[发明专利]具有参考光束的激光位移传感器

说明书

技术领域

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。

发明内容

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。