一种具有参考光束的高稳定激光位移传感器的制作方法

本发明涉及的是一种位移测量的传感器，具体是一种具有参考光束的高稳定激光位移传感器。

背景技术：

1、目前，制造业作对各种在线检测手段也提出了越来越高的要求，除了高精度、非接触、数字化等测量性能要求之外，对于稳定性、通用性、互换性等维护性能的要求也是与日俱增，以期不断降低维护成本，已经成为公认的在线检测领域的未来趋势。特别是在被国外技术卡脖子的大背景下，如何实现100% 国产化和进口替代，产品稳定性将成为至关重要的性能指标。其中，位移作为一项重要的测量内容，被广泛应用在工业检测的各个领域中。而激光三角位移传感器作为光电检测中的一种非接触式测量方法，具有测量速度快、精度高、抗干扰能力强、测量点小、适用范围广等优点，受到越来越广泛的关注。

2、但是目前世界上现有的激光位移传感器基本上都存在一个共同的问题：由于采用半导体激光二极管作为光源，而激光二极管自身存在明显的不稳定性，导致激光二极管发出的激光束的指向性存在漂移。而这种漂移将直接产生测量误差，严重降低位移传感器的测量精度。此外，环境因素（包括环境温度变化、环境光变化等）的影响，也会使得测量结果产生漂移，降低传感器的稳定性与可靠性，并且成为影响激光位移传感器稳定性与可靠性的首要影响因素。

3、为了解决上述问题，有些学者提出双ccd技术方案（例如天津大学张伟娜的学位论文《用于橡胶厚度测量的双光路位移传感器的研制》），采用两个ccd对称分布于激光发光平面的两侧，同时接收漫发射光，即在两个ccd上同时获得两个定位结果，通过数据处理可以计算出被测位移值。这种方法可以有效解决激光束指向性漂移。但是，这种方法也存在一定的限制，主要在于同时采用两套光电器件，将导致传感器的电路系统非常复杂、成本大幅度提高、外形体积也显著增加，导致传感器的性价比大幅度下降。因此，这种方法并没有成功应用于实际的传感器产品之中。

4、因此，行业内急需一种稳定性高、系统构成简单、性价比高的高稳定激光位移传感器。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现有激光位移传感器的激光指向性漂移和环境干扰等因素带来的不稳定问题，提出一种具有参考光束的高稳定激光位移传感器，可有效抑制激光漂移和环境干扰的影响。本发明的激光位移传感器在发射镜组前端加入一个半反半透镜，分出一束激光形成参考光束。该参考光束通过一块反射镜反射后投向光电器件之上，形成一个参考波形。而透过半反半透镜的激光形成测量光束，在被测表面形成测量光斑，经过丞相后在光电器件上形成一个测量波形。这样，在光电器件上可以形成两个波形，其距离与被测目标的距离正相关。通过数据处理不仅可以得到被测目标的位移值，而且还可以有效抑制激光束指向性的漂移对测量精度的影响。本发明的激光位移传感器只有一个光电器件、一个接收镜组，整个传感器结构系统可以基本保持不变，不仅可以大幅度提高传感器的稳定性，而且构成简单、成本低、性价比高、实用性强。

2、本发明是通过以下技术方案实现的：

3、本发明的激光位移传感器，包括激光器、发射镜、半反半透镜、反射镜、滤光片、接收镜、光电器件、测量电路、外壳、插座和电缆等元件，其中：

4、所述的激光器采用小型激光器，优先选用半导体激光二极管；要求输出光强稳定，输出光束截面形状为单峰且持续稳定；同时，为了满足测控要求，该激光二极管不仅是可以持续发光的，而且是可以连续调制的，调制频率和脉冲宽度均为连续可调的；

5、所述的发射镜布置于激光器的前端，是同时具有聚焦与准直功能的光学镜组，保证激光束可以在被测目标表面形成的测量光斑在整个测量量程范围内保持最小，而且基本不变；

6、所述的半反半透镜布置在发射镜的前端，从而产生两束激光：一束激光透过半反半透镜，形成测量光束，该测量光束照射到被测目标的表面上并形成一个测量光斑，该测量光斑通过接收镜成像在光电器件敏感面上，并形成一个测量波形；另一束激光经过半反半透镜反射，形成参考光束，该参考光束经过一个反射镜后也投射到光电器件敏感面上，并形成一个参考波形；

7、所述的反射镜布置在半反半透镜的右侧，保证参考光束经过反射镜后投向光电器件，而且反射的参考光束的方向与接收镜的光轴平行，从而保证参考波形与测量波形的一致性，以便消除激光指向性漂移的影响；

8、所述的滤光片布置于接收镜的前端，并与接收镜平行布置，可以有效避免被测目标移动时产生的成像偏差；此外，本发明的滤光片采用与激光器的波长吻合的窄带滤光片，可以减少环境光的干扰和影响，保持传感器工作的稳定性和可靠性；

9、所述的接收镜布置于滤光片的后端，并与滤光片平行布置，可以有效避免被测目标移动时产生的成像偏差；所述的接收镜为单片非球面镜，具有很小的像差，保证测量精度；

10、所述的光电器件为线阵器件，光电器件的位置与姿态满足萨氏定律，即：激光器的轴线、成像镜光轴的垂线、光电器件敏感面延长线，三者相较于一点，保证被测目标在全量程范围内满足恒聚焦条件；

11、所述的测量电路内置于传感器内部，形成一体式传感器；测量电路一方面驱动和控制激光器，另一方面接收来自光电器件的信号，处理来自光电器件的两个波形，通过一定的算法得到被测物体的位移测量结果，并将位移测量结果形成标准数字信号，通过电缆传送给其他设备；

12、所述的外壳为金属材料制成，一方面是保证各个单元器件之间相互位置关系的准确和稳定，另一方面是具有防水、防尘、防环境光干扰的作用，此外还可以起到电磁屏蔽的作用，保证传感器具有更高的稳定性、可靠性和防护等级；

13、所述的插座为防水性航空插座，保证电缆与传感器的可靠连接，同时起到防尘防水的效果；

14、所述的电缆为屏蔽电缆，一方面是为传感器提供所需的电源，另一方面是负责将测量电路形成的标准化数据传送到外部设备。

15、本发明的激光位移传感器，其特征还在于，所述的半反半透镜的透射与反射的比例并不是50%:50%的，为了保证测量光束具有足够的强度，同时为了避免参考光束直接投向光电器件产生饱和现象，半反半透镜的透射与反射的比例应不低于80%:20%。

16、本发明的激光位移传感器，其特征还在于，所述的反射镜还可以直接更换为其他小型光电器件，直接感受参考光束的方向变化，并将参考光束的定位结果传递给测量电路，进行补偿和修正，提高测量稳定性。

技术特征：

1.一种具有参考光束的高稳定激光位移传感器，其特征在于：所述的激光位移传感器包括激光器、发射镜、半反半透镜、滤光片、接收镜、光电器件、测量电路、外壳、插座、电缆、小型光电器件，其中：

2.根据权利要求1所述的一种具有参考光束的高稳定激光位移传感器，其特征还在于，所述的半反半透镜的投射与反射的比例应不低于80％:20％。

技术总结
本发明提出一种激光位移传感器，包括激光器、发射镜、半反半透镜、反射镜、滤光片、接收镜、光电器件、测量电路、外壳、插座和电缆等元件。本发明的激光位移传感器在发射镜组前端加入一个半反半透镜，分出一束激光形成参考光束。该参考光束通过一块反射镜反射后投向光电器件之上，形成一个参考波形。这样，在光电器件上可以形成两个波形，通过数据处理不仅可以得到被测位移值，而且还可以有效抑制激光束指向性的漂移对测量精度的影响。本发明的激光位移传感器只有一个光电器件、一个接收镜组，整个传感器结构系统可以基本保持不变，不仅可以大幅度提高传感器的稳定性，而且构成简单、成本低、性价比高、实用性强。

技术研发人员：赵辉,吕娜
受保护的技术使用者：上海钊晟传感技术有限公司
技术研发日：20230318
技术公布日：2024/1/14