，风扇扇叶数量是必须的控制参数，可在上位机上进行设置并将其传输至计算单元1101。
91.具体地，当上位机将控制参数传输至计算单元1101或测量对象的信息被计算单元1101发送给上位机时，计算单元1101和上位机可以通过usb(universal serial bus，通用串行总线)接口连接，控制参数或测量对象的信息可以由协议转换单元将串口信号转换为usb信号。其中，协议转换单元可以为ch340芯片。
92.可选地，非接触式测量设备还包括语音播放器，语音播放器与控制器110连接，用于播放测量对象的信息。从而当测量对象的信息被计算单元1101发送给非接触式测量设备的语音播放器时，语音播放器可以与控制器110中的计算单元1101连接。
93.其中，语音播放器可以位于非接触式测量设备的外壳内部，控制器110在确定测量对象的信息之后，可以将测量对象的信息发送给语音播放器进行语音播放。
94.本实用新型可以通过语音播放器与用户进行交互，以使用户获取到测量对象的信息，即测量结果，提高了人机交互的效率。
95.可选地，上述非接触式测量设备还包括显示屏，显示屏与控制器110连接，用于显示测量对象的信息，显示屏可以与控制器110中的计算单元1101连接。
96.其中，显示屏位于非接触式测量设备的表面上。控制器110在确定测量对象的信息之后，将测量对象的信息以图像和/或文字的方式显示在显示屏上。当测量对象的信息包括多条时，可以以列表的方式显示多条测量对象的信息。
97.本实用新型可以通过显示屏显示测量对象的信息，以使用户可以通过显示屏查看测量对象的信息，提高了人机交互的效率。
98.本实用新型提出的一种非接触式测量探头及设备，可以通过位于非接触式测量探头表面的多个光接收器接收光发射器发射的经测量对象反射后的光信号。由于光接收器分布在光发射器周围至少两个不同方向上，从而可以在测量对象上不贴反光标签的情况下，有效地多角度地接收经测量对象反射后的光信号，保证了非接触式测量探头接收的光信号的强度，降低了光传播路径中的部件(例如防护网)对光信号的影响，同时降低了测量的操作复杂度，提高了测量的准确度和效率。
99.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。