CN100424467C - 一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器。整体切割平行弹簧由一块弹簧钢板切割而成的机架和平行弹簧二部分构成，激光器位于机架上；标尺光栅固定在平行弹簧的端部；三个光栅相互平行；连接杆与标尺光栅连接，并通过铰链与测杆相连，测杆安装在十字簧片铰链上，触针固定在测杆的另一端；激光器发出的光束依次经过三个光栅产生干涉条纹，光电探测器接收三路干涉条纹，并将光信号转化为电信号，再传送给信号处理电路处理后输出。本发明测量位移传感器具有测量范围大、测量精度高、结构简单、成本低和无装配误差的特点。该传感器可用于测量工件的轮廓尺寸、表面形状误差、表面波度及表面粗糙度，该传感器测量范围为0～8mm、分辨率可达5nm。

Description

一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器
技术领域
本发明属于位移传感器技术，具体涉及一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器。
背景技术
随着表面轮廓测量技术的迅速发展，研制大量程、高精密、低成本位移传感器的问题变得至关重要。轮廓测量一般使用电感式位移传感器存在测量范围小、造价高、精度低的问题。目前已有的大量程轮廓测量位移传感器主要有两种：一是利用激光干涉原理的轮廓测量位移传感器。([1]肖虹，王选择，谢铁邦。滚动轴承曲面轮廓形貌测量仪。轴承，6，2004，p.30～33)，与光栅干涉相比，激光干涉测量精度受空气成份、压强、湿度的影响，环境的变化对激光干涉轮廓测量位移传感器的测量精度影响较大，使用时必须对空间位置及工件的温度进行实时测量及补偿。其测量精度取决于稳频的精度和环境条件及各种环境测量传感器的数量和精度。二是用柱面光栅干涉的轮廓测量位移传感器。([2]蒋向前，李柱，谢铁邦。全息光栅干涉法测量曲面形貌理论研究。华中理工大学学报，22(2)，1994，p.60～64)，该传感器中使用的是柱面光栅。柱面光栅加工困难，安装定位难度大。
在对比文献中，文献[1]基于激光干涉原理测量轮廓形貌，工作范围±3mm，分辨率10nm，但是该系统较结构复杂，成本比本装置贵，并且激光干涉测量精度受到空气温度、压力及相对湿度的变化等环境变化影响大。文献[2]柱面光栅干涉传感器，理论测量范围6mm，分辨率能达到1nm。但是柱面光栅加工要严格保证柱面的曲率半径和表面质量，使传感器造价高。另外柱面光栅轮廓测量位移传感器安装困难，对轴承要求高，安装制造稍有偏差，将使光栅无法干涉，光电管接受不到有效的信号，导致无法测量。并且其测量的线性差，测量范围和测量精度都远未达到理论分析值，实际测量范围为1mm，测量精度为10nm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器，该位移传感器具有结构简单、测量范围大、测量精度高和成本低的特点。
本发明提供的一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器，其特征在于：该位移传感器包括激光器、整体切割平行弹簧、第一、第二指示光栅、标尺光栅、第一至第三光电探测器和信号处理电路。
整体切割平行弹簧由一块弹簧钢板切割而成的机架和平行弹簧二部分构成，平行弹簧位于机架内，平行弹簧的中间部分厚度大于其端部的厚度，构成弹簧加强筋；激光器位于整体切割平行弹簧的机架上；标尺光栅固定在平行弹簧的端部，标尺光栅、第一指示光栅和第二指示光栅相互平行，均为透射型光栅，激光器发出的光束依次经过第一指示光栅、标尺光栅和第二指示光栅产生三路方向不同的干涉条纹，第一至第三光电探测器(12、13、14)分别位于三路干涉条纹的干涉方向上，用于接收三路干涉条纹，并将光信号转化为电信号，再传送给信号处理电路处理后输出；连接杆的一端与标尺光栅的端部固定连接，其另一端通过铰链与测杆的一端相连，测杆安装在十字簧片铰链上，触针固定在测杆的另一端。
本发明的位移检测装置采用三个透射型相位光栅干涉作为计量标准器，激光束投射到光栅平面上，通过三个光栅的衍射形成三路不同的干涉条纹。与柱面光栅相比，本发明中使用的直线型相位光栅加工制造安装容易，使传感器结构简单，成本低，测量线性好。与激光干涉测量相比，本发明中使用的直线型相位光栅测量精度不受空气成份、压强、湿度的影响；允许在环境温度变化较大的情况下使用，其测量精度取决于光栅尺本身的精度，测量重复性取决于光栅尺的热传导性。本发明所涉及到的材料、零件价格低廉，所涉及到的光路结构简单，易调整，容易实现。本发明测量位移传感器具有测量范围大、测量精度高、结构简单、成本低和无装配误差的特点。该传感器可用于测量工件的轮廓尺寸、表面形状误差、表面波度及表面粗糙度，该传感器测量范围为0～8mm、分辨率可达5nm。
附图说明
图1为本发明位移传感器的结构示意图；
图2为整体切割平行弹簧的结构示意图；
图3为光栅测量原理图；
图4为本发明位移传感器的工作流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明位移传感器主要包括激光器4、整体切割平行弹簧5、指示光栅8，10、标尺光栅9和光电探测器12、13、14等部件。
整体切割平行弹簧5用来固定光栅和激光器，由一块弹簧钢板整体切割而成机架18和平行弹簧20二部分，平行弹簧20位于机架18内，平行弹簧20的中间部分厚度大于二端部的厚度，构成弹簧加强筋19。该结构上下两片弹簧的长度和两端尺寸一致，保证弹簧的平行性且无偏转，使其无装配误差，精度高。整体切割平行弹簧保证了标尺光栅9的平行移动，使光电探测器能接受到高质量的干涉条纹。
激光器4位于整体切割平行弹簧5的机架18上。标尺光栅9固定在平行弹簧20的端部，第一指示光栅8通过第一固定架7固定在传感器基座上，第二指示光栅10位于第二固定架11上，第二固定架11通过连接螺钉6、17固定在机架18上，在第二指示光栅10与第一指示光栅8相对的一侧设有第一、第二和第三光电探测器12、13和14。标尺光栅9、第一指示光栅8和第二指示光栅10相互平行，均为透射型光栅。激光器4发出的光束依次经过第一指示光栅8、标尺光栅9和第二指示光栅10产生干涉条纹。第一、第二和第三光电探测器12、13和14位于第二指示光栅10与激光器4相对的一侧，分别接收三路干涉条纹，将光信号转化为电信号输出给信号处理电路21。信号处理电路21将光电探测器输出的电信号去直流，差分放大和细分、辨向后送给后续处理电路和计算机。
连接杆15的一端与标尺光栅9的端部固定连接，其另一端通过铰链16与测杆2的一端相连，十字簧片铰链3固定在传感器基座上，测杆2安装在十字簧片铰链3上，可以绕其做无摩擦力转动，从而提高测杆的运动精度和灵敏度。触针1固定在测杆2的另一端。
为了提高干涉条纹的接收信噪比，光电探测器12、13和14最好采用田字型对称式四象限排列方式。这种排列所获取的相差信号允许条纹的形状与宽度在一定范围内发生变化，光电管对称性好，参数一致，获取干涉条纹信号集中，因而能极大地抑制直流信号，获取高信噪比的光电差分信号。
如图3所示，光栅检测原理是：激光器4发出的光束进入透射型第一指示光栅8，形成0级、+1、-1三束衍射光，再通过透射型标尺光栅9，形成+1-1；0+1；0-1；-1+1等多束衍射光，上述光束入射到透射型第二指示光栅10上，光波方向相同、光程相同的0+10，+1-1+1；+1-10，0+1+1；-1+10，0-1+1；-1+1-1，0-10产生干涉条纹，其中+1-10，0+1-1和-1+10，0-1+1的干涉条纹完全相同，故拾取其中一路。三路干涉条纹分别进入光电探测器12、13、14上。
激光器4发出的激光束入射到指示光栅8上，产生±1级衍射光，指示光栅8的0级和±1级衍射光依次经过标尺光栅9和指示光栅10衍射后，光波方向相同、光程相同的光产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹。当传感器触针1划过工件表面时，由于工件表面不平，触针上下移动，测杆2绕十字簧片铰链3做无摩擦力转动，通过铰链16和连接杆15驱动标尺光栅8上下移动，被测表面的轮廓的变化转换为位移信号驱动标尺光栅9上下移动。第一指示光栅8、标尺光栅9和第二指示光栅10产生干涉条纹跟随移动，条纹变化量由光电探测器12、13、14测出。该信号经过信号处理电路21去直流，差分放大和细分、辨向后送给后续处理电路和计算机分析处理。其工作原理如图4所示。

Claims (2)

1. 一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器，其特征在于：该位移传感器包括激光器(4)、整体切割平行弹簧(5)、第一指示光栅(8)、第二指示光栅(10)、标尺光栅(9)、第一至第三光电探测器(12、13、14)和信号处理电路(21)；
整体切割平行弹簧(5)由一块弹簧钢板切割而成的机架(18)和平行弹簧(20)二部分构成，平行弹簧(20)位于机架(18)内，平行弹簧(20)的中间部分厚度大于其端部的厚度，构成弹簧加强筋(19)；
激光器(4)位于整体切割平行弹簧(5)的机架(18)上；标尺光栅(9)固定在平行弹簧(20)的端部，标尺光栅(9)、第一指示光栅(8)和第二指示光栅(10)相互平行，均为透射型光栅，激光器(4)发出的光束依次经过第一指示光栅(8)、标尺光栅(9)和第二指示光栅(10)产生三路方向不同的干涉条纹，第一至第三光电探测器(12、13、14)分别位于三路干涉条纹的干涉方向上，用于接收三路干涉条纹，并将光信号转化为电信号，再传送给信号处理电路(21)处理后输出；
连接杆(15)的一端与标尺光栅(9)的端部固定连接，其另一端通过铰链(16)与测杆(2)的一端相连，测杆(2)安装在十字簧片铰链(3)上，触针(1)固定在测杆(2)的另一端。
2. 根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于：第一至第三光电探测器(12、13、14)均采用田字型对称式四象限排列方式。
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