基于时间差的位移传感器及其测量方法

技术领域

本发明涉及测量技术领域，特别涉及一种基于时间差的位移传感器及其测量方法。

背景技术

基于光学三角放大法的位移测量新原理，是在光学三角放大法的基础上，结合三角波光学器件与高精度光电三极管(Position Seitive Device，位置灵敏探测器，也称光电探测器)实现的。专利号为2018207451284的中国专利提供了一种跟踪式位移传感器，利用光偏转器带动光电探测器运动，使得三角波反射镜的反射激光束入射至光电探测器的位置一直保持不变，继而提高基于时间差的位移传感器的测量精度，增大其放大倍数。然而一切运动都是具有惯性的，机械运动结构的惯性会使得测量速度降低，使得无法应用于高速运动测量领域。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以提高测量精度的基于时间差的位移传感器。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于时间差的位移传感器，包括：

三角波反射镜，包括第一反射面和第二反射面；

激光束一，入射至三角波反射镜的第一反射面；

反射镜一，用于接收激光束一被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且使该激光束在激光束一入射至同一个第一反射面的测量过程中沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面；

光偏转器一，用于使三角波反射镜的第二反射面反射的激光束的入射角度在设定角度区间内匀速偏转；

光电探测器一和光电探测器二，都是用于接收经光偏转器一偏转后的激光束；

处理系统，用于根据光电探测器一和光电探测器二分别接收到激光束的时间差及光偏转器一的偏转速度，计算出被测物体的位移变化值。

作为一种可实施方式，所述三角波反射镜的第一反射面和第二反射面分别与水平面的夹角为150度，激光束一入射至第一反射面的入射角为30度，反射镜一平行于第一反射面。

优选的，上述一种基于时间差的位移传感器还包括：

激光束二，入射至三角波反射镜的第一反射面，且激光束一与激光束二分别在第一反射面的初始入射点位置不同；

反射镜二，用于接收激光束二被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且使该激光束在激光束二入射至同一个第一反射面的测量过程中沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面；

光偏转器二，用于使三角波反射镜的第二反射面反射的激光束的入射角度在设定角度区间内匀速偏转；

光电探测器三和光电探测器四，用于接收经光偏转器二偏转后的激光束；

所述处理系统具体用于，根据光电探测器一和光电探测器二分别接收到激光束的时间差及光偏转器一的偏转速度，计算出被测物体的位移变化值；或者，用于根据光电探测器三和光电探测器四分别接收到激光束的时间差及光偏转器二的偏转速度，计算出被测物体的位移变化值。

利用上述基于时间差的位移传感器进行位移测量的方法，包括以下步骤：

步骤一，将被测物体固定在三角波反射镜或测头上；

步骤二，调整激光束一、三角波反射镜、反射镜一、光偏转器一、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，使得反射镜一接收到激光束一被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且该激光束在激光束一入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面，且光电探测器一和光电探测器二在光偏转器一的偏转区间内；

步骤三，启动光偏转器一匀速旋转，发射激光束一，所述激光束一先后经过所述三角波反射镜的第一反射面、反射镜一、三角波反射镜的第二反射面后,在一个偏转周期内，被光电探测器一和光电探测器二分别先后两次探测到激光束，并记录探测到激光束的时间；

步骤四，被测物体位移，在位移过程中，分别记录光电探测器一和光电探测器二前后两次探测到激光束的时间；

步骤五，处理系统根据光电探测器一和光电探测器二分别接收到激光束的时间差，及光偏转器一的偏转速度，测算得到被测物体的位移值。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明一种基于时间差的位移传感器，利用光偏转器使反射激光束发生偏转，且在一个偏转周期内两次被接收产生时间差，随着移动的进行，一个光电探测器接收到反射激光束的时间差变大，而另一个电探测器接收到反射激光束的时间差变小，根据时间差及偏转角度即可测算出位移量。两个光电探测器的时间测量结果实现了差分放大测量，进一步提高了测量精度。

本发明利用光偏转器消除了驱动器驱动光电探测器进行跟踪测量时所存在的运动惯性影响测量速度，继而可以提高位移测量的速度。

同时，本发明通过时间差实现位移测量，通过高精度的时间计量可以实现高精度的位移测量，将位移测量转变为时间测量，更容易实现比传统位移测量传感器更高精度的位移测量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简要介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关附图。

图1所示为实施例1提供的一种结构的基于时间差的位移传感器的测量原理示意图。

图2所示为位移前后光电探测器接收反射激光束存在时间差的原理示意图。

图3所示为实施例2提供的另一种结构的基于时间差的位移传感器的测量原理示意图。

图4所示为时间差实现位移测量的计算原理图。

图中标号说明：

激光源一1，激光源二2，激光束一3，激光束二4，三角波反射镜5，壳体6，光电探测器一7，光电探测器二8，反射镜一9，光偏转器一10，反射镜二11，光偏转器二12，光电探测器三13；光电探测器四14；第一反射面51，第二反射面52。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚完整的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例1

请参阅图1，本实施例中提供了一种基于时间差的位移传感器，包括激光源一1，三角波反射镜5，反射镜一9，光电探测器一7和光电探测器二8，其中，三角波反射镜5包括多个反射面，为了便于理解，本文中将用于接收激光源一(或二)发射的激光束的反射面定义为第一反射面，将用于接收反射镜一(或二)反射的激光束的反射面定义为第二反射面。

本实施例中所述基于时间差的位移传感器中：

激光源一1用于发射出激光束一3，并射向三角波反射镜5的第一反射面51；

反射镜一9用于接收激光束一3被三角波反射镜5的第一反射面51反射的激光束，且使该激光束在激光束一3入射至同一个第一反射面51的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜5的第二反射面52；

光偏转器一10，用于使三角波反射镜5的第二反射面52反射的激光的角度在设定角度区间内匀速偏转；

光电探测器一7和光电探测器二8，用于在光偏转器一10的一个偏转周期内，两次接收经光偏转器一10偏转后的激光束；也就是说，光电探测器一7和光电探测器二8都在光偏转器一10的设定角度区间内，继而保障可以接收到经光偏转器一10偏转后的激光束。

处理系统，用于根据光电探测器一7和光电探测器二8分别接收到激光束的时间差，以及光偏转器一10的偏转速度，计算出被测物体的位移变化值。

所述处理系统可以是元器件构成的运算电路，基于不同的实现方式有不同的电路结构，但是本领域技术人员根据处理系统的计算过程可以很容易地实现该运算电路，故此处不再给出具体的运算电路图。处理系统也可以是集成了运算电路的处理器，例如STM32系列单片机。

光偏转器一10的目的是使入射的激光束发生偏转，最简单的实施方式就是在一个转动台上安装一个反射镜(或多面反射体)，转动台转动就会改变入射至反射镜的激光束的入射角，实现偏转的目的。

优选的，光偏转器可以为钽铌酸钾晶体，以便实现高频率角度偏转。

本实施例中，光偏转器一10的偏转区间小于15度，也就是所述设定角度区间小于15度，光偏转器一10由初始位置转动到结束位置，再由结束位置回归到初始位置的时间为一个偏转周期。

为了保障基于时间差的位移传感器的放大性能，入射至光电探测器一7的激光束与光电探测器一7的夹角宜小于45度。

如图1所示，光电探测器一7采用光电三极管，位移前的激光束一3用实线表示，位移后的激光束一3用虚线表示，激光束一3的传输路径如下：

位移前，激光源一1发射激光束一3至三角波反射镜5的第一反射面51，三角波反射镜5的第一反射面51将激光束一3反射至反射镜一9，反射镜一9将第一反射面51反射的激光束反射至第二反射面52，第二反射面52再将入射激光束反射至光偏转器一10。

在前半个偏转周期中，光偏转器一10将入射激光束偏转入射至光电探测器一7(此处是假设光电探测器一7先接收到激光束)，记光电探测器一7接收到激光束的时刻为t1，随着光偏转器一10的匀速旋转，转到一定角度后达到光束的偏转极限角，然后激光束角度向另一个偏转极限角方向偏转。随着激光束的偏转运动，光偏转器一10将入射激光束偏转入射至光电探测器一7，记光电探测器一7再次接收到激光束的时刻为t2。

在后半个偏转周期中，光偏转器一10先将入射激光束偏转入射至光电探测器二8，记光电探测器二8接收到激光束的时刻为t3，随着光偏转器一10的匀速旋转，转到一定角度后达到光束的偏转极限角，然后激光束角度向另一个偏转极限角方向偏转。随着激光束的偏转运动，光偏转器一10将入射激光束偏转入射至光电探测器二8，记光电探测器二8再次接收到激光束的时刻为t4。

记光电探测器一10在位移前的一个偏转周期内接收到激光束的时间差为δT1＝t2-t1，记光电探测器二8在一个偏转周期内接收到激光束的时间差为δT2＝t4-t3。

位移后(图1中展示为向左位移，位移时激光源一1、反射镜一9、光偏转器一10、光电探测器一7、光电探测器二8同步向左位移)，激光源一1发射激光束一3至三角波反射镜5的第一反射面51(相比于位移前的同一个反射面的另一个位置点)，三角波反射镜5的第一反射面51将激光束一3反射至反射镜一9，反射镜一9将第一反射面51反射的激光沿位移前相同的路径反射至第二反射面52，第二反射面52再将入射激光束沿位移前相同的路径反射至光偏转器一10。

经光偏转器一10偏转后入射至光电探测器一7和光电探测器二8的过程同位移前的光路一样。在前半个偏转周期内，记光电探测器一7首次接收到激光束的时刻为t5，第二次接收到激光束的时刻为t6；在后半个偏转周期内，记光电探测器二8首次接收到激光束的时刻为t7，第二次接收到激光束的时刻为t8。记光电探测器一7在位移后的一个偏转周期内接收到激光束的时间差为δT3＝t6-t5，记光电探测器二8在一个偏转周期内接收到激光束的时间差为δT4＝t8-t7。

请参阅图2，粗实线(即最右方的实线)表示光偏转器一的偏转极限边界。在位移前，入射至光电探测器一7的激光束与偏转极限边界之间的角度为b，位移后入射至光电探测器一7的激光束与偏转极限边界之间的角度为a，b小于a，也就是位移后的入射角度变大了，因此光电探测器一7在位移前后，分别两次接收到激光束的时间差会相应增大，即δT3大于δT1。

类似地，在位移后，入射至光电探测器二8的激光束与偏转极限边界之间的角度会变小，因此光电探测器二8在位移前后，分别接收到激光束的时间差会相应减小，即δT4小于δT2。

而光偏转器一10对入射激光匀速进行角度偏转，其在单位时间内转动的角度是已知的，根据光偏转器一10的偏转速度、两个光电探测器在位移前后的时间差即可计算出被测物体的位移量。

可参考图4，计算过程如下：设光偏转器一10对入射激光的角度偏转速度为α度/秒，角度偏转器一10至光电探测器一7的接收面距离为h，角度偏转器一10的最大偏转角度值为β度，则时间差δT3对应的角度(α×δT3)/2，则当前位移X＝h×tg(β-(α×δT3)/2),位移前后根据两个不同时间差即可计算出两个位移X，相对位移量ΔX即可精确算出。公式如下：ΔX＝h×tg(β-(α×δT3)/2)-h×tg(β-(α×δT1)/2)；当光电探测器二8的结构参数与光电探测器一7一致时，利用位移差分原理可得，2ΔX＝h×tg(β-(α×δT3)/2)-h×tg(β-(α×δT1)/2)+h×tg(β-(α×δT2)/2)-h×tg(β-(α×δT4)/2)。当光电探测器二8的结构参数与光电探测器一7不一致时，角度偏转器一10至光电探测器二8的接收面距离为h’，角度偏转器一10的最大偏转角度值为β'度，则2ΔX＝h×tg(β-(α×δT3)/2)-h×tg(β-(α×δT1)/2)+h’×tg(β'-(α×δT2)/2)-h’×tg(β'-(α×δT4)/2)。

为了进一步提高测量精度，可以通过标准位移量标定实验，获得时间差与位移量的关系曲线，移动固定间隔ΔX后，获得一个时间差δT。通过插值处理即可获得任意一个时间差对应的位移量。

为了实现反射镜一9反射的激光束在位移前后沿同一路径反射至三角波反射镜5的第二反射面52，可以通过例如如下方式实现：反射镜一平行于第一反射面，平行于第二反射面，激光束一与第一反射面的锐角夹角等于两倍第一反射面与水平面的夹角。

例如作为一种较优的可实施方式，三角波反射镜5的第一反射面51和第二反射面52分别与水平面的夹角为150度(仅以水平向右为正方向且沿逆时针方向旋转为例)，激光源一1发射的激光束一3入射至第一反射面51的入射角为30度，反射镜一9平行于第一反射面51。在保障反射镜一9使得激光源一1发射的激光束一3入射至同一个第一反射面的测量过程中，发射的激光束一3沿同一路径反射至三角波反射镜5的第二反射面52的情况下，也可以有其他不同的设置方式。

三角波也并非一定需要等腰三角波，即形成三角波的两个反射面与水平面的锐角夹角可以相等，也可以不相等。本实施例提供的一种基于时间差的位移传感器中，对于三角波反射镜5，在满足第一反射面51平行于第二反射面52的条件下，其具体结构没有限制，即对于形成三角波的两个反射面的夹角没有限制。

可以参阅图1，上述基于时间差的位移传感器还可以包括壳体6，激光源一1、反射镜一9、光偏转器一10、光电探测器一7、光电探测器二8均固定设置于壳体6内，组成测头，激光源一1发射的激光束一3及其反射光束均可以通过测头的收发端面。激光源一1、反射镜一9、光偏转器一10、光电探测器一7、光电探测器二8均固定设置于壳体6内，可以保持相互之间的位置固定，也可以保障几者保持同步位移。

测量时，可以根据实际应用情况，采用将三角波反射镜5固定在被测物体上，测头保持固定不动，被测物体发生位移时，三角波反射镜5与测头发生相对运动，测头可以测量得到三角波反射镜5即被测物体的位移值。作为另一种实施方案，也可以采用将测头固定在被测物体上，三角波反射镜5保持不动，被测物体发生位移带动测头移动，测头与三角波反射镜5发生相对位移，测头可以测得测头与三角波反射镜5之间的相对位移，进而得到被测物体的位移值。

测量选择三角波反射镜5或者测头来固定在被测物体上，提高了测量便利性。

应用上述基于时间差的位移传感器进行位移测量时，其步骤如下：

步骤一，将被测物体固定在三角波反射镜或测头上；

步骤二，调整激光束一(即激光源一)、三角波反射镜、反射镜一、光偏转器一、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，使得反射镜一接收到激光束一被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且该激光束在激光束一入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面，且光电探测器一和光电探测器二在光偏转器一的偏转区间内，即在光偏转器一转动的过程中，光电探测器一和光电探测器二能够接收到三角波反射镜的第二反射面反射的激光束；

步骤三，启动光偏转器一匀速旋转，发射激光束一，所述激光束一先后经过所述三角波反射镜的第一反射面、反射镜一、三角波反射镜的第二反射面后,在一个偏转周期内，被光电探测器一和光电探测器二分别先后两次探测到激光束，并记录探测到激光束的时间；

步骤四，被测物体位移，在位移过程中，分别记录光电探测器一和光电探测器二前后两次探测到激光束的时间；

步骤五，处理系统根据光电探测器一和光电探测器二分别接收到激光束的时间差，及光偏转器一的偏转速度，测算得到被测物体的位移值。

实施例2

可以参阅图3，与实施例1中所述的基于时间差的位移传感器相比，本实施例中提供的基于时间差的位移传感器还包括激光束二4，入射至三角波反射镜5的另一个第一反射面51；以及以下部件：

反射镜二11，用于接收激光束二4被三角波反射镜5的所述另一个第一反射面51反射的激光束，且使该激光束在激光束二4入射至同一个所述另一个第一反射面51的测量过程中沿同一路径反射至三角波反射镜5的另一个第二反射面52；

光偏转器二12，用于使三角波反射镜5的第二反射面52反射的激光束的入射角度在设定角度区间内匀速偏转；

光电探测器三13和光电探测器四14，用于在光偏转器二的一个偏转周期内，两次接收经光偏转器二偏转后的激光束；

本实施例所述的基于时间差的位移传感器中，所述处理系统则是根据光电探测器一7和光电探测器二8分别接收到激光束的时间差及光偏转器一10的偏转速度，计算出被测物体的位移变化值；或者，根据光电探测器三13和光电探测器四14分别接收到激光束的时间差及光偏转器二12的偏转速度，计算出被测物体的位移变化值。

本实施例中所述的基于时间差的位移传感器可以实现连续位移测量。具体的，可以选用两个激光束之一来测量，当其中一个激光束反射点位于反射面的某些位置，如反射面的顶端、两个反射面的交线位置等，反射激光光路发生改变，因此可能无法反射到对应光电探测器，而另一个激光束反射点位于另一个反射面的其他位置，可反射到对应光电探测器，能够实现被测物体移动的每一刻，三角波反射镜5上各第二反射面52所反射的激光束中至少有一条可以反射到对应的光电探测器，此时处理系统可以来回切换计算两组光电探测器的时间差，进行叠加累计，以实现对被测物体位移一次性变化或连续增量式位移变化的测量，其测量方法简单、可靠，操作方便，并且能够提高测量精度。

如图3所示，激光束一3、激光束二4分别通过激光源一1和激光源二2发射得到。

两套测量系统可以均设置于一个壳体内组成一个测头，也可以两套测量系统分别设置于一个壳体内，分别组成两个测头。具体的，激光源一、激光源二、反射镜一、反射镜二、光偏转器一、光偏转器二、光电探测器一、光电探测器二、光电探测器三、光电探测器四均固定设置于壳体内，组成一个测头。或者，激光源一、反射镜一、光偏转器一、光电探测器一和光电探测器二均固定设置于一个壳体内，组成一个测头；激光源二、反射镜二、光偏转器二、光电探测器三、光电探测器四均固定设置于另一个壳体内，组成另一个测头。

容易理解的，本实施例中，设置激光源一和激光源二的目的是避免其中一组光电探测器接收不到激光束时，可以通过另一组光电探测器接收激光束，实现位移测量，因此除了如图3所示的设置方式外，还可以有其他设置方式，只要激光源一与激光源二错开设置，使得激光束一和激光束二分别在第一反射面的初始入射点位置不同即可，例如激光束二也可以入射至处于激光束一入射的第一反射面同侧的另一个第一反射面，还可以入射至激光束一所入射的同一个反射面，但是入射点位置不同。

光电探测器(一至四)可以采用位置敏感探测器光电三极管，也可以采用例如光电二极管、光电池等器件。

应用本实施例中的基于时间差的位移传感器进行位移测量时，其步骤如下：

步骤一，将被测物体固定在三角波反射镜或测头上；

步骤二，调整激光束一、三角波反射镜、反射镜一、光偏转器一、光电探测器一、光电探测器二的位置关系，使得反射镜一接收到激光束一被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且该激光束在激光束一入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面，且光电探测器一和光电探测器二在光偏转器一的偏转区间内；调整激光束二、三角波反射镜、反射镜二、光偏转器二、光电探测器三、光电探测器四的位置关系，使得反射镜二接收到激光束二被三角波反射镜的第一反射面反射的激光束，且该激光束在激光束二入射至同一个第一反射面的测量过程中，沿同一路径反射至三角波反射镜的第二反射面，且光电探测器三和光电探测器四在光偏转器二的偏转区间内；

步骤三，启动光偏转器一匀速旋转，发射激光束一，所述激光束一先后经过所述三角波反射镜的第一反射面、反射镜一、三角波反射镜的第二反射面后,在一个偏转周期内，被光电探测器一和光电探测器二分别先后两次探测到激光束，并记录探测到激光束的时间；或者，启动光偏转器二匀速旋转，发射激光束二，所述激光束二先后经过所述三角波反射镜的第一反射面、反射镜二、三角波反射镜的第二反射面后,在一个偏转周期内，被光电探测器三和光电探测器四分别先后两次探测到激光束，并记录探测到激光束的时间；

步骤四，被测物体位移，在位移过程中，分别记录光电探测器一和光电探测器二前后两次探测到激光束的时间，或者，分别记录光电探测器三和光电探测器四前后两次探测到激光束的时间；

步骤五，处理系统根据光电探测器一和光电探测器二分别接收到激光束的时间差，及光偏转器一的偏转速度，测算得到被测物体的位移值；或者根据光电探测器三和光电探测器四分别接收到激光束的时间差，及光偏转器二的偏转速度，测算得到被测物体的位移值。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员，在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围内。