CN101000252A - 一种双光栅位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光栅位移传感器，它包括位移单元、位移导向单元和信号处理电路，以及位于同一光路上的激光器、双光栅单元和光电接收器；双光栅单元由动光栅和定光栅构成，定光栅与动光栅的栅线和栅平面分别平行，动光栅固定在位移单元上，位移单元与位移导向单元组成直线运动副，其运动方向垂直于栅线且平行于栅平面；激光器发出的激光束入射至双光栅单元发生双光栅干涉，光电接收器用于接受产生的干涉条纹，并将产生的电信号传送给信号处理电路。本装置可以获得比单光栅位移传感器更好的干涉条纹特征和条纹电压信号，适合采取更高的细分达到更高的分辨率。只要动光栅移动过程中一致性好，应能实现相当大的位移范围。其测量范围可达20mm，分辨力达到约0.01um。

Description

一种双光栅位移传感器

技术领域

本发明属于测量装置技术领域，涉及一种基于双光栅干涉的位移传感器。

背景技术

目前测量位移的方法有很多，比如利用莫尔条纹位移传感器，百分尺，千分尺，万分尺，以及现在市场上的单光栅干涉仪等。但是它们存在一些问题。

单光栅干涉仪的一般原理为：激光垂直入射到衍射光栅，经一次衍射后形成+1级和-1级两束衍射光；采用两块反射镜和一个分光棱镜将这两束衍射光汇聚产生干涉，形成干涉条纹；当光栅移动时，引起条纹相应的移动；通过干涉条纹的计数和细分，可以得到光栅位移。由于存在两块反射镜和分光棱镜实现衍射光汇聚干涉的要求，导致单光栅干涉仪体积比较庞大，调整不方便；而莫尔条纹位移传感器采用栅距较大光栅，分辨力难以提高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种双光栅位移传感器，该位移传感器具有分辨率高、量程大、结构简单、方便调整和体积小的特点。

本发明提供的一种双光栅位移传感器，它包括位移单元、位移导向单元和信号处理电路，以及位于同一光路上的激光器、双光栅单元和光电接收器；双光栅单元由动光栅和定光栅构成，定光栅与动光栅的栅线和栅平面分别平行，动光栅固定在位移单元上，位移单元与导向单元组成直线运动副，其运动方向垂直于栅线且平行于栅平面；激光器发出的激光束入射至双光栅单元发生双光栅干涉，光电接收器用于接收产生的干涉条纹，并将产生的电信号传送给信号处理电路进行放大、辨向、细分和计数。

本发明为一种基于双光栅干涉的位移传感器，当被测对象推动位移单元沿位移导向单元发生位移时，动光栅随之运动，并与定光栅产生相对移动，从而使双光栅干涉条纹产生对应的移动。当两光栅相对移动一个栅距d时，干涉条纹则移动一个周期，通过光电接收器转换成的正弦电压信号也移动一个周期。若选取1000线/mm的光栅，则栅距d为0.001mm即1um，此时正弦电压信号的一个周期数代表1um的位移量。若采用80细分对正弦电压信号进一步细分，则可以进一步提高分辨率到约0.01um。实际上，由于此种干涉原理可以获得比单光栅更好的干涉效果和条纹电压信号，适合采取更高的细分达到更高的分辨率。另外，只要动光栅移动过程中一致性好，应能实现相当大的位移范围。本发明的测量范围可达20mm，分辨力达到约0.01um。

附图说明

图1为双光栅干涉原理示意图；

图2为双光栅位移传感器结构示意图。

具体实施方式

本发明通过光栅衍射干涉来形成与光栅周期对应的干涉条纹特征，并通过干涉条纹信号的接收和分析来实现高精度大量程位移测量。下面结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，激光束入射至平行放置的二块光栅时，先经前一块光栅衍射，产生+1，0和-1级衍射光，它们分别再经后一块光栅衍射，分别产生(+1，+1)，(+1，0)，(+1，-1)，(0，+1)，(0，0)，(0，-1)和(-1，+1)，(-1，0)，(-1，-1)。适当调整光栅间的位置关系，则(+1，0)与(0，+1)，(+1，-1)与(-1，+1)和(-1，0)与(0，-1)，皆可分别发生干涉，得到干涉条纹。选择+1级衍射光的-1级衍射光，记作(+1，-1)，选择-1级衍射光的+1级衍射光，记作(-1，+1)，它们重合于观察屏上，则产生明暗相间的干涉条纹。当两光栅发生垂直于刻线方向的相对移动，会产生干涉条纹的移动，即光强度周期性的变化，此光信号经光电接收器转换成为周期性的电信号。

本发明位移传感器基于上述工作原理设计，它包括双光栅干涉系统和信号处理电路二部分，其结构如图2所示。

双光栅干涉系统包括激光器1、动光栅2、定光栅3、光电接收器4和位移单元5，位移导向单元7。其中，激光器1、动光栅2、定光栅3和光电接收器4组成双光栅干涉光路。动光栅2和定光栅3构成双光栅单元，二者的栅平面与栅线方向均互相平行。定光栅3可以固定在位移传感器的底座上，动光栅2固定于位移单元5上，动光栅2可随位移单元5在位移导向单元7的导向下沿垂直于栅线且平行于栅平面的方向运动。激光器1发出的激光束入射动光栅2和定光栅3组成的双光栅单元发生双光栅干涉，产生干涉条纹，光电接收器4接收干涉条纹，并将产生的电信号传送给信号处理电路8。

位移测量时，被测对象6推动位移单元5沿位移导向单元7移动，动光栅2随之移动，并与定光栅3产生相对移动，此时干涉条纹产生相应的移动，光电接收器4接受该干涉条纹信号。当动光栅2相对定光栅3移动一个栅距d时，干涉条纹相对移动一个周期，光电接收器4产生的电信号变化一个周期。

为了减少横向体积，激光器1可以纵向放置，此时，可以在其下方放置反射镜9，作用是把垂直的光束变成水平的光束。

位移单元5和位移导向单元7用来保证动光栅正确的移动方向和在移动中的一致性。其中位移单元5和位移导向单元7可以采用多种方式实现。一种方式是采用圆导轨和直线运动轴承实现。圆导轨与支撑架上的两个直线运动轴承组成运动副，从而使圆导轨只能严格按照直线运动轴承的方向做直线运动。也可采用片簧铰链机构来实现，即由两平行片簧形成片簧导轨作为位移导向单元，连接两片簧自由端的移动块，作为位移单元。另外也可采用V形导轨副、滚动导轨副等来实现位移单元5和位移导向单元7。

信号处理电路8与光电接收器4连接，用于对光电接收器4输出的与干涉条纹信号对应的电信号进行放大、辨向、细分、计数。在信号处理电路中，对位相相差90度的两路正弦电信号，一方面通过整形处理形成方波信号，用于硬件四细分计数和辨向；另一方面通过A/D转换与软件细分求解四细分计数后的小数部分，进一步提高系统的分辨率，如果采用软件20细分的话，则最终可以使分辨率提高80倍。最后可以采用数显电路把测量的结果数字显示。

Claims (2)

1、一种双光栅位移传感器，其特征在于，它包括位移单元(5)、位移导向单元(7)和信号处理电路(8)，以及位于同一光路上的激光器(1)、双光栅单元和光电接收器(4)；

双光栅单元由动光栅(2)和定光栅(3)构成，定光栅(3)与动光栅(2)的栅线和栅平面分别平行，动光栅(2)固定在位移单元(5)上，位移单元(5)与位移导向单元(7)组成直线运动副，其运动方向垂直于栅线且平行于栅平面；

激光器(1)发出的激光束入射至双光栅单元发生双光栅干涉，光电接收器(4)用于接受产生的干涉条纹，并将产生的电信号传送给信号处理电路(8)进行放大、辨向、细分和计数。

2、根据权利要求1所述的双光栅位移传感器，其特征在于：位移单元(5)与位移导向单元(7)分别为圆导轨和直线运动轴承。

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