CN102687036B - 用于以光学方式测量范围、位置和/或轮廓的传感器及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学传感器，用于以光学方式测量被测目标体的范围、位置和/或轮廓，所述的被测目标体因被测目标体的温度引发电磁辐射，所述的传感器具有光源和检测器，所述的光源用于被测目标体的表面照明，所述的检测器用于检测被测目标体反射的照明光，其特征在于所述光源产生的光的波长低于被测目标体的普朗克辐射谱的峰值，由此带来甚至可对发射电磁辐射的物体进行测性。详细说明了一种相应的方法。

Description

用于以光学方式测量范围、位置和/或轮廓的传感器及其方法

技术领域

本发明涉及一种用于以光学方式测量被测目标体的范围、位置和/或轮廓的传感器，所述的被测目标体因被测物的温度引发电磁辐射，所述的传感器有一个光源和一个检测器，所述的光源用于被测目标体的表面照明，所述的检测器用于检测被测目标体反射的照明光。此外，本发明还涉及一种相应的方法。

背景技术

用于以光学方式测量被测目标体的范围、位置和/或轮廓的传感器是本领域早已众所周知的。光束（以激光束为典型代表）作为照明光束被发射，并被待测目标体反射。检测器测量被反射回到传感器的部分照明光束。根据测量值确定被测目标体相对于传感器的位置和/或范围。在被测目标体采用点状照明的情况下，通过移动传感器，引导光束和/或移动被测目标体，可以确定被测目标体的轮廓。在非点状照明模式(例如，线状或网格状)，甚至无需移动就能确定轮廓。采用某些类型的光学传感器，可以进行单纯的轮廓测量而无需范围测量。

一种非常通用的光学范围传感器是三角测量传感器，这里，光源、被测目标体上被照明的测量点和检测器形成一个三角形。被测目标体与传感器的距离是根据三角测量传感器的几何学的知识和检测器上光斑的位置确定的。

光学测量的基本条件是传感器发射的足够亮度的光被反射回到检测器，并且反射光在检测器上产生足够亮的测量光斑、条纹或图案。

光学测量方法有一个特殊的问题，尤其是在对自发光体进行测量时。一种最重要的情况是自发光被测目标体是热的目标体。在温度超过700°C时，物体发出不可忽略的红外线范围的辐射。随着温度升高，电磁辐射中的可见光范围的部分增加。如果要对自发光体进行测量，则不得不增加现有已知的光学传感器阵列的照明光亮度，或者不得不求助于其他的传感器技术，例如电容式或电感式传感器。然而，人们未必想要或者未必能够舍弃光学传感器的优点。例如，与其它非接触测量传感器相比，光学传感器有更大的测量范围同时有更高的分辨率。此外，还能够对各种不同的导体或非导体材料进行可靠的测量。然而，一方面，增加照明光亮度的结果是增加传感器的能量消耗，另一方面，当使用激光作为光源时，还要遵守法定的功率输出极限值，因此，输出功率不能任意增加。

因此，本发明的目的是配置并进一步发展一种用于以光学方式测量被测目标体的范围、位置和/或轮廓的系统和方法，能够以前述方式对发射电磁辐射的被测目标体进行测量。

发明内容

本发明通过权利要求1所公开的特征实现上述设计目的。根据权利要求1所述的传感器，其特征在于光源产生的光的波长低于被测目标体的普朗克辐射谱的峰值。

本发明的方法通过权利要求10所公开的特征实现上述设计目的。根据权利要求10所述的方法，其特征在于被测目标体采用短波光束照明，为了进行测量，所选择的波长低于被测目标体的普朗克辐射谱的峰值。

首先，人们已经意识到有一种创造性的方式，可以在被测目标体因被测物的温度发射电磁辐射时进行测量，而不必舍弃光学测量方法的优点。而且即使处于这种测量境况下，也可以通过适当选择传感器的光源所发射的光束的波长进行光学测量。每个热的物体由其温度引发电磁辐射，这种电磁辐射的光谱可以用普朗克辐射谱描述。普朗克辐射谱描述特定波长的辐射的电磁辐射照射。普朗克辐射谱是一组曲线，所述的曲线依赖于物体的温度，每一条辐射光谱展示的峰值，随着温度的增加向波长更短的方向移动。

根据本发明，普朗克辐射谱的峰值用于选择传感器光源发射的光束的波长。在大多数测量境况下，被测目标体的温度是已知的。例如，如果传感器用于测量铸造厂的铸件，人们通常知道在不同情况下被测目标体热度。因此，通常的情况是可以先期确定普朗克辐射谱的峰值所对应的波长。根据已知的峰值还可以创造性地确定波长的范围，使光源产生的光的波长低于被测目标体的普朗克辐射谱的峰值。这种方法满足了适当的条件，可以确保使用光学传感器测量热的被测目标体。

波长与普朗克辐射谱的峰值之间最好是选择尽可能大的距离。根据被测目标体的温度，选择数十纳米至几百纳米是有益的。在被测目标体非常热的情况下，温度超过1,000K，普朗克辐射谱在峰值之后沿波长更小的方向急剧下降。在此情况下，波长与普朗克辐射谱峰值之间的距离可以选择数十纳米，例如50纳米。在温度较低的情况下，例如，700K，普朗克辐射谱比较平坦，曲线在峰值之后沿波长更小的方向下降较慢。在此情况下，发射光的波长与普朗克辐射谱峰值之间的距离选择至几百纳米更适宜。

照明光束的反射部分的可检测性最好是要考虑到发射光波长与普朗克辐射谱峰值之间的距离的测度范围。第一步，可以确定光源的最大光输出功率。这个最大辐射功率通常受限于可用能量，潜在的废热，各种不同应用的辐射限值，各种光源的成本和/或其他边界条件。优选地，选择发射光波长与普朗克辐射谱峰值之间的距离，使传感器的照明光束反射回到检测器的部分仍能被充分有效地检测到。因此，被测目标体反射的光束通常必须在检测器上形成一个有足够亮度的光斑。在此背景下，光斑应该不太大，通过配置检测器上的亮度分布，应能够充分准确地确定光斑在检测器上的位置。相应的测度方法长期以来已被本领域专业人员所熟知。这样，可以通过改变照明光束的波长，而不是增加照明功率，从而改进可检测性。

优选地，传感器光源发射的光束的波长选择为小于450纳米。一个特别优选的实施例提供的这个波长选择为小于或等于432纳米。应该指出，这里确定的这个波长正是光源产生的辐照强度的基本部分。光源还可以发射更长波长的其它光谱段，这取决于所选择的光源。然而，辐照强度的峰值应该在较小的波长，优选地，波长应小于450纳米，更加优选地，波长小于或等于432纳米。一些特别优选的波长的例子是405纳米和370纳米。

为了保护敏感的检测器，一个波长选择元件串联连接到检测器。因此，可以在早期阶段充分阻断被测目标体的电磁辐射。在此背景下，波长选择元件本质上仅允许包含光源光的波谱段通过。同时，优选地，波长选择元件设计具有窄带特征，以便检测器能够非常有效地测量传感器光源发射的光，所述的光源发射的光通常也设计具有同样的窄带特征。因此，反射光束中不是来自光源的其它波谱段不能引起检测器测量的辐照强度增加。这个特征可以减少检测器饱和的危险。波长选择元件可以由滤光器、色散元件或其它本领域已知的元件构成。

在此背景下，检测器可以配置为直线型或矩阵型。检测器可以在CMOS技术或CCD(电荷耦合器件)技术基础上设计。检测器还可以设计为定位光电二极管（position-dependent photodiode）。

在本发明的一个特别优选的实施例中，传感器是依据三角测量原理运作的。在此背景下，被测目标体与传感器之间的距离是根据传感器的几何学确定的。这个实施例所利用的原理是，光源、投照在被测目标体上的测量光斑和投照在检测器上的点构成一个三角形。这个三角形用于计算传感器与被测目标体表面的投照点之间的距离。

在本发明的另外一个优选的实施例中，传感器是依据光行程原理运作的。在这种情况下，要测量从传感器到被测目标体并返回到检测器的旅程所需要的时间。现有的用于测量运行时间的方法利用脉冲运行时间原理或者相移法。后一种方法采用调制照明光束。光束的运行时间包括照明光束和反射光束之间的相移。根据相移可以测定运行时间并由此测定距离。

光源的优选设计为激光器。激光器以点状、线状或十字线照明被测目标体。其它的照明图案也是可能的。因此，可以使用若干条平行线或十字线照明。激光器可以由激光二极管、固态激光器或者气态激光器构成。

作为一种可选方案，光源还可以设计为LED(发光二极管)。因为市场上有越来越多的波长更短的二极管，它们也能用于本发明的传感器。其适用性取决于各种不同的用途。

本发明一些特征将通过实施例再次加以概括说明。

具体实施方式

本发明涉及使用短波长（例如405纳米或432纳米）激光二极管，其波长远离700°C以上的热辐射目标体的波长峰值。

用三角测量原理运作的传感器测量因温度升高自发光的表面时，热物体的特定发射强度和光源的辐照强度之间的关系是有效测量范围的决定性因素。特定发射强度是发射的辐射通量除以面积[W/m2]；辐照强度是投照的辐射通量除以面积[W/m2]。

根据普朗克辐射谱可知，测量单元的光源波长与自发光目标体的峰值波长之间的距离越大，辐照强度越低，辨识投射在自发光表面的光点与自发光表面的可能性越高，于是，根据光谱选择性采集光线的同步发光传感器到自发光表面的测量量程也越大。优选地，光源发射的波长范围<432纳米。在检测通道中使用一个波长选择元件（例如，一种窄带滤光器），例如，使用一个干涉滤光片实现辐射选择，也就是避免其余的辐射接触到宽带敏感的光电检测器。

根据三角测量方法（点状范围测量或光切法），适于范围测量的检测器的典型代表是线状或矩阵CCD或CMOS。然而，点状范围测量也可以使用位敏光电二极管（PSD，position-sensitive photodiode）。在其他情况下，也可以用完整的线状或矩阵摄影机代替检测器。

可以使用的光源包括激光二极管、固态激光器或者气态激光器，在某些情况下也可以使用发光二极管。光束形状是任意的，然而，点状、线状或十字线更为适宜。

测量系统或传感器可以用于范围测量，位置测量，轮廓测量，可以用于高温目标体的测量。

根据使用的波长，光线进入部分透明目标体的穿透深度越少，产生的测量误差越少。

所述的测量系统根据三角测量原理运作，用于测量由其温度引发辐射的物体的范围。所述测量系统的特征在于，所使用的光源（例如，激光二极管）的发射波长，不是处于自辐射体的普朗克辐射谱的峰值，而是尽可能远离所述的峰值。

选择这个波长，或者更具体地说，在接收光束的路径中用滤光器，或者更确切地说带有相应的光阑的色散元件，抑制偏离的波长。

为避免重复，关于根据本发明的装置的另外一些更好的实施例，参见说明书的综述部分和所附的权利要求。

最后，应该明确地指出，上述根据本发明的装置的典型实施例仅用于解释所要保护的技术，但是，所述的技术并非限于那些典型实施例。

Claims (13)

1.用于以光学方式测量被测目标体的范围、位置和/或轮廓的传感器，所述的被测目标体因被测目标体的温度引发电磁辐射，所述的传感器具有光源和检测器，所述的光源用于被测目标体的表面照明，所述的检测器用于检测被测目标体反射的照明光，

其特征在于：所述光源的最大光输出功率被确定，并且可检测性是通过改变照明光的波长而非增加照明功率而被改进的，以及

所述光源产生的光的波长低于被测目标体的普朗克辐射谱的峰值波长，

其中，所述的传感器设计为三角测量传感器或者依据光行程原理运作，

其中，所述的被测目标体的温度超过700℃。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的被测目标体发出红外线范围的电磁辐射。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的波长与普朗克辐射谱的峰值波长的长度差尽可能大。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述的波长与普朗克辐射谱的峰值波长的长度差为数十纳米。

5.根据权利要求1至4之任一项所述的传感器，其特征在于：所述的光源发射的光束波长与被测目标体的普朗克辐射谱的峰值波长之间的长度差被选择得足够大，以至于在特定的光源最大光功率输出条件下，有足够的信号强度到达检测器。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于：所述的光源发射的光束的波长范围为小于450纳米。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于：所述的光源发射的光束的波长范围为小于或等于432纳米。

8.根据权利要求1至4之任一项所述的传感器，其特征在于：波长选择元件串联连接到检测器，所述的波长选择元件本质上仅允许包含光源光的波谱段通过，所述的波长选择元件由滤光器构成。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于：所述的波长选择元件为色散元件。

10.根据权利要求1至4之任一项所述的传感器，其特征在于：所述的检测器配置为直线型或矩阵型，所述的检测器在CMOS技术或CCD技术基础上设计，或者设计为定位光电二极管。

11.根据权利要求1至4之任一项所述的传感器，其特征在于：所述的光源由激光器构成，激光器以点状、线状或十字线照明被测目标体，激光器由激光二极管、固态激光器或者气态激光器构成。

12.用于以光学方式测量被测目标体的范围、位置和/或轮廓的方法，所述的被测目标体因被测目标体的温度引发电磁辐射，使用权利要求1至11之任一项所述的传感器，其特征在于：被测目标体采用短波长光束照明，为了进行测量，所选的波长低于被测目标体的普朗克辐射谱的峰值波长。

13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于：所述的方法包括确定所述的被测目标体的普朗克辐射谱的步骤。