CN103308084A - 一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器 - Google Patents
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Abstract
一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器涉及精密加工测量领域，解决了位移测量精度不高，无法实现成品后的修调和长期稳定输出光信号。传感器包括：光电探测器阵列、加法器和减法器，增益可调放大电路；光电探测器阵列输出与光信号对应的正弦电流信号；增益可调放大电路接收正弦电流信号后进行放大并转换电压信号；加法器将增益可调放大电路输出的电压信号加和，得到一直流电压信号；减法器将增益可调放大电路输出的电压信号转换成正弦信号或者余弦信号。本发明适应多种光源要求，可对位移信息量高精度分析，并且明显降低由于光源不均匀性和光电探测器阵列分布不均匀所带来的影响，光源可以长期稳定输出光信号，增益可调节，并且结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及精密加工测量领域，具体涉及一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器。
背景技术
光电接收传感器是精密机械加工测量设备中必不可少的位移测量工具。目前，根据位移测量装置中信号接收传感器所采用的材料体系和原理的不同，信号接收传感器主要有电位器式信号传感器、金属玻璃铀信号接收感器、电磁式信号接收传感器和光电信号接收传感器等几类。其中，光电信号接收传感器是非机械接触的，可靠性高，因此得到了广泛应用。现有的一般光电信号接收传感器存在以下不足：位移测量精度不高，容易受到光源不均匀性和光电探测器阵列分布不均匀性的影响，无法实现传感器成品后根据需要进行修调，对光源的功率值要求苛刻，并且光源无法长期稳定输出光信号。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器，该传感器解决了现有光电接收传感器中存在的位移测量精度不高，容易受到光源不均匀性和光电探测器阵列分布不均匀性的影响，无法实现传感器成品后根据需要进行修调，对光源的功率值要求苛刻，并且光源无法长期稳定输出光信号。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器，该传感器包括：光电探测器阵列、加法器和减法器；该传感器还包括：增益可调放大电路；光电探测器阵列输出与光信号对应的正弦电流信号；增益可调放大电路接收正弦电流信号后进行放大并转换电压信号；加法器将增益可调放大电路输出的电压信号加和，得到一直流电压信号；减法器将增益可调放大电路输出的电压信号转换成正弦信号或者余弦信号。
本发明的有益效果是：本发明适应多种光源要求，可对位移信息量高精度分析，并且明显降低由于光源不均匀性和光电探测器阵列分布不均匀所带来的影响，光源可以长期稳定输出光信号，增益可调节，并且结构简单。其中通过引入增益可调放大电路，使得光电接收传感器生产后具有再次修调的功能，可以有效地调节李萨如圆的幅度、李萨如圆的带宽和加法器输出的直流信号值使其达到指标要求，同时，也放宽了对光源的型号选择范围，利于工程化生产。
附图说明
图1本发明光电接收传感器的结构示意图。
图2外部光源系统结构示意图。
图3本发明光电接收传感器中光电探测器阵列的排列分布图。
图4本发明光电接收传感器中增益可调放大电路结构示意图。
图5本发明光电接收传感器中减法器结构示意图。
图6本发明光电接收传感器中加法器结构示意图。
图中：1、光电探测器阵列，2、增益可调放大电路，3、修调接口，4、第一减法器，5、加法器，6、第二减法器，7、光源，8、透镜，9、指示光栅和10、标尺光栅。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
图1为一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器的系统结构图，光电接收传感器主要包括光电探测器阵列1、增益可调放大电路2、修调接口3、两个减法器4和6以及加法器5。外部光学系统为光电接收传感器提供莫尔条纹光信号，这些莫尔条纹光信号被光电探测器阵列1接收，并转化为电流信号，通过增益可调放大电路2将电流信号转化成电压信号，以及两个减法器4和6，可以产生与增量位移信息相关的信号；通过对加法器5输出的直流电压信号的分析可以计算出入射的莫尔条纹光信号的共模值的大小，继而可以计算出外部光源系统的偏置电流，从而可以根据实时监测该共模值，反馈给光源7，保证光源7长期持续稳定发光。
图2为外部光源系统组成，包括光源7、透镜8、指示光栅9和标尺光栅10。其中光源7可以选用有效波长为660nmLED光源，透镜8可以选用凸透镜，透镜8将光源7发出的发散光汇聚为近似平行光。指示光栅9和标尺光栅10的刻线采用精密镀鉻平行刻划，栅距为几十微米，指示光栅9和标尺光栅10刻线间有一微小夹角，当指示光栅9和标尺光栅10发生相对运动时，标尺光栅10可以输出与位移信息相关的明暗交错变化的四组幅度相同但相位彼此相差90度的莫尔条纹光信号，每组内又由n个幅度和相位相同的光信号组成lA1(0°)、lA2(0°)…lAn(0°)，lB1(90°)、lB2(90°)…lBn(90°)，lC1(180°)、lC2(180°)…lCn(180°)，lD1(270°)、lD2(270°)…lDn(270°)。
图3为光电探测器阵列1的分布示意图，它由彼此等间距的长方形光电二极管构成，各个光电二极管的尺寸和占空比均是相同的，并且是按插指的方式顺序排列，这样可以大大降低由于外部光源系统发光的不均匀性和光电探测器阵列1中的光电二极管排列不均匀性所造成的不良影响。以下面的排列方式为例，光电探测器阵列1可以分为四组，组内又由n个结构相同的光电二极管组成，并且从四组中各取一个，按照顺序排列，即插指排列方法；同理，每组中的其他光电二极管也按照此法排列。当加工或测量设备系统进入测量位移状态时，该光电探测器阵列1受到明暗交错变化的四组振幅相同但相位彼此相差90度的莫尔条纹光信号lA(0°)、lB(90°)、lC(180°)和lD(270°)照射，四组光电探测器阵列1分别对这四组光信号进行响应，产生四组振幅相同但相位彼此相差90度的正弦电流信号iA(0°)、iB(90°)、iC(180°)和iD(270°)，其中，每组内又由n个幅度和相位均相同正弦电流信号组成iA1(0°)、iA2(0°)…iAn(0°)，iB1(90°)、iB2(90°)…iBn(90°)，iC1(180°)、iC2(180°)…iCn(180°)，iD1(270°)、iD2(270°)…iDn(270°)，，然后将每组信号加和输出iA(0°)、iB(90°)、iC(180°)、iD(270°)。
图4为增益可调放大电路2的结构示意图，该电路用于对光电探测器阵列1输出的四组电流信号进行处理，输出四路幅度相同但相位依次相差90度的电压信号。在本实施方式中，增益可调放大电路2是由四个结构相同的跨阻放大器构成。增益可调放大电路2将光电探测器阵列1输出的四组电流信号iA(0°)、iB(90°)、iC(180°)和iD(270°)进行处理，输出四组电压强度相同但相位依次相差90度的电压信号vA(0°)、vB(90°)、vC(180°)和vD(270°)。该电路的最大特点就是可以通过对修调接口3的修调可以实现闭合不同的开关K0～Kp，继而改变跨阻放大器的跨阻Z0～Zp的组合。该修调接口3有m个接口，为了实现增益可调放大电路2的p档修调方案，需要保证2m大于等于p。修调接口3的外修调方法可以在传感器生产后，根据需要方便选择现有的光源，放宽了对光源的规格要求，操作简单，有助于在实际应用中的灵活性，是本发明的一个主要优点之一。
图5为第一减法器4和第二减法器6结构示意图，其中减法器能够对增益可调放大电路2输出的相位相差180度的两路电压信号做差，如第一减法器4对增益可调放大电路2输出的vA(0°)和vC(180°)做差，输出一个正弦电压信号vsin，第二减法器6对增益可调放大电路2输出的两路电压vB(90°)和vD(270°)做差，输出一个余弦电压信号vcos。通过对光电接收传感器整体进行频域进行建模分析，输出电压vsin和vcos的带宽和增益等参数与增益可调放大电路2中的阻抗Z0～Zp以及第一减法器4和第二减法器6中的阻抗Zs0、Zs1、Zs2取值有着密切关系，所以调节增益可调放大电路2中的阻抗Z0～Zp以及第一减法器4和第二减法器6中阻抗Zs0、Zs1、Zs1的比例关系，可以对第一减法器4和第二减法器6输出信号的增益、幅度和带宽进行精密设计与修调。利用示波器观测正弦电压信号vsin和余弦电压信号vcos，并且以其中一路信号作为横坐标，另外一路作为纵坐标，即可观测到与增量位移相关的信号即李萨如圆，通过对该图形圆心的相位角分析便可知道加工设备的增量位移，即确定了被测量的位移量。
图6为加法器5的结构示意图，在本实施方式中，该加法器5对增益可调放大电路2输出的四路电压信号vA(0°)、vB(90°)、vC(180°)和vD(270°)加和，输出一个直流电压信号vdc，通过改变增益可调放大电路2中的阻抗Z0～Zp以及加法器5的Za0和Za1可以将该直流电压调整到标准值。通过对加法器5输出的直流电压信号的分析可以计算出入射的莫尔条纹光信号的共模值的大小，继而可以计算出外部光源系统的偏置电流，从而可以根据实时监测该共模值，反馈给光源，保证光源长期持续稳定发光。
Claims (3)
1.一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器，该传感器包括：光电探测器阵列、加法器和减法器；其特征在于，该传感器还包括：增益可调放大电路；光电探测器阵列输出与光信号对应的正弦电流信号；增益可调放大电路接收正弦电流信号后进行放大并转换电压信号；所述加法器将增益可调放大电路输出的电压信号加和，得到一直流电压信号；所述减法器将增益可调放大电路输出的电压信号转换成正弦信号或者余弦信号。
2.如权利要求1所述的一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器，其特征在于，所述传感器还包括修调接口，所述修调接口与增益可调放大电路相连。
3.如权利要求1所述的一种用于增量式位移测量装置的光电接收传感器，其特征在于，所述光电探测器阵列采用插指排列方式。
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