CN102192761B - 敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，包括标尺光栅，以及配合设置在所述标尺光栅上方的光栅读数头构件组、激光限束光电扫描系统、以及电路处理与相位监测系统。本发明所述敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，可以克服现有技术中精度低、光栅副的工作间隙量小、光栅副工作间隙量的公差带小、以及成本高等缺陷，以实现测量分辨率高、测量准确度高、使用寿命长、可靠性高、制造难度小、以及成本低的优点。

Description

敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器

技术领域

本发明涉及光、机、电一体化制造领域中的传感器，具体地，涉及敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器。

背景技术

在光、机、电一体化制造领域，敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，是一种集光、机、电于一体的高精度光栅线位移传感器。该敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，可以与光栅数字显示仪或计算机或数字控制单元一起，组成具有相应功能的系统；并且，该敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，作为一种具有高精度与数字化长度的线位移测量基准器，可以用于精密检测装备与测量仪器中；另外，该敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，作为一种关键部件，可以用于高档数控机床与基础制造、检测装备运行位置误差的精确测量和控制反馈，以保证装备的加工、检测与定位的精度，提高整机的可靠性、工作效率与智能化等性能。

目前，国内生产的敞开式光栅线位移传感器中的测量基准元件，均采用透射式玻璃光栅尺，存在量程小、外形尺寸大、以及玻璃光栅尺的线膨胀系数与装备主体（金属材质）的线膨胀系数相差大的缺陷，不利于整机精度的提高。

另外，敞开式钢带光栅线位移传感器产品，在国内是一项空白，在国外只有德国与英国这两个国家能够生产。但是，目前国外生产的敞开式钢带光栅线位移传感器（国外称为“敞开式钢带光栅尺”），普遍存在以下两方面的缺陷：

⑴该敞开式钢带光栅线位移传感器，用于拾取光栅莫尔条纹测量信号的光栅读数头（国外称为“光电扫描器”），采用红外（LED）光电扫描原理，具体的工作原理可参见图1与图2的相关说明。具体地，在图1中，红外光电扫描器包括第一标尺（钢带光栅尺）23、扫描板（指示光栅）24、聚光镜25、光电元件（光电接收器）26与第一光源（LED）27，其中：光源（LED）27的反射光束，依次经聚光镜25、扫描板（指示光栅）24与第一标尺（钢带光栅尺）23后，反射光束依次经扫描板（指示光栅）24与聚光镜25后，被光电元件（光电接收器）26接收。

在图2中，红外光电扫描器包括聚光镜25、第二标尺（钢带光栅尺）28、窗口（光栏）29、扫描光板30、扫描光栅（指示光栅）31、第二光源（LED）32与结构化探测器（光电接收器）33，其中：第二光源（LED）32的入射光束，依次经聚光镜25、扫描光栅（指示光栅）31与第二标尺（钢带光栅尺）28后，反射光束依次经窗口（光栏）29后，被结构化探测器（光电接收器）33接收。在上述工作过程中，至少存在以下缺陷：

①采用上述敞开式钢带光栅线位移传感器，拾取高密度光栅莫尔条纹测量信号的能力较差，也就是说光栅副（即标尺光栅与指示光栅的总称）的工作间隙量较小，从而造成敞开式钢带光栅线位移传感器的原始分辨率较低，不适合采用高密度的高档光栅来提高敞开式钢带光栅线位移传感器的精度；

②上述敞开式钢带光栅线位移传感器抗外界误差影响的能力较弱，如敞开式钢带光栅线位移传感器的安装误差、以及装备自身运行的几何误差等，都会使光栅副之间的工作间隙量发生变化：轻者会造成光栅信号质量变坏，而影响精度和可靠性；重者会造成光栅刻线划伤，使敞开式钢带光栅线位移传感器不能正常工作，进而缩短使用寿命；

③由于敞开式钢带光栅线位移传感器的红外光电扫描器的光强较弱、光束直线性较差、光的波段较长、以及单色性较差的缺陷，使得敞开式钢带光栅线位移传感器拾取光栅莫尔条纹信号的能力较弱；在国外的同类技术中，为了提高敞开式钢带光栅线位移传感器拾取光栅莫尔条纹信号的能力、以及提高光栅副的工作间隙量，不惜提高制造成本，在钢带光栅的表面镀金质膜，虽然有利于提高钢带光栅表面对红外线的反射率、减少光源能量的损失，但制造成本太高；

⑵业内人士皆知，在上述敞开式钢带光栅线位移传感器中，光栅副工作间隙量的公差带较小；这里，公差带是指由工作间隙量（t）值允许的最大值和最小值所确定的间隙范围，公差带较小，会造成敞开式钢带光栅线位移传感器工作的可靠性较差。

在现有技术中，上述光栅副工作间隙量较小的原因，可参见图1的相关说明；在图1中，光电接收器被安装的位置，处于光源所在位置或处于光源的上方，存在以下缺陷：①光电接收器所接收到的光信号，来自光源照亮视场的边缘，信号的光强度较弱，加之受光的衍射效应的影响，光栅副工作间隙量（t）的公差带就会较小；②业内人士皆知，光强在照亮视场中的能量分布遵循（Cosr）⁴衰减规律，即远离视场中心区域的边缘视场的光强较弱。

在国外同类技术中，如图2所示，敞开式钢带光栅线位移传感器的光栅副工作间隙量（t）的公差带较小，存在的主要缺陷是：光源入射光束的主光轴不垂直于光栅副的刻线面，即，基于光栅副具有较大的入射角，光束传播遵循几何光学理论——入射角等于反射角；当光栅副的工作间隙量发生变化时，光栅副的入射光束的法线位置一定会改变，相应的反射角也会发生改变，造成光电接收器所接收的光能量减弱或根本就接收不到光信号，使得：当光栅副的工作间隙量变化较小时，敞开式钢带光栅线位移传感器的测量精度降低；当光栅副的工作间隙量变化较大时，敞开式钢带光栅线位移传感器不能正常工作。

综上所述，在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在以下缺陷：

⑴国内生产的敞开式光栅线位移传感器中的测量基准元件，均采用透射式玻璃光栅尺，量程小、外形尺寸大、玻璃光栅尺的线膨胀系数与装备主体（金属材质）的线膨胀系数相差大，不利于整机精度的提高；

⑵光栅副的工作间隙量小：国外生产的敞开式钢带光栅线位移传感器，由于光栅副的工作间隙量较小，影响敞开式钢带光栅线位移传感器的原始分辨率、以及拾取高密度光栅莫尔条纹测量信号的能力；

⑶光栅副工作间隙量的公差带小：在敞开式钢带光栅线位移传感器中，光栅副工作间隙量的公差带较小，影响敞开式钢带光栅线位移传感器工作的可靠性；

⑷成本高：为了提高敞开式钢带光栅线位移传感器拾取光栅莫尔条纹信号的能力、以及提高光栅副的工作间隙量，在钢带光栅的表面镀金质膜，制造成本太高。

发明内容

本发明的目的在于，针对上述问题，提出敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，以实现测量分辨率高、测量准确度高、使用寿命长、可靠性高、制造难度小、以及成本低的优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，包括标尺光栅，以及配合设置在所述标尺光栅上方的光栅读数头构件组、激光限束光电扫描系统、以及电路处理与相位监测系统。

进一步地，所述激光限束光电扫描系统包括光源、光学透镜、小口径光栏、指示光栅与光电接收器，其中：所述光源发出的粗光束，经光学透镜被会聚成细光束；所述细光束经小口径光栏时，视场边缘的光束被滤掉，视场中心区域的光束通过小口径光栏后，透过指示光栅，照射在标尺光栅的刻线面上产生反射，得到反射光束；所述反射光束再次透过指示光栅，被置于小口径光栏下方的光电接收器所接收；所述指示光栅与标尺光栅构成光栅副，当所述光栅副产生相对移动时，产生光栅莫尔条纹测量光信号；所述光电接收器接收光栅莫尔条纹测量光信号，并被转换为光电测量信号。

进一步地，所述光源的入射光束的主光轴，垂直于指示光栅的刻线面；所述光学透镜位于光源的下方，所述小口径光栏位于光源与光学透镜的下方，并且，小口径光栏的中轴线与光源的入射光束的主光轴重合；所述光电接收器与指示光栅，均位于小口径光栏的下方，并且，指示光栅的刻线面与光源的入射光束的主光轴垂直。

进一步地，所述光栅读数头构件组包括主体组件，以及可拆卸式设置在所述主体组件上方的上盖组件。

进一步地，所述主体组件包括主体、第三电路板与光源架，其中：所述主体为内部竖直设有第一至三支撑件的空腔结构，主体的顶部开口、底部外侧横向开设有与指示光栅相匹配的矩形槽，指示光栅粘接在矩形槽中；所述第三电路板水平设置在主体的左侧内壁与右侧内壁之间，第一至二支撑件分别与第三电路板可拆卸式连接；在所述第三电路板上，开设有多个小口径光栏，在每个小口径光栏的下方，均配合设置有光电接收器；所述光源架为“T”型光源架，“T”型光源架的横杆与主体的顶部平齐设置，竖杆与第三支撑件可拆卸式连接；在所述“T”型光源架上，设有多个镜架，在每个镜架上，均配合安装有光学透镜，每个光学透镜与相应的小口径光栏竖直对应设置。

进一步地，所述上盖组件包括上盖、第一至二电路板、LED、导线与导向套，其中：所述上盖具有柱型空腔结构，第一电路板包括平行设置在上盖的左侧壁与右侧壁之间、且可拆卸式连接的第一层板与第二层板，在第一层板与第二层板之间的缝隙中安装有LED；在所述上盖的右侧壁，水平安装有与第一至三电路板电连接的导线，靠近导线与上盖的连接处、在导线外设有导向套；靠近所述主体的顶部，与每个光学透镜相配合，均设有光源；所述第二电路板包括多个支板，每个支板与相应的光源配合设置。

进一步地，所述光源包括红光半导体激光器、紫蓝光半导体激光器与紫光半导体激光器中的任意一种，所述光学透镜包括柱面镜、球面镜与非球面镜中的任意一种，所述标尺光栅包括不锈钢带光栅尺、玻璃光栅尺、陶瓷光栅尺、钢质光栅尺与石英光栅尺，所述光电接收器包括光电池、光电二极管与光电三极管，所述小口径光栏的通光口径的形状包括矩形与圆形；所述指示光栅包括透明玻璃基体，设在所述透明玻璃基体上表面的铬层，以及设在所述铬层上表面的零位与多个光栅窗口；其中，每个光栅窗口为矩形光栅窗口或“田”字型光栅窗口或“一”字型光栅窗口。

进一步地，所述电路处理与相位监测系统包括：电路处理系统，以及与所述电路处理系统配合设置的光栅相位监测系统。

进一步地，所述电路处理系统包括光电转换单元、差分放大单元、接收处理单元与比较器，所述光栅相位监测系统包括列相光栅单元、光栅相位监测电路与相位监测显示单元；其中：

所述列相光栅单元、光电转换单元、差分放大单元、比较器、光栅相位监测电路与相位监测显示单元，依次信号连接；所述接收处理单元和光栅相位监测电路，分别与差分放大单元信号连接。

本发明各实施例的敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，由于包括标尺光栅，以及配合设置在所述标尺光栅上方的光栅读数头构件组、激光限束光电扫描系统、以及电路处理与相位监测系统，可以用于高档数控机床与基础制造、检测装备之中；从而可以克服现有技术中精度低、光栅副的工作间隙量小、光栅副工作间隙量的公差带小、以及成本高的缺陷，以实现测量分辨率高、测量准确度高、使用寿命长、可靠性高、制造难度小、以及成本低的优点。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1与图2为现有技术中红外光电扫描器的工作原理示意图；

图3为根据本发明敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器的总体结构示意图；

图4-图7为根据本发明敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器中指示光栅刻划图案示意图；

图8为根据本发明敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器中激光限束光电扫描器的工作原理示意图；

图9为根据本发明敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器中标尺光栅刻划示意图；

图10为根据本发明敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器中电路处理系统的工作原理框图；

图11为根据本发明敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器中光栅相位监测系统的工作原理框图。

结合附图，本发明实施例中附图标记如下：

1-上盖；2-第一螺钉（e）；3-垫片；4-第一电路板（c）；5-LED；6-第二电路板（a）；7-第二螺钉（c）；8-导向套；9-导线；10-半导体激光器；11-镜架；12-光源架；13-第三螺钉（b）；14-小口径光栏；15-光电接收器；16-第三电路板（b）；17-指示光栅；18-第四螺钉（d）；19-标尺光栅；20-主体；21-柱面镜；22-第五螺钉（a）；23-第一标尺（钢带光栅尺）；24-扫描板（指示光栅）；25-聚光镜；26-光电元件（光电接收器）；27-第一光源（LED）；28-第二标尺（钢带光栅尺）；29-窗口（光栏）；30-扫描光板；31-扫描光栅（指示光栅）；32-第二光源（LED）；33-结构化探测器（光电接收器）；34-透明玻璃基体；35-零位；36-铬层；371-第一光栅窗口（a）；372-第二光栅窗口（b）；373-第三光栅窗口（c）；374-第四光栅窗口（d）；381-第一“田”字型光栅窗口（a）；382-第二“田”字型光栅窗口（b）；39-第三光源；40-光学透镜；41-小孔径光栏；42-第二光电接收器；43-第二指示光栅；44-反射式标尺光栅；45-主光轴；46-不锈钢基体；47-光栅刻线；48-光电转换单元；49-差分放大单元；50-接收处理单元；51-光栅相位监测电路；52-相位监测显示单元；53-列相光栅单元；54-光电转换单元；55-比较器；56-光栅相位监测显示单元（LED）。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

根据本发明实施例，提供了敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器。如图3-图11所示，本实施例包括标尺光栅19，以及配合设置在标尺光栅19上方的光栅读数头构件组、激光限束光电扫描系统、以及电路处理与相位监测系统，其中，光栅读数头构件组、激光限束光电扫描系统、以及电路处理与相位监测系统的连接方式，可参见图3的相关说明。

这里，电路处理与相位监测系统的作用在于，便于敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器的安装使用，当敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器的相位正常时，发光管（LED 5）一直亮着，当敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器的相位不正常时，发光管（LED 5）熄灭报警，提示敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器安装的几何位置不正确，需要重新装调。

光栅读数头构件组（光栅读数头构件组是指除标尺光栅19之外的所有光、机、电部分组成的总称），侧面上的2个M3螺孔被紧固在某装备运动副的工作台面上，安装时使光栅读数头构件组上指示光栅17的线纹图案面与标尺光栅19的线纹图案面对面重合放置，光栅副的间隙量和相位的装调按传感器的使用说明书处置，当某装备的运动副产生相对运动时，光栅副也相应产生相对运动，同时，本实施例的敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，产生光栅莫尔条纹测量光信号，光信号经光电转换、差分放大后，以四路相位相差90°的正余弦信号和二路尖脉冲（零位信号）输出，提供外接的光栅数显装置或外接的数字控制单元使用，与之共同形成光栅数显测量系统或光栅反馈控制系统。

进一步地，在上述实施例中，如图8所示，激光限束光电扫描系统包括第三光源39、光学透镜40、两个小孔径光栏41、第二光电接收器42、第二指示光栅43、反射式标尺光栅44与主光轴45，其中，第三光源39的入射光束的主光轴45，垂直于第二指示光栅43的刻线面；光学透镜40位于光源的下方，小孔径光栏41位于第三光源39与光学透镜40的下方，并且，小孔径光栏41的中轴线与第三光源39的入射光束的主光轴45重合；第二光电接收器42与第二指示光栅43，均位于小孔径光栏41的下方，并且，第二指示光栅43的刻线面与光源的入射光束的主光轴45垂直。

这里，为了达到上述敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器的工作间隙量（t）较大、以及工作间隙量（t）的公差较宽的目的，上述激光限束光电扫描系统的技术原理可参见图8的相关说明。在图8中，上述第三光源39发出的矩形粗光束，经光学透镜40（如柱面镜21）被会聚成矩形细光束；细光束经小孔径光栏41时，其余视场边缘的光束被滤掉，视场中心区域的光束通过小孔径光栏41后，透过第二指示光栅43，照射在标尺光栅19（如钢带光栅尺）的刻线面上产生反射，得到反射光束；反射光束再次透过第二指示光栅43，被置于小孔径光栏41下方的第二光电接收器42所接收，实现了光电信号的转换。

在上述激光限束光电扫描系统中，当光栅副（第二指示光栅43与钢带光栅尺）产生相对移动时，产生光栅莫尔条纹测量光信号；第二光电接收器42接收光栅莫尔条纹测量光信号，并被转换为光电测量信号。这里，第二指示光栅43与钢带光栅尺之间的间隙量，称为光栅工作间隙量（t），光栅工作间隙量（t）的大小，遵循菲涅尔光栅理论公式（参见哈尔滨工业大学张善钟等编著《计量光栅技术》中第145页公式4-13）：t = nd²/λ（1），公式（1）中，n取整数，n称为菲涅尔焦面数（n值的选取由光电系统的特性决定）；d为光栅的栅距（即光栅亮线的宽度与暗线的宽度的和）；λ为入射光波长。

由公式（1）可见，欲使t值较大，需n值较大，d值较大，λ值较小；本实施例可以采用半导体激光器10作为激光限束光电扫描系统的光源，通常其波长（λ）范围：λ= 4600埃～6500埃，而国外同类技术采用红外光源（LED）波长范围通常λ= 8500埃～9000埃，红外LED光源波长约为半导体激光器10的1.8～1.4倍。

同样，由公式（1）可见，在选取d值等同的条件下，仅此一项就可将t值比现有技术扩大1.8～1.4倍，更重要的是，由半导体激光器10为光源的激光限束光电扫描系统，比同类技术的红外LED光电扫描系统具有技术原理先进、结构设计合理、光信息传输方向性好、光能量高、光能利用效果好、单色性好、抗干扰、以及衍射效应低等优点。

上述激光限束光电扫描系统，经大量的实际应用，证明其具有良好的光电特性，在上式t = nd²/λ中，当n=5（即选取第五菲涅尔焦面）时，本实施例的敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器仍可以正常工作；国外同类技术多选取n=1（左右）。由上述理论分析和实际应用证明：本实施例的光栅工作间隙量（t）至少比国外同类技术高3～5倍。

在现有技术中，光栅工作间隙量（t）一般为：t=1mm±0.1mm至t=1mm±0.3mm；本实施例的激光限束光电扫描系统，光源主光轴45垂直入射到光栅副的工作面上，第二光电接收器42被安置于小孔径光栏41下方的光源中心区域，小孔径光栏41位于光源和光学透镜40的下方，第二光电接收器42接收的光信号来自光源照明视场的中心区域；采用该方法，可以克服现有技术中光栅工作间隙量（t）小的问题。本实施例由实际应用效果证明：光栅工作间隙量（t）的公差带为1.5mm±1.4mm，比现有技术的公差带范围至少扩大4倍，提高了敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器工作的稳定性、可靠性。

进一步地，在上述实施例中，上述光栅读数头构件组包括主体20组件，以及可拆卸式设置在主体20组件上方的上盖1组件。

具体地，上述主体20组件包括主体20、第三电路板（b）16与光源架12，其中：主体20为内部竖直设有第一至三支撑件的空腔结构，主体20的顶部开口、底部外侧横向开设有与指示光栅17相匹配的矩形槽，指示光栅17通过胶粘剂粘接在矩形槽中；第三电路板水平设置在主体20的左侧内壁与右侧内壁之间，第一至二支撑件分别与第三电路板可拆卸式连接；在第三电路板上，开设有多个小口径光栏14，在每个小口径光栏14的下方，均配合设置有光电接收器15；光源架12为“T”型光源架12，“T”型光源架12的横杆与主体20的顶部平齐设置，竖杆与第三支撑件可拆卸式连接；在“T”型光源架12上，设有多个镜架11，在每个镜架11上，均配合安装有光学透镜40，每个光学透镜40与相应的小口径光栏14竖直对应设置。

上述上盖1组件作为敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器的结构支撑体，实现敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器的光电测量原理；具体包括上盖1、第一至二电路板、LED 5、导线9与导向套8，其中：上盖1具有柱型空腔结构，第一电路板（c）4包括平行设置在上盖1的左侧壁与右侧壁之间、且可拆卸式连接的第一层板与第二层板，在第一层板与第二层板之间的缝隙中安装有LED 5；在上盖1的右侧壁，水平安装有与第一至三电路板电连接的导线9，靠近导线9与上盖1的连接处、在导线9外设有导向套8；靠近主体20的顶部，与每个光学透镜40相配合，均设有光源；第二电路板（a）6包括多个支板，每个支板与相应的光源配合设置。

具体地，如图3所示，在上述实施例中，指示光栅17采用胶粘剂粘接在主体2020底部的矩形槽内，第三电路板（b）16通过两个第四螺钉（d），被紧固在主体2020上，三个小口径光栏14，被紧配合镶在第三电路板（b）16上，五支位于小口径光栏14下方的光电接收器15被焊接在第三电路板（b）16上，光源架2镶入主体2020的防转槽内，并通过第三螺钉（b）13被紧固在主体2020上；三个镜架11以紧配合压入光源架12的三个圆孔之内，三支半导体激光器10采用胶粘剂分别被粘接在三个镜架11的圆孔上部，三个柱面镜21，采用胶粘剂被分别粘接在三个镜架11的下部长孔上，上盖1通过四个第五螺钉（a）22被紧固在主体2020上；第一电路板（c）4，通过两个第一螺钉（e）2和两个垫片3被紧固在上盖1之内，导向套8以紧配合压入上盖1的侧孔中，导线9穿入导向套8，由一个第二螺钉（c）7压紧，标尺光栅（钢带光栅尺）19采用弹性双面不干胶被另外粘在某装备的运动工作台面上。

进一步地，在上述实施例中，上述光源包括红光半导体激光器10、紫蓝光半导体激光器10与紫光半导体激光器10中的任意一种，光学透镜40包括柱面镜21、球面镜与非球面镜中的任意一种，标尺光栅19包括不锈钢带光栅尺、玻璃光栅尺、陶瓷光栅尺、钢质光栅尺与石英光栅尺，光电接收器15包括光电池、光电二极管与光电三极管，小口径光栏14的通光口径的形状可以是矩形、圆形或其它几何形状；指示光栅17包括透明玻璃基体34，设在透明玻璃基体34上表面的铬层36，以及设在铬层36上表面的零位与多个光栅窗口；其中，每个光栅窗口为矩形光栅窗口或“田”字型光栅窗口。

具体地，指示光栅17的线纹刻划图案，可参见图4-图7的相关说明。在图4中，光栅窗口包括上下分层均匀设在铬层36上的第一光栅窗口（a）371、第二光栅窗口（b）372、第三光栅窗口（c）373与第四光栅窗口（d）374。在图5中，光栅窗口包括均匀设在铬层36上的第一“田”字型光栅窗口（a）381与第二“田”字型光栅窗口（b）382。在图6中，光栅窗口包括横向均匀设在铬层36上的第一光栅窗口（a）371、第二光栅窗口（b）372、第三光栅窗口（c）373与第四光栅窗口（d）374。在图7中，光栅窗口包括设在铬层36上的第一“田”字型光栅窗口（a）381。

标尺光栅（钢带光栅尺）19的光刻图案，可参见图9的相关说明。在图9中，标尺光栅（钢带光栅尺）19包括不锈钢基体46，间隔设置在不锈钢基体46上边缘处的多个零位35，以及竖直均匀设置在不锈钢基体46上的光栅刻线47。

进一步地，电路处理与相位监测系统包括：电路处理系统，以及与电路处理系统配合设置的光栅相位监测系统。

具体地，上述电路处理系统包括光电转换单元48、差分放大单元49、接收处理单元50与比较器55，光栅相位监测系统包括列相光栅单元、光栅相位监测电路51与相位监测显示单元，其中：列相光栅单元、光电转换单元48、差分放大单元49、比较器55、光栅相位监测电路51与相位监测显示单元，依次信号连接；接收处理单元50和光栅相位监测电路51，分别与差分放大单元49信号连接；光栅相位监测显示单元56包括光栅相位监测电路51与相位监测显示单元。

在带有相位关系的指示光栅17（也称之为裂相光栅，本实施例敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器采用的也是裂相光栅）中，任意选取两个光栅窗口中的两路光电信号为基准，选取的原则是在指示光栅17的诸多光栅窗口中，选取两者相互之间的距离最远的两个窗口，之后将被选取的两个光栅窗口输出的两路光电信号差分放大，再经比较器55输出带动相位监测显示器（LED）工作，当两路信号发生变化时，差分信号也发生变化，随之比较器55输出信号也随之发生变化，造成监测显示器（LED）产生明、暗变化，即：显示出了光栅副的相位关系变化，当指示光栅17的两个窗口中的刻线与标尺光栅19中的刻线相互平行时，定义为光栅副的相位关系是正确的，当光栅副两者的刻线之间产生了角度变化，即光栅副两者的刻线不平行了，则是光栅副的相位关系产生了误差，当误差出现时，其在光栅相位监测电路51中反映的是相位监测显示器（LED）产生亮、暗变化，此时便需调整敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器的几何位置（即指示光栅17），使其处于相位关系正确的状态后，敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器便可正常工作。

上述实施例的敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，作为一种长度量线位移的数字化精确检测与控制反馈的共性技术与关键部件，主要用于高档数控机床与基础制造、检测装备之中，具有光栅副工作间隙量较大、间隙量公差带范围较大、使用寿命长、工作可靠性高、分辨率高、精度高、对外界几何量误差适应性强、以及制造成本低的优点。

综上所述，本发明各实施例的敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，由于包括标尺光栅，以及配合设置在所述标尺光栅上方的光栅读数头构件组、激光限束光电扫描系统、以及电路处理与相位监测系统，可以用于高档数控机床与基础制造、检测装备之中；从而可以克服现有技术中精度低、光栅副的工作间隙量小、光栅副工作间隙量的公差带小、以及成本高的缺陷，以实现测量分辨率高、测量准确度高、使用寿命长、可靠性高、制造难度小、以及成本低的优点，具体如下：

⑴在使用同等密度光栅的条件下，具有很强的拾取莫尔条纹测量信号能力，与现有技术相比，光栅副工作间隙量（t）大，至少增大3倍，传感器更可靠、寿命长、制造成本低；特别适于采用高密度的高档光栅，获取较大的原始分辨率和提高传感器的测量准确度；

⑵光栅副工作间隙量（t）的公差带范围宽，其与同类技术相比，至少增大4倍，因而其对外界装备运行中产生的几何量误差的适应性强，使传感器工作更稳定、可靠。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，其特征在于，包括标尺光栅，以及配合设置在所述标尺光栅上方的光栅读数头构件组、激光限束光电扫描系统、以及电路处理与相位监测系统；

所述激光限束光电扫描系统包括光源、光学透镜、小口径光栏、指示光栅与光电接收器，其中：

所述光源发出的粗光束，经光学透镜被会聚成细光束；所述细光束经小口径光栏时，视场边缘的光束被滤掉，视场中心区域的光束通过小口径光栏后，透过指示光栅，照射在标尺光栅的刻线面上产生反射，得到反射光束；所述反射光束再次透过指示光栅，被置于小口径光栏下方的光电接收器所接收；

所述指示光栅与标尺光栅构成光栅副，当所述光栅副产生相对移动时，产生光栅莫尔条纹测量光信号；所述光电接收器接收光栅莫尔条纹测量光信号，并被转换为光电测量信号；

所述光源的入射光束的主光轴，垂直于指示光栅的刻线面；所述光学透镜位于光源的下方，所述小口径光栏位于光源与光学透镜的下方，并且，小口径光栏的中轴线与光源的入射光束的主光轴重合；所述光电接收器与指示光栅，均位于小口径光栏的下方，并且，指示光栅的刻线面与光源的入射光束的主光轴垂直；

所述光栅读数头构件组包括主体组件，以及可拆卸式设置在所述主体组件上方的上盖组件；

所述主体组件包括主体、第三电路板与光源架，其中：

所述主体为内部竖直设有第一至三支撑件的空腔结构，主体的顶部开口、底部外侧横向开设有与指示光栅相匹配的矩形槽，指示光栅粘接在矩形槽中；

所述第三电路板水平设置在主体的左侧内壁与右侧内壁之间，第一至二支撑件分别与第三电路板可拆卸式连接；在所述第三电路板上，开设有多个小口径光栏，在每个小口径光栏的下方，均配合设置有光电接收器；

所述光源架为“T”型光源架，“T”型光源架的横杆与主体的顶部平齐设置，竖杆与第三支撑件可拆卸式连接；在所述“T”型光源架上，设有多个镜架，在每个镜架上，均配合安装有光学透镜，每个光学透镜与相应的小口径光栏竖直对应设置。

2.根据权利要求1所述的敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，其特征在于，所述上盖组件包括上盖、第一至二电路板、LED、导线与导向套，其中：

所述上盖具有柱型空腔结构，第一电路板包括平行设置在上盖的左侧壁与右侧壁之间、且可拆卸式连接的第一层板与第二层板，在第一层板与第二层板之间的缝隙中安装有LED；在所述上盖的右侧壁，水平安装有与第一至三电路板电连接的导线，靠近导线与上盖的连接处、在导线外设有导向套；

靠近所述主体的顶部，与每个光学透镜相配合，均设有光源；所述第二电路板包括多个支板，每个支板与相应的光源配合设置。

3.根据权利要求1或2所述的敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，其特征在于，所述光源包括红光半导体激光器、紫蓝光半导体激光器与紫光半导体激光器中的任意一种，所述光学透镜包括柱面镜、球面镜与非球面镜中的任意一种，所述标尺光栅包括不锈钢带光栅尺、玻璃光栅尺、陶瓷光栅尺、钢质光栅尺与石英光栅尺，所述光电接收器包括光电池、光电二极管与光电三极管，所述小口径光栏的通光口径的形状包括矩形与圆形；

所述指示光栅包括透明玻璃基体，设在所述透明玻璃基体上表面的铬层，以及设在所述铬层上表面的零位与多个光栅窗口；其中，每个光栅窗口为矩形光栅窗口或“田”字型光栅窗口或“一”字型光栅窗口。

4.根据权利要求1所述的敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，其特征在于，所述电路处理与相位监测系统包括：电路处理系统，以及与所述电路处理系统配合设置的光栅相位监测系统。

5.根据权利要求4所述的敞开式激光限束扫描标尺光栅传感器，其特征在于，所述电路处理系统包括光电转换单元、差分放大单元、接收处理单元与比较器，所述光栅相位监测系统包括列相光栅单元、光栅相位监测电路与相位监测显示单元；其中：

所述列相光栅单元、光电转换单元、差分放大单元、比较器、光栅相位监测电路与相位监测显示单元，依次信号连接；所述接收处理单元和光栅相位监测电路，分别与差分放大单元信号连接。

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