CN1058332C

CN1058332C - 偏振光直线位移检测方法和传感器

Info

Publication number: CN1058332C
Application number: CN 98106753
Authority: CN
Inventors: 李伟
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 1998-03-26
Filing date: 1998-03-26
Publication date: 2000-11-08
Anticipated expiration: 2018-03-26
Also published as: CN1193727A

Abstract

一种偏振光直线位移检测方法和传感器，将被测量的直线位移X，通过机械转换机构，转换为与之具有某种函数关系的角位移θ，θ在偏振光检测系统中构成起偏器与检偏器透光轴间的夹角，θ与透过检偏器的光强I的关系即I＝Iocos²θ，Io为光源强度，经光电变换的电信号V_i也是θ与X的函数，将V_i经电子线路处理，得到一个与X成正比的输出电信号V_o。本发明用机械结构来校正光学部分固有的非线性，灵敏度高，动态范围大，电子线路简化。

Description

偏振光直线位移检测方法和传感器

本发明涉及以采用光学方法为特征的计量设备，是一种偏振光直线位移检测方法和传感器。

在背景技术领域中，直线位移是一个基本的物理量，除常规的需直接测量的位移量外，有许多的物理量也往往通过转换成位移而得以检测，所以直线位移传感器在工业应用中量大而面广。现有直线位移传感器中最有代表性的、应用最多的当属电位器式位移传感器和电感(包括差动变压器)式位移传感器。电位器式位移传感器的结构简单，价格低廉，但它属于典型的接触式传感器，它的寿命期限、可靠性和精度都偏低。电感式或差动变压器式位移传感器具有非接触式传感器的优点，其缺点则是结构和电路相对复杂，特别是随着量程的增加，必需增加线圈架的长度，并要求线圈均匀绕制，导致其价格偏高而量程有限。

本发明的目的是：提供一种传感部分为非接触式的偏振光检测系统，适合于大量程、直线位移量检测的偏振光直线位移检测方法和传感器，弥补背景技术中存在的问题。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：将被测量的直线位移X，通过机械转换机构，转换为与之具有某种函数关系的角位移θ，此角位移θ在偏振光检测系统中则构成了偏振光之起偏器与检偏器透光轴间的夹角，根据光学上的马吕斯定律，角位移θ与透过检偏器的光强I之间具有确定的关系即I＝I_ocos²θ，其中I_o为光源强度，通过光电变换电路接收光强I并得到电信号V_i，它也是角位移θ与直线位移X的函数，再将电信号V_i经过电子线路的处理，最终得到一个与直线位移X成正比的输出电信号V_o。

由于光学检测系统具有固有的非线性，为了得到线性的输入输出关系，必须对这一非线性的系统误差进行校正，本发明是在机械转换机构中，预先设置一个角位移θ与直线位移x之间的非线性函数关系，对偏振光检测系统的非线性实行预校正，从而得到直线位移x与光强I之间的线性输入输出关系。

上述偏振光直线位移检测方法的传感器其结构是它包括：

1).机械转换机构：包括装在支架上的位移连杆，两根等长的连杆，弹簧，半径为R的主动轮，半径为2R的从动轮。位移连杆的一端与一根连杆的一端在o″点相互铰接，一根连杆的另一端与另一根连杆的一端在o′点相互铰接，另一根连杆的另一端与半径为R的主动轮在圆心o点相互铰接，两根等长的连杆间装有弹簧，两根等长的连杆的相互铰接点o′和位移连杆与一根连杆的相互铰接点o″能随位移连杆的移动而移动，半径为R的主动轮半径为2R的从动轮相啮合，主动轮能带动从动轮转动；

2).偏振光检测系统：包括发光元件，起偏器，检偏器；起偏器的一侧装有发光元件，起偏器和检偏器与从动轮同轴安装，检偏器一侧装有光电转换电路；

3).光电转换电路：包括装在检偏器另一侧的光电元件；

4).电子线路：包括电阻R₁、R₂、R₃、R_i、R_f，运算放大器；光电元件的两输出端并联电阻R_i后分别经电阻R₂、R₃后接运算放大器的两输入端，参考电压信号V₃串联电阻R₁、R_f后接运算放大器的输出端，电阻R₁、R_f间接运算放大器的一输入端，电阻R₁与R₃的公共端接地。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

1.传感部分为非接触的偏振光测量，结构简单，运行可靠，使用寿命长；

2.其检测方法和传感器适合较大量程位移的测量；

3.传感器为光、机、电的结合体，用机械结构来校正光学部分固有的非线性，使灵敏度均匀，动态范围增大，电子线路得到简化，性能价格比提高。

附图说明：

图1.本发明的检测方法原理示意图；

图2.偏振光检测原理图；

图3.马吕斯定律曲线图；

图4.本发明的传感器结构原理示意图。

下面结合附图，通过对实施例的描述给出本发明的细节。

如图1所示，将被测量的直线位移x，通过机械转换机构1转换为与之具有某种函数关系的角位移θ，此角位移θ在偏振光学检测系统2中，则构成了偏振光之起偏器P₁与检偏器P₂透光轴之间的夹角(如图2所示，图2中θ分别为0°和90°)，根据光学上的马吕斯定律，角位移θ与透过检偏器P₂的光强I之间具有确定的关系(如图3所示)即：

I＝I_ocos²θ (1)

式中：I_o-光源强度当将角位移θ预置45°时，可获得较好的线性工作区域，并成立下式的关系即：I＝I_ocos²(45°+θ)＝(1/2)I_o〔1-sin² θ〕 (2)偏振光检测系统2中的光强I在光电变换电路3中产生并输出一个与之成正比的电信号V_i，V_i是光强I、角位移θ、直线位移X的函数或复合函数，V_i经电子线路4进行信号放大、运算、光强误差校正、非线性校正等处理后，输出一个与被测直线位移X成正比的电信号V_o，完成整个测量过程。

在机械转换机构1中，也可预光设置一个角位移θ与直线位移X之间的非线性函数关系，特别地，机械机构使X与2θ之间具有反正弦函数关系，则以角位移θ为输入的偏振光学检测系统2将输出一个与直线位移X之间具有线性关系的光强I，这就使θ角的动态范围和X量程增大，也使电路处理得以简化。

如图4所示为本发明直线位移传感器的结构原理示意图，在机械转换机构中，位移连杆5的一端与连杆6的一端在O″点相互铰接，连杆6的另一端与另一连杆8的一端在o′相互铰接，另一连杆8的另一端与半径为R的主动轮9在主动轮圆心O点相互铰接。两根等长为r的连杆在o、o′、o″三点具有旋转自由度，与位移连杆X方向的轴线始终组成一等腰三角形o、o′o″，o′、o″点随位移X是可动的，o点则是固定的，以o点为圆心R为半径的主动轮9随连杆8转动(相对轴线A的转角为θ′)，经齿轮啮合或摩擦传动将转动传递给半径为2R的从动轮10，从动轮10相应的转角将是θ＝θ′/2，两连杆6、8间装有弹簧7、用弹簧7保证两连杆6、8对轴线A′的对称性，由几何关系可得，sinθ′＝(X/2)/r，即位移X＝2rsin2θ，所以有：

sin2θ＝(1/2r)X (3)

式中：r-为两等长连杆的长度

在偏振光检测系统2中，若检偏器P₂(或起偏器P₁)与半径为2R的从动轮同轴转动，起偏器P₁(或检偏器P₂)相对固定，则由位移X引起的起偏器P₁、检偏器P₂透光轴之间的夹角(设预置角为45°)也为θ角，根据马吕斯定律，发光元件D_f(如发光二极管、发光三极管)发出的光强为I_o的光束，在经过起偏器P₁后成为线偏振光，该偏振光束在经过检偏器P₂后为光电变换电路3中的光电元件D_g(如光电二极管，光电三极管)所接收，接收到的光强I由(2)式决定，将(3)式代入(2)式即可得到：

I＝(I_o/2)-(I_o/4r)X (4)其中右边第一项在光强I。稳定时为常量，第二项即光强I的增量与位移量X成正比。也即光强I对直线位移X在全量程范围均具有均匀的灵敏度。光电变换电路3通过电子线路4中的电阻R_i输出一个电信号V_i，这一变换通常认为是线性的。

在电子线路4中，运算放大器A_m和电阻R₁、R₂、R₃、R_i、R_f组成一个带平衡输入的放大电路，电阻R₁将参考电压信号V₃引入放大电路以平衡(4)式右边第一项产生的电信号，与直线位移成比例的电信号部分则由电阻R₂引入放大电路放大并输出电信号V。电阻R_f为反馈电阻，电阻R₃为平衡电阻。

Claims

1.一种偏振光直线位移检测方法，其特征是：将被测量的直线位移X，通过机械转换机构[1]，转换为与之具有函数关系的角位移θ，此角位移θ在偏振光检测系统[2]中则构成了偏振光之起偏器与检偏器透光轴间的夹角，根据光学上的马吕斯定律，角位移θ与透过检偏器的光强I之间具有确定的关系即I＝I_ocos²θ，其中I_o为光源强度，通过光电变换电路[3]接收光强I得到电信号V_i，它也是角位移θ与直线位移x的函数，将电信号V_i经过电子线路[4]的处理，最终得到一个与直线位移X成正比的输出电信号V_o。

2.根据权利要求1所述的偏振光直线位移检测方法，其特征是：在机械转换机构[1]中预先设置一个角位移θ与直线位移X之间的非线性函数关系，对偏振光检测系统的非线性实行预校正，从而得到直线位移X与光强I之间的线性输入输出关系。

3.根据权利要求1所述的偏振光直线位移检测方法的传感器，其特征是它包括：

1).机械转换机构[1]：包括装在支架上的位移连杆[5]，两根等长的连杆[6]、[8]，弹簧[7]，半径为R的主动轮[9]，半径为2R的从动轮[10]；位移连杆[5]的一端与一根连杆[6]的一端在o″点相互铰接，一根连杆[6]的另一端与另一根连杆[8]的一端在o′点相互铰接，另一根连杆[8]的另一端与半径为R的主动轮[9]在圆心o点相互铰接，两根等长的连杆[6]、[8]间装有弹簧[7]，两根等长的连杆的相互铰接点o′和位移连杆[5]与一根连杆[6]的相互铰接点o″能随位移连杆[5]的移动而移动，半径为R的主动轮[9]与半径为2R的从动轮[10]相啮合，主动轮[9]能带动从动轮[10]转动；

2).偏振光检测系统[2]：包括发光元件[11]，起偏器[P₁]，检偏器[P₂]；起偏器[P₁]的一侧装有发光元件[11]，起偏器[P₁]和检偏器[P₂]与从动轮[10]同轴安装，检偏器[P₂]一侧装有光电转换电路[3]；

3).光电转换电路[3]：包括装在检偏器[P₂]另一侧的光电元件[D_g]；

4).电子线路[4]：包括电阻R₁、R₂、R₃、R_i、R_f，运算放大器[A_m]；光电元件[D_g]的两输出端并联电阻R_i后分别经电阻R₂、R₃接运算放大器[A_m]的两输入端，参考电压信号V₃串联电阻R₁、R_f后接运算放大器[A_m]的输出端，电阻R_o1、R_f间接运算放大器[A_m]的一输入端，电阻R_i、R₃的公共端接地。