CN101571376A

CN101571376A - 相位式光栅位移传感器

Info

Publication number: CN101571376A
Application number: CNA200910045736XA
Authority: CN
Inventors: 张俊; 刘锦兴
Original assignee: Shanghai Liangxing Electronic Technology Co Ltd
Current assignee: Shanghai Liangxing Electronic Technology Co Ltd
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2009-11-04

Abstract

本发明涉及精密仪器仪表领域，具体是一种相位式光栅位移传感器，通过将标尺光栅和指示光栅形成的莫尔条纹投射到“田”字形光电接收元件，输出具有90°相位差的四相信号，形成理想的李萨如圆实现位移检测功能。为了提高性能还可以增加高倍电子细分加密电路对四相信号进行高倍细分，以达到系统所需的测量分辨率，可以在测杆安装应用空气阻尼原理的测杆运动系统提高稳定性、可靠性。应用本发明的位移测量系统结构简单、调整方便、接收信号强、稳定、精度高、可以进行实时误差修正。

Description

相位式光栅位移传感器

技术领域

本发明涉及精密仪器仪表领域，具体是一种相位式光栅位移传感器。

背景技术

根据位移传感器采用的长度基准不同，可以将位移传感器分类为：(1)利用激光波长作相干光源构成激光位移传感器。(2)以玻璃或金属材料作载体，以等距离刻划的栅线构成标尺光栅；标尺光栅和指示光栅二者层迭在一起组成光栅付；标尺光栅和指示光栅之间保持一定间隙和角度，二者发生相对位移时产生莫尔条纹，然后把表示位移量的信号输出并转换成数字显示出来，这就是光栅位移传感器。(3)利用感应同步器、容栅、磁线等制作的位移传感器。根据不同对象的不同要求，位移传感器被广泛应用在各种不同精度等级的长度测量、位移控制，在线检测等生产场合。

现有技术的光栅位移传感器的功能是简单地将光栅位移转换为数字显示出来。如图1、图2所示是目前最普遍使用的光栅位移传感器：以间距1毫米的标尺光栅11和指示光栅12层迭在一起，形成横向莫尔条纹；四个接收窗口13分别接收到具有一定相位关系(例如相位差Δφ＝90°)的四相正弦信号，并将其转换成数字输出。这就是通常所说的由带有裂相光栅窗口的透射式栅付组成的光栅位移传感器。

现有技术的光栅位移传感器存在以下缺点：由于光栅付层迭间隙小，调整困难；受光栅尺变形影响大；信号质量差；作位移测量时直线度很难达到要求；量程比较小；因为转换简单所以精度低且不稳定；不能进行实时误差修正。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术光栅位移传感器的缺点，提供一种结构简单、调整方便、接收信号强、稳定、精度高、可以进行实时误差修正的相位式光栅位移传感器。

为了实现以上发明目的，本发明相位式光栅位移传感器包括光栅付、光电接收元件。

本发明相位式光栅位移传感器的光栅付为游标原理光栅付，由一个标尺光栅和一个反射式相位光栅构成，其中：反射式相位光栅的栅线，比标尺光栅的栅线少一根。标尺光栅与反射式相位光栅分别固定在标尺光栅座和反射式相位光栅座上，标尺光栅与反射式相位光栅之间的层迭间隙为0.03mm～0.05mm。标尺光栅座与测杆连接。反射式相位光栅座上设有相交连通的一入射光线孔和一反射光线孔，两孔的相交处设有一镶嵌反射式相位光栅孔口。所述入射光线孔上设有光源，该光源为红外发光管；反射光线孔上设有光电接收元件，所述的光电接收元件为具有四相信号输出功能的“田”字形光电接收元件。

光源和“田”字形光电接收元件之间由光通道连通，当光源发射红外光时，入射在反射式相位光栅上，将反射式相位光栅的栅线像投射到标尺光栅表面，再将两光栅的栅线重合在一起的像投射到“田”字形光电接收元件上。当标尺光栅和反射式相位光栅发生相对运动时，产生相应的莫尔条纹，于是“田”字形光电接收元件输出四相信号，通过“田”字形光电接收元件的旋转调节，使四相信号相邻相位差可严格控制在Δφ＝90°，在示波器上可以观察到理想的李萨如圆。

相位式光栅位移传感器的“田”字形光电接收元件是一种特殊制作的光电元件，用于对莫尔条纹进行光电转换。“田”字形光电接收元件由四块硅光敏三极管芯片组合成“田”字形状。当标尺光栅和反射式相位光栅发生相对运动时，莫尔条纹形成，亮暗变化周期为每相对运动1mm循环一次。所以通过该“田”字形光电接收元件的旋转调节，可以很方便得到严格具有相位差Δφ＝90°的四相信号，构成的李萨如圆是一个理想的圆；而且传感器信号强，调节方便，经过一次性调整后，信号不会改变，确保了仪器的稳定性、可靠性。

在高分辨率的位移测量系统中采用中等线数的光栅时，可以增加高倍电子细分加密电路对四相信号进行高倍细分，以达到系统所需的测量分辨率。

由于本发明的光电接收元件有四相相互正交的模拟信号输出，因此，可以将四相信号分成两组，用反相信号进行差分放大，得到两相包含了全部位移信息但不含直流分量的正交信号：正弦和余弦信号。然后，在已知余弦信号幅值V_A和光栅常数d的情况下，用A/D转换电路对余弦信号进行采样。在采样点x处，若余弦信号采样值为V_x，则光栅栅距的数值ΔS_x为：

Δ S_{x} = \{\begin{matrix} \frac{d}{2 π} \cdot \cos^{- 1} (\frac{V_{x}}{V_{A}}) & (\sin x &GreaterEqual; 0) \\ d \cdot [1 - \frac{1}{2 π} \cdot \cos^{- 1} (\frac{V_{x}}{V_{A}})] & (\sin x < 0) \end{matrix}

为了增加相位式光栅位移传感器的稳定性、可靠性，还可以在相位式光栅位移传感器的测杆安装应用空气阻尼原理的测杆运动系统，使测杆上下运动平稳舒适，速度理想。

由于本发明相位式光栅位移传感器采用了以上结构，光栅付的标尺光栅和反射式相位光栅之间的层迭间隙比较大，调节简单。采用“田”字形光电接收元件，四相信号输出，信号质量好，接收信号强；通过高倍电子细分加密电路大大提高了传感器的精度。

附图说明

图1为现有技术光栅位移传感器的工作原理的示意图；

图2为现有技术光栅位移传感器的结构示意图；

图3为本发明相位式光栅位移传感器的工作原理的示意图；

图4为本发明相位式光栅位移传感器的局部结构的示意图；

图5为本发明相位式光栅位移传感器的实施例二的测杆运动系统的结构示意图；

图6为本发明相位式光栅位移传感器的实施例三的高倍电子细分加密电路的工作原理框图。

具体实施方式

实施例一：

本实施例相位式光栅位移传感器包括光栅付、光电接收元件。

图3是相位式光栅位移传感器光栅付原理示意图。

图4是相位式光栅位移传感器中的光栅付和光电装换元件的构图。

如图3、图4的光栅付为游标原理光栅付，由标尺光栅2和反射式相位光栅3构成。光栅付中：标尺光栅的栅线为50线/mm；反射式相位光栅3的栅线为49根线/mm，在栅线表面镀一层特殊的相位反射膜层。标尺光栅2和反射式相位光栅3之间的层迭间隙为0.03mm～0.05mm，分别固定在标尺光栅座21和反射式相位光栅座31上。标尺光栅座21与测杆5相连接。反射式相位光栅座31上设有相交连通的一入射光线孔311和一反射光线孔312，该两孔的相交处设有一镶嵌反射式相位光栅孔口313。所述入射光线孔口上设有红外发光管41，反射光线孔口上设有光电接收元件，所述的光电接收元件为四相信号输出的“田”字形光电接收元件42。“田”字式光电接收元件42的型号是：SD-4，它是将1×1平方毫米的硅光敏三极管芯片分割成四等分组成的，即四小块0.5×0.5平方毫米的芯片组合在一起，构成“田”字结构，成为四相信号输出的光电接收元件。

四相信号通过电路转换成表示位移量的数字显示出来。

实施例二：

本实施例相位式光栅位移传感器包括光栅付、光电接收元件和测杆运动系统，就是在实施例一的基础上，在测杆的端部安装一个应用空气阻尼原理的测杆运动系统。

图5是测杆运动系统的具体结构的剖视图。

测杆运动系统应用空气阻尼原理，包括气筒1、活塞2和测杆5，所述测杆5与活塞2通过活络关节联接杆4密封连接，活塞2上下各有一气室A、气室B；还包括气阀调节机构3，由气阀座31、钢球32、气孔M、气孔N构成，所述的气阀座31固定在气筒1内位于气室A的上方，与气筒1内侧形成气室C，气阀座31的中央设有气孔M，气孔M顶部为锥形，其上座设一钢球32；气筒顶部01贯设气孔N。当测杆5顶着活塞2向上快速直线运动时，室A的空气来不及通过活塞2与气筒1内壁向室B交换，室A的空气顶着钢球32离开锥形座，并通过气孔M到气室C，再通过气筒顶部01的气孔N往外排，起到控制测杆5上升速度的作用；当测杆5下降时，钢球32座落在锥形座上，空气仅从活塞2外壁与气筒1内壁间交换，使测杆5下降缓慢。

实施例三：

本实施例相位式光栅位移传感器包括光栅付、光电接收元件和高倍电子细分加密电路。本实施例是在实施例一的技术方案的基础上，增加了高倍电子细分加密电路；光电接收元件输出的四相信号，经过高倍电子细分加密电路处理后，再通过电路转换成表示位移量的数字显示出来。

图6为本实施例相位式光栅位移传感器的高倍电子细分加密电路的工作原理框图。高倍电子细分加密电路包括运算放大电路、整形电路、m细分电路、n细分电路。光电接收元件输出的四相信号经过运算放大电路差分放大，经过整形电路整形，再经过m细分电路和n细分电路细分后，输入单片机计数、显示或者通过RS232通讯接口与电脑连接进行数据处理、显示、打印记录测量结果。

实施例四：

本实施例相位式光栅位移传感器包括光栅付、光电接收元件、测杆运动系统和高倍电子细分加密电路。

Claims

1、相位式光栅位移传感器，包括光栅付、光电接收元件，其特征在于：

所述的光栅付包括一个标尺光栅和一个反射式相位光栅，分别固定在标尺光栅座和反射式相位光栅座上；标尺光栅座与测杆连接；反射式相位光栅座上设有相交连通的一入射光线孔和一反射光线孔，两孔的相交处设有一镶嵌反射式相位光栅孔口；所述入射光线孔上设有光源；反射光线孔上设有光电接收元件；

所述的光电接收元件由四块硅光敏三极管芯片组合成“田”字形状；

2、如权利要求1所述的相位式光栅位移传感器，其特征在于：还包括高倍电子细分加密电路；所述的高倍电子细分加密电路包括运算放大电路、整形电路、m细分电路、n细分电路。

3、如权利要求1所述的相位式光栅位移传感器，其特征在于：还包括测杆运动系统；

所述的测杆运动系统应用空气阻尼原理，包括气筒(1)、活塞(2)和测杆(5)，所述测杆(5)与活塞(2)通过活络关节联接杆(4)密封连接，活塞(2)上下各有一气室(A)、气室(B)；还包括气阀调节机构(3)，由气阀座(31)、钢球(32)、气孔(M)、气孔(N)构成，所述的气阀座(31)固定在气筒(1)内位于气室(A)的上方，与气筒(1)内侧形成气室(C)，气阀座(31)的中央设有气孔(M)，气孔(M)顶部为锥形，其上座设一钢球(32)；气筒顶部(01)贯设气孔(N)。

4、如权利要求1所述的相位式光栅位移传感器，其特征在于：还包括高倍电子细分加密电路、测杆运动系统。

5、如权利要求1-4所述的相位式光栅位移传感器，其特征在于：所述的光源为红外发光管。

6、如权利要求1-4所述的相位式光栅位移传感器，其特征在于：所述反射式相位光栅的栅线，比所述标尺光栅的栅线少一根。

7、如权利要求1-4所述的相位式光栅位移传感器，其特征在于：所述的标尺光栅和反射式相位光栅之间的层迭间隙为0.03mm～0.05mm。

8、如权利要求1-4所述的相位式光栅位移传感器，其特征在于：所述的光电接收元件是，将1×1平方毫米的硅光敏三极管芯片等分割成四小块0.5×0.5平方毫米的芯片组合在一起，构成“田”字结构，成为四相信号输出的光电接收元件。