CN104422393B - 一种测量位移的激光传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量位移的激光传感器，它包括：半导体激光器、镜头、二套镜片组、分光镜、光路检测器、线性CMOS阵列器件、信号处理器、调整钮、红色滤光片和外壳，工作原理是光学三角法，半导体激光器发出的光经过镜头准直后，将可见红色激光射向被测量运动部件表面，被测量运动部件表面漫反射光斑经二套镜片组非同一时刻接收会聚成像在线性CMOS阵列器件上，被测量运动部件的表面相对参考平面发生变化时，由接收镜片组收集到的漫反射光在线性CMOS阵列器件的感光面上所形成的光斑也发生相应的位移变化，线性CMOS阵列器件的处理控制电路得到感光面上面光斑位移变化信息，传输给信号处理器，信号处理器计算出被测物体的位移。

Description

一种测量位移的激光传感器

技术领域

本发明涉及武器系统运动部件位移的测量，更具体地说，本发明涉及采用现代激光测距技术进行实时大范围位移的精密测量。

背景技术

在武器系统中有许多运动部件需要精确测量其在火炮发射过程中或行进间的位移，对武器系统的设计特性进行检验，因此，各阶段运动部件位移的测量是至关重要的，也是必不可少的。目前国内外采用激光测距原理的传感器主要有：激光三角测量法原理、脉冲法或时分法和相位式激光测距仪。激光三角反射法的原理是激光发射器通过镜头将可见红色激光射向被测物体表面，经物体反射的激光通过接收器镜头，被内部的CCD线性相机接收，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点，根据这个角度及已知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离，精度可以达到微米级；脉冲法或时分法原理是测距仪发射出的激光经被测量物体的反射后又被测距仪接收，测距仪同时记录激光往返的时间，光速和往返时间的乘积的一半，就是测距仪和被测量物体之间的距离。脉冲法测量距离的精度是一般是在1米左右；相位式激光测距仪是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离，其精度一般为毫米级。

上述现有激光测距传感器或是测量精度较低，或是测量范围较小，不能完全和同时满足武器系统有些部件高精度、大位移的测量要求。

发明内容

本发明的目的是提出一种采用激光测距技术进行大范围位移精密测量的传感器，以实现武器系统运动部件位移的实时高精度测量。

本发明的目的是通过下述的方法实现的。

一种测量位移的激光传感器，它包括：半导体激光器、镜头、二套镜片组、分光镜、光路检测器、线性CMOS阵列器件、信号处理器、调整钮、红色滤光片和外壳。

所述的测量位激光移传感器依据工作原理是光学三角法，半导体激光器发出的红色激光经过镜头准直后，将可见红色激光射向被测量运动部件表面，被测量运动部件表面漫反射光经过接收镜片组会聚形成光斑成像在线性CMOS阵列器件上，在接收镜片组确定的情况下，该散射光斑的中心位置由传感器与被测量运动部件表面之间的距离决定，被测量运动部件表面的位移改变引起线性CMOS阵列上面成像光斑产生位移，当被测量运动部件的表面相对参考平面发生变化时，由接收镜片组收集到的漫反射光在线性CMOS阵列器件的感光表面上所形成的光斑也发生相应的位移变化，从线性CMOS阵列器件的处理控制电路得到感光面上光斑位移变化的信息，这样就测出被测量运动部件表面位移的变化，信号处理器计算出被测量运动部件的位移；

半导体激光器发射的红色激光束，作用距离为2m时激光光斑直径不大于0.2mm；

所述的镜头使激光准直后穿过红色滤光片准确投射到被测量运动部件表面；

被测量运动部件漫反射的激光多数情况是通过二套镜片组，在非同一时刻会聚形成光斑成像在线性CMOS阵列器件上，也就是说，被测量运动部件表面的漫反射光束多数情况下，只能单一的通过二套镜片组中的一套镜片组收集并且进行会聚后投射到线性CMOS阵列器件的感光面上；二套镜片组之间的安装角度是以离半导体激光器近的第一套镜片组所测量最远距离点和以离半导体激光器远的第二套镜片组所测量最近距离点相衔接为准；

所述的分光镜设置在二套镜片组中的第二套镜片组与线性CMOS阵列器件之间，目的是将第二套镜片组接收到的经被测量运动部件漫反射的光束进行光路的分光，分光后的一路光束由光路检测器中的线形光电二极管阵列接收，分光后的另一路的光束投射到线性CMOS阵列器件的感光面上；

所述的光路检测器中的线形光电二极管阵列的每个光电二极管均可敏感入射光，其输出是与入射光强成正比的模拟电压信号，经过光路检测器中的A／D转换和整形后形成脉冲信号，传输给信号处理器，表示被测量运动部件漫反射的光束是通过第二套镜片组接收的；为保证测量位移的连续性，第一套镜片组所测量最远距离点和第二套镜片组所测量最近距离点衔接采用部分重和的技术，因此，会存在线性CMOS阵列器件在同一时刻接收到代表第一套镜片组所测量最远距离点和第二套镜片组所测量最近距离点的二个光斑信号，在这种情况下，信号处理器接收到光路检测器的脉冲信号，信号处理器取表示被测量运动部件漫反射的光束是通过第二套镜片组接收的信号，也就是说，取线性CMOS阵列器件靠近A端的光斑位移信息进行计算被测量运动部件的位移；

所述的线性CMOS阵列器件只需要快速定位被测量运动部件表面的漫反射光光斑在一维方向上的位置，并不需要处理复杂的图形，所以采用线性CMOS阵列器件就能够满足要求；线性CMOS阵列器件感应镜片组会聚的被测量运动部件表面的漫反射光光束，并且输出代表该漫反射光光束感应在线性CMOS阵列器件的感光表面上光斑位移变化的信息给信号处理器；

信号处理器首先依据是否有光路检测器发送来的脉冲信号，确定和选用被测量运动部件位移的计算公式，如果信号处理器接收到光路检测器发送来的脉冲信号，则采用漫反射光光束通过第二套镜片组的计算位移公式，否则采用漫反射光光束通过第一套镜片组的计算位移公式；根据线性CMOS阵列器件感应经测量运动部件漫反射的激光光斑的这个角度及已知的半导体激光器和线性CMOS阵列器件之间的距离，信号处理器计算出被测量运动部件表面相对参考平面的位移y为：

式中，a_i：参考平面与镜片组之间的距离；

b_i：线性CMOS阵列器件的感光面与镜片组之间的距离；

α_i：镜片组的主光轴与入射光线之间的夹角；

β_i：镜片组的主光轴与线性CMOS阵列器件的感光面之间的夹角；

x_i：线性CMOS阵列器件感光面上所成的光斑产生的位移；

i＝1时，为第一套镜片组相关参数；i＝2时，为第二套镜片组相关参数；

当被测量运动部件表面在参考平面右边时，式中“±”号取“+”；当被测量运动部件表面在参考平面左边时，式中“±”号取“-”号；

所述的红色滤光片，其作用是有利于红色光的穿透和吸收其他色光，并且保护传感器内部不受外部尘埃的侵彻；

所述的外壳采用铝合金材料加工，全密封安装，以达到传感器重量轻、抗击外界干扰和环境污染的目的。

本发明的传感器的本质是采用二套镜片组衔接跟踪经被测量运动部件漫反射的激光光斑、光路检测器检测出经被测量运动部件反射的激光光点是通过二套镜片组中的哪套镜片组被线性CMOS阵列所感应，最后由信号处理器根据对应镜片组的数学计算模型，计算出被测量运动部件的位移，能够解决现有大中口径型号产品大范围位移的测量问题。

附图说明

图1是本发明的测量原理示意图；

图2是图1中的局部放大图；

图3是本发明的传感器组成示意图。

具体实施方式

下面将结合各附图详细描述本发明的最佳实施方案。

如图1、图2所示，被测量运动部件漫反射的激光一般情况下是通过二套镜片组5、6中的一套镜片组，在非同一时刻会聚形成光斑成像在线性CMOS阵列器件10上，也就是说，被测量运动部件表面的漫反射光多数情况下，只能单一的通过二套镜片组5、6中的一套镜片组收集到，并且进行会聚后投射到线性CMOS阵列器件10的感光面上；二套镜片组5、6之间的安装角度是以距离半导体激光器1近的第一套镜片组5所测量最远距离点D和以距离半导体激光器1远的第二套镜片组6所测量最近距离点D相衔接为准；被测量运动部件从位置G，经过参考位置C移动到位置D，漫反射光通过镜片组5感应在线性CMOS阵列器件10的感光面上光斑位移变化的信息从点23，经点24移动到点26；被测量运动部件从位置D，经过参考位置E移动到位置F，漫反射光通过镜片组6感应在线性CMOS阵列器件10的感光面上光斑位移变化的信息从点21，经点22移动到点25。为保证测量位移的连续性，第一套镜片组5所测量最远距离点D和第二套镜片组6所测量最近距离点D衔接采用部分重和的技术，因此，会存在线性CMOS阵列器件10在同一时刻接收到代表第一套镜片组5所测量最远距离点和第二套镜片组6所测量最近距离点的二个光斑信号，在这种情况下，信号处理器11接收到光路检测器9的脉冲信号，信号处理器11取表示被测量运动部件漫反射的光束是通过第二套镜片组6接收的信号，也就是说，取线性CMOS阵列器件10靠近A端的光斑信息。

半导体激光器1发射的红色激光束，经过镜头2使激光准直后，在距离被测量运动部件表面为2m时，激光光斑直径不大于0.2mm。

图3是本发明的传感器组成示意图，测量位移的激光传感器主要由半导体激光器1、镜头2、二套镜片组5、6、分光镜8、光路检测器9、线性CMOS阵列器件10、信号处理器11、调整钮7、红色滤光片3、4和外壳12组成。半导体激光器1发射的红色激光束，经过镜头2使激光准直后，穿过红色滤光片3投射到被测量运动部件表面；被测量运动部件表面漫反射光束穿过红色滤光片4经过二套镜片组5、6会聚形成光斑成像在线性CMOS阵列器件10的感光面上；二套镜片组5、6之间的安装角度以第一套镜片组5为基准，通过调节第二套镜片组6与第一套镜片组5沿光轴的夹角来实现，在调节好第二套镜片组6角度以后使用调整钮7固定第二套镜片组6；分光镜8设置在二套镜片组5、6中的第二套镜片组6与线性CMOS阵列器件10之间，目的是将第二套镜片组6接收到的经被测量运动部件漫反射的光束进行光路的分光，分光后的一路光束由光路检测器9中的线形光电二极管阵列接收，分光后的另一路的光束投射到线性CMOS阵列器件10的感光面上；光路检测器9输出的脉冲信号，传输给信号处理器11，表示被测量运动部件漫反射的光束是通过第二套镜片组接收的；外壳12采用铝合金材料加工，全密封安装。

Claims (1)

1.一种测量位移的激光传感器，它包括，半导体激光器、镜头、二套镜片组、分光镜、光路检测器、线性CMOS阵列器件、信号处理器、调整钮、红色滤光片和外壳，其特征在于：被测量运动部件漫反射的激光是通过二套镜片组，在非同一时刻会聚形成光斑成像在线性CMOS阵列器件上，被测量运动部件表面的漫反射光，只能单一的通过二套镜片组中的一套镜片组收集并且进行会聚后投射到线性CMOS阵列器件的感光面上；为保证测量位移的连续性，第一套镜片组所测量最远距离点和第二套镜片组所测量最近距离点衔接采用部分重和的技术，因此，会存在线性CMOS阵列器件在同一时刻接收到代表第一套镜片组所测量最远距离点和第二套镜片组所测量最近距离点的二个光斑信号，在这种情况下，信号处理器接收到光路检测器的脉冲信号，信号处理器取表示被测量运动部件漫反射的光束是通过第二套镜片组接收的信号，计算被测量运动部件的位移；分光镜设置在二套镜片组中的第二套镜片组与线性CMOS阵列器件之间，目的是将第二套镜片组接收到的经被测量运动部件漫反射的光束进行光路的分光，分光后的一路光束由光路检测器中的线形光电二极管阵列接收，分光后的另一路的光束投射到线性CMOS阵列器件的感光面上；光路检测器中的线形光电二极管阵列的每个光电二极管均可敏感入射光，其输出是与入射光强成正比的模拟电压信号，经过A/D转换和整形成脉冲信号，传输给信号处理器，表示被测量运动部件漫反射的光束是通过第二套镜片组接收的；信号处理器首先依据是否有光路检测器发送来的脉冲信号，确定和选用被测量运动部件位移的计算公式，如果信号处理器接收到光路检测器发送来的脉冲信号，则采用漫反射光光束通过第二套镜片组的计算位移公式，否则采用漫反射光光束通过第一套镜片组的计算位移公式；根据线性CMOS阵列器件感应经测量运动部件漫反射的激光光斑的这个角度及已知的半导体激光器和线性CMOS阵列器件之间的距离，信号处理器计算出被测量运动部件表面相对参考平面的位移y为：

$y=\frac{a_i{x}_i{\mathrm{sin\β}}_i}{b_i{\mathrm{sin\α}}_i\±x_{i}sin({\mathrm{\α}}_i+{\mathrm{\β}}_i)},i=1,2$

式中，a_i：参考平面与镜片组之间的距离；

b_i：线性CMOS阵列器件的感光面与镜片组之间的距离；

α_i：镜片组的主光轴与入射光线之间的夹角；

β_i：镜片组的主光轴与线性CMOS阵列器件的感光面之间的夹角；

x_i：线性CMOS阵列器件感光面上所成的光斑产生的位移；

i＝1时，为第一套镜片组相关参数；i＝2时，为第二套镜片组相关参数；

当被测量运动部件表面在参考平面右边时，式中“±”号取“+”；当被测量运动部件表面在参考平面左边时，式中“±”号取“-”号。