CN103591896B - 一种基于交变光场的时栅直线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于交变光场的时栅直线位移传感器，包括定极板和动极板，定极板的上、下部分别具有一排均匀分布的呈方形的定极板透光面；所述定极板的后方上、下部分别设置有一组发光器件；动极板的上、下部分别具有两个呈半正弦形的动极板透光面；在动极板上固定有四个光敏接收单元，该光敏接收单元的光电接收面覆盖在动极板透光面上。两组发光器件分别提供交变光场，动极板相对定极板移动，四个光敏接收单元输出电信号，经求差后得到两个光场耦合信号，再经加法电路合成一路行波信号<i>Uo</i>，该行波信号<i>Uo</i>与一路参考信号<i>Ur</i>经整形、比相后，再经时钟插补、标度变换得到动极板相对定极板的直线位移值。其精度高、功耗低、成本低，且安装制作较容易。

Description

一种基于交变光场的时栅直线位移传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种光学领域中用于精密直线位移测量的传感器。

背景技术

在光学领域中，用于精密直线位移测量的传感技术主要有：光栅和激光干涉仪。

光栅利用对莫尔条纹的个数进行计数来测量位移。其采用精密机械细分技术，在指示光栅和标尺光栅表面加工很密的等间距的栅线，将指示光栅与标尺光栅叠放在一起，中间留有适当的微小间隙，并使两块光栅的刻线之间保持很小的夹角口，两块光栅的刻线相交，在诸多相交刻线的垂直方向用恒定光强的光源照射，光线从两块光栅刻线重合处的缝隙通过，形成明暗条纹（即莫尔条纹），通过对莫尔条纹明暗变化次数的计数，来实现空间位移的测量。其测量精度与分辨力取决于光栅刻线的精细程度，然而为了实现1μm～0.1μm的精密直线位移测量，单靠刻线精度无法实现，需要采用高精度电子细分技术，从而使光栅的制造工艺要求苛刻，成本高，抗干扰力差。

激光干涉仪是基于光波干涉效应，利用对光波波长的个数进行计数来测量位移。其通过对两路光程或频率不同的光信号叠加，产生幅值或相位随位移变化的光强信号，可以实现光波波长范围内的位移测量，精度高。但其对激光本身要求高，价格非常昂贵，且容易受外界环境的干扰，不能长时间在工作现场进行测量。

近年来国内研制出了一种以时钟脉冲作为位移测量基准的时栅传感器。现有的时栅直线位移传感器主要有两种：磁场式和电场式。磁场式时栅采用电磁感应原理进行测量，由于导磁材料的可加工性较差，制作工艺需绕线，因此，其生产效率低，另外驱动定子线圈需要较大的激励功率，导致功耗较大。电场式时栅采用交变电场耦合原理进行测量，比如公告号为CN102288100B、名称为“一种基于交变电场的时栅直线位移传感器”的专利，其采用半导体加工工艺，制作精度高，一致性好，但由于电场信号在气隙中处于发散状态，且其要求定尺基体与测头基体的平行安装距离尽量小，该传感器的安装和制作比较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于交变光场的时栅直线位移传感器，用在光学领域中对直线位移进行精密测量，其精度高、功耗低、成本低，且安装制作较容易。

本发明所述的基于交变光场的时栅直线位移传感器，包括定极板和动极板，定极板与动极板相对平行设置，且留有间隙，所述定极板的上、下部分别具有一排均匀分布的呈方形的定极板透光面，位于上部的一排定极板透光面的起始位置与位于下部的一排定极板透光面的起始位置相差1/2个定极板透光面宽度，在一排定极板透光面中，相邻两个定极板透光面之间的距离与一个定极板透光面宽度相等；所述定极板的后方上、下部分别设置有一组互不干扰的发光器件。所述动极板的上、下部分别具有两个呈半正弦形（即[0，π]区间的正弦曲线围成的区域形状）的动极板透光面，动极板透光面正对定极板透光面，动极板透光面的宽度与定极板透光面宽度相等，动极板透光面的高度小于1/2定极板透光面高度，位于动极板下部的两个动极板透光面与位于动极板上部的两个动极板透光面的排列方式相同，且起始位置对齐，位于动极板上部的两个动极板透光面的起始位置在沿动极板宽度方向间隔一个动极板透光面宽度，在沿动极板高度方向间隔的距离大于一个动极板透光面高度小于1/2定极板透光面高度；在动极板上固定有四个与动极板透光面对应的光敏接收单元，该光敏接收单元的光电接收面覆盖在动极板透光面上，固定在动极板上部的两个光敏接收单元的一个电势同极性端相短接（即它们的一个电势同极性端连在一起），该两个光敏接收单元的另外一个电势同极性端分别作为电信号输出端，固定在动极板下部的两个光敏接收单元的一个电势同极性端相短接（即它们的一个电势同极性端连在一起），该两个光敏接收单元的另外一个电势同极性端分别作为电信号输出端。

两组发光器件分别提供等幅等频光强按正弦、余弦规律变化的交变光源，通过照射，该交变光源在定极板表面形成等间距（该间距为定极板透光面宽度）分布的上、下两排光强按正弦、余弦规律变化的交变光场，动极板相对定极板移动，位于动极板上部的两个动极板透光面的透光面积分别发生周期性变化（即正弦规律变化），通过光电效应，固定在其上的两个光敏接收单元获取发生同样周期性变化（反应动极板透光面的光通量变化）的电信号，并输出，经求差后得到一个按正弦规律变化，且反应动极板透光面的透光面积差动变化的光场耦合信号Uoa；位于动极板下部的两个动极板透光面的透光面积分别发生周期性变化（即余弦规律变化），通过光电效应，固定在其上的两个光敏接收单元获取发生同样周期性变化（反应动极板透光面的光通量变化）的电信号，并输出，经求差放大后得到一个按余弦规律变化，且反应动极板透光面的透光面积差动变化的光场耦合信号Uob；两个光场耦合信号Uoa、Uob经加法电路合成一路行波信号Uo，该行波信号Uo与一路相位固定的等频率参考信号Ur经整形电路整形后，由比相电路进行比相，两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经标度变换得到动极板相对于定极板的直线位移值。

定极板透光面的宽度、间距，动极板透光面的宽度、高度，以及位于动极板上的四个动极板透光面的设置位置，既方便了光敏接收单元安装，又能保证位于动极板上部（或者下部）的两个动极板透光面的最大透光面积和最大光通量相等，从而获得幅值按正弦（或者余弦）规律变化的光场耦合信号。将位于动极板上部（或者下部）的两个光敏接收单元的一个电势同极性端短接，该两个光敏接收单元的另外一个电势同极性端分别作为电信号输出端，其目的是为了方便对这两个光敏接收单元接收的反应动极板透光面的光通量变化的电信号进行求差运算，以保证测量精度。

进一步，所述发光器件为侧光光纤，其固定安装在定极板后方上、下部，相位相差90°的两个等幅等频正弦激励电源驱动两个半导体激光器照射两组侧光光纤，从而产生所述交变光源。

进一步，所述光敏接收单元为光电池或者贴片光敏二极管。

进一步，固定在动极板上部的两个光敏接收单元输出的所述电信号经第一差分放大电路求差后得到所述光场耦合信号Uoa，固定在动极板下部的两个光敏接收单元输出的所述电信号经第二差分放大电路求差后得到所述光场耦合信号Uob。

进一步，所述行波信号Uo与等频率参考信号Ur经整形电路整形成方波后，再进行比相，通过计算两个方波信号过零点的时间差来得到动极板相对于定极板的直线位移值。

本发明的技术方案是“时栅传感器的测量思想+磁栅和感应同步器的激励方式+光栅和旋转变压器的结构形式”。采用基于交变光场的驻波合成电行波的新方法，融合了现有的多种位移传感测量的优点。

本发明的有益效果是：采用光强按正弦和余弦规律变化的交变光源形成交变光场，在动极板移动过程中，光敏接收单元接收到的光通量发生变化，利用光电效应和差动方式将该变化转换为两路同频率的光场耦合信号，该两路信号叠加形成一个电行波信号，以高频时钟脉冲插补，计算得到动极板相对于定极板的直线位移值。其精度高、功耗低、成本低，且安装制作较容易。

附图说明

图1为本发明的分解示意图。

图2为本发明中动极板相对定极板运动的光通量变化示意图（去掉光敏接收单元）。

图3为本发明中动极板的结构示意图。

图4为本发明中发光器件的安装位置图。

图5为本发明中动极板上光敏接收单元的差动式测量连线原理图。

图6为本发明中光敏接收单元的电势极性端的连接关系图。

图7为本发明中行波信号Uo的合成电路原理图。

图8为本发明信号处理原理框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1、图2、图3、图4、图5所示的基于交变光场的时栅直线位移传感器，包括定极板2、动极板3、四个光敏接收单元4和两组发光器件，定极板2与动极板3相对平行设置，且留有0.4mm的间隙，四个光敏接收单元4采用四个相同型号的贴片光敏二极管（也可以采用相同型号的光电池），发光器件为侧光光纤1，一组侧光光纤1固定在定极板2后方上部，另一组侧光光纤1固定在定极板2后方下部，两组侧光光纤1之间通过覆盖有遮光材料的凸台22隔开（也可通过设置不透光隔板来隔开），两组侧光光纤1发出的光不会互相干扰。

采用玻璃作为基体，通过微机械加工方法制作用于遮光的“栅面”（相当于覆盖遮光材料），未覆盖的部分为透光面。在定极板2的基体的上表面覆盖遮光材料，使定极板2的上、下部各留下一排未覆盖遮光材料的呈矩形的定极板透光面21，每个定极板透光面21的宽度W为5.0mm，高度为10mm，每排定极板透光面21中，相邻两个定极板透光面21之间的间距G为5.0mm，定极板2上部的一排定极板透光面数目与其下部的一排定极板透光面数目相等，且起始位置相差2.5mm。

在动极板3的基体的上表面覆盖遮光材料，使动极板3的上部留下未覆盖遮光材料的第一动极板透光面31和第二动极板透光面32，使动极板3的下部留下未覆盖遮光材料的第三动极板透光面33和第四动极板透光面34，第一、第二、第三、第四动极板透光面的形状都为一条[0,π]区间的正弦曲线围成的区域，其宽度为5.0mm，高度为4.9mm，第一动极板透光面31和第二动极板透光面32与定极板2上部的一排定极板透光面21在前后方向上正对，第一动极板透光面31与第二动极板透光面32在动极板3的上部的排列方式为：第二动极板透光面32的起始位置在沿动极板宽度向右间隔第一动极板透光面31的起始位置的距离a为5.0mm，第二动极板透光面32的起始位置在沿动极板高度向下间隔第一动极板透光面31的起始位置的距离b为4.95mm。第三动极板透光面33和第四动极板透光面34与定极板2下部的一排定极板透光面21在前后方向上正对，第三动极板透光面33与第四动极板透光面34在动极板3的下部的排列方式为：第三动极板透光面33与第一动极板透光面31在沿动极板高度方向对齐，第四动极板透光面34与第二动极板透光面32在沿动极板高度方向对齐，第四动极板透光面34的起始位置在沿动极板宽度向右间隔第三动极板透光面33的起始位置的距离c为5.0mm，第四动极板透光面34的起始位置在沿动极板高度向下间隔第三动极板透光面33的起始位置的距离d为4.95mm。

四个光敏接收单元4分别为第一贴片光敏二极管41、第二贴片光敏二极管42、第三贴片光敏二极管43、第四贴片光敏二极管44，其都固定安装在动极板3上。第一贴片光敏二极管41的光电接收面将第一动极板透光面31完全覆盖，第二贴片光敏二极管42的光电接收面将第二动极板透光面32完全覆盖，第三贴片光敏二极管43的光电接收面将第三动极板透光面33完全覆盖，第四贴片光敏二极管44的光电接收面将第四动极板透光面34完全覆盖，参见图5、图6，第一贴片光敏二极管41的正极与第二贴片光敏二极管42的正极连接，第一贴片光敏二极管41的负极作为反应第一动极板透光面31的光通量变化的电信号Ua1的输出端，第二贴片光敏二极管42的负极作为反应第二动极板透光面32的光通量变化的电信号Ua2的输出端；第三贴片光敏二极管43的正极与第四贴片光敏二极管44的正极连接，第三贴片光敏二极管43的负极作为反应第三动极板透光面33的光通量变化的电信号Ub1的输出端，第四贴片光敏二极管44的负极作为反应第四动极板透光面34的光通量变化的电信号Ub2的输出端。

固定在定极板2后方上部的一组侧光光纤1为定极板2上部的一排定极板透光面21提供交变光源，该交变光源由正弦激励电源驱动一个半导体激光器发光照射该组侧光光纤1而产生，该交变光源在定极板2表面上部形成等间距（该间距为定极板透光面宽度）分布的一排交变光场，其光场强度为U_a＝U₀+U_msinωt（其中U₀为直流偏置分量）；固定在定极板2后方下部的一组侧光光纤1为定极板2下部的一排定极板透光面21提供交变光源，该交变光源由与上述正弦激励电源相差90°的等幅等频余弦激励电源驱动另一个半导体激光器发光照射该组侧光光纤1而产生，该交变光源在定极板2表面下部形成等间距（该间距为定极板透光面宽度）分布的一排交变光场，其光场强度为U_b＝U₀+U_mcosωt（其中U0为直流偏置分量）。

在动极板3从图2所示位置开始相对定极板2从左到右发生相对位移时，第一动极板透光面31的透光面积由大变小、再由小变大呈周期性变化，第二动极板透光面32的透光面积先由小变大、再由大变小呈周期性变化，与此相对应的第一贴片光敏二极管41输出的电信号Ua1和第二贴片光敏二极管42输出的电信号Ua2也随之相应地呈周期性变化。参见图7，第一贴片光敏二极管41的负极与第一差分放大电路5中的放大器U1(OPA277)的第3脚相连，第二贴片光敏二极管42的负极与第一差分放大电路5中的放大器U1(OPA277)的第5脚相连，输出信号与第一差分放大电路5中的另一放大器U2（OPA277）的第6脚和第5脚相连构成求差电路，并从放大器U2的第7脚输出光场耦合信号Uoa，其可表示为：

$\mathrm{Uoa}=\mathrm{KeUm}\sin \mathrm{\&omega;}t\sin \frac{\mathrm{\&pi;x}}{W}$

式中：Ke为光场耦合系数，x为动极板和定极板之间的相对位移，W为定极板透光面宽度，这里取值为5.0mm。

同样地，第三动极板透光面33的透光面积由小变大、再由大变小呈周期性变化，第四动极板透光面34的透光面积先由大变小、再由小变大呈周期性变化，与此相对应的第三贴片光敏二极管43输出的电信号Ub1和第四贴片光敏二极管44输出的电信号Ub2也随之相应地呈周期性变化。第三贴片光敏二极管43的负极与第二差分放大电路6中的放大器U3(OPA277)的第3脚相连，第四贴片光敏二极管44的负极与第二差分放大电路6中的放大器U3(OPA277)的第5脚相连，输出信号与第二差分放大电路6中的另一放大器U4（OPA277）的第6脚和第5脚相连构成求差电路，并从放大器U4的第7脚输出光场耦合信号Uob，其可表示为：

$\mathrm{Uob}=\mathrm{KeUm}\cos \mathrm{\&omega;}\cos \frac{\mathrm{\&pi;x}}{W}$

式中：Ke为光场耦合系数，x为动极板和定极板之间的相对位移，W为定极板透光面宽度，这里取值为5.0mm。

采用加法器U5（OPA277）构成的加法电路7对上述两路光场耦合信号Uoa和Uob进行处理，合成后的信号从加法器U5的第1脚输出，其数学表达式为：

$\begin{array}{c}\mathrm{Uo}=\mathrm{Uoa}+\mathrm{Uob}=\mathrm{KeUm}\sin \mathrm{\&omega;}t\sin \frac{\mathrm{\&pi;x}}{W}+\mathrm{KeUm}\cos \mathrm{\&omega;}t\cos \frac{\mathrm{\&pi;x}}{W}\\ =\mathrm{KeUm}\cos (\mathrm{\&omega;t}-\frac{\mathrm{\&pi;x}}{W})\end{array}$

式中：Ke为光场耦合系数，x为动极板和定极板之间的相对位移，W为定极板透光面宽度，这里取值为5.0mm。

参见图8，合成后的行波信号Uo与一路相位固定的等频参考余弦信号Ur接入整形电路处理，转换为等频的两路方波信号后，送入比相电路进行比相处理，利用高频时钟插补技术得到两路信号的相位差，经微处理器计算处理（即计算两个方波信号过零点的时间差）后即可得到动极板3相对于定极板2的直线位移值。

上述实施方式中，第一、第二、第三、第四动极板透光面的尺寸都相同，其高度根据实际情况选择，可以是小于1/2定极板透光面高度的其它数值，比如2mm、3mm、4mm等。第二动极板透光面32的起始位置沿动极板高度方向间隔第一动极板透光面31的起始位置的距离以及第四动极板透光面34的起始位置沿动极板高度方向间隔第三动极板透光面33的起始位置的距离也可以是大于第一、第二、第三、第四动极板透光面高度且小于5mm的其它数值，比如2.1mm、3.1mm、4.1mm等，根据不同型号贴片光敏二极管的封装情况选择。

Claims (5)

1.一种基于交变光场的时栅直线位移传感器，包括定极板（2）和动极板（3），定极板与动极板相对平行设置，且留有间隙，其特征在于：

所述定极板（2）的上、下部分别具有一排均匀分布的呈方形的定极板透光面（21），位于上部的一排定极板透光面的起始位置与位于下部的一排定极板透光面的起始位置相差1/2个定极板透光面宽度，在一排定极板透光面中，相邻两个定极板透光面之间的距离与一个定极板透光面宽度相等；所述定极板的后方上、下部分别设置有一组互不干扰的发光器件；

所述动极板（3）的上、下部分别具有两个呈半正弦形的动极板透光面，动极板透光面正对定极板透光面，动极板透光面的宽度与定极板透光面宽度相等，动极板透光面的高度小于1/2定极板透光面高度，位于动极板下部的两个动极板透光面与位于动极板上部的两个动极板透光面的排列方式相同，且起始位置对齐，位于动极板上部的两个动极板透光面的起始位置在沿动极板宽度方向间隔一个动极板透光面宽度，在沿动极板高度方向间隔的距离大于一个动极板透光面高度小于1/2定极板透光面高度；在动极板上固定有四个与动极板透光面对应的光敏接收单元（4），该光敏接收单元的光电接收面覆盖在动极板透光面上，固定在动极板上部的两个光敏接收单元的一个电势同极性端相短接，该两个光敏接收单元的另外一个电势同极性端分别作为电信号输出端，固定在动极板下部的两个光敏接收单元的一个电势同极性端相短接，该两个光敏接收单元的另外一个电势同极性端分别作为电信号输出端；

两组发光器件分别提供等幅等频光强按正弦、余弦规律变化的交变光源，该交变光源在定极板表面形成等间距分布的上、下两排光强按正弦、余弦规律变化的交变光场，动极板相对定极板移动，四个光敏接收单元输出反应动极板透光面的光通量变化的电信号，经求差后得到两个反应动极板透光面的透光面积差动变化的光场耦合信号Uoa、Uob，再经加法电路合成一路行波信号Uo，该行波信号Uo与一路相位固定的等频率参考信号Ur经整形电路整形后，由比相电路进行比相，两路信号的相位差由插补的高频时钟脉冲个数表示，再经标度变换得到动极板相对于定极板的直线位移值。

2.根据权利要求1所述的基于交变光场的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述发光器件为侧光光纤（1），其固定安装在定极板后方上、下部，由相位相差90°的两个等幅等频正弦激励电源驱动两个半导体激光器照射两组侧光光纤而产生所述交变光源。

3.根据权利要求1所述的基于交变光场的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述光敏接收单元（4）为光电池或者贴片光敏二极管。

4.根据权利要求1-3任一所述的基于交变光场的时栅直线位移传感器，其特征在于：固定在动极板（3）上部的两个光敏接收单元输出的所述电信号经第一差分放大电路（5）求差后得到所述光场耦合信号Uoa，固定在动极板（3）下部的两个光敏接收单元输出的所述电信号经第二差分放大电路（6）求差后得到所述光场耦合信号Uob。

5.根据权利要求1-3任一所述的基于交变光场的时栅直线位移传感器，其特征在于：所述行波信号Uo与等频率参考信号Ur经整形电路整形成方波后，再进行比相，通过计算两个方波信号过零点的时间差来得到动极板相对于定极板的直线位移值。