本實(shí)用新型涉及一種激光三角位移傳感器，屬于光電測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

基于激光三角測(cè)距原理的位移傳感器，具有非接觸、高精度、高可靠性等明顯優(yōu)勢(shì)。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)激光三角測(cè)距方法進(jìn)行了很多的探索，如中國(guó)專利CN201180015367.5、CN200610149518.7和CN200820151430.3，都采用了垂直物體表面照射，從側(cè)面接收的形式進(jìn)行測(cè)量，對(duì)表面散射特性良好的物體的位移可以精準(zhǔn)測(cè)量，而對(duì)鏡面反射很強(qiáng)的物體的位移不能精準(zhǔn)測(cè)量。

傳統(tǒng)激光三角測(cè)量法中，光電探測(cè)器上的光斑中心位置變化和物體位移并非線性關(guān)系，非線性誤差較大，以往的設(shè)計(jì)對(duì)非線性誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，包括查表法和公式法，需要反復(fù)進(jìn)行大量計(jì)算和實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)償效果不明顯。由于此種光學(xué)系統(tǒng)本身固有的非線性和不對(duì)稱性，加上被測(cè)物體在光電探測(cè)器上的放大倍率不相同，不可避免的存在非線性誤差，表現(xiàn)為分辨率在量程范圍內(nèi)不均勻。

經(jīng)過(guò)檢索發(fā)現(xiàn)，有專利對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了研究，包括中國(guó)專利CN200810070652.7，公開(kāi)了一種離軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱激光三角位移傳感器；以及中國(guó)專利CN201510774687.9，公開(kāi)了可抑制激光漂移和表面傾斜的對(duì)稱式激光位移傳感器；兩者均采用了對(duì)稱結(jié)構(gòu)來(lái)抵消非線性誤差，提高檢測(cè)精度。中國(guó)專利CN201110004063.0，公開(kāi)了激光三角測(cè)距傳感器，其采用了非軸對(duì)稱鏡片對(duì)激光三角測(cè)距傳感器的非線性誤差進(jìn)行了補(bǔ)償；但是上述方法均存在分辨力均勻性補(bǔ)償不足、成本太高，難以加工、裝配等問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型提出了一種簡(jiǎn)單且便于實(shí)現(xiàn)的激光三角位移傳感器，可從原理上修正分辨率不均勻的問(wèn)題，且不用增加制造和裝配成本。

為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型的技術(shù)方案如下：一種激光三角位移傳感器，包括半導(dǎo)體激光器、發(fā)射透鏡組、接收透鏡組、光電探測(cè)器和信號(hào)處理電路；所述半導(dǎo)體激光器與發(fā)射透鏡組以共軸方式依次排列，位于被測(cè)物體的前端，形成發(fā)射端；所述接收透鏡組、光電探測(cè)器設(shè)置于反射端，反射端與發(fā)射端處于同一平面內(nèi)，且信號(hào)處理電路與光電探測(cè)器相連，所述半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過(guò)發(fā)射透鏡組聚焦后，斜射入被測(cè)物體的三個(gè)位置A₀、B₀和C₀，且位置A₀、B₀和C₀反射和散射的光線經(jīng)過(guò)接收透鏡組接收后，照射在光電探測(cè)器上相對(duì)應(yīng)的光斑位置A₁、B₁和C₁。

作為優(yōu)選，所述發(fā)射透鏡組由共軸的若干片透鏡和濾光片A組成，在本專利實(shí)施過(guò)程中，所述發(fā)射透鏡組由準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡和濾光片A組成，當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的具體情況和使用需要，發(fā)射透鏡組可采用其它數(shù)量的透鏡組成。

作為優(yōu)選，所述接收透鏡組包括由濾光片B、反光鏡和若干片球面或者非球面透鏡呈非軸對(duì)稱依次排列；

作為優(yōu)選，所述接收透鏡組中的若干片球面或者非球面的透鏡相對(duì)于主光軸baˊ傾斜或者偏心設(shè)置；本專利中接收透鏡組中的一片球面或者非球面的透鏡相對(duì)于主光軸baˊ傾斜或偏心設(shè)置，這樣的設(shè)置分別等效于增加若干柱面鏡和棱鏡，有益效果是，將變形的橢圓形光斑校正為對(duì)稱的圓形光斑，從而達(dá)到修正非線性誤差的目的。

作為優(yōu)選，所述發(fā)射透鏡組的主光軸aaˊ、接收透鏡組的主光軸baˊ分別與被測(cè)物體相交，其夾角α＝αˊ。

作為優(yōu)選，所述光電探測(cè)器為線陣感光元件或者面陣感光元件，本實(shí)用新型中采用的感光元件，其體積小，重量輕而且性能好。

作為優(yōu)選，所述信號(hào)處理電路用于對(duì)光電探測(cè)器接收的電信號(hào)進(jìn)行處理并得到被測(cè)物體的位移，其具體包括FPGA/CPLD處理器、信號(hào)調(diào)理單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、串/并轉(zhuǎn)換傳輸單元；所述信號(hào)調(diào)理單元和光電探測(cè)器連接以接收光電探測(cè)器的電信號(hào)，其輸出端和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元連接用以輸出數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)PGA/CPLD處理器用于對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行處理并得到被測(cè)物體的位移。

同時(shí)，本實(shí)用新型還提供了一種激光三角位移傳感器的非線性誤差的修正方法，包括以下步驟：

(1)半導(dǎo)體激光器發(fā)射的激光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直透鏡、聚焦透鏡和濾光片A后，變成一束窄帶的細(xì)激光斜射入被測(cè)物體的三個(gè)位置A₀、B₀和C₀，且位置A₀、B₀和C₀反射和散射的光線經(jīng)過(guò)接收透鏡組接收后，照射在光電探測(cè)器上相對(duì)應(yīng)的位置A₁、B₁和C₁；

(2)將接收透鏡組中的若干片透鏡作傾斜或偏心處理，進(jìn)行校準(zhǔn)，得函數(shù)關(guān)系式F(s)＝a₀+a₁×s¹+a₂×s²+a₃×s³+…，其中：F(s)表示被測(cè)物體的位移，s表示光電探測(cè)器上的光斑位置，a₀、a₁、a₂、a₃為校準(zhǔn)給出的多項(xiàng)式系數(shù)；

(3)經(jīng)過(guò)步驟(2)的校準(zhǔn)后，即可得到準(zhǔn)確的被測(cè)物體的位移，即整個(gè)校正步驟完成。

本實(shí)用新型中將接收透鏡組中的若干片透鏡作傾斜或偏心處理，此技術(shù)在本領(lǐng)域應(yīng)用較為罕見(jiàn)，因?yàn)楝F(xiàn)有技術(shù)中的一般鏡頭，如：照相物鏡、魚(yú)眼鏡頭、投影鏡頭、手機(jī)鏡頭，微距鏡頭、光刻鏡頭、監(jiān)控鏡頭、遠(yuǎn)心鏡頭等都是采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)，即所有透鏡均采用無(wú)偏心、無(wú)傾斜、沿光軸對(duì)稱的結(jié)構(gòu)布置，因此，本實(shí)用新型中所采用的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一種新的非線性誤差修正方法，達(dá)到了理想的校正效果。

本實(shí)用新型的有益效果：本實(shí)用新型的激光三角位移傳感器，能實(shí)現(xiàn)超高精度0.01μm的微小位移測(cè)量，其測(cè)量精度比國(guó)內(nèi)現(xiàn)有技術(shù)高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)；光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)與物體表面的夾角相等，接收信號(hào)更強(qiáng)，對(duì)鏡面反射和漫反射物體的位移測(cè)量均有非常好的效果；發(fā)射部分相當(dāng)于激光聚焦系統(tǒng)，其光斑很小，在焦點(diǎn)處光斑直徑僅為20um，可提高物體微小位移的測(cè)量精度；接收透鏡組的主光軸baˊ、發(fā)射透鏡組的主光軸aaˊ與被測(cè)物體夾角相等，使接收透鏡組能接收更多的發(fā)射光能量，光電探測(cè)器的信噪比更高，進(jìn)一步提高了激光三角位移傳感器的測(cè)量精度；本實(shí)用新型中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量較大，產(chǎn)品系列化能力和感光元件的兼容性較好；沒(méi)有非對(duì)稱的光學(xué)鏡片，不用增加額外成本，只需簡(jiǎn)單調(diào)整光學(xué)系統(tǒng)的球面或者非球面的接收透鏡位置，將其作傾斜或偏心擺放即可以修正光學(xué)系統(tǒng)的非線性誤差。

本實(shí)用新型的三角位移傳感器為斜射式激光位移傳感器，能實(shí)現(xiàn)高精度的微小位移測(cè)量；不僅可以測(cè)量散射物體表面的位移，也可以測(cè)量鏡面物體的位移，并且在不增加任何制造和裝配成本的情況下，對(duì)接收透鏡組中的鏡片作相對(duì)傾斜或偏心處理，就可從原理上修正分辨率不均勻的問(wèn)題。

附圖說(shuō)明

圖1為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中部件I的局部放大圖；

圖3為采用本實(shí)用新型的非線性校正方法對(duì)非線性誤差進(jìn)行校正前和校正后與被測(cè)物體位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系；

其中：1.半導(dǎo)體激光器，2.準(zhǔn)直透鏡，3.聚焦透鏡，4.濾光片A，5.位置A₀，6.位置B₀，7.位置C₀，8.濾光片B，9.接收透鏡一，10.反光鏡，11.接收透鏡二，12.接收透鏡三，13.接收透鏡四，14.接收透鏡五，15.光電探測(cè)器，16.光斑位置A₁,17.光斑位置B₁,18.光斑位置C₁,aaˊ為發(fā)射透鏡組的主光軸，baˊ為接收透鏡組的主光軸，ccˊ為接收透鏡一的中心軸，α為發(fā)射透鏡組的主光軸aaˊ與物體表面的夾角，αˊ為接收透鏡組的主光軸baˊ與物體表面的夾角，d為接收透鏡一的偏心量，β為接收透鏡一的傾斜角。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

如圖1所示，一種激光三角位移傳感器，包括半導(dǎo)體激光器1、發(fā)射透鏡組、接收透鏡組、光電探測(cè)器15和信號(hào)處理電路；所述半導(dǎo)體激光器1與發(fā)射透鏡組以共軸方式依次排列，位于被測(cè)物體的前端，形成發(fā)射端；所述接收透鏡組、光電探測(cè)器15設(shè)置于反射端，反射端與發(fā)射端處于同一平面內(nèi)，且信號(hào)處理電路與光電探測(cè)器15相連，所述半導(dǎo)體激光器1發(fā)射的激光束經(jīng)過(guò)發(fā)射透鏡組聚焦后，斜射入被測(cè)物體的三個(gè)位置A₀、B₀和C₀，在圖上的標(biāo)號(hào)為5、6、7，且位置A₀、B₀和C₀反射和散射的光線經(jīng)過(guò)接收透鏡組接收后，照射在光電探測(cè)器15上相對(duì)應(yīng)的光斑位置A₁、B₁和C₁，在圖上的標(biāo)號(hào)為16、17、18。

所述發(fā)射透鏡組由共軸的一片準(zhǔn)直透鏡2、一片聚焦透鏡3和一片濾光片A4組成，當(dāng)然也可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的情況和使用需要，發(fā)射透鏡組可采用其它數(shù)量的透鏡組成。

所述接收透鏡組包括由一片濾光片B8、一片反光鏡10和若干片球面或者非球面透鏡呈非軸對(duì)稱依次排列；且接收透鏡組中的若干片球面或者非球面的透鏡相對(duì)于主光軸baˊ傾斜或者偏心設(shè)置；在本專利中接收透鏡組中包括五片式球面玻璃鏡片，即接收透鏡一、二、三、四和五，在圖上標(biāo)號(hào)為9，11，12，13，14，采用五片式球面玻璃鏡片作為接收系統(tǒng)，且接收透鏡一9傾斜或偏心設(shè)置，這樣的設(shè)置分別等效于增加若干柱面鏡和棱鏡，有益效果是，將變形的橢圓形光斑校正為對(duì)稱的圓形光斑，從而達(dá)到修正非線性誤差的目的。

所述發(fā)射透鏡組的主光軸aaˊ、接收透鏡組的主光軸baˊ分別與被測(cè)物體相交，其夾角α＝αˊ。

所述光電探測(cè)器為線陣感光元件或者面陣感光元件，本實(shí)用新型中采用的感光元件，其體積小，重量輕而且性能好。

所述信號(hào)處理電路用于對(duì)光電探測(cè)器接收的電信號(hào)進(jìn)行處理并得到被測(cè)物體的位移，其具體包括FPGA/CPLD處理器、信號(hào)調(diào)理單元、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元、串/并轉(zhuǎn)換傳輸單元；所述信號(hào)調(diào)理單元和光電探測(cè)器連接以接收光電探測(cè)器的電信號(hào)，其輸出端和模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換單元連接用以輸出數(shù)字信號(hào)，F(xiàn)PGA/CPLD處理器用于對(duì)上述信號(hào)進(jìn)行處理并得到被測(cè)物體的位移。

同時(shí)本專利公開(kāi)了一種激光三角位移傳感器非線性誤差修正方法：如圖1所示，半導(dǎo)體激光器1發(fā)射的激光束，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡2、聚焦透鏡3和濾光片A4后，變成了一束窄帶的細(xì)激光斜射到被測(cè)物體上的三個(gè)位置A₀、B₀和C₀，即標(biāo)號(hào)5、6、7；由于發(fā)射透鏡組的主光軸aaˊ和接收透鏡組的主光軸baˊ分別和被測(cè)物體上的三個(gè)位置A₀、B₀和C₀相交，且其夾角α和αˊ相等，所以被測(cè)物體的反射光和散射光都能被接收透鏡組收集到，此為本實(shí)用新型的高精度三角位移傳感器的突出優(yōu)點(diǎn)。被測(cè)物體上的三個(gè)位置A₀、B₀和C₀的反射和散射的光線經(jīng)過(guò)接收透鏡組接收后，照射在光電探測(cè)器15上相對(duì)應(yīng)的光斑位置A₁、B₁和C₁，即標(biāo)號(hào)16、17、18；將接收透鏡組中的接收透鏡一9作傾斜或偏心處理，進(jìn)行校準(zhǔn)，得函數(shù)關(guān)系式F(s)＝a₀+a₁*s+a₂*s²+a₃*s³+a₄*s⁴+…，其中F(s)表示物體的位移，s表示光電探測(cè)器上的光斑位置，a₀、a₁、a₂、a₃…為校準(zhǔn)給出的多項(xiàng)式系數(shù)。

如圖2所示，為本實(shí)用新型的優(yōu)選方案，其公開(kāi)了本實(shí)用新型的光學(xué)元器件的傾斜或偏心的布置方式。濾光片B8是沿光學(xué)系統(tǒng)的主光軸旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的，此種布置方式稱之為非傾斜布置，同時(shí)，濾光片B8的光心，此處可認(rèn)為是幾何中心，在光學(xué)系統(tǒng)的主光軸上，此種布置方式稱之為非偏心布置；接收透鏡一9的布置方式正好與濾光片B8的上述布置方式相反，稱為傾斜或偏心布置；其中，d為接收透鏡一9的偏心量，β為接收透鏡一9的傾斜角。

如圖3所示，為采用本實(shí)用新型中提出的非線性校正方法對(duì)非線性誤差進(jìn)行校正前和校正后與被測(cè)物體位移的對(duì)應(yīng)關(guān)系。根據(jù)三角位移傳感器的原理，被測(cè)物體上的位置A₀、B₀和C₀與光電探測(cè)器上的光斑位置A₁、B₁和C₁相對(duì)應(yīng)，通過(guò)標(biāo)定后即可以得出兩者的函數(shù)關(guān)系式，通過(guò)讀出光電探測(cè)器上的光斑位置即可以算出被測(cè)物體的相對(duì)位移。

實(shí)際應(yīng)用中，如果不對(duì)光電探測(cè)器上的光斑位置與被測(cè)物體位置的非線性關(guān)系加以修正，將產(chǎn)生很大的系統(tǒng)誤差，如圖3中非線性誤差擬合曲線T1(無(wú)補(bǔ)償)所示。

而使用本實(shí)用新型提出的方法，將若干透鏡作適當(dāng)?shù)膬A斜或偏心處理后，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)其非線性誤差的補(bǔ)償，補(bǔ)償結(jié)果如圖3中非線性誤差擬合曲線T2(球面或非球面的傾斜或偏心補(bǔ)償)所示。此種修正方法，均采用價(jià)格低廉的普通球面或非球面鏡片，不需要使用昂貴的非對(duì)稱光學(xué)鏡片，加工難度、制造成本都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。