[发明专利]用于以光学方式测量范围、位置和/或轮廓的传感器及其方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于以光学方式测量被测目标体的范围、位置和/或轮廓的传感器，所述的被测目标体因被测物的温度引发电磁辐射，所述的传感器有一个光源和一个检测器，所述的光源用于被测目标体的表面照明，所述的检测器用于检测被测目标体反射的照明光。此外，本发明还涉及一种相应的方法。

背景技术

用于以光学方式测量被测目标体的范围、位置和/或轮廓的传感器是本领域早已众所周知的。光束（以激光束为典型代表）作为照明光束被发射，并被待测目标体反射。检测器测量被反射回到传感器的部分照明光束。根据测量值确定被测目标体相对于传感器的位置和/或范围。在被测目标体采用点状照明的情况下，通过移动传感器，引导光束和/或移动被测目标体，可以确定被测目标体的轮廓。在非点状照明模式(例如，线状或网格状)，甚至无需移动就能确定轮廓。采用某些类型的光学传感器，可以进行单纯的轮廓测量而无需范围测量。

一种非常通用的光学范围传感器是三角测量传感器，这里，光源、被测目标体上被照明的测量点和检测器形成一个三角形。被测目标体与传感器的距离是根据三角测量传感器的几何学的知识和检测器上光斑的位置确定的。

光学测量的基本条件是传感器发射的足够亮度的光被反射回到检测器，并且反射光在检测器上产生足够亮的测量光斑、条纹或图案。

光学测量方法有一个特殊的问题，尤其是在对自发光体进行测量时。一种最重要的情况是自发光被测目标体是热的目标体。在温度超过700°C时，物体发出不可忽略的红外线范围的辐射。随着温度升高，电磁辐射中的可见光范围的部分增加。如果要对自发光体进行测量，则不得不增加现有已知的光学传感器阵列的照明光亮度，或者不得不求助于其他的传感器技术，例如电容式或电感式传感器。然而，人们未必想要或者未必能够舍弃光学传感器的优点。例如，与其它非接触测量传感器相比，光学传感器有更大的测量范围同时有更高的分辨率。此外，还能够对各种不同的导体或非导体材料进行可靠的测量。然而，一方面，增加照明光亮度的结果是增加传感器的能量消耗，另一方面，当使用激光作为光源时，还要遵守法定的功率输出极限值，因此，输出功率不能任意增加。

因此，本发明的目的是配置并进一步发展一种用于以光学方式测量被测目标体的范围、位置和/或轮廓的系统和方法，能够以前述方式对发射电磁辐射的被测目标体进行测量。

发明内容

本发明通过权利要求1所公开的特征实现上述设计目的。根据权利要求1所述的传感器，其特征在于光源产生的光的波长低于被测目标体的普朗克辐射谱的峰值。

本发明的方法通过权利要求10所公开的特征实现上述设计目的。根据权利要求10所述的方法，其特征在于被测目标体采用短波光束照明，为了进行测量，所选择的波长低于被测目标体的普朗克辐射谱的峰值。

首先，人们已经意识到有一种创造性的方式，可以在被测目标体因被测物的温度发射电磁辐射时进行测量，而不必舍弃光学测量方法的优点。而且即使处于这种测量境况下，也可以通过适当选择传感器的光源所发射的光束的波长进行光学测量。每个热的物体由其温度引发电磁辐射，这种电磁辐射的光谱可以用普朗克辐射谱描述。普朗克辐射谱描述特定波长的辐射的电磁辐射照射。普朗克辐射谱是一组曲线，所述的曲线依赖于物体的温度，每一条辐射光谱展示的峰值，随着温度的增加向波长更短的方向移动。

根据本发明，普朗克辐射谱的峰值用于选择传感器光源发射的光束的波长。在大多数测量境况下，被测目标体的温度是已知的。例如，如果传感器用于测量铸造厂的铸件，人们通常知道在不同情况下被测目标体热度。因此，通常的情况是可以先期确定普朗克辐射谱的峰值所对应的波长。根据已知的峰值还可以创造性地确定波长的范围，使光源产生的光的波长低于被测目标体的普朗克辐射谱的峰值。这种方法满足了适当的条件，可以确保使用光学传感器测量热的被测目标体。

波长与普朗克辐射谱的峰值之间最好是选择尽可能大的距离。根据被测目标体的温度，选择数十纳米至几百纳米是有益的。在被测目标体非常热的情况下，温度超过1,000K，普朗克辐射谱在峰值之后沿波长更小的方向急剧下降。在此情况下，波长与普朗克辐射谱峰值之间的距离可以选择数十纳米，例如50纳米。在温度较低的情况下，例如，700K，普朗克辐射谱比较平坦，曲线在峰值之后沿波长更小的方向下降较慢。在此情况下，发射光的波长与普朗克辐射谱峰值之间的距离选择至几百纳米更适宜。