CN108692659B - 使用位置敏感检测器的线性位移传感器 - Google Patents

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Abstract

一种位置感测装置，其包括框架、引导支承件、运动元件、位置敏感检测器、光源和位置指示发射器。运动元件被引导支承件沿测量轴线方向在测量范围内引导。光源被配置为发出源光。位置指示发射器与运动元件一起移动。位置指示发射器包括发射器材料，该发射器材料吸收源光并从发射器材料输出激发光，以便在位置敏感检测器上形成测量光点。测量光点沿着位置敏感检测器的感测轴线方向与运动元件沿着测量轴线方向的位置相对应地移动。位置敏感检测器响应于测量光点输出至少一个信号，该至少一个信号指示运动元件沿着测量轴线方向的位置。

Description

使用位置敏感检测器的线性位移传感器
技术领域
本发明涉及线性位移传感器，并且更具体地涉及使用位置敏感检测器产生期望的测量信号的线性位移构造。
背景技术
已知多种位移传感器，其使用线性可变差分变压器(LVDT)提供指示位置的信号。该LVDT类型的系统可以被视为能够精确或超精确测量(例如，具有一微米的水平的精度，或者更好的精度)，特别是在有限的测量范围内(例如10mm或5mm或更小)上。LVDT可以使用主螺线管线圈，其在两个次级螺线管线圈中产生感应电流，并且每个次级线圈中的电流的大小取决于在线圈内轴向移动的铁磁芯的位置。当次级线圈以反向串联连接时，铁磁芯的位置可以基于得到的差分信号来确定。
在一些应用中，期望提供一种以与LVDT型传感器类似的精确方式提供线性位移信号的光学位移传感器。这种类型的一个现有技术系统在授予Delmas的美国专利第4,338,722号('722专利)中公开，该专利通过引用以其整体并入本文。'722专利公开了具有光源的传感器、包括两个光接收器检测器的检测器和具有开口的移动杆，以将来自光源的光传输到检测器。移动杆在两个引导件之间滑动。作为消除对杆的机械间隙的测量敏感度的手段，移动杆上的开口之上的盖被设计为与杆端处的接触末端相对于两个引导件之间的中心点基本对称。然而，'722专利没有认识到可能与光源相关联的某些错误。因此，'722专利的装置可能遭受不希望的信号非线性和/或准确度误差。
在授予Kaufmann等人的美国专利第4,812,635号('635专利)中公开了一种先进的光源配置，其提供了用于位置感测设备中的均匀照明的器件。'635专利的装置包括光源、两个光电二极管和具有孔径的移动光圈。两个光电二极管产生由从光源通过光圈上的孔径传递给这两个光电二极管的光的位置确定的信号。用于均匀照明的器件包括沿着光学路径的校正滤光器，在优选实施例中该校正滤光器包括使用光源以其标称间隔曝光的胶片负片。这种自定义滤光器输出标称上具有均匀强度的照明。然而，尽管'635专利提供了沿测量轴线强度均匀的源光，但可能与光源相关联的某些其他错误仍未被认识到。因此，与'635专利一样，'722专利的装置也可能遭受不希望的信号非线性和/或准确度误差。
期望提供一种精确的光学位置感测装置，其比上述那些装置更简单且成本更低，并且提供改进的线性度和/或准确度(例如，相对于'635和'722专利的装置)。
发明内容
提供本发明内容用于以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的概念的选集。本发明内容并非旨在确定所要求保护的主题的关键特征，也并非旨在用于帮助确定所要求保护的主题的范围。
位置感测装置包括框架、引导支承件、运动元件、位置敏感检测器、光源和位置指示发射器。引导支承件相对于框架固定。运动元件被引导支承件沿测量轴线方向在测量范围内引导。位置敏感检测器相对于框架固定并且包括光电检测器，该光电检测器被配置为提供响应于沿着位置敏感检测器的感测轴线方向的光点位置的输出。光源被配置为沿源光路径发出包括第一波长范围的源光，该光源至少包括光产生部分。位置指示发射器相对于运动元件固定并与运动元件一起移动。位置指示发射器包括发射器材料，该发射器材料吸收第一波长范围内的光，并且通过输出在发射器材料内产生的激发光而作出响应，所产生的激发光包括第二波长范围。无论运动元件在测量范围内的位置如何，位置指示发射器均被定位为接收沿着源光路径的源光，并且沿着测量光点路径输出激发光，以便在位置敏感检测器上形成测量光点。对应于运动元件沿着测量轴线方向的位置，测量光点沿着位置敏感检测器的感测轴线方向移动。位置敏感检测器响应于测量光点输出至少一个信号，并且所述至少一个信号指示运动元件沿着测量轴线方向的位置。
附图说明
结合附图参考以下详细描述，本发明的前述方面和许多附带优点将更易于理解，并且将被更好地理解，在附图中：
图1A和图1B是垂直于位置感测装置的第一实施方式的测量轴线方向的示意性横截面视图的示意图；
图2是垂直于位置感测装置的第二实施方式的测量轴线方向的示意性横截面视图的示意图；和
图3是垂直于位置感测装置的第三实施方式的测量轴线方向的示意性横截面视图的示意图。
具体实施方式
图1A和图1B是垂直于位置感测装置100的第一实施方式的测量轴线方向的示意性横截面视图的图。图1B示出了图1A的放大部分。位置感测装置100包括框架110、引导支承件120、运动元件130、位置敏感检测器140、光源150、位置指示发射器160、信号处理和控制部分170以及连接器180。在一些实施方式中，位置敏感检测器140和信号处理和控制部分170可以被承载在和/或连接到电路板(或柔性印刷)175上，该电路板与位置感测装置100的各个元件互连。
引导支承件120相对于框架110固定。运动元件130被引导支承件120沿测量轴线方向MA在测量范围MR内引导。位置敏感检测器140相对于框架110固定(例如，通过电路板175固定)，并且包括光电检测器141，该光电检测器141被配置为提供响应于沿着位置敏感检测器140的感测轴线方向SA的光点(light spot)位置的输出。光源150包括可通过电力连接件152连接到电路板175的光产生部分151(例如，激光二极管、VCSEL或LED等)。光源150被配置为沿源光路径SLP输出包括第一波长范围的源光153。在各种实施方式中，光源可以相对于框架110固定(例如，通过将其安装到框架或电路板175)。在图1A和图1B所示的实施方式中，源光路径沿着测量轴线方向MA被导向，并且包括偏转元件155，所述偏转元件安装在运动元件130上并包括反射表面，该反射表面将源光路径朝向位置指示发射器160转向。
位置指示发射器160相对于运动元件130被固定(例如，其被固定到偏转元件155的表面)并且与运动元件130一起移动。在该实施方式中，位置指示发射器160特别简单，并且包括发射器材料162(例如，固定到偏转元件155的表面的荧光体填充树脂等)，该发射器材料162吸收第一波长范围内的光，并通过输出在发射器材料162内产生的激发光163而进行响应。产生的激发光163包括第二波长范围。无论运动元件130在测量范围MR内的位置如何，位置指示发射器160都被定位为接收沿着源光路径SLP的源光153，并且沿着测量光点路径MSP输出激发光163，从而在位置敏感检测器140上形成测量光点MS。在该实施方式中，发射器材料162的尺寸可以相对较小，并且，发射器材料162与位置敏感检测器140之间的距离较小，使得即使在没有沿着测量光点路径MSP的限制孔径或透镜的情况下，测量光点MS的尺寸也保持为较小的。位置敏感检测器140还包括滤光器142，滤光器142被配置为使第二波长范围通过，并且阻挡来自检测的其他不需要的波长，包括阻挡源光153中的至少第一波长范围。
对应于运动元件130沿着测量轴线方向MA的位置，测量光点MS沿着位置敏感检测器140的感测轴线方向SA移动。位置敏感检测器140响应于测量光点MS输出至少一个信号，并且，该至少一个信号指示运动元件130沿着测量轴线方向MA的位置。连接器180被配置为将输出线181连接到信号处理和控制部分170。信号处理和控制部分170被配置为基于来自位置敏感检测器140的至少一个信号将位置指示信号输出到主机系统、显示器等。
在各种实施方式中，发射器材料162可以包括一种或多种常规的磷光体(phosphor)材料，诸如YAG-Ce+基的磷光体、或光致发光半导体纳米颗粒或纳米晶体、或Q颗粒磷光体(通常称为量子点或半导体量子点)、或氧化锌纳米棒等。
应理解，发射器材料162提供了在测量范围MR上维持相对均一的强度的测量光点MS。结果，由测量光点MS内的强度变化引起的不期望的误差可显着减小。
在各种实施方式中，位置敏感检测器可以是输出两个差分信号的位置敏感检测器，并且，两个信号之间的关系可以指示运动元件沿着测量轴线方向的位置。例如，在一个实施例中，该位置可以由关系(A-B)/(A+B)指示，其中A和B是差分信号。这种关系往往对测量光点MS中的平均功率的变化相对不敏感。通过美国专利第7,894,079号可以理解这种位置敏感检测器的操作，其全部内容通过引用并入本文。
图2是类似于图1B的图，示出了可用于代替图1B中所示的元件的元件布置。特别地，图2是垂直于位置感测装置200的第二实施方式的测量轴线方向的示意性横截面视图的图。除非另有说明，图2中的具有与图1A和1B中的1XX系列标号相同的“XX”后缀的各种2XX系列标号可以表示相似或相同的元件。因此，通常可以通过类比于图1A和图1B来理解位置感测装置200的操作，并且这里将仅描述操作的某些方面和/或差异。
图2和图1B之间的主要区别在于位置指示发射器260比位置指示发射器160包括更多的元件，包括执行类似于滤光器142的功能的滤光器242，滤光器142被描述为位置敏感检测器140的一部分。
如图2所示，位置感测装置200包括位置指示发射器260，其包括发射器材料262、梯度折射率透镜264和滤光器242。在图2所示的实施方式中，源光路径SLP沿着测量轴线方向MA被导向，并且包括安装在运动元件230上并包括反射表面的偏转元件255，该反射表面将源光路径SLP朝向位置指示发射器260转向。
位置指示发射器260相对于运动元件230固定，并且在该实施方式中是组件。在所示的实施方式中，位置指示发射器260包括固定到梯度折射率透镜264的输入表面的发射器材料262(例如，磷光体填充树脂等)，并且，滤光器242固定到梯度折射率透镜264的输出表面。类似于先前的描述，发射器材料262吸收第一波长范围内的源光253，并响应为通过梯度折射率透镜264输出在发射器材料262内产生的激发光263，梯度折射率透镜264至少部分地将激发光263沿着测量光点路径MSP聚焦，以便在位置敏感检测器240上形成测量光点MS。产生的激发光263包括第二波长范围。滤光器242被配置为使第二波长范围通过并且阻挡来自检测的其他不需要的波长，包括阻挡源光153中的至少第一波长范围。无论运动元件230在测量范围MR内的位置如何，位置指示发射器260都被定位为接收沿着源光路SLP源光253，并且沿着测量光点路径MSP输出激发光263，从而在位置敏感检测器240上形成测量光点MS。
图3是垂直于位置感测装置300的第三实施方式的测量轴线方向的示意性横截面视图的图。除非另有说明，图3中的具有与图1A和1B中的1XX系列标号相同的“XX”后缀的各种3XX系列标号可以表示相似或相同的元件。因此，通常可以通过类比于图1A和图1B来理解位置感测装置300的操作，并且这里将仅描述操作的某些方面和/或差异。
与位置指示发射器160和位置敏感检测器140相比，图3和图1B之间的主要区别在于，位置指示发射器360更加远离位置敏感检测器340。因此，沿着测量光点路径MSP增设聚焦透镜配置390，以至少部分地将激发光363沿着测量光点路径MSP聚焦，以便在位置敏感检测器340上形成期望尺寸的测量光点MS。在一些实施方式中，聚焦透镜配置390可以包括限光孔径(未示出)，其根据已知原理阻挡激发光363中的不需要的光线，并且有助于控制测量光点MS的尺寸。在一些实施例中，聚焦透镜配置390可以包括远心(telecentric)成像配置，其根据已知的远心成像原理将位置指示发射器360(例如，发射器材料362)成像到位置敏感检测器340上，以形成测量光点MS。
此外，位置感测装置300可被理解为与位置感测装置100类似地操作。
位置指示发射器360被定位为接收沿着源光路径SLP的源光353，并且沿测量光点路径MSP输出激发光363，聚焦透镜配置390被配置为沿着测量轴线方向是足够大的，使得它可以在位置敏感检测器340上形成测量光点MS，而不管运动元件330在测量范围MR内的位置如何。
虽然已经说明和描述了本公开的优选实施方式，但是基于本公开，对于本领域技术人员而言，所示出和描述的特征布置和操作序列中的许多变化是显而易见的。可以使用所公开的元件和/或操作的各种替代形式和组合来实现本文公开的原理。例如，取决于位置感测装置的尺寸，可以使用附加的偏转器或反射器来在不同方向上使源光路径和/或测量光点路径转向，并且光源和位置敏感检测器和/或其他部件可以相应地重新定向和/或重新定位。在一些实施方式中，光源可以在位置感测装置外部由在光产生器的内部布置的和/或外部延伸的光纤元件的端部提供。位置敏感检测器可以包括位置感测阵列、或包括成形的掩模或孔径的光电检测器，其根据测量光点相对于成形的掩模或孔径的位置来阻挡测量光点的一部分。
上面描述的各种实施实施方式可以被组合以提供另外的实施方式。本说明书中提到的所有美国专利和美国专利申请通过引用以其整体并入本文。如果需要采用各个专利和申请的概念，则可以修改实施方式的方面以提供另外的实施方式。
根据以上详细描述，可以对这些实施方式做出这些和其他改变。整体上，在随附的权利要求中，所使用的术语不应该被解释为将权利要求限制为说明书中公开的具体实施例，而是应该被解释为包括所有可行的实施方式以及包括这样的权利要求有权享有的等同物的全部范围。

Claims (7)

1.一种位置感测装置，包括：
框架；
引导支承件，其相对于所述框架固定；
运动元件，其被所述引导支承件沿测量轴线方向在测量范围内引导；
位置敏感检测器，其相对于所述框架固定并且包括光电检测器，所述光电检测器被配置为提供响应于沿着所述位置敏感检测器的感测轴线方向的光点位置的输出；
光源，其被配置为沿源光路径发出包括第一波长范围的源光，所述光源至少包括光产生部分；和
位置指示发射器，其相对于所述运动元件固定并与所述运动元件一起移动，其中：
所述位置指示发射器包括发射器材料，所述发射器材料吸收所述第一波长范围内的光，并且通过输出在所述发射器材料内产生的激发光而进行响应，所产生的激发光包括第二波长范围；
无论所述运动元件在所述测量范围内的位置如何，所述位置指示发射器被定位为接收沿着所述源光路径的源光，并且沿着测量光点路径输出激发光，以便在所述位置敏感检测器上形成测量光点；
所述测量光点沿着所述位置敏感检测器的感测轴线方向与所述运动元件沿着所述测量轴线方向的位置相对应地移动；并且
所述位置敏感检测器响应于所述测量光点输出至少一个信号，并且，所述至少一个信号指示所述运动元件沿着所述测量轴线方向的位置。
2.根据权利要求1所述的位置感测装置，其中，所述发射器材料包括磷光体材料、光致发光半导体纳米颗粒、纳米晶体、量子点或纳米棒中的一种。
3.根据权利要求1所述的位置感测装置，其中，所述位置指示发射器包括梯度折射率透镜，所述梯度折射率透镜被布置成聚焦所述激发光以在所述位置敏感检测器上形成测量光点。
4.根据权利要求1所述的位置感测装置，还包括透镜，所述透镜在所述位置敏感检测器和所述位置指示发射器之间固定到所述框架，所述透镜被配置为聚焦所述激发光以在所述位置敏感检测器上形成测量光点。
5.根据权利要求1所述的位置感测装置，还包括滤光器，所述滤光器被配置成从在所述位置敏感检测器上的所述测量光点中过滤所述源光。
6.根据权利要求5所述的位置感测装置，其中，所述滤光器是所述位置指示发射器的一部分。
7.根据权利要求5所述的位置感测装置，其中，所述滤光器是所述位置敏感检测器的一部分。
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