[实用新型]集成共焦法与三角法的位移测量装置

说明书

本实用新型公开了集成共焦法与三角法的位移测量装置。现有位移测量方式的精度与量程存在矛盾。本实用新型的激光共焦位移传感器探头、位置敏感元件和聚焦透镜均与测头面板固定；激光共焦位移传感器探头与激光共焦位移传感器本体的光学单元及控制器连接组成激光共焦位移传感器；激光共焦位移传感器探头的测量光由激光共焦位移传感器本体的光学单元产生，并通过光纤传输到激光共焦位移传感器探头；激光共焦位移传感器探头的测量光中心轴线与聚焦透镜的中心轴线位于同一平面内；位置敏感元件的信号输出端与控制器连接；激光共焦位移传感器、聚焦透镜以及位置敏感元件组成三角法位移测量系统。本实用新型测量精度高，且量程大。

技术领域

本实用新型属于基于光学测量的非接触式位移测量领域，特别涉及一种集成共焦法与三角法的位移测量装置。

背景技术

共焦法位移测量是一种基于光谱色散分析的非接触式位移测量方法，其原理是：一束白光(或多波长混合光)经过色散物镜后在光轴上形成连续的单色光焦点，且每一个单色光焦点到被测物体的距离都不同。当被测表面处于测量范围内的某一位置时，只有某一波长的光聚焦在被测表面上，该波长的光由于满足共焦条件，其反射光可以进入光谱仪，而其它波长的光，由于在被测表面上处于离焦状态，所以大部分光线无法进入光谱仪。通过光谱仪解码得到光强最大处的波长值，就可以测得目标对应的距离值。

在此基础上，KEYENCE公司开发的产品彩色同轴共焦位移计采用彩色光源来替代传统共焦法位移测量的白色光源，提高了发光的波段宽度，可在范围更广的波段内实现高精度测量。其主要原理是：先将一束蓝色激光照射到能够同时发出红、绿光的荧光体上产生多色光，再通过光纤将多色光传输到探头上；在投光时，多色光中只有某一特定波长的单色光才能在被测点进行聚焦；在受光时，只有在被测物表面聚焦的光才能接收并传输到分光器按波长分解得到对应的测量数据。其采用直上直下的测量方法，可对曲面、凹坑、表面高低起伏不大的各类待测物表面实现高精度测量。

然而，在位移监测领域中，测量精度和量程往往是互相矛盾的。共焦法位移测量的精度虽然较高，但是其量程范围较小，如KEYENCE公司开发的产品：超高精度型位移计CL-L015/CL-P015，其量程范围为2.6mm；形状测量型位移计CL-PT010，其量程范围为0.6mm。因此，当被测物表面的形貌复杂且高低起伏较大时，共焦法位移测量将容易导致超量程现象而终止测量。

针对此问题，位移监测领域有三角法位移测量来弥补共焦位移传感器量程小的缺点。三角法位移测量的主要原理是：激光器发出激光经聚焦透镜汇聚到被测物表面后，产生的漫反射光被接收透镜接收，并汇聚到位置敏感元件(如PSD、CMOS、CCD等)形成光斑，根据被测点、接收透镜光心与敏感元件上光斑点三者之间形成的三角形关系可以得到被测点的位移值。但是，与共焦法位移传感器相比，三角法激光位移传感器虽然量程较大，但测量精度较低，在一些需要高精度检测的场合可能无法满足测量要求。

为解决测量精度与量程之间的矛盾，目前常用的方法是分别用大量程、高精度的传感器进行重复测量，如：先用大量程的传感器进行一次测量，然后用一次测量的数据来引导高精度的传感器进行二次测量。此类测量方法在一定程度上能够解决量程与精度这一矛盾，但是在应用于生产现场时，一是多次测量降低了生产节拍，无法满足生产现场对测量效率的要求，增加了时间成本；二是分别采用大量程、高精度的传感器，需要分别使用两种传感器，增加了测量成本。

发明内容

针对现有技术的不足之处，本实用新型旨在提供一种集成共焦法与三角法的位移测量装置，通过在激光共焦位移传感器探头一侧安装聚焦透镜及位置敏感元件，使得共焦位移传感器的入射激光与聚焦透镜、位置敏感元件构成一个三角法位移测量系统，能够在保证高精度测量的条件下，同时实现对激光共焦位移传感器量程的扩展。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下的技术解决方案：