[发明专利]激光三角测距传感器

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种光学测量技术领域的传感器，具体是一种激光三角测距传感器。

背景技术

基于激光三角测距原理的位移传感器，具有非接触、高精度、大量程、高可靠、对被测目标没有苛刻要求等卓越特性。在传统的激光三角测距方法中，激光光斑在光敏器件上成像的位置与物体的位移成非线性关系。特别是在测量范围较大的情况下，非线性尤为严重。在以往的设计中，采用的非线性修正方法有一下几种：查表法，将激光光斑在光敏器件上的成像位置与物体位移的关系预先标定，按照一定间隔，做成一张数据表，在测量过程中，在得到激光光斑在光敏器件的位置后，只需要根据这张表，在相应位置找到对应的物体位移的区间，根据特定的公式求得物体位移；公式法，通过原理推导，得到物体位移与激光光斑在光敏器件的成像位置的函数关系，在测量过程中，根据公式进行计算得出物体位移；电路补偿法，利用电路的结构，直接进行硬件计算，得到模拟的物体位移信号。

这些方法各有优劣，虽然能纠正非线性，但是修正的程度是十分有限的。这是因为传统的激光三角位移传感器的光学系统是采用恒聚焦形式，激光光斑从不同物面位置反射进入聚焦镜组。由于透镜成像法则，距离透镜较近的点放大倍率较大，而距离透镜较远的点放大倍率较小，即像在光敏器件上移动相同距离，对应被测目标在近端移动距离很小，而在远端移动距离很大。因此形成测量的非线性。因此，上述的传统激光三角测距方法的非线性修正方法测得的位移结果仍然存在残留的非线性，即分辨力在量程范围内依然存在不均匀性问题。

经过对现有技术的检索发现，现有技术中涉及对于激光三角位移传感器结构进行过许多的研究和改进包括：中国专利文献号CN1332358的中国发明专利申请公开一种激光三角法测头。该测头能够测量强反射自由曲面物体形状及大倾斜角的表面，并且从一定程度上降低了侧头的成本，同时还能给出被测点的表面法线方向；中国专利文献号CN2653435的中国实用新型专利申请公开一种折叠式激光三角法测量装置。该装置通过发射折叠光路的方法大大减小了仪器尺寸，同时可以在有限的体积下，获得更高的位置分辨率；中国专利申请号200810070652.7的中国发明专利申请公开一种离轴旋转对称型激光三角位移传感器。该装置通过改进的光学结构将被测物体的光斑成像成一个圆环，抵消物面倾斜带来的误差，提高检测精度，同时可以检测倾斜、阶跃等传统方法难于检测的曲面。但是上述技术均涉及分辨率不均匀且无法纠正的缺陷。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种激光三角测距传感器，在接收镜组部分加入了非轴对称镜片，从原理上修正激光三角测距传感器的非线性，从而解决了分辨力不均匀的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：激光器、发射镜组、接收镜组、光敏器件和信号处理装置，其中：激光器、发射镜组以及被测目标以直线排列设置于发射端，接收镜组和光敏器件设置于反射端，接收镜组和光敏器件位于激光器和发射镜组的同侧并与激光器和发射镜组处于同一个平面之内，信号处理装置与光敏器件相连接以接收电信号。

所述的接收镜组包括：滤光片、非轴对称透镜、聚焦透镜和轴对称透镜，其中：滤光片、非轴对称透镜、聚焦透镜和轴对称透镜依次设置于光敏器件前。

所述的滤光片为带通滤光片，作用是降低环境光对光敏元件信号的影响，在激光与环境光对比度较高的情况下，可以省略，其带通频率一般由激光的频率决定。

所述的非轴对称透镜为各种非轴对称透镜，如多边形折光棱镜，镜片数量为一片或者若干片。作用是对不同的位置的光斑产生不同的光程差，进而产生距离透镜的轴向距离更为接近的虚像，使得各个位置对应的放大倍率大大接近，达到调整分辨率不均匀的目的，该部件是本发明核心器件。

所述的聚焦透镜包括一片或若干片轴对称镜和非轴对称透镜，其中轴对称镜为球面镜或非球面镜；非轴对称透镜可以是但不限于柱面镜。加入非轴对称透镜的目的是为了修正前面非轴对称透镜加入带来的成像质量下降的问题以获得更好的成像质量。经过调整的虚像经过本组透镜可以较好质量地成像到光敏器件上。

所述的光敏器件为单线形式或多线形式的电荷耦合器件或位置敏感传感器。单线形式数据量较小，但抗干扰能力较小；多线的方式由于信息量更加丰富全面，拥有较强的抗干扰能力，测量结果精度也更高。

所述的信号处理装置包括：信号调理单元、模拟数字转换单元、处理器，其中：信号调理单元与光敏器件相连接以接收电信号，其输出端与模拟数字转换单元以输出光敏器件输出对应的数字信号，处理器对上述信号处理得到被测物体表面位移。