遠(yuǎn)距離基準(zhǔn)激光位移傳感器及其測(cè)距方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種傳感器，尤其設(shè)及一種遠(yuǎn)距離基準(zhǔn)激光位移傳感器及其測(cè)距方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光位移傳感器可精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化，主要應(yīng)用于檢 測(cè)物體的位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量的測(cè)量。按照測(cè)量原理，激光位移傳感器原 理分為激光=角測(cè)量法和激光回波分析法。而現(xiàn)有的激光傳感器原理均是通過(guò)透鏡或反射 的原理來(lái)計(jì)算和測(cè)量位移，同時(shí)，傳感器內(nèi)部相對(duì)復(fù)雜。
[0003] 現(xiàn)有的激光發(fā)射器與測(cè)量單元一般安裝在一個(gè)殼體內(nèi)，激光照射到被測(cè)物體后反 射，反射的激光通過(guò)光學(xué)透鏡系統(tǒng)在CCD或者CMOS等光電陣列器件上成像，然后通過(guò)圖像 處理分析得出傳感器與被測(cè)物體之間的距離。但該種傳感器最大量程不超過(guò)3.Om;只能測(cè) 量傳感器與被測(cè)點(diǎn)之間的距離，其它方向上的位移則必須安裝至對(duì)應(yīng)方向上；且光學(xué)透鏡 系統(tǒng)復(fù)雜且制造精度要求高，造價(jià)昂貴。
[0004] 在建筑工程中，一般采用機(jī)械百分表、容柵或光柵位移傳感器進(jìn)行檢測(cè)，但該些基 準(zhǔn)必須在被測(cè)點(diǎn)較近的位置（0. 1~0. 3m)。當(dāng)遠(yuǎn)距離基準(zhǔn)（基準(zhǔn)點(diǎn)與被測(cè)點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)） 的位移測(cè)量一般采用基準(zhǔn)梁（架）引測(cè)的形式。利用工字鋼、槽鋼等具有一定結(jié)構(gòu)剛度的 長(zhǎng)桿件作為基準(zhǔn)梁（架），兩點(diǎn)或多點(diǎn)固定于較遠(yuǎn)的基準(zhǔn)上，通過(guò)該樣的方式在被測(cè)點(diǎn)較近 的位置提供一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)。然后將位移傳感器通過(guò)使用磁性表座或?qū)Ｓ脢A具等方式固定 在基準(zhǔn)梁（架）上，測(cè)針則頂在被測(cè)物體上來(lái)進(jìn)行測(cè)量。架設(shè)工字鋼、槽鋼等在測(cè)試中顯得 笨重且費(fèi)時(shí)，完全體現(xiàn)不出測(cè)試的便攜與快速。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明的目的是提出一種遠(yuǎn)距離基準(zhǔn)激光位移傳 感器及其測(cè)距方法。
[0006] 本發(fā)明的目的，將通過(guò)W下技術(shù)方案得W實(shí)現(xiàn)：
[0007] 一種遠(yuǎn)距離基準(zhǔn)激光位移傳感器，包括一激光發(fā)射器件及激光位移傳感器，所述 激光位移傳感器包括光電陣列器件，所述光電陣列器件上開(kāi)設(shè)有激光入射窗，所述激光發(fā) 射器的發(fā)射端與所述光電陣列器件的激光入射窗相對(duì)，所述光電陣列器件于激光入射窗的 一端設(shè)置有一光學(xué)暗腔，所述激光位移傳感器與處理器電性連接，所述處理器包括一A/D 信號(hào)轉(zhuǎn)換處理器。
[000引優(yōu)選地，所述光電陣列器件的激光入射窗的一端設(shè)置有一濾光組件，所述濾光組 件與光電陣列器件形成光學(xué)暗腔。
[0009] 優(yōu)選地，所述濾光組件前端設(shè)置有光學(xué)狹縫片。
[0010] 優(yōu)選地，所述濾光組件為濾光膜或?yàn)V光片。
[0011] 優(yōu)選地，所述濾光組件與光電陣列器件為粘結(jié)連接。
[0012] 優(yōu)選地，所述激光發(fā)射器件的發(fā)射端連接有一柱面透鏡。
[0013] 優(yōu)選地，所述激光發(fā)射器件的激光波長(zhǎng)為500nm-550nm。
[0014] 優(yōu)選地，所述光電陣列器件為線陣CCD。
[0015] 優(yōu)選地，所述濾光組件為太陽(yáng)濾光膜。
[0016] 優(yōu)選地，包括如下步驟，
[0017]S1、將激光發(fā)射器件及激光位移傳感器分別置于基準(zhǔn)參考物及被測(cè)物體上；
[001引 S2、激光發(fā)射器件發(fā)出的激光，穿過(guò)濾光組件照射于激光位移傳感器中的光電陣 列器件上；
[0019]S3、光電陣列器件將輸出相應(yīng)像素點(diǎn)的電平信號(hào)傳輸至信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn) 換處理與電平信號(hào)電壓值的儲(chǔ)存；
[0020] S4、通過(guò)公式Vt=Uw-扣。Y-UmJXk確定界限像素點(diǎn)的參考電壓值，其中，V。 為界限像素點(diǎn)的參考電壓值；Uw為所有像素點(diǎn)的電壓平均值；Umi。為所有像素點(diǎn)電壓中的 最小值；k為界限選擇常數(shù)；
[0021] S5、按照公式S=ncXl計(jì)算距離，其中，S為激光照射界限像素點(diǎn)與第一像素點(diǎn)之 間的距離，n。為界限像素點(diǎn)的順序號(hào)，1為光電陣列器件感光點(diǎn)間距；所述激光照射界限像 素點(diǎn)為第一個(gè)小于界限像素點(diǎn)參考電壓值V。所對(duì)應(yīng)的像素點(diǎn)。
[0022] 本發(fā)明突出效果為；設(shè)備結(jié)構(gòu)新穎，且適用于遠(yuǎn)程距離的檢測(cè)，檢測(cè)精度高達(dá) l-2um，通過(guò)添加柱面透鏡適用于不同的檢測(cè)，檢測(cè)范圍廣泛。濾光組件的添加適合于不同 環(huán)境下的光照亮度。
[0023]W下便結(jié)合實(shí)施例附圖，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步的詳述，W使本發(fā)明 技術(shù)方案更易于理解、掌握。
【附圖說(shuō)明】
[0024] 圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025] 圖2是本發(fā)明的另一測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖，此時(shí)在激光位移傳感器發(fā)射端加裝了柱面 鏡。
[0026] 圖3是本發(fā)明適用于測(cè)試S維空間距離結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0027] 如圖1所示，本發(fā)明揭示了一種遠(yuǎn)距離基準(zhǔn)激光位移傳感器，包括一激光發(fā)射器 件及激光位移傳感器，所述激光位移傳感器包括光電陣列器件，所述光電陣列器件上開(kāi)設(shè) 有激光入射窗，所述激光發(fā)射器的發(fā)射端與所述光電陣列器件的激光入射窗相對(duì)，所述光 電陣列器件于激光入射窗的一端設(shè)置有濾光組件，所述激光位移傳感器與處理器電性連 接，所述處理器包括一A/D信號(hào)轉(zhuǎn)換處理器。所述光電陣列器件為線陣CCD。
[002引所述光電陣列器件的激光入射窗的一端設(shè)置有一濾光組件，所述濾光組件與光電 陣列器件形成光學(xué)暗腔。光學(xué)暗腔的存在不僅可W使光電陣列器件正常工作，還可W延長(zhǎng) 光電陣列器件的使用壽命。
[0029] 所述濾光組件為濾光膜或?yàn)V光片，所述濾光組件與光電陣列器件為粘結(jié)連接。因 為濾光片或?yàn)V光膜不僅具有隔絕大多數(shù)外界雜光的作用，還可W阻隔大部分準(zhǔn)直激光束的 福射能量，避免光電陣列器件中的感光單元或感光點(diǎn)被高密度能量的激光燒毀。濾光片或 濾光膜不僅可W全波段阻隔雜光，還可W通過(guò)不同的鍛膜，讓特定波長(zhǎng)的光進(jìn)入光電陣列 器件，從而提高信噪比。為了達(dá)到最佳的濾光效果，所述濾光組件為太陽(yáng)濾光膜。其原理是 由于在使用濾光片或?yàn)V光膜的情況下，大部分外界雜光均被過(guò)濾，濾光片或?yàn)V光膜與線陣 CCD之間形成了一個(gè)光學(xué)暗腔，線陣CCD的信號(hào)輸出正常。在不使用濾光片或?yàn)V光膜的情況 下，線陣CCD的所有像素點(diǎn)均為飽和狀態(tài)，無(wú)法正常工作。
[0030] 為了適應(yīng)該位移傳感器可W在室外強(qiáng)烈日光下正常工作，所述激光發(fā)射器件的激 光波長(zhǎng)為500nm-550nm。例如濾光片或?yàn)V光膜使用可W阻隔紅外線、紅色光譜及紫外線、藍(lán) 色光譜的鍛膜或材料，僅讓500nm-550nm波長(zhǎng)的綠色光透入，同時(shí)選用500nm-550nm波長(zhǎng)的 激光器發(fā)射準(zhǔn)直激光束。
[0031] 所述濾光組件前端可選擇性的進(jìn)行安裝光學(xué)狹縫片。安裝光學(xué)狹縫片同樣可W隔 絕大部分雜光，但是光路方向與狹縫片垂直的入射雜光可W完全不受阻隔。雖然狹縫片對(duì) 于阻隔外界雜光的效果不如使用濾光片或?yàn)V光膜的效果理想，但是它可W選擇讓特定光路 的光線通過(guò)。該種方向選擇性作為一種補(bǔ)充的手段，可W用較低的成本改善激光位移傳感 器在室外情況下的使用效果。除此之外，在較多傳感器一起工作時(shí)，尤其是多個(gè)準(zhǔn)直激光束 互相干擾的情況下，加裝光學(xué)狹縫片就可W對(duì)入射的準(zhǔn)直激光束進(jìn)行選擇，消除相互間的 干擾。
[0032] 為了擴(kuò)大測(cè)試的范圍，如圖2所示，所述激光發(fā)射器件3的發(fā)射端連接有一柱面透 鏡11，使得激光發(fā)射器發(fā)出可W發(fā)射扇形準(zhǔn)直激光束12,該樣在需要測(cè)試多個(gè)物體間的位 移量時(shí)，使用同一個(gè)激光發(fā)射器件3即可。
[0033] 結(jié)合圖3所示，若激光發(fā)射器件3發(fā)射一束準(zhǔn)直十字激光束13,只需要將兩個(gè)激光 位移傳感器5交叉90°安裝，則可W測(cè)出兩個(gè)軸向的位移；若在其側(cè)面再增加一個(gè)激光位 移傳感器5或在激光發(fā)射器件3上增加測(cè)距功能，則可W測(cè)出被測(cè)物體的S維空間位移量。
[0034] 包括如下步驟，
[0035]S1、將激光發(fā)射器件3及激光位移傳感器5分別置于基準(zhǔn)參考物1及被測(cè)物體2 上；
[0036]S2、激光發(fā)射器件3發(fā)出的一束準(zhǔn)直激光束4,穿過(guò)濾光片或?yàn)V光膜7,照射于激光 電陣列器件6上；同時(shí)，信號(hào)處理器8根據(jù)光電陣列器件6上亮度不同的感光單元或感光點(diǎn) 來(lái)計(jì)算準(zhǔn)直激光束4照射的位置；
[0037]S3、光電陣列器件將輸出相應(yīng)像素點(diǎn)的電平信號(hào)傳輸至信號(hào)處理器進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn) 換處理與電平信號(hào)