CN100342216C - 一种单光栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种单光栅位移传感器，包括光源、光栅，其特征是在光源(1)与光栅(3)之间设置光学透镜(2)，光源(1)的扩展光通过光学透镜(2)聚焦在光栅(3)上，投射或反射在光屏(4)上，然后进行光电计数。该位移传感器能用来测量线位移和角位移量，其结构简单、造价低廉、测量精度高。在地震监测、机械加工、航天航空测控、重量计量、医学监测、物理仪器等领域具有广阔的应用前景。

Description

一种单光栅位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体是一种光变换单光栅精密位移传感器。该传感器可用于地震监测、机械加工、航天航空测控、重量计量、医学监测、物理仪器等领域。

背景技术

大多光栅位移传感器都是采用双光栅产生的莫尔条纹计数法，或者是在莫尔条纹计数基础上的电路细分法等。这些方法的光路及电路较复杂，光栅间的安装配合尺寸要求严格，必须保证主光栅和指示光栅的栅线间保持固定的微小夹角，并且两光栅面之间必须保持合适的微小间距，在测量时，要有多个光敏探头跟随指示光栅一起运动。要想做得很精密，其造价就一定高，因此这种测量手段，长期得不到普及推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、造价低廉、精度高、易于普及和推广的单光栅位移传感器。

本发明提供的一种单光栅位移传感器，包括光源、光栅，其特征是在光源与光栅之间设置光学透镜，光源的扩展光通过光学透镜聚焦在光栅上，然后投射或反射在光屏上，光屏上出现同心圆环簇。就是将明暗相间的光栅直条纹在光屏上变换成对应的放大的明暗相间的同心圆环簇。当光栅沿栅线所在平面内并且垂直于栅线方向位移时，根据同心圆环簇的“吞”“吐”数测出位移量，根据同心圆环簇的“吞”“吐”现象确定位移方向。

所述的光屏上可设置光敏探头并连接电路和显示系统。即可在光屏上显示的一个同心圆环簇中央的位置上设置光敏探头，用来测位移量；在另一个同心圆环簇中央的位置上设置光敏探头，用来确定位移方向。

本发明提供的另一种单光栅位移传感器，包括光源、光栅，其特征是在光源与光栅之间设置光学透镜，光源的扩展光通过光学透镜聚焦在光栅上，然后投射或反射在光敏探头上，光敏探头连接电路和显示系统。

所述的光源是点光源或近似点光源，它不受波长的影响，可以是普通灯光、小型半导体激光器或发光二极管。其中优选小型半导体激光器或发光二极管，它们不仅体积小而且经济耐用，传感器体积也可做得较小。

所述的光栅是透射式光栅、反射式光栅。使用透射式光栅(正弦光栅较好，有利于细分)，通过光学透镜聚焦在光栅上，然后投射在光屏上。使用反射式光栅，光源的扩展光通过光学透镜聚焦在光栅上，然后反射在光屏上。根据不同用途可以选用一维光栅、正交光栅或辐射状光栅。

所述的光学透镜是能起到会聚作用的凸透镜或透镜组。透镜要根据光栅栅线的疏密来确定其孔径和焦距。

所述光屏可以是毛玻璃、绘图纸或半透明塑料膜。用来成像和为光敏探头定位。

所述光敏探头可以是光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻。用来接收光信号。

与现有技术相比本发明单光栅位移传感器具有如下突出的优点和效果：首先，它的光路简单，容易读数，安装调试方便，成本低，体积小，精度高，抗干扰性强。

其次，用这种方法既能测量线位移，又能测角位移，同时还能辨别位移的方向。其主要特征就在于它能使一个等间距直条纹的光栅经光学透镜变换后，转换成一个放大的不等间距(中心间距较大)的同心圆环簇，它们具有一一对应的关系。雷同迈克尔逊干涉圆环。其等效的中心零级条纹具有明暗对比度大，其中心光斑大小适合光敏元件接收和识别。并且，中心光斑的位置不随光栅移动而改变，只出现环状条纹“吞”、“吐”现象。因此，光敏探头在接收信号时可固定不动。这样的接收显示系统电路就会大大简化。

第三，该传感器可用来测量线位移和角位移量，应用范围广泛，在仪器仪表、地震监测、机械加工、航天航空测控、重量计量、医学监测、物理仪器等领域具有广阔的应用前景。

附图说明：

图1是本发明一种单光栅位移传感器的结构示意图。

图2是本发明单光栅位移传感器的光栅转换现象示意图。其箭头左边是一维等间距正弦光栅，右边是对应的两个同心圆环簇，其中心条纹较疏，边沿条纹较密。这样在圆环条纹“吞”、“吐”时就有利于光敏探头分辩和计数。

图3是正交光栅的转换现象示意图

图4是辐射状光栅转换现象示意图。

图5、图8均为透射式光栅光路图。

图6、图7、图9、图10均为反射式光栅光路图。

图中1-是光源；2-是透镜；3-是光栅；4-是光屏；5-显示系统；6-电路；7-是滑杆；8-底座；9-外壳；10-半透半反镜；11-光敏探头。

具体实施方式

本发明的一种单光栅位移传感器，如图1所示：在光源1与光栅3之间设置光学透镜2，光源1的扩展光通过光学透镜2聚焦在光栅3上，然后投射在光屏4上。在光屏4上设置光敏探头11并连接电路6和显示系统5。该传感器的光源1是采用激光指示笔，光学透镜2为普通的凸透镜，光屏4为毛玻璃，它们固定在底座8上，光栅3是透射式一维正弦光栅，与一个水平的一维滑杆7连成一体，光敏探头11采用光敏二极管。光学透镜将一扩展光聚焦在光栅上并做适当的调整，光栅经这种光线运算后，光栅的栅线产生放大和形变，使明暗栅线变换成相对应的明暗相间的圆环(或近似圆环)簇，等效于迈克尔逊干涉环。

本发明单光栅位移传感器另一种实施方式，包括光源、光栅，其特征是在光源与光栅之间设置光学透镜，光源的扩展光通过光学透镜聚焦在光栅上，然后投射或反射在光敏探头上，光敏探头连接电路和显示系统。该传感器的光源1是采用发光二极管，光学透镜2为普通的透镜组，它们固定在底座8上，光栅3是透射式正交正弦光栅，与滑杆7连成一体，光敏探头11采用光敏电阻。

另外，本发明可根据不同的光栅设计出多种单光栅位移传感器。

若选用一维光栅时，屏上会出现对称的两个圆环簇，如图2所示。若做一维正向位移时，只要移动一个周期的栅距，光屏上就会出现严格的对应关系，即正方向的圆环簇的中心向外“吐”一环，则负方向的另一圆环簇往中心“吞”一环，向着运动方向一边的圆环簇定为正向圆环簇。根据这一现象，不但可以对位移计数，而且还可以判别位移的方向

若用正交光栅可测量二维位移量，该正交光栅可固定在二维滑杆上使用，选用二维光栅时，屏上会出现对称的四个圆环簇，如图3所示，同理可实现二维位移的测量和辨向。

若用辐射状光栅可测量角位移量也可测量线位移量，该辐射状光栅可固定在一稳定的小步进电机转轴上使用。用一辐射状光栅进行测量，情况类似选用一维光栅的测量，如图4所示。

若采用透射式光栅时，其光路如图5或图8。

若采用反射式光栅时，其光路如图6、图7、图9、图10。

上述各种情况均可选取一个同心圆环簇测量位移量，另一个同心圆环簇，用来确定位移方向。也可将这些数字信号用DSP控制，用计算机进行处理。

本发明单光栅位移传感器，在测线位移量时，若光栅常数为d，条纹数为k，则线位移量：l＝dk，其分辨率是由光栅常数d来决定。

在测量角位移时，辐射状光栅常数为θ，条纹数为κ，则角位移量：α＝θκ，其分辨率是由光栅常数θ来决定。

本发明可根据具体的精度要求来选定光栅常数。如：10L\mm，20L\mm，30L\mm，40L\mm，50L/mm、100L/mm、200L/mm等等，如果采用细分卡，4×、8×、10×、20×、100×、200×、500×、1000×、2000×细分，则测量精度和系统分辨率将会大大提高。细分时选用正弦光栅为好。

本发明测量长度由光栅本身的长度决定。若选用一辐射状光栅测量角位移或线位移时，其测量范围可做到无限大。

Claims (7)

1、一种单光栅位移传感器，包括光源、光栅，其特征是在光源(1)与光栅(3)之间设置光学透镜(2)，光源(1)的扩展光通过光学透镜(2)聚焦在光栅(3)上，然后投射或反射在光屏(4)上，光屏上出现同心圆环簇。

2、按照权利要求1所述的单光栅位移传感器，其特征是在光屏(4)上设置光敏探头(11)并连接电路(6)和显示系统(5)。

3、按照权利要求1所述的单光栅位移传感器，其特征是所述的光屏(4)用光敏探头(11)代替并连接电路(6)和显示系统(5)。

4、按照权利要求1、2或3所述的单光栅位移传感器，其特征是所述的光栅是透射式光栅或反射式光栅。

5、按照权利要求1、2或3所述的单光栅位移传感器，其特征是所述的光源(1)是点光源或近似点光源。

6、按照权利要求5所述的单光栅位移传感器，其特征是所述的近似点光源是小型半导体激光器或发光二极管。

7、按照权利要求2或3所述的单光栅位移传感器，其特征是所述的光敏探头(11)是光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻。

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