CN111156906A - 基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微位移传感器技术领域，具体涉及一种基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，包括第一激光器、第二激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、可动光栅、四象限光栅、四象限探测器，所述第一激光器、第二激光器分别设置在第一准直透镜、第二准直透镜的正上方，所述第一准直透镜、第二准直透镜的下方设置有可动光栅，所述可动光栅的下方设置有X轴四象限光栅、Y轴四象限光栅，所述X轴四象限光栅、Y轴四象限光栅的下方分别设置有第一四象限探测器、第二四象限探测器。本发明通过四象限光栅及探测器产生四路信号进行差分，有利于后续高倍细分，且可消除背景噪声及直流分量，提高微位移检测的分辨率和精度。本发明用于微位移的测量。

Description

基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器

技术领域

本发明属于微位移传感器技术领域，具体涉及一种基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器。

背景技术

位移量是最基本的物理量，其中高精度位移测量技术是精密机械加工的基础，应用场合极其广泛。位移测量传感器的测量精度决定了整个制造业的制造精度，而制造业是整个工业的基础，制约着各个领域的发展。随着精密制造技术不断发展，被加工对象精度的提高要求位移测量仪器具有高精度、高分辨率、高可靠性、大量程、小体积和低成本的特点。

当前纳米测量对于位移传感器的要求趋势是：高精度、高分辨力、大量程、体积小、重量轻、抗干扰、低成本、对工作环境要求低、安装和使用简单、方便。在众多测量方法中，光学测量具有直接与光波长相关、测量精度高、分辨力高的优点。而传统的激光干涉仪采用波长为测量基准，可以达到很高的测量精度，但是对激光器稳频要求高，成本高；并且对使用环境要求苛刻，典型要求为温度波动须控制到±℃，对温度、湿度及气压变化要连续补偿，还要抑制光路中的空气扰动及仪器的机械振动，容易受到环境干扰，并且系统体积较大，操作繁琐，通常只在实验室使用，不能应用于工业现场。采用光栅作为测量基准，具有测量基准固定，不受环境影响的优点；同时对光源稳频要求不高，因而成本大幅降低；同时由于电子技术的应用，能够产生数字位移信号，便于应用于自动控制系统中。因此，采用光栅作为测量基准的光栅尺在现代工业中得到广泛应用，但是传统光栅尺采用几何莫尔条纹原理进行测量，受测量原理的限制，当光栅密度增大，刻线周期小于μ时，由于衍射现象变得显著，莫尔条纹信号的质量因高次谐波的影响而降低，同时要求光栅副的间隙很小，仅为几十微米，使得仪器的安装十分困难，可靠性变低，精度无法提高，因此采用传统几何莫尔条纹技术进行位移测量无法满足高精度纳米测量要求。

发明内容

针对上述传统几何莫尔条纹技术安装困难、可靠性变低、精度无法提高的技术问题，本发明提供了一种高灵敏度、高线性度、抗电磁干扰能力强的基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，包括第一激光器、第二激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、可动光栅、X轴四象限光栅、Y轴四象限光栅、第一四象限探测器、第二四象限探测器，所述第一激光器、第二激光器分别设置在第一准直透镜、第二准直透镜的正上方，所述第一准直透镜、第二准直透镜的下方设置有可动光栅，所述第一激光器、第二激光器发出的光束分别经过第一准直透镜、第二准直透镜准直，再经过可动光栅形成泰伯像，所述可动光栅的下方设置有X轴四象限光栅、Y轴四象限光栅，所述X轴四象限光栅、Y轴四象限光栅的下方分别设置有第一四象限探测器、第二四象限探测器，所述X轴四象限光栅、Y轴四象限光栅在泰伯像位置发生面内相对运动时，第一四象限探测器、第二四象限探测器中各象限接受到的光强会发生变化，可得到位移与光强变化的关系，从而通过光强变化来获得被测位移的大小。

所述可动光栅采用单片集成正交光栅，所述可动光栅包括固定夹具、端口、第一可动光栅、第二可动光栅，所述第一可动光栅与第二可动光栅的栅线方向相互垂直，所述第一可动光栅与第二可动光栅并列集成在玻璃片上，所述玻璃片固定在固定夹具内，所述固定夹具的一侧固定连接有端口。

所述X轴四象限光栅、Y轴四象限光栅分别与第一四象限探测器、第二四象限探测器的光敏面通过胶固定贴合。

所述X轴四象限光栅的栅线与Y轴四象限光栅的栅线方向相互垂直，所述X轴四象限光栅、Y轴四象限光栅均包括第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅，所述第一光栅和第二光栅并列设置，所述第三光栅和第四光栅并列设置，所述第一四象限探测器、第二四象限探测器均包括第一象限、第二象限、第三象限、第四象限，所述第一四象限探测器、第二四象限探测器获得随位移变化的光电信号，所述第一象限、第三象限相减和第二象限、第四象限相减可获得相位差90°的两路正余弦信号。

所述第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅分别与第一象限、第二象限、第三象限、第四象限相对应。

所述第一光栅、第二光栅、第三光栅、第四光栅的栅线方向一致，所述第一光栅与第二光栅之间相邻的栅线相差nd+d/4，所述第三光栅与第四光栅之间相邻的栅线相差nd+d/4，所述第一光栅与第三光栅的栅线相差d/2，所述d为光栅的周期。

所述第一激光器、第二激光器的波长均为635nm。

所述可动光栅、X轴四象限光栅、Y轴四象限光栅的周期均为800nm。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明使用双层光栅结构，增大了微位移测量的量程，并且本发明通过四象限光栅及探测器产生四路信号进行差分，有利于后续高倍细分，且可消除背景噪声及直流分量，提高微位移检测的分辨率和精度。本发明信号细分形式为反正切，可保证相同的线性灵敏度，消除传统正余弦某些位置灵敏度低的问题。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明可动光栅的结构示意图；

图3为本发明X轴四象限光栅的结构示意图；

图4为本发明Y轴四象限光栅的结构示意图；

图5为本发明探测器各象限接收光强及差分信号与位移关系图；

其中：101为第一激光器，102为第二激光器，201为第一准直透镜，202为第二准直透镜，301为可动光栅，302为固定夹具，303为端口，304为第一可动光栅，305为第二可动光栅，401为X轴四象限光栅，402为Y轴四象限光栅，501为第一四象限探测器，502为第二四象限探测器，4011为第一光栅，4012为第二光栅，4013为第三光栅，4014为第四光栅。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。

基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，如图1所示，包括第一激光器101、第二激光器102、第一准直透镜201、第二准直透镜202、可动光栅301、X轴四象限光栅401、Y轴四象限光栅402、第一四象限探测器501、第二四象限探测器502，第一激光器101、第二激光器102分别设置在第一准直透镜201、第二准直透镜202的正上方，第一准直透镜201、第二准直透镜202的下方设置有可动光栅301，第一激光器101、第二激光器102发出的光束分别经过第一准直透镜201、第二准直透镜202准直，再经过可动光栅301形成泰伯像，可动光栅301的下方设置有X轴四象限光栅401、Y轴四象限光栅402，X轴四象限光栅401、Y轴四象限光栅402的下方分别设置有第一四象限探测器501、第二四象限探测器502，X轴四象限光栅401、Y轴四象限光栅402在泰伯像位置发生面内相对运动时，第一四象限探测器501、第二四象限探测器502中各象限接受到的光强会发生变化，再经过差分以及后续的细分电路处理，可得到位移与光强变化的关系，从而通过光强变化来获得被测位移的大小。

进一步，如图2所示，可动光栅301采用单片集成正交光栅，可动光栅301包括固定夹具302、端口303、第一可动光栅304、第二可动光栅305，第一可动光栅304与第二可动光栅305的栅线方向相互垂直，第一可动光栅304与第二可动光栅305并列集成在玻璃片上，玻璃片固定在固定夹具302内，固定夹具302的一侧固定连接有端口303，通过端口303输入微位移带动固定夹具302运动，从而带动可动光栅301运动。

进一步，X轴四象限光栅401、Y轴四象限光栅402分别与第一四象限探测器501、第二四象限探测器502的光敏面通过胶固定贴合。

进一步，如图3、图4所示，X轴四象限光栅401的栅线与Y轴四象限光栅402的栅线方向相互垂直，X轴四象限光栅401、Y轴四象限光栅402均包括第一光栅4011、第二光栅4012、第三光栅4013、第四光栅4014，第一光栅4011和第二光栅4012并列设置，第三光栅4013和第四光栅4014并列设置，第一四象限探测器501、第二四象限探测器502均包括第一象限、第二象限、第三象限、第四象限，第一四象限探测器501、第二四象限探测器502获得随位移变化的光电信号，第一象限、第三象限相减和第二象限、第四象限相减可获得相位差90°的两路正余弦信号。

进一步，第一光栅4011、第二光栅4012、第三光栅4013、第四光栅4014分别与第一象限、第二象限、第三象限、第四象限相对应。

进一步，第一光栅4011、第二光栅4012、第三光栅4013、第四光栅4014的栅线方向一致，第一光栅4011与第二光栅4012之间相邻的栅线相差nd+d/4，第三光栅4013与第四光栅4014之间相邻的栅线相差nd+d/4，第一光栅4011与第三光栅4013的栅线相差d/2，d为光栅的周期。

进一步，优选的，第一激光器101、第二激光器102的波长均为635nm。

进一步，优选的，可动光栅301、X轴四象限光栅401、Y轴四象限光栅402的周期均为800nm。

本发明的工作原理为：当位移输入端在X轴方向有位移输入时，因第二可动光栅与Y轴四象限光栅沿栅线方向相对运动，故无光强变化，仅X轴探测器有光强变化信号输入，在Y轴方向有位移输入时同理。故此结构能实现单轴方向微位移分立检测，降低噪声干扰。

实施例

基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器的实施例参数如下：

激光器波长：λ＝635nm；

可动光栅周期：d＝800nm；

四象限光栅周期：d＝800nm。

具体分析如下：

通过第一象限的光强为：

通过第二象限的光强为：

通过第三象限的光强为：

通过第四象限的光强为：

通过第一象限光栅和第三象限光栅的光强差为：

通过第二象限光栅和第四象限光栅的光强差为：

由上述推导可知，通过第一、三象限和第二、四象限信号差分可消除光强信号的直流偏置，如图5所示，且能够获得两路相位差为90°的正弦光学信号，相位正交的A、B相信号能够便于后续电路进行反正切细分，可保证相同的线性灵敏度，进而提高综合精度和灵敏度。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，其特征在于：包括第一激光器(101)、第二激光器(102)、第一准直透镜(201)、第二准直透镜(202)、可动光栅(301)、X轴四象限光栅(401)、Y轴四象限光栅(402)、第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)，所述第一激光器(101)、第二激光器(102)分别设置在第一准直透镜(201)、第二准直透镜(202)的正上方，所述第一准直透镜(201)、第二准直透镜(202)的下方设置有可动光栅(301)，所述第一激光器(101)、第二激光器(102)发出的光束分别经过第一准直透镜(201)、第二准直透镜(202)准直，再经过可动光栅(301)形成泰伯像，所述可动光栅(301)的下方设置有X轴四象限光栅(401)、Y轴四象限光栅(402)，所述X轴四象限光栅(401)、Y轴四象限光栅(402)的下方分别设置有第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)，所述X轴四象限光栅(401)、Y轴四象限光栅(402)在泰伯像位置发生面内相对运动时，第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)中各象限接受到的光强会发生变化，可得到位移与光强变化的关系，从而通过光强变化来获得被测位移的大小。

2.根据权利要求1所述的基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，其特征在于：所述可动光栅(301)采用单片集成正交光栅，所述可动光栅(301)包括固定夹具(302)、端口(303)、第一可动光栅(304)、第二可动光栅(305)，所述第一可动光栅(304)与第二可动光栅(305)的栅线方向相互垂直，所述第一可动光栅(304)与第二可动光栅(305)并列集成在玻璃片上，所述玻璃片固定在固定夹具(302)内，所述固定夹具(302)的一侧固定连接有端口(303)。

3.根据权利要求1所述的基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，其特征在于：所述X轴四象限光栅(401)、Y轴四象限光栅(402)分别与第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)的光敏面通过胶固定贴合。

4.根据权利要求1所述的基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，其特征在于：所述X轴四象限光栅(401)的栅线与Y轴四象限光栅(402)的栅线方向相互垂直，所述X轴四象限光栅(401)、Y轴四象限光栅(402)均包括第一光栅(4011)、第二光栅(4012)、第三光栅(4013)、第四光栅(4014)，所述第一光栅(4011)和第二光栅(4012)并列设置，所述第三光栅(4013)和第四光栅(4014)并列设置，所述第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)均包括第一象限、第二象限、第三象限、第四象限，所述第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)获得随位移变化的光电信号，所述第一象限、第三象限相减和第二象限、第四象限相减可获得相位差90°的两路正余弦信号。

5.根据权利要求4所述的基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，其特征在于：所述第一光栅(4011)、第二光栅(4012)、第三光栅(4013)、第四光栅(4014)分别与第一象限、第二象限、第三象限、第四象限相对应。

6.根据权利要求4所述的基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，其特征在于：所述第一光栅(4011)、第二光栅(4012)、第三光栅(4013)、第四光栅(4014)的栅线方向一致，所述第一光栅(4011)与第二光栅(4012)之间相邻的栅线相差nd+d/4，所述第三光栅(4013)与第四光栅(4014)之间相邻的栅线相差nd+d/4，所述第一光栅(4011)与第三光栅(4013)的栅线相差d/2，所述d为光栅的周期。

7.根据权利要求1所述的基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，其特征在于：所述第一激光器(101)、第二激光器(102)的波长均为635nm。

8.根据权利要求1所述的基于四象限光栅及探测器的二维微位移传感器，其特征在于：所述可动光栅(301)、X轴四象限光栅(401)、Y轴四象限光栅(402)的周期均为800nm。

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