CN111595243A - 一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构 - Google Patents
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Abstract
本发明属于位移传感器技术领域，具体涉及一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器的正下方分别设置有第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜，所述第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜的下方设置有上层光栅，所述第一下层固定光栅的底部连接有第一四象限探测器，所述下层台阶四象限光栅的底部连接有第二四象限探测器，所述第二下层固定光栅的底部连接有第三四象限探测器。本发明使用双层光栅结构，增大了微位移测量的量程；并且本发明通过一个位移输入端实现三维微位移的分立测量，降低了噪声干扰。本发明用于微位移的测量。
Description
技术领域
本发明属于位移传感器技术领域，具体涉及一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构。
背景技术
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，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，刻线周期减小时，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
针对上述位移传感器抗干扰能力差、成本高、精度低的技术问题，本发明提供了一种精度高、成本低、抗干扰能力强的基于四象限光栅的三维微位移传感器结构。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，包括第一激光器、第二激光器、第三激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜、上层光栅、第一下层固定光栅、下层台阶四象限光栅、第二下层固定光栅、第一四象限探测器、第二四象限探测器、第三四象限探测器，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器的正下方分别设置有第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜，所述第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜的下方设置有上层光栅，所述上层光栅的下方设置有第一下层固定光栅、下层台阶四象限光栅、第二下层固定光栅，所述第一下层固定光栅的底部连接有第一四象限探测器，所述下层台阶四象限光栅的底部连接有第二四象限探测器，所述第二下层固定光栅的底部连接有第三四象限探测器，所述第二四象限探测器的底部固定连接有套筒，所述套筒固定连接有位移输入端口，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器发出光束经过第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜准直，再经过上层光栅形成泰伯像，第一下层固定光栅、第二下层固定光栅在泰伯像位置发生相对运动时，第一四象限探测器、第三四象限探测器中各象限接收到的光强会发生变化；下层台阶四象限光栅发生离面相对运动时，固定在套筒里的第二四象限探测器中各象限接收到的光强会发生变化，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。
所述上层光栅采用单片集成正交光栅，所述上层光栅包括第一上层光栅、第二上层光栅、第三上层光栅，所述第一上层光栅与第三上层光栅的栅线方向相互垂直，所述第三上层光栅与第二上层光栅的栅线方向一致，所述第一上层光栅、第二上层光栅、第三上层光栅并列集成在玻璃片上，所述玻璃片固定在限位框架内。
所述第一下层固定光栅、第二下层固定光栅均采用平面四象限光栅，所述第一下层固定光栅、第二下层固定光栅相邻象限光栅的栅线均相差nd+d/4。
所述下层台阶四象限光栅包括第一象限光栅、第二象限光栅、第三象限光栅、第四象限光栅，所述第一象限光栅、第二象限光栅、第三象限光栅、第四象限光栅的高度依次降低t/4，所述t为两个相邻泰伯像的间距，所述t＝d2/λ，d为光栅周期，所述λ为激光器波长。
所述第一下层固定光栅、下层台阶四象限光栅、第二下层固定光栅分别与第一四象限探测器、第二四象限探测器、第三四象限探测器的光敏面通过胶固定贴合。
还包括支撑结构、供电线，所述第一激光器、第二激光器、第三激光器、第一准直透镜、第二准直透镜、第三准直透镜均固定在支撑结构内，所述供电线分别与第一激光器、第二激光器、第三激光器连接。
所述第一激光器、第二激光器、第三激光器的波长均为635nm。
所述上层光栅、第一下层固定光栅、下层台阶四象限光栅、第二下层固定光栅的周期均为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。并且本发明通过一个位移输入端实现三维微位移的分立测量，降低了噪声干扰。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明上层光栅的结构示意图；
图3为本发明下层台阶四象限光栅的结构示意图；
图4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，103为第三激光器，104为支撑结构，105为供电线，201为第一准直透镜，202为第二准直透镜，203为第三准直透镜，301为上层光栅，302为限位框架，303为第一上层光栅，304为第二上层光栅，305为第三上层光栅，401为第一下层固定光栅，402为下层台阶四象限光栅，403为第二下层固定光栅，4021为第一象限光栅，4022为第二象限光栅，4023为第三象限光栅，4024为第四象限光栅，501为第一四象限探测器，502为第二四象限探测器，503为第三四象限探测器，601为套筒，602为位移输入端口。
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。
一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，如图1所示，包括第一激光器101、第二激光器102、第三激光器103、第一准直透镜201、第二准直透镜202、第三准直透镜203、上层光栅301、第一下层固定光栅401、下层台阶四象限光栅402、第二下层固定光栅403、第一四象限探测器501、第二四象限探测器502、第三四象限探测器503，第一激光器101、第二激光器102、第三激光器103的正下方分别设置有第一准直透镜201、第二准直透镜202、第三准直透镜203，第一准直透镜201、第二准直透镜202、第三准直透镜203的下方设置有上层光栅301，上层光栅301的下方设置有第一下层固定光栅401、下层台阶四象限光栅402、第二下层固定光栅403，第一下层固定光栅401的底部连接有第一四象限探测器501，下层台阶四象限光栅402的底部连接有第二四象限探测器502，第二下层固定光栅403的底部连接有第三四象限探测器503，第二四象限探测器502的底部固定连接有套筒601，套筒601固定连接有位移输入端口602。定义第一上层光栅303的栅线方向为X轴，第二上层光栅304的栅线方向为Y轴，以右手定则建立空间直角坐标系。第一激光器101、第二激光器102、第三激光器103发出光束经过第一准直透镜201、第二准直透镜202、第三准直透镜203准直，再经过上层光栅301形成泰伯像，当位移输入端602沿X/Y方向有位移输入时，上层可动纳米光栅301在限位框架302的带动下沿面内方向运动，与第一下层固定光栅401、第二下层固定光栅403之间发生面内相对位移，使得光通过双层光栅后光强发生变化，第一四象限探测器501、第三四象限探测器503中各象限接收到的光强会发生变化；当位移输入端602沿Z轴方向有位移输入时，套筒601带动下层台阶四象限光栅402发生离面相对运动时，固定在套筒601里的第二四象限探测器502中各象限接收到的光强会发生变化，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，上层光栅301采用单片集成正交光栅，上层光栅301包括第一上层光栅303、第二上层光栅304、第三上层光栅305，第一上层光栅303与第三上层光栅305的栅线方向相互垂直，第三上层光栅305与第二上层光栅304的栅线方向一致，第一上层光栅303、第二上层光栅304、第三上层光栅305并列集成在玻璃片上，玻璃片固定在限位框架302内。
进一步，第一下层固定光栅401、第二下层固定光栅403均采用平面四象限光栅，第一下层固定光栅401、第二下层固定光栅403相邻象限光栅的栅线均相差nd+d/4。
进一步，如图3所示，下层台阶四象限光栅402包括第一象限光栅4021、第二象限光栅4022、第三象限光栅4023、第四象限光栅4024，第一象限光栅4021、第二象限光栅4022、第三象限光栅4023、第四象限光栅4024的高度依次降低t/4，t为两个相邻泰伯像的间距，t＝d2/λ，d为光栅周期，λ为激光器波长。
进一步，优选的，第一下层固定光栅401、下层台阶四象限光栅402、第二下层固定光栅403分别与第一四象限探测器501、第二四象限探测器502、第三四象限探测器503的光敏面通过胶固定贴合。
进一步，还包括支撑结构104、供电线105，第一激光器101、第二激光器102、第三激光器103、第一准直透镜201、第二准直透镜202、第三准直透镜203均固定在支撑结构102内，供电线105分别与第一激光器101、第二激光器102、第三激光器103连接。
进一步，优选的，第一激光器101、第二激光器102、第三激光器103的波长均为635nm。
进一步，优选的，上层光栅301、第一下层固定光栅401、下层台阶四象限光栅402、第二下层固定光栅403的周期均为800nm。
本发明的工作原理为：
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：
同理，当Z方向产生位移输入时，将式中的x替换为z，d替换为t，可得相同的结果。
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，且能够获得两路相位差为π/2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)
1.一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，其特征在于：包括第一激光器(101)、第二激光器(102)、第三激光器(103)、第一准直透镜(201)、第二准直透镜(202)、第三准直透镜(203)、上层光栅(301)、第一下层固定光栅(401)、下层台阶四象限光栅(402)、第二下层固定光栅(403)、第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)、第三四象限探测器(503)，所述第一激光器(101)、第二激光器(102)、第三激光器(103)的正下方分别设置有第一准直透镜(201)、第二准直透镜(202)、第三准直透镜(203)，所述第一准直透镜(201)、第二准直透镜(202)、第三准直透镜(203)的下方设置有上层光栅(301)，所述上层光栅(301)的下方设置有第一下层固定光栅(401)、下层台阶四象限光栅(402)、第二下层固定光栅(403)，所述第一下层固定光栅(401)的底部连接有第一四象限探测器(501)，所述下层台阶四象限光栅(402)的底部连接有第二四象限探测器(502)，所述第二下层固定光栅(403)的底部连接有第三四象限探测器(503)，所述第二四象限探测器(502)的底部固定连接有套筒(601)，所述套筒(601)固定连接有位移输入端口(602)，所述第一激光器(101)、第二激光器(102)、第三激光器(103)发出光束经过第一准直透镜(201)、第二准直透镜(202)、第三准直透镜(203)准直，再经过上层光栅(301)形成泰伯像，第一下层固定光栅(401)、第二下层固定光栅(403)在泰伯像位置发生相对运动时，第一四象限探测器(501)、第三四象限探测器(503)中各象限接收到的光强会发生变化；下层台阶四象限光栅(402)发生离面相对运动时，固定在套筒(601)里的第二四象限探测器(502)中各象限接收到的光强会发生变化，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所述的一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，其特征在于：所述上层光栅(301)采用单片集成正交光栅，所述上层光栅(301)包括第一上层光栅(303)、第二上层光栅(304)、第三上层光栅(305)，所述第一上层光栅(303)与第三上层光栅(305)的栅线方向相互垂直，所述第三上层光栅(305)与第二上层光栅(304)的栅线方向一致，所述第一上层光栅(303)、第二上层光栅(304)、第三上层光栅(305)并列集成在玻璃片上，所述玻璃片固定在限位框架(302)内。
3.根据权利要求1所述的一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，其特征在于：所述第一下层固定光栅(401)、第二下层固定光栅(403)均采用平面四象限光栅，所述第一下层固定光栅(401)、第二下层固定光栅(403)相邻象限光栅的栅线均相差nd+d/4。
4.根据权利要求1所述的一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，其特征在于：所述下层台阶四象限光栅(402)包括第一象限光栅(4021)、第二象限光栅(4022)、第三象限光栅(4023)、第四象限光栅(4024)，所述第一象限光栅(4021)、第二象限光栅(4022)、第三象限光栅(4023)、第四象限光栅(4024)的高度依次降低t/4，所述t为两个相邻泰伯像的间距，所述t＝d2/λ，d为光栅周期，所述λ为激光器波长。
5.根据权利要求1所述的一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，其特征在于：所述第一下层固定光栅(401)、下层台阶四象限光栅(402)、第二下层固定光栅(403)分别与第一四象限探测器(501)、第二四象限探测器(502)、第三四象限探测器(503)的光敏面通过胶固定贴合。
6.根据权利要求1所述的一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，其特征在于：还包括支撑结构(104)、供电线(105)，所述第一激光器(101)、第二激光器(102)、第三激光器(103)、第一准直透镜(201)、第二准直透镜(202)、第三准直透镜(203)均固定在支撑结构(102)内，所述供电线(105)分别与第一激光器(101)、第二激光器(102)、第三激光器(103)连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，其特征在于：所述第一激光器(101)、第二激光器(102)、第三激光器(103)的波长均为635nm。
8.根据权利要求1所述的一种基于四象限光栅的三维微位移传感器结构，其特征在于：所述上层光栅(301)、第一下层固定光栅(401)、下层台阶四象限光栅(402)、第二下层固定光栅(403)的周期均为800nm。
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