可抑制激光漂移和表面倾斜的对称式激光位移传感器

本发明涉及的是一种位移测量技术领域的传感器，具体是一种可抑制激光漂移和 表面倾斜的对称式激光位移传感器。

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。其中，位移是一 项重要的测量内容，被广泛应用在工业检测的各个领域中。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。

但是目前世界上现有的激光位移传感器基本上都存在两个共同的问题：其一，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。其二，当被测目标表面出现一定倾斜时，在光电器件上讲不可避免地产生 波形的变化，从而导致定位误差，降低位移测量精度。

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和被测目标表面倾斜产生的 测量误差。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传感器产品之中。

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被测表面倾斜 带来的测量精度下降问题，提出一种可抑制激光漂移的对称式激光位移传感器方法。该激 光位移传感器采用一个发射镜组、两个接收镜组和一个光电器件实现位移测量，两个接收 镜组对称分布于发射镜组的两侧，同时接收测量光斑的漫反射光，并同时将测量光斑成像 到同一个光电器件之上，形成两个波形，通过数据处理可以得到被测位移值。这种传感器可 以有效抑制激光束指向性的漂移和被测表面的倾斜对测量精度的影响，而且只有一个光电 器件，电路系统保持不变，系统简单、成本低、性价比高、实用性强。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的激光位移传感器主要包括：发射镜组、激光二极管、外壳、处理电路、电缆、光 电器件、反射镜、接收镜组、滤光片等。本发明的激光位移传感器的特殊之处在于，传感器具 有两个接收镜组和两个反射镜，对称布置于发射镜组的两侧。

整个系统的工作流程是：由激光二极管发射的激光束通过发射镜组准直和聚焦之 后，照射到被测目标的表面并形成一个测量光斑，该测量光斑分别通过左右两个接收镜组 和反射镜后同时成像在光电器件敏感面上，并形成两个测量成像波形，该波形信号有光电 器件传送到处理电路，处理电路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。

本发明的激光二极管是一种小型激光二极管件，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。

本发明的发射镜组是同时具有聚焦与准直功能的光学镜组，保证激光束在被测目 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。

本发明的接收镜组的特殊之处在于，接收镜组一共有两个，对称布置于发射镜组 的两侧，同时瞄准测量光斑。左右两个接收镜组9完全一样，保证对称性。

本发明的滤光片与接收镜组平行布置，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二极管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。

本发明的反射镜的特殊之处在于，两个反射镜也是对称布置于发射镜组的两侧， 可将两个接收镜组的成像投向光电器件，形成两个对称的成像波形。反射镜可以采用各种 通行的轻质反射镜。

本发明的光电器件的特殊之处在于，光电器件置于激光二极管的后面，垂直于激 光二极管和发射镜组的光轴。这样可以保证测量光斑经过两个接收镜组和两个反射镜之后 在光电器件上的成像波形位置是完全对称的。本发明的光电器件可以采用线阵CCD或CMOS， 其像素数目可根据测量精度来选用，其采样速度可根据传感器的测量速度要求来选用。

本发明的外壳的作用，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，保证传感器具有更高的可靠性和防 护等级。

本发明的电缆的作用，一方面是为传感器提供所需的电源，另一方面是负责将处 理电路形成的标准化数据传送到外部设备，因此，电缆均需要采用防水型器件，并采用标准 的通用数字接口。

本发明提出用于上述对称式激光位移传感器的数据处理方法。

当激光器发出的激光束的指向性没有漂移且被测目标表面没有倾斜时，激光束与 被测表面垂直，测量光斑位置居中，通过两个接收镜组和反射镜后在光电器件上形成的两 个成像波形是一模一样的，两个成像波形相对于光电器件中点的位置也是对称的。当被测 目标前后移动时，两个成像波形也相应地相向移动。因此，可以采用两个成像波形相对于光 电器件中心位置的平均值作为位移测量结果，而且可以进一步提高位移测量精度。

当激光器发出的激光束的指向性出现漂移时，测量光斑位置也将偏离理想的照射 中点，通过两个接收镜组和反射镜后在光电器件上形成的两个成像波形的位置也相应产生 变化：一个成像波形靠近光电器件中点，而另一个成像波形远离光电器件中点，而且两个成 像波形的偏移量的绝对值相等。因此，当采用两个成像波形相对于光电器件的中心位置的 平均值作为位移测量结果时，两个成像波形的偏移量互相抵消，从而实现对激光束指向性 漂移的抑制，大幅度提高位移测量的稳定性。

当被测目标表面出现倾斜时，通过两个接收镜组和反射镜后在光电器件上形成的 两个成像波形的形状也相应产生变化，两个成像波形的质心也随之产生变化，而且两个成 像波形质心的位置一个靠近光电器件中点、另一个远离光电器件中点，两个成像波形质心 的偏移量的绝对值相等。因此，当采用两个成像波形相对于光电器件中心位置的平均值作 为位移测量结果时，两个成像波形质心的偏移量互相抵消，从而消除了被测目标表面倾斜 对测量结果的影响，大幅度提高位移测量的稳定性。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明的对称式激光位移传感器组成示意图；

图2为本发明的对称式激光位移传感器数据处理方法示意图；

图3为本发明的对称式激光位移传感器抑制激光指向性漂移示意图；

图4为本发明的对称式激光位移传感器消除被测表面倾斜影响示意图；

图中，1为被测目标，2为发射镜组，3为激光二极管，4为外壳，5为处理电路，6为电缆，7 为光电器件，8为反射镜，9为接收镜组，10为滤光片。

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前 提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下 述的实施例。

如图1所示，本发明的激光位移传感器主要包括：发射镜组2、激光二极管3、外壳4、 处理电路5、电缆6、光电器件7、反射镜8、接收镜组9、滤光片10等。本发明的激光位移传感器 的特殊之处在于，传感器具有两个接收镜组9和两个反射镜8，对称布置于发射镜组2的两 侧。

整个系统的工作流程是：由激光二极管3发射的激光束通过发射镜组2准直和聚焦 之后，照射到被测目标1的表面并形成一个测量光斑。该测量光斑分别通过左右两个接收镜 组9和反射镜8后同时成像在光电器件7的敏感面上，并形成两个测量成像波形。该波形信号 由光电器件7传送到处理电路5，处理电路5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6传送给其他设备。

本发明的激光二极管3是一种小型激光二极管件，优先选用半导体激光二极管，例 如TO-18封装的小型激光二极管。要求激光二极管3的输出光强稳定，例如输出功率根据要 求可选数5mW。要求激光二极管3输出光束的截面形状单峰且持续稳定，例如符合M2=0的高 斯分布。同时，为了满足测控要求，该激光二极管3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。例如要求激光二极管3的可调制频率为 100kHz。

本发明的发射镜组2是同时具有聚焦与准直功能的光学镜组，保证激光束在被测 目标1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。例如，要求在 30mm～80mm（量程50mm）范围内测量光斑的尺寸最小可达0.05mm，最大不超过0.2mm。

本发明的两个接收镜组9的特殊之处在于，接收镜组9一共有两个，对称布置于发 射镜组2的两侧，同时瞄准测量光斑。左右两个接收镜组9完全一样，保证对称性。

本发明的滤光片10与接收镜组9平行布置，可以有效避免被测目标1移动时产生的 成像偏差。此外，本发明的滤光片10采用与激光二极管3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。假设激光二极管3的波长为 650nm，则滤光片10的中心波长取为650nm，半带宽可取为30nm左右。

本发明的反射镜8的特殊之处在于，两个反射镜8也是对称布置于发射镜组2的两 侧，可将两个接收镜组9的成像投向光电器件7，形成两个对称的成像波形。反射镜8可以采 用各种通行的轻质反射镜。

本发明的光电器件7的特殊之处在于，光电器件7置于激光二极管3的后面，垂直于 激光二极管3和发射镜组2的光轴。这样可以保证测量光斑经过两个接收镜组9和两个反射 镜8之后在光电器件7上的成像波形位置是完全对称的。本发明的光电器件7可以采用线阵 CCD或CMOS，其像素数目可根据测量精度来选用，其采样速度可根据传感器的测量速度要求 来选用。假设测量分辨率为0.01%，细分倍数为10，则可以选用1000pixel的光电器件。

本发明的外壳4的作用，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，保证传感器具有更高的可靠性和 防护等级。

本发明的电缆6的作用，一方面是为传感器提供所需的电源，另一方面是负责将处 理电路5形成的标准化数据传送到外部设备，因此，电缆6均需要采用防水型器件，并采用标 准的通用数字接口。

本发明提出一种用于上述对称式激光位移传感器的数据处理方法。

当激光器3发出的激光束的指向性没有漂移且被测目标1表面没有倾斜时，激光束 与被测表面垂直，测量光斑位置居中，通过两个接收镜组9和反射镜8后在光电器件7上形成 的两个成像波形是一模一样的，两个成像波形相对于光电器件7中点的位置也是对称的。当 被测目标1前后移动时，两个成像波形也相应地相向移动。因此，可以采用两个成像波形相 对于光电器件7中心位置的平均值作为位移测量结果，而且可以进一步提高位移测量精度。

如图2所示，同一个测量光斑经过左右两个接收镜组9和反射镜8后在同一个光电 器件7上得到的成像波形所在位置分别为Left和Right，两个成像波形的质心距离光电器件 7的中点O的距离分别为L和R。当被测目标1前后移动时，两个成像波形也相应地相向移动， 两个成像波形相对于光电器件7中心位置的据L与R也同步增大或者变小。此时可以采用这 两个距离值的平均值作为最终的成像位置来计算位移测量结果，即：

P=（L+R）/2

当激光器3发出的激光束的指向性出现漂移时，测量光斑位置也将偏离理想的照射中 点，通过两个接收镜组9和反射镜8后在光电器件7上形成的两个成像波形的位置也相应产 生变化：一个成像波形靠近光电器件7的中点，而另一个成像波形远离光电器件7的中点，两 个成像波形的偏移量的绝对值相等。因此，当采用两个成像波形相对于光电器件7中心的位 置的平均值作为位移测量结果时，两个成像波形的偏移量互相抵消，从而实现对激光束指 向性漂移的抑制，大幅度提高位移测量的稳定性。

如图3所示，当激光器3发出的激光束的指向向右出现漂移时，测量光斑位置也将 偏离理想的照射中点，通过两个接收镜组9和反射镜8后在光电器件7上形成的两个成像波 形的位置也相应产生变化：左侧成像波形靠近光电器件7的中点，而右侧成像波形远离光电 器件7的中点，两个成像波形的偏移量的绝对值相等，均为Δ，即：

L’=L-Δ

R’=R+Δ

此时，采用两个成像波形相对于光电器件7中心的位置的平均值作为位移测量结果， 即：

P’=（L’+R’）/2=（L+R）/2=P

可以看出，两个成像波形的偏移量互相抵消，从而实现对激光束指向性漂移的抑制，大 幅度提高位移测量的稳定性。

当被测目标1表面出现倾斜时，通过两个接收镜组9和反射镜8后在光电器件7上形 成的两个成像波形的形状也相应产生变化，两个成像波形的质心也随之产生变化，而且一 个靠近光电器件7中点、另一个远离光电器件7中点，两个成像波形质心的偏移量的绝对值 相等。因此，当采用两个成像波形相对于光电器件中心位置的平均值作为位移测量结果时， 两个成像波形质心的偏移量互相抵消，从而消除了被测目标表面倾斜对测量结果的影响， 大幅度提高位移测量的稳定性。

如图4所示，当被测目标1表面出现逆时针倾斜时，通过两个接收镜组9和反射镜8 后在光电器件7上形成的两个成像波形的形状也相应产生变化，两个成像波形的质心也随 之产生变化，而且一个靠近光电器件7中点、另一个远离光电器件7中点，两个成像波形质心 的偏移量的绝对值相等，均为Δ，即：

L’=L-Δ

R’=R+Δ

此时，当采用两个成像波形相对于光电器件中心位置的平均值作为位移测量结果，即：

P’=（L’+R’）/2=（L+R）/2=P

可以看出，两个成像波形质心的偏移量互相抵消，从而消除了被测目标表面倾斜对测 量结果的影响，大幅度提高位移测量的稳定性。

本发明的有益效果是，与现有的激光位移传感器相比，本发明采用对称式布局形式，采 用两个接收镜组将同一个测量光斑形成两个成像，通过两个反射镜同时投向光电器件之 上，通过巧妙的数据处理，不仅可以得到更高精度的测量结果，而且可以有效抑制激光指向 性漂移的影响，同时可以消除被测目标表面倾斜的影响。而这种方法使整个传感器系统的 结构更加简单，集成度更高，体积更小，使用范围更加广泛。