CN100535607C - 一种激光相位光栅干涉位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种激光相位光栅干涉位移传感器，包括半导体激光器、平行弹簧、透射光栅、±1级平面反射镜、分光棱镜、干涉光平面反射镜、扩束透镜、光电接收器和信号处理电路。激光器和透射光栅分别固定于平行弹簧的前、后支架；连杆与平行弹簧的后支架下端部连接，并通过触球与测杆相连，测杆安装在轴承上，探针固定在测杆的另一端；激光器发出的光束依次经过透射光栅、平面反射镜、分光棱镜产生干涉条纹，干涉条纹经透镜扩束后由光电接收器接收，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。本发明具有测量范围大、测量精度高、结构简单、成本低的特点。该传感器可用于测量工件的表面轮廓和表面粗糙度，测量范围为0～3mm、分辨率可达6nm。

Description

一种激光相位光栅干涉位移传感器

技术领域

本发明属于位移传感器技术，具体涉及一种激光相位光栅干涉位移传感器。

背景技术

随着表面轮廓测量技术的迅速发展，为满足日益提高的表面轮廓测量的要求，研制大量程、高精度、低成本位移传感器的问题变得至关重要。表面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激光相位光栅干涉位移传感器，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。

本发明提供的激光相位光栅干涉位移传感器，其特征在于：该传感器包括半导体激光器、平行弹簧、透射光栅、+1级平面反射镜、挡板、-1级平面反射镜、分光棱镜、干涉光平面反射镜、扩束透镜、光电接收器和信号处理电路；

平行弹簧包括前支架，第一至第四簧片，第一、第二加强板，后支架；第一、第二加强板位于前支架与后支架之间，第一加强板与前支架、后支架之间分别夹持有第一、第二簧片，第二加强板与前支架、后支架之间分别夹持有第三、第四簧片，平行弹簧的上、下两部分对称；

平行弹簧固定在底板上，半导体激光器固定在平行弹簧的前支架上，透射光栅安装在平行弹簧的后支架上，复位弹簧一端安装在底板上，另一端安装在后支架上端部；

连杆安装在后支架下端部，触球安装在连杆上，轴承支架位于前支架下方，测杆由轴承安装在轴承支架上，测杆的前端安装有探针，后端与触球接触；

半导体激光器、透射光栅、挡板和分光棱镜依次位于同一光路上，+1级平面反射镜和-1级平面反射镜对称位于半导体激光器的发射方向的两侧；干涉光平面反射镜位于分光棱镜的反射光路上，扩束透镜的轴线通过干涉光平面反射镜中心；光电接收器位于扩束透镜的轴线上，采用田字形排列方式；光电接收器与信号处理电路相连。

本发明的位移传感器装置采用一个透射型相位光栅作为计量标准器，激光束投射到光栅平面上，通过光栅的衍射形成+1、-1级光线，+1级光线通过平面反射镜反射、分光棱镜反射，-1级光线通过平面反射镜反射、分光棱镜透射，经分光棱镜反射的+1级光线与经分光棱镜透射的-1级光线干涉产生干涉条纹。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0～3mm、分辨率可达6nm。

附图说明

图1为本发明位移传感器的结构示意图；

图2为平行弹簧的结构示意图；

图3为传感器测量原理图。

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，本发明位移传感器包括探针1、测杆2、轴承支架3、轴承4、触球5、连杆6、+1级平面反射镜7、挡板8、分光棱镜9、信号处理电路10、光电接收器11、扩束透镜12、干涉光平面反射镜13、-1级平面反射镜14、透射光栅15、复位弹簧16、平行弹簧17、底板18和半导体激光器19。

平行弹簧17用于安装透射光栅15和半导体激光器19，如图2所示，平行弹簧由前支架28、簧片21、23、25、27，第一、第二加强板22、26，后支架24构成。第一、第二加强板22、26位于前支架28与后支架24之间，第一加强板22与前支架、后支架28、24之间分别夹持有簧片21、23，第二加强板26与前支架、后支架28、24之间分别夹持有簧片25、27。平行弹簧17的上、下两部分对称，保证弹簧的平行性且无偏转。平行弹簧保证了透射光栅15的平行移动，使光电接收器能接受到高质量的干涉条纹。

平行弹簧17固定在底板18上，半导体激光器19固定在平行弹簧17的前支架28上。透射光栅15安装在平行弹簧17的后支架24上，连杆6安装在后支架24下端部，触球5安装在连杆6上，复位弹簧16一端安装在底板18上，另一端安装在后支架24上端部。探针1安装在测杆2前端，测杆2由轴承4安装在轴承支架3上，测杆2的另一端与触球5接触，轴承支架3位于前支架28下方。+1级平面反射镜7和-1级平面反射镜14安装在底板18上，并对称于半导体激光器19的发射方向；半导体激光器19、透射光栅15、挡板8和分光棱镜9依次位于同一光路上，挡板8和分光棱镜9安装在底板上。干涉光平面反射镜13安装在底板18上；扩束透镜12安装在底板18上，其轴线通过干涉光平面反射镜13中心。光电接收器11位于扩束透镜12的轴线上，安装在底板18上。光电接收器11与信号处理电路10相连。

本发明具有以下优化设计参数：

(1)+1级和-1级平面反射镜中心之间的距离为40～46mm，两中心连线与透射光栅15之间的距离为23～28mm，+1级平面反射镜与水平方向角度为1～3.5°，-1级平面反射镜与水平方向角度为1～-3.5°。

(2)分光棱镜9的中心与+1级平面反射镜的中心之间的距离为45～49mm；

(3)干涉光平面反射镜13与水平方向角度为20～25°，且其中心与分光棱镜9的中心连线与水平方向夹角为40～50°；

(4)光电接收器11采用田字型对称式四象限排列方式。

为了提高干涉条纹的接收信噪比，光电接收器11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，传感器检测原理是：半导体激光器19发出的光束透射到透射光栅15，形成0级、+1级、-1级三束衍射光。0级衍射光被挡板8挡住；+1级衍射光被+1级平面反射镜7反射，并进入分光棱镜9；-1级衍射光被-1级平面反射镜14反射，也进入分光棱镜9。-1级衍射光在分光棱镜9中的反射光和+1级衍射光在分光棱镜9中的透射光形成干涉，干涉条纹被干涉光平面反射镜13改变方向后进入扩束透镜12，经过扩束后的干涉条纹进入光电接收器11，光电接收器11的输出信号输出给信号处理电路10。

在测量过程中，当传感器探针1划过工件20表面时，由于工件表面不平，探针上下移动，测杆2绕轴承4转动，通过触球5和连杆6驱动平行弹簧后支架24同时带动透射光栅15上下移动，从而被测表面轮廓的变化转换为位移信号驱动透射光栅15的上下移动。干涉条纹跟随移动，条纹变化量由光电接收器11测出。该信号经过信号处理电路10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。

Claims (3)

1、一种激光相位光栅干涉位移传感器，其特征在于：该传感器包括半导体激光器(19)、平行弹簧(17)、透射光栅(15)、+1级平面反射镜(7)、挡板(8)、-1级平面反射镜(14)、分光棱镜(9)、干涉光平面反射镜(13)、扩束透镜(12)、光电接收器(11)和信号处理电路(10)；

平行弹簧包括前支架(28)，第一至第四簧片(21、23、25、27)，第一、第二加强板(22、26)，后支架(24)；第一、第二加强板(22、26)位于前支架(28)与后支架(24)之间，第一加强板(22)与前支架、后支架(28、24)之间分别夹持有簧片(21、23)，第二加强板(26)与前支架、后支架(28、24)之间分别夹持有簧片(25、27)，平行弹簧(17)的上、下两部分对称；

平行弹簧(17)固定在底板(18)上，半导体激光器(19)固定在平行弹簧(17)的前支架(28)上，透射光栅(15)安装在平行弹簧(17)的后支架(24)上，复位弹簧(16)一端安装在底板(18)上，另一端安装在后支架(24)上端部；

连杆(6)安装在后支架(24)下端部，触球(5)安装在连杆(6)上，轴承支架(3)位于前支架(28)下方，测杆(2)由轴承(4)安装在轴承支架(3)上，测杆(2)的前端安装有探针(1)，后端与触球(5)接触；

半导体激光器(19)、透射光栅(15)、挡板(8)和分光棱镜(9)依次位于同一光路上，+1级平面反射镜(7)和-1级平面反射镜(14)对称位于半导体激光器(19)的发射方向的两侧；干涉光平面反射镜(13)位于分光棱镜(9)的反射光路上，扩束透镜(12)的轴线通过干涉光平面反射镜(13)中心；光电接收器(11)位于扩束透镜(12)的轴线上，光电接收器(11)与信号处理电路(10)相连。

2、根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于：+1级平面反射镜(7)和-1级平面反射镜(14)对称位于半导体激光器(19)的发射方向，其中+1级和-1级平面反射镜中心之间的距离为40～46mm，两中心连线与透射光栅(15)之间的距离为23～28mm，+1级平面反射镜与水平方向角度为1～3.5°，-1级平面反射镜与水平方向角度为-1～-3.5°；分光棱镜(9)的中心与+1级平面反射镜的中心之间的距离为45～49mm；干涉光平面反射镜(13)与水平方向角度为20～25°，且其中心与分光棱镜(9)的中心连线与水平方向夹角为40～50°。

3、根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于：光电接收器(11)采用田字形排列方式。

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