一种新型光臂放大式高精度长度传感器及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种精密测试技术及仪器领域，特别涉及一种新型光臂放大式高精度 长度传感器及测量方法。
【背景技术】
[0002] 位移传感器是一种常用的几何量传感器，在航空航天、工业生产、机械制造以及军 事科学等很多领域中都有广泛的使用。位移的测量方式有很多种，较小位移（如小于lcm) 通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，较大的位移（如大于 lcm)常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现 数字化、精度高（目前分辨率最高的可达到纳米级）、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安 装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。
[0003] 光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形 的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10~100线/毫米。由光栅形成的叠栅 条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。
[0004] 光栅传感器由于光刻工艺的物理结构限制，造成其测量精度很难再有提升，无法 满足越来越高的测量精度的需求，迫切需要开发一种结构简单，精度更高的传感器。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服现有光栅式位移传感器由于其制造工艺、结构的限制导致 的精度很难进一步提高的不足，提供一种新型光臂放大式高精度长度传感器，该长度传感 器上设有反射部件，反射部件上具有连续的多个反射面，被测物体发生位移时，激光源发射 的激光束通过反射面反射到光电探测器上，根据光电探测器检测到的反射激光位置的变化 值，得到被测物体的位移大小，该长度传感器结构简单，提高了测量精度，易于实现批量制 造。
[0006] 为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
[0007] -种新型光臂放大式高精度长度传感器，包括：
[0008] 激光束一、激光束二；
[0009] 反射部件，所述反射部件上设有用于反射所述激光束一、激光束二的若干个反射 面，每个所述反射面截面为凸起形状，所有所述反射面首尾相连；
[0010] 光电探测器一，用于接收所述激光束一在所述反射部件中的反射面反射后的激光 束并显示其反射位置；
[0011] 光电探测器二，用于接收所述激光束二在所述反射部件中的反射面反射后的激 光束并显示其反射位置；
[0012] 处理系统，根据所述光电探测器一上所接收到的激光束一反射位置变化值和所述 光电探测器二上所接收到的激光束二反射位置变化值，计算得到被测物体的位移变化值。
[0013] 该新型光臂放大式高精度长度传感器，可以通过将反射部件安装在被测物体上， 激光束一、激光束二入射到反射部件的不同反射面表面后分别反射到光电探测器一、光电 探测器二上。当反射部件固定在被测物体上时，被测物体发生位移，反射部件随之一起位 移，通过测量位移过程中激光束一、激光束二经反射部件的反射面反射后分别位于光电探 测器一、光电探测器二上的反射位置点的变化，每个时刻激光束一、激光束二在反射面上反 射后的两条激光束中至少有一条反射激光能够被对应的光电探测器一、光电探测器二所检 测，即光电探测器一、光电探测器二的长度适配并能够感应到激光束一、激光束二的反射激 光束在对应光电探测器上变化的反射位置点。
[0014] 由于反射部件每个反射面的截面形状为凸起形状，首尾相连的所有反射面构成反 射部件的反射面阵列，反射部件相对激光束一、激光束二相对移动过程中，激光束一、激光 束二入射到不同反射面上的反射点发生变化，由于反射面是凸起形状，激光束一、激光束二 的反射点在反射面上的微小位移变化，其反射到光电探测器一、光电探测器二上的位置变 化会发生更大的变化，即激光束一、激光束二反射到光电探测器一、光电探测器二上激光束 位置长度变化值远大于反射部件与激光束一、激光束二发生的相对位移值。处理系统能够 根据两个光电探测器上激光束一、激光束二反射位置的变化值来计算被测物体位移的变化 值，能够得到更高的精度，该传感器结构简单，适用于被测物体连续位移变化的测量，其测 量可靠，易于实现批量制造。
[0015] 该反射部件的反射面截面为凸起形状，可以为对称也可以是非对称结构，若凸起 结构为非对称形状，激光束一、激光束二入射到的不同反射面上的结构若彼此不相互对称， 处理系统根据反射到光电探测器上反射激光束位置长度变化规律采用不同的反射计算公 式进行计算。
[0016] 该光电探测器一、光电探测器二采用的是一种对光点位置敏感的光电器件，可以 测出光点的一维坐标的长方形器件。比如，光电探测器可选择一维线性光电探测器（简称 一维PSD)，也可选择成二维平面光电探测器（简称二维PSD)。
[0017] 优选地，每个所述反射面的凸起形状截面均为对称的等腰三角形状或圆弧形状。
[0018] 该反射面的凸起形状截面属于轴对称形状，即沿轴对称的两面均能够实现反射， 优选该对称的凸起形状为等腰三角形状，其中三角形反射面的底面连接在反射部件上或与 反射部件一体成型，另外两腰所对应的两面分别为反射单元面，所有反射面在反射部件上 形成一个连续的三角反射面阵列。另外，该反射面凸起形状的截面还可以为圆弧形状，其每 个反射面形成弧形面，所有反射面在反射部件上形成一个连续的波浪弧形反射面阵列。
[0019] 反射部件上设有便于安装在被测物体上的安装孔或粘贴件，便于与被测物体或者 在测量时的其他相对静止的部件适配、卡接或粘贴，方便拆装。
[0020] 优选地，所述激光束一、激光束二分别通过激光源一和激光源二发射得到该激光 束。
[0021] 进一步优选地，该传感器还包括壳体，所述激光源一、激光源二、光电探测器一、光 电探测器二均位于壳体内，形成读数头，所述读数头的收发端面可穿过激光束一、激光束二 以及所述激光束一、激光束二的反射激光束。所述读数头设有安装孔或粘贴件，便于与被测 物体或者相对静止的部件适配、卡接或粘贴，方便拆装。
[0022] 将激光源一、激光源二、光电探测器一、光电探测器二集成在壳体内，形成读数头， 在调试和测量时，只需要将读数头对准反射部件并调整二者相对位置，便能快速的将激光 源一、激光源二、光电探测器一、光电探测器二与反射部件的光路位置关系调试至符合测量 条件。
[0023] 优选地，所述光电探测器一与所述光电探测器二相互平行设置，且均垂直或平行 于所述读数头的收发端面。
[0024] 该光电探测器一、光电探测器二相互平行设置，并且与收发端面相互平行或垂直， 便于调节读数头与反射部件的光路，当然在实际需要中也可以调整光电探测器一、光电探 测器二的位置与读数头的收发端面成一定角度。
[0025] 优选地，所述激光源一和激光源二的间距可调，所述光电探测器一与所述光电探 测器二的间距可调，所述激光源一发射的激光束一、所述激光源二发射的激光束二相对读 数头收发端面的出射角度均可调。
[0026] 该光电探测器一、光电探测器二的间距可调，激光源一、激光源二间距也可调，因 此激光源一、激光源二与反射部件之间形成的激光束光路能够方便的进行调整，即能够将 激光源一、激光源二发射的激光束通过反射面反射到光电探测器上感光长度变化值轻易调 整到远大于被测物体位移值，以便于检测光电探测器一、光电探测器二上感光长度大小来 反推被测物体的位移，提高测量精度。
[0027] 本发明还提供了一种新型光臂放大式高精度长度传感器的测量方法，包括如上述 的新型光臂放大式高精度长度传感器，其测量方法包括以下步骤：
[0028] 步骤一、将将被测物体固定在所述反射部件或读数头上，其中将所述反射面调整 为与被测物体的移动方向一致；
[0029] 步骤二、调整激光束一、激光束二、反射部件、光电探测器一、光电探测器二的位置 关系，使其相互适配，使激光束一、激光束二在所述反射部件上反射的两条激光束能够分别 被所述光电探测器一、光电探测器二探测到；并且调整所述光电探测器一、光电探测器二与 所述反射部件的位置关系，使被测物体发生位移时，使激光束一、激光束二通过反射面反射 到光电探测器上的感光长度变化值大于被测物体位移值；所述光电探测器一、光电探测器 二与处理系统通信连接；
[0030] 步骤三、发射激光束一、激光束二，所述激光束一、激光束二分别经过所述反射部 件的不同反射面或同一反