CN103075958A

CN103075958A - 一种光纤拉远的光栅尺及其测量方法

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Publication number: CN103075958A
Application number: CN2011103272269A
Authority: CN
Inventors: 柳涛; 左广辉; 方习贵; 王建伟
Original assignee: WUXI AFOS TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: WUXI AFOS TECHNOLOGY Co Ltd
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2013-05-01

Abstract

本发明提出一种光纤拉远的光栅尺及其测量方法，包括光源、光探测器、传输光纤、光栅对、位置解码单元；所述光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对，光栅对输出信号采用多根光纤接收，接收的光信号经由传输光纤传至光探测器；所述位置解码单元对光探测器接收的光信号解码，得到光栅对的相对位置。通过本发明提出的光纤拉远的光栅尺，可以将光栅对和光电转换部分分离，并利用光纤来连接，利用光纤的减低衰、高带宽的特性，实现光栅尺信号的远距离、抗电磁干扰输出。本发明考虑到应用场所的特殊性，可以增加连接光纤(光缆)的爬电距离，增强信号连接的绝缘性能，应用在高压电力设备等有绝缘性要求场所。

Description

一种光纤拉远的光栅尺及其测量方法

技术领域

本发明属于光纤测量技术领域，涉及一种光栅尺，特别涉及一种光纤拉远的光栅尺；同时本发明还涉及上述光栅尺的测量方法。

背景技术

光栅尺是光栅尺位移传感器的简称，是利用光栅的光学原理工作的测量反馈装置。光栅尺位移传感器经常应用于机床与现在加工中心以及测量仪器等方面，可用作直线位移或者角位移的检测。其测量输出的信号为数字脉冲，具有检测范围大，检测精度高，响应速度快的特点。例如，在数控机床中常用于对刀具和工件的坐标进行检测，来观察和跟踪走刀误差，以起到一个补偿刀具的运动误差的作用。

常见光栅的工作原理都是根据物理上莫尔条纹的形成原理进行工作的。当使指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一角度来放置两光栅尺时，必然会造成两光栅尺上的线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点近旁的小区域内由于黑色线纹重叠，因而遮光面积最小，挡光效应最弱，光的累积作用使得这个区域出现亮带。相反，距交叉点较远的区域，因两光栅尺不透明的黑色线纹的重叠部分变得越来越少，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较少的光线能通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带

光栅测量位移的实质是以光栅栅距为一把标准尺子对位称量进行测量。高分辨率的光栅尺一般造价较贵，且制造困难。为了提高系统分辨率，需要对莫尔条纹进行细分，目前(2006年)光栅尺位移传感器系统多采用电子细分方法。当两块光栅以微小倾角重叠时，在与光栅刻线大致垂直的方向上就会产生莫尔条纹，随着光栅的移动，莫尔条纹也随之上下移动。这样就把对光栅栅距的测量转换为对莫尔条纹个数的测量。

在一个莫尔条纹宽度内，按照一定间隔放置4个光电器件就能实现电子细分与判向功能。例如，栅线为50线对/mm的光栅尺，其光栅栅距为0.02mm，若采用四细分后便可得到分辨率为5μm的计数脉冲，这在工业普通测控中已达到了很高精度。由于位移是一个矢量，即要检测其大小，又要检测其方向，因此至少需要两路相位不同的光电信号。为了消除共模干扰、直流分量和偶次谐波，通常采用由低漂移运放构成的差分放大器。由4个光敏器件获得的4路光电信号分别送到2只差分放大器输入端，从差分放大器输出的两路信号其相位差为π/2，为得到判向和计数脉冲，需对这两路信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1∶1的方波。然后，通过对方波的相位进行判别比较，就可以得到光栅尺的移动方向。通过对方波脉冲进行计数，可以得到光栅尺的位移和速度。

然而，传统的光栅尺，一般选择电信号直接输出，信号传输过程中易受电磁干扰，且电信号传输衰减大，不宜远距离监控，不能应用于具有高绝缘性信号连接的电力领域。

如中国专利公开号CN2869771公开了一种光栅尺，它包括光栅玻璃及可相对光栅玻璃移动的读数头，沿读数头移动方向上固定有多个射频卡，有一个射频卡接收器与读数头同步移动；读数头在移动过程中，射频卡接收器依次分别进入各射频卡的数据接收范围之内。

又如中国专利公开号CN 201184785涉及一种光栅尺，包括一主尺和一设于主尺上的滑座，该主尺内置有光栅玻璃，而该滑座设有一可相对该光栅玻璃移动的检出部和一可将检出部所读出数据传输的信号线，该信号线另端连接有一提供给数显箱电连接的转接插头，上述信号线外包覆有一金属材料的波纹管，上述转接插头包括一主体插接部以及一外包覆于主体插接部的塑料外壳，该塑料外壳系与主体插接部、波纹管端部一体注塑成型。

上述方案均未解决远距离监控的难题，同时，由于信号容易受到干扰，也无法应用于具有高绝缘性信号连接的电力领域。

发明内容

本发明的目的旨在至少解决上述技术缺陷之一，特别是解决光栅尺在进行远距离监控中存在的问题。

为达到上述目的，本发明一方面提出了一种光纤拉远的光栅尺，包括光源、光探测器、传输光纤、光栅对、位置解码单元；所述光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对，光栅对输出信号采用多根光纤接收，接收的光信号经由传输光纤传至光探测器；光探测器接收的光信号与光栅对的相对位置有关，光栅对相对移动形成的光条纹变化经过传输光纤输出到光探测器进行检测；所述位置解码单元对光探测器接收的光信号解码，得到光栅对的相对位置。

在本发明的一个实施例中，所述系统还包括：准直装置、聚焦装置；所述光栅对包括基准光栅、扫描光栅；所述光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对，经准直装置准直后，通过扫描光栅照射到基准光栅，光栅对输出信号通过聚焦装置收集到传输光纤，再传输到光探测器。

在本发明的一个实施例中，所述光源为激光器或发光二极管；波长选定由拉远距离和测量速度、精度决定。所述传输光纤为石英光纤或塑料光纤；波导类型为单模、多模或其制成的光缆。所述光探测器为光电二极管或光电池或光电二极管阵列或光电池阵列。所述准直装置、聚焦装置为透镜、光纤锥或便于集成的透镜阵列。

在本发明的一个实施例中，所述传输光纤包括光源光纤单元、信号光纤单元；光源光纤单元为单根光纤，信号光纤单元包括多根光纤。

在本发明的一个实施例中，所述系统还包括：光电转换单元，所述光源、光探测器设置于光电转换单元中；光电转换单元与光栅对分开设置，通过所述传输光纤连接。

本发明另一方面提出一种上述光纤拉远的光栅尺的测量方法，包括如下步骤：

S1、将所述光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对；

S2、光栅对输出信号采用多根光纤接收，接收到的光信号经由传输光纤传至光探测器；光探测器接收的光信号与光栅对的相对位置有关，光栅对相对移动形成的光条纹变化经过传输光纤输出到光探测器进行检测；

S3、光探测器将接收到的光信号传送至位置解码单元，位置解码单元对光探测器接收的光信号解码，得到光栅对的相对位置。

在本发明的一个实施例中，所述步骤S2具体包括：光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对，经准直装置准直后，通过扫描光栅照射到基准光栅，光栅对输出信号通过聚焦装置收集到传输光纤，再传输到光探测器。

通过本发明提出的光纤拉远的光栅尺及其测量方法，可以将光栅对和光电转换部分分离，并利用光纤来连接，利用光纤的减低衰、高带宽的特性，实现光栅尺信号的远距离、抗电磁干扰输出。本发明考虑到应用场所的特殊性，可以增加连接光纤(光缆)的爬电距离，增强信号连接的绝缘性能，应用在高压电力设备等有绝缘性要求场所。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明光栅尺的组成示意图。

图2为本发明光栅尺测量方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本发明主要在于创新地提出了新型光栅尺结构，可以实现成像扫描式和干涉扫描式光栅尺输出信号超远程无中继传输，且抗电磁干扰能力强；并且可以用于电力行业有绝缘度要求的场合。

本发明通过将光源发射出来的光经由光纤传至光栅对，光栅对输出信号采用多根光纤接收，接收的光信号经由光纤传至光探测器，光探测接收的光信号解码得到光栅对的相对位置，光栅尺测量部件只有光信号，且光纤可以实现光信号远距离传输，由此可以实现光栅尺输出信号的拉远及抗电磁干扰性能的增强。

具体地，请参阅图1，图1为本发明光栅尺的组成示意图。本实施例光纤拉远的光栅尺包括光源11、光探测器12、传输光纤、光栅对20、位置解码单元。

所述光源11、光探测器12设置于一光电转换单元10中，光电转换单元10与光栅对20分开设置，通过所述传输光纤连接。所述传输光纤包括光源光纤单元31、信号光纤单元32；光源光纤单元31为单根光纤，信号光纤单元32包括多根光纤。此外，所述光栅对20包括基准光栅21、扫描光栅22。优选地，本发明系统还包括：准直装置、聚焦装置。

具体地，所述光源11发射出来的光经由光源光纤单元31传至光栅对20，经准直装置准直后，通过扫描光栅22照射到基准光栅21，光栅对输出信号通过聚焦装置收集到信号光纤单元32，再传输到光探测器12；光探测器接收的光信号与光栅对的相对位置有关，光栅对相对移动形成的光条纹变化经过传输光纤输出到光探测器进行检测。而后，所述位置解码单元对光探测器12接收的光信号解码，得到光栅对的相对位置。

在本发明的一个优选实施例中，所述光源11可以为激光器或发光二极管；波长选定由拉远距离和测量速度、精度决定。同时，所述传输光纤可以为石英光纤或塑料光纤；波导类型为单模、多模或其制成的光缆。所述光探测器12为光电二极管或光电池或光电二极管阵列或光电池阵列。此外，所述准直装置、聚焦装置可以设计为同一部件，分别起到准直、聚焦的作用。准直装置、聚焦装置可以为透镜、光纤锥或便于集成的透镜阵列。

以上介绍了本发明新型光栅尺的组成，本发明在揭示上述新型光栅尺的同时，还揭示了上述光纤拉远的光栅尺的测量方法。请参阅图2，所述测量方法具体包括如下步骤：

步骤S1、将所述光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对。

步骤S2、光栅对输出信号采用多根光纤接收，接收到的光信号经由传输光纤传至光探测器。光探测器接收的光信号与光栅对的相对位置有关，光栅对相对移动形成的光条纹变化经过传输光纤输出到光探测器进行检测。具体包括：光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对，经准直装置准直后，通过扫描光栅照射到基准光栅，光栅对输出信号通过聚焦装置收集到传输光纤，再传输到光探测器。

步骤S3、光探测器将接收到的光信号传送至位置解码单元，位置解码单元对光探测器接收的光信号解码，得到光栅对的相对位置。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同限定。

Claims

1.一种光纤拉远的光栅尺，其特征在于，包括光源、光探测器、传输光纤、光栅对、位置解码单元；

所述光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对，光栅对输出信号采用多根光纤接收，接收到的光信号经由传输光纤传至光探测器；光探测器接收的光信号与光栅对的相对位置有关，光栅对相对移动形成的光条纹变化经过传输光纤输出到光探测器进行检测；

所述位置解码单元对光探测器接收的光信号解码，得到光栅对的相对位置。

2.如权利要求1所述的光纤拉远的光栅尺，其特征在于，还包括：准直装置、聚焦装置；所述光栅对包括基准光栅、扫描光栅；所述光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对，经准直装置准直后，通过扫描光栅照射到基准光栅，光栅对输出信号通过聚焦装置收集到传输光纤，再传输到光探测器。

3.如权利要求1所述的光纤拉远的光栅尺，其特征在于，所述光源为激光器或发光二极管；波长选定由拉远距离和测量速度、精度决定。

4.如权利要求1所述的光纤拉远的光栅尺，其特征在于，所述传输光纤包括光源光纤单元、信号光纤单元；光源光纤单元为单根光纤，信号光纤单元包括多根光纤。

5.如权利要求1所述的光纤拉远的光栅尺，其特征在于，所述传输光纤为石英光纤或塑料光纤；波导类型为单模、多模或其制成的光缆。

6.如权利要求1所述的光纤拉远的光栅尺，其特征在于，所述光探测器为光电二极管或光电池或光电二极管阵列或光电池阵列。

7.如权利要求1所述的光纤拉远的光栅尺，其特征在于，所述准直装置、聚焦装置为透镜、光纤锥或便于集成的透镜阵列。

8.如权利要求1所述的光纤拉远的光栅尺，其特征在于，还包括：光电转换单元，所述光源、光探测器设置于光电转换单元中；光电转换单元与光栅对分开设置，通过所述传输光纤连接。

9.一种权利要求1所述光纤拉远的光栅尺的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将所述光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对；

10.如权利要求9所述的测量方法，其特征在于，所述步骤S2具体包括：光源发射出来的光经由传输光纤传至光栅对，经准直装置准直后，通过扫描光栅照射到基准光栅，光栅对输出信号通过聚焦装置收集到传输光纤，再传输到光探测器。