CN109916311A - 标尺光栅及光栅尺位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种光栅尺位移传感器及标尺光栅。其中，光栅尺位移传感器包括光源模块、光栅尺主体、光信号检测器及信号处理器。光源模块与光信号检测器位于光栅尺主体延光纤长度方向的两端，且光栅尺主体、光源模块与光信号检测器位于同一水平面上；光信号检测器设置在被测机械的直线导轨，且随着直线导轨做直线运动。光栅尺主体包括多条呈条形阵列分布的光纤，且相邻光纤的外侧壁相紧贴；光信号检测器用于采集光源模块输出光线经各光纤传输后出射的携带脉冲波动信息的光信号；信号处理器根据在被测机械移动过程中接收到脉冲波动信息的总个数计算被测机械的位移值。本申请降低了光栅尺制造工艺难度和生产成本，且信号处理电路更为简单。

Description

标尺光栅及光栅尺位移传感器

技术领域

本发明实施例涉及位置测量技术领域，特别是涉及一种标尺光栅及光栅尺位移传感器。

背景技术

随着光学技术的快速发展，光学测量技术也得到了相应的发展，光栅尺位移传感器，简称光栅尺，广泛应用于数控机床的闭环伺服系统的机械角位移或直线位移的测量中。

光栅尺位移传感器为利用光栅光学原理工作的精密测量反馈装置，包括标尺光栅和光栅读数头，通常标尺光栅固定在机床活动部件上，光栅读数头装在机床固定部件上，指示光栅装在光栅读数头中。目前，公知的用来精密测量物体的移动位移的工具的光栅尺主要包括增量式和绝对式两种。由于绝对式光栅尺不需要寻找参考原点，在断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量，无需进行归零；且测量精度高、抗干扰能力强、稳定性高、绝对编码范围大，可测量较大量程的线性位移，还可以进行非线性修正，所以绝对式光栅尺作为位置测量工具在工业中的应用越来越广。

传统的绝对式光栅尺位移传感器的制作方法大多使用加工工序复杂且生产成本昂贵的光刻法，并且使用带有绝对位置信息的绝对码道和用来产生细分位置信息的增量码道的方法来提高测量的精度。不仅加工工序复杂，效率降低，而且生产成本也十分昂贵。此外，在进行测量时，由于采用了带有绝对位置信息的绝对码道和用来产生细分位置信息的增量码道的方法来提高测量的精度，所以需要设置较多的光电接收元器件以接收增量码道入射的参考信号，这样使得整个信号处理电路较复杂，且要在信号处理过程当中进行平均作用消除噪声，电路处理信号难度较大。

发明内容

本公开实施例提供了一种光栅尺位移传感器及标尺光栅，不仅降低了光栅尺制造工艺难度和生产成本，信号处理电路更为简单，而且不需要寻找参考原点，在断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量。

为解决上述技术问题，本发明实施例提供以下技术方案：

本发明实施例一方面提供了一种标尺光栅，应用于光栅尺位移传感器，包括直尺型固定支架和多条光纤；

所述直尺型固定支架的上表面贴合排列呈条状阵列分布的多条光纤，相邻光纤的外侧壁相紧贴，且各光纤的光轴所在平面与所述上表面相平行；入射至各光纤的光信号经过光纤传输后出射携带脉冲波动信息的光信号，以用于信号处理器统计在被测机械移动过程中接收到脉冲波动信息的总个数计算所述被测机械的位移值。

可选的，各光纤的规格、型号均相同。

可选的，各光纤的端面与所述直尺型固定支架的端面相平齐。

本发明实施例另一方面提供了一种光栅尺位移传感器，包括光源模块、光栅尺主体、光信号检测器及信号处理器；

其中，所述光源模块与所述光信号检测器位于所述光栅尺主体延光纤长度方向的两端，且所述光栅尺主体、所述光源模块与所述光信号检测器位于同一水平面上；所述光信号检测器设置在被测机械的直线导轨，且随着所述直线导轨做直线运动；所述信号处理器与所述光信号检测器相连；

所述光栅尺主体包括多条呈条状阵列分布的光纤，且相邻光纤的外侧壁相紧贴；所述光信号检测器用于采集所述光源模块输出光线经各光纤传输后出射的携带脉冲波动信息的光信号；所述信号处理器用于根据在所述被测机械移动过程中接收到脉冲波动信息的总个数计算所述被测机械的位移值。

可选的，所述光源模块包括一个发光源和光线分束装置；

所述光线分束装置用于将所述发光源出射的光线均分为多束子光束后投射至相应光纤内，子光束的总个数与所述光栅尺主体中的光纤总根数值相同。

可选的，所述光源模块包括多个相同的发光源，发光源的总个数与所述光栅尺主体中光纤总根数值相同；各发光源出射光线至所述光栅尺主体相应的光纤内。

可选的，所述光源模块输出进入单根光纤的光线的发光面积不大于相应光纤的截面面积。

可选的，所述信号处理器为包括第一转换电路和第二转化电路的FPGA板卡；

其中，所述第一转换电路用于将所述光信号转化为相应的数字脉冲信号；

所述第二转化电路用于统计数字脉冲信号的变化量，并根据所述数字脉冲信号的变化量计算所述被测机械的位移值。

可选的，所述光栅尺主体包括多个子光栅尺，相邻子光栅尺的首尾光纤形成光通路。

可选的，还包括与所述信号处理器相连的角度值反馈模块；

所述角度值反馈模块用于将所述信号处理器计算得到的位移值发送至所述被测机械的控制系统。

本申请提供的技术方案的优点在于，通过多条呈条状阵列且相邻光纤紧密排列的光纤结构代替传统光栅尺上的光栅，由于光纤的尺寸可以做到很小且制造工艺难度较小，从而可降低整个光栅尺的尺寸、制造工艺难度及生产成本，还有利于光栅尺小型化；在被测机械移动过程中，光信号检测器随着移动并接收到各光纤出射的光信号，然后利用信号处理器根据被测机械移动过程中接收到的脉冲波动信息总个数计算计算得到其精确的直线位置值，信号处理器的实现电路只需统计光信号携带脉冲波动信息总个数然后经过简单计算得到被测机械位移值，该信号处理电路易于实现，且结构也更为简单。此外，该光栅尺位移传感器不需要寻找参考原点，在其断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量。

应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本公开。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或相关技术的技术方案，下面将对实施例或相关技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的光栅尺主体的一种实施方式下的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的光栅尺位移传感器的一种实施方式下的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的光信号检测器的一种实施方式下的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的光栅尺主体拼接的一种实施方式下的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”“第四”等是用于区别不同的对象，而不是用于描述特定的顺序。此外术语“包括”和“具有”以及他们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可包括没有列出的步骤或单元。

在介绍了本发明实施例的技术方案后，下面详细的说明本申请的各种非限制性实施方式。

首先参见图1，图1为本发明实施例提供的标尺光栅在一种具体实施方式下的结构示意图，作为光栅尺位移传感器的光栅尺主体，本发明实施例可包括以下内容：

标尺光栅包括多条呈条状阵列分布的光纤1组成，且相邻光纤1的外侧壁相紧贴。也就是说，每两根相邻光纤1具有共同的切面。

为了便于后续信号处理，降低信号处理难度，组成标尺光栅的各光纤1的型号、规格可均相同，也即标尺光栅可为由多条参数完全相同、相互接触的光纤构成。

可以理解的是，多条光纤需要在承载装置进行排列，承载装置可为直尺型固定支架0，可将多条光纤1层条状阵列分布在直尺型固定支架0的任何一个外表面上，一般来说设置光纤的面为直尺型固定支架0的上表面，且各光纤1的光轴组成的平面与直尺型固定支架0的上表面相平行。

可选的，为了使得光信号可完全准确通过光纤，可设置每条光纤1的端面与直尺型固定支架0的端面相平齐。

在本实施例中，直尺型固定支架0不随被测机械运动而运动，且直尺型固定支架0平行于被测机械的直线导轨。制备直尺型固定支架0可为任何一种材料，且直尺型固定支架0的结构参数，例如径向长度、宽度、厚度等参数可根据具体应用场景和用户需求进行设置。随着光纤束的固定支架径向长度的增大，光栅尺的分辨率也会相应提高。

需要说明的是，本实施例中的所有光纤都是贴合于直尺型固定支架0的，“条状阵列分布”具体是指当直尺型固定支架0上所有的光纤1均固定好后，直尺型固定支架0垂直于水平面的截面上包括多个光纤的圆形(或椭圆形、或类圆形)截面，且任何一个光纤的截面与相邻的两个光纤的截面相接触，如图1所示。

在本发明实施例提供的技术方案中，通过多条呈条状阵列且相邻光纤紧密排列的光纤结构代替传统光栅尺上的光栅，由于光纤的尺寸可以做到很小且制造工艺难度较小，从而可降低整个光栅尺的尺寸、制造工艺难度及生产成本，还有利于光栅尺小型化。

此外，本申请还提供了一种光栅尺位移传感器，请参见图2，图2为本发明实施例提供的光栅尺位移传感器在一种具体实施方式下的结构示意图，本发明实施例可包括以下内容：

一种光栅尺位移传感器可包括光源模块21、光栅尺主体22、光信号检测器23及信号处理器24。

其中，光源模块21与光信号检测器23位于光栅尺主体22延光纤长度方向的两端，且光栅尺主体22、光源模块21与光信号检测器23位于同一水平面上，以实现光源模块21出射光线至光栅尺主体22的相应光纤内，光信号检测器23采集各光纤出射的光信号；信号处理器24与光信号检测器23相连。

本实施例中，光栅尺主体22可包括多条呈条状阵列分布的光纤，且相邻光纤的外侧壁相紧贴。在一种实施方式中，光栅尺主体22可包括直尺型固定支架0和多条光纤1；直尺型固定支架0的上表面贴合排列呈条状阵列分布的多条光纤1，相邻光纤1的外侧壁相紧贴，且各光纤1的光轴所在平面与上表面相平行。本发明实施例所述光栅尺主体的结构功能可根据上述实施例中的标尺光栅的各功能结构模块的具体实现，其具体实现过程可以参照上述任何一个实施例的相关描述，此处不再赘述。

光源模块21可采用同源光为光栅尺主体上的各光纤通入相同的光束，因为光纤有很好的导光性，所以光源模块21可以安装在被测量机械结构外部，降低器件安装难度，更易操作。

可以理解的是，光源模块21为光栅尺主体21中的每根光纤提供同源光信号，这样光源模块21需要出射光线个数不少于光纤总根数。这就涉及到两种情况，一种为光源模块包括多个相同的发光源，发光源的总个数与光栅尺主体中光纤总根数值相同；另一种情况为光源模块包括少于光纤总根数个相同的发光源，例如只包含一个发光源。前者，各发光源出射光线至光栅尺主体相应的光纤内即可，也即每个发光源唯一对应一根光纤；后者，需要借助光线分束装置，光线分束装置将发光源出射的光线均分为多束子光束后投射至相应光纤内，子光束的总个数与光栅尺主体中的光纤总根数值相同。光线分束装置可为任何一种可实现将一束光线分为多束子光线的光学装置，例如分束镜、分光棱镜等，本申请对此不做任何限定。光线分束装置包含的分束器件个数可根据光源模块1中包含发光光源个数和分束器件类型确定。

需要说明的是，光源模块21出射光线进入与之相对准的光纤中，经光纤传输后出射携带脉冲波动信息的光信号，而在本申请中，需要根据对光纤出射的光信号的脉冲波动信息总个数计算被测机械的转动角度，也就是说，脉冲波动信息总个数的统计精度决定着最终直线位移值的计算精度，所以，光源模块输出进入单根光纤的光线的发光面积不大于相应光纤的截面面积。即光源模块出射的光信号只能进入与之相应的光纤内，而不会进入相邻光纤内部。

可以理解的是，光信号检测器23可用于采集光源模块21输出光线经各光纤传输后出射的携带脉冲波动信息的光信号。光信号检测器23可设置在被测机械的直线导轨，且随着所述直线导轨做直线运动，可选的，可将光信号检测器23通过夹具固定被测机械的直线导轨上，安装方式可以采用一般的机械固定方式，满足牢固性即可，光信号检测器23由被测机械的直线导轨带动而移动，移动方向例如可如图2所示从左到右，光信号检测器23的移动位移角度就是被测量机械移动的位移。

可选的，请参阅图3所示，光信号检测器23可为其内分布15个计数头231的结构，光信号检测器23在被测量机构带动下做直线运动时，光信号检测器23中15个计数头231通过光纤依次接收到由光源模块21提供的光信号，然后通过信号处理器计算得到精确的位移值。当然，也可为其他类型或其他数目读数头，这均不影响本申请的实现。初次安装使用时，光信号检测器23中第一个计数头a(以左端第一个为第一计算头)要调试刚好捕捉到第一根光纤的光信号，并且使光信号检测器23的中心圆心与计数头a的圆心及第一根光纤圆心在同一平面内。

在本申请中，信号处理器24可用于根据在被测机械移动过程中接收到脉冲波动信息的总个数计算被测机械的直线位移值。

为了提高数据处理运算速度，简化信号处理电路的复杂程度，信号处理器24可采用支持并行计算的FPGA板卡，FPGA板卡可包括第一转换电路和第二转化电路。

其中，第一转换电路用于将光信号转化为相应的数字脉冲信号；第二转化电路用于统计数字脉冲信号的变化量，并根据数字脉冲信号的变化量计算被测机械的直线位移值。本实施例通过统计脉冲信号的变化量并计算转换为被测机械移动的直线位移值，光栅尺位移传感器不需要寻找参考原点，在断电后，任何重新给电时皆可对位置进行直接测量。

由上可知，本发明实施例通过多条呈条状阵列且相邻光纤紧密排列的光纤结构代替传统光栅尺上的光栅，由于光纤的尺寸可以做到很小且制造工艺难度较小，从而可降低整个光栅尺的尺寸、制造工艺难度及生产成本，还有利于光栅尺小型化；在被测机械移动过程中，光信号检测器随着移动并接收到各光纤出射的光信号，然后利用信号处理器根据被测机械移动过程中接收到的脉冲波动信息总个数计算计算得到其精确的直线位置值，信号处理器的实现电路只需统计光信号携带脉冲波动信息总个数然后经过简单计算得到被测机械位移值，该信号处理电路易于实现，且结构也更为简单。此外，该光栅尺位移传感器不需要寻找参考原点，在其断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量。

在一种具体实施方式中，信号处理器24可根据下述公式计算被测机械的位移值d：

d＝((m-1)*x+n)*r； (1)

式中，m为光栅尺主体的第m根光纤，n为第n个计数头检测到第m根光纤的光信号；r为光栅尺主体的单模光纤的纤核直径。

举例来说，光栅尺主尺22上有N根光纤，光信号检测器23随着直线导轨一起做直线运动，光信号检测器23中15个计数头通过光纤依次接收到由输入光源装置提供的光信号；FPGA处理电路通过第一转换电路把光信号检测器接收到的光信号转化为数字脉冲信号，再将数字脉冲信号发送到第二处理电路，统计脉冲信号的变化量并计算转换为被测机械机构直线导轨的位移值，最终实现对被测机械直线位置的检测。

当光栅尺位移传感器的光信号检测器23移到了m根光纤时，假如光信号检测器23中第n个计数头检测到信号，就会检测到(m-1)*15+n个光信号的脉冲波动信息，经过第一，第二转换电路，统计出此时的数量为(m-1)*15+n，并根据公式1换算出精确地位移值。此过程在FPGA处理电路中实现。通过计数转换的方式实现了绝对式光栅尺不需要寻找参考原点，在断电后，任何重新给电时皆可对位置进行测量的优点。并且处理电路简单，可以使实现高速精密的测量。

可选的，FPGA板卡还可包括无线通信模块，该无线通信模块例如可为基于无线射频传输技术的模块，第一转换电路和第二转化电路通过无线通信模块进行数据传输。当然，第一转换电路和第二转化电路也可通过有线传输，这均不影响本申请的实现。

在一种具体实施方式中，光栅尺位移传感器还可包括与信号处理器23相连的角度值反馈模块。角度值反馈模块用于将信号处理器22计算得到的转动角度发送至所述被测机械的控制系统。也就是说，信号处理器3在根据统计得到的脉冲信号的变化量计算转换为被测机械转轴转动的角度后，还可以将转轴的实际角度位置输出到被测量电机的控制系统进行反馈处理，实现精确控制直线导轨的移动位置与速度。

由于现有的绝对式光栅尺位移传感器的加工工序复杂且，在兼顾测量精度和生产成本，很难做到长距离测量。而在本申请中，请参阅图4所示，可通过拼接多个光栅尺主体实现长距离的位移测量，在多个光栅尺主体拼接时，只需要满足每两个光栅尺主体首尾相接，且相邻两个光栅尺主体的首尾光纤可形成通路即可。例如，以三个光栅尺主体拼接为例，光栅尺主体41、光栅尺主体42及光栅尺主体43相首尾拼接时，光栅尺主体41的最后一根光纤41n应与光栅尺主体42的第一根光纤421形成光通路，光栅尺主体42的最后一根光纤42n应与光栅尺主体43的第一根光纤431形成光通路形成光通路，依次类推，可实现高精度无限长位移测量。由于每个光栅尺主体均可保证自身的测量精度，各光栅尺主体拼接后依然可保持自身精度，被测机械在做直线运动时，可统计当前移动过程中对应的光栅尺主体的脉冲信号个数，从而可实现高精度测量。

为了验证本申请可提高光栅尺位移传感器的测量精度，本申请可选取纤核直径为8μm，包层直径为125μm的单模光纤构成光栅尺主体，基于图2所示结构，利用公式1计算得到的光栅尺位移传感器分辨率至少为8μm。进一步而言，随着光纤工艺的提高，光栅尺位移传感器分辨率也会相应提高。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

以上对本发明所提供的一种标尺光栅及光栅尺位移传感器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种标尺光栅，应用于光栅尺位移传感器，其特征在于，包括直尺型固定支架和多条光纤；

所述直尺型固定支架的上表面贴合排列呈条状阵列分布的多条光纤，相邻光纤的外侧壁相紧贴，且各光纤的光轴所在平面与所述上表面相平行；入射至各光纤的光信号经过光纤传输后出射携带脉冲波动信息的光信号，以用于信号处理器统计在被测机械移动过程中接收到脉冲波动信息的总个数计算所述被测机械的位移值。

2.根据权利要求2所述的标尺光栅，其特征在于，各光纤的规格、型号均相同。

3.根据权利要求3所述的标尺光栅，其特征在于，各光纤的端面与所述直尺型固定支架的端面相平齐。

4.一种光栅尺位移传感器，其特征在于，包括光源模块、光栅尺主体、光信号检测器及信号处理器；

其中，所述光源模块与所述光信号检测器位于所述光栅尺主体延光纤长度方向的两端，且所述光栅尺主体、所述光源模块与所述光信号检测器位于同一水平面上；所述光信号检测器设置在被测机械的直线导轨，且随着所述直线导轨做直线运动；所述信号处理器与所述光信号检测器相连；

所述光栅尺主体包括多条呈条状阵列分布的光纤，且相邻光纤的外侧壁相紧贴；所述光信号检测器用于采集所述光源模块输出光线经各光纤传输后出射的携带脉冲波动信息的光信号；所述信号处理器用于根据在所述被测机械移动过程中接收到脉冲波动信息的总个数计算所述被测机械的位移值。

5.根据权利要求4所述的光栅尺位移传感器，其特征在于，所述光源模块包括一个发光源和光线分束装置；

所述光线分束装置用于将所述发光源出射的光线均分为多束子光束后投射至相应光纤内，子光束的总个数与所述光栅尺主体中的光纤总根数值相同。

6.根据权利要求4所述的光栅尺位移传感器，其特征在于，所述光源模块包括多个相同的发光源，发光源的总个数与所述光栅尺主体中光纤总根数值相同；各发光源出射光线至所述光栅尺主体相应的光纤内。

7.根据权利要求4-6任意一项所述的光栅尺位移传感器，其特征在于，所述光源模块输出进入单根光纤的光线的发光面积不大于相应光纤的截面面积。

8.根据权利要求4-6任意一项所述的光栅尺位移传感器，其特征在于，所述信号处理器为包括第一转换电路和第二转化电路的FPGA板卡；

其中，所述第一转换电路用于将所述光信号转化为相应的数字脉冲信号；

所述第二转化电路用于统计数字脉冲信号的变化量，并根据所述数字脉冲信号的变化量计算所述被测机械的位移值。

9.根据权利要求4-6任意一项所述的光栅尺位移传感器，其特征在于，所述光栅尺主体包括多个子光栅尺，相邻子光栅尺的首尾光纤形成光通路。

10.根据权利要求9所述的光栅尺位移传感器，其特征在于，还包括与所述信号处理器相连的角度值反馈模块；

所述角度值反馈模块用于将所述信号处理器计算得到的位移值发送至所述被测机械的控制系统。