CN113532281A - 一种微小位移检测传感器、装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光学测量领域的一种微小位移检测传感器、装置及方法，旨在解决物品发生的微小位移时，一般的测量设备难以察觉，也很难对位移距离进行准确测量技术问题。一种微小位移检测传感器，包括两片蒸镀有高反射多层介质膜的玻璃基片，其中一片玻璃基片用于与待测物体固定，另一片用于与参照物体固定。采用本发明中的微小位移检测传感器，对于发生微小位移的待测物体，在待测物体和参照物体处固定玻璃基片形成具有空气层的干涉滤光片，当具有连续光谱的光源垂直入射所述微小位移检测传感器时，通过监测记录透射光的波长变化计算待测物体发生的位移值，可实现对待测物体位移变化的动态监测和精准测量，且可靠性高。

Description

一种微小位移检测传感器、装置及方法

技术领域

本发明涉及一种微小位移检测传感器、装置及方法，属于光学测量技术领域。

背景技术

在精密测量领域中，经常会用到位移传感器，用于检测被测工件的位移量，常见的位移传感器为：金属膜位移传感器，磁敏式位移传感器，光电式位移传感器，磁致伸缩式位移传感器，数字激光位移传感器。

在现有技术中，当物品发生的微小位移时，一般的测量设备难以察觉，也很难对位移距离进行准确测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种微小位移检测传感器、装置及方法，解决物品发生的微小位移时，一般的测量设备难以察觉，也很难对位移距离进行准确测量的技术问题。

为达到上述目的，本发明是采用下述技术方案实现的：

第一方面，本发明提供了一种微小位移检测传感器，包括两片蒸镀有高反射多层介质膜的玻璃基片，其中一片玻璃基片用于与待测物体固定，另一片用于与参照物体固定，两片玻璃基片的高反射多层介质膜平行相对且中间具有空气层。

第二方面，本发明提供了一种微小位移检测装置，所述微小位移检测装置包括上述的一种微小位移检测传感器，还包括：

连续光谱光源，设置于微小位移检测传感器的一侧，将具有连续光谱的光垂直入射微小位移检测传感器；

光谱仪，设置于微小位移检测传感器的另一侧，接收连续光谱光源入射微小位移检测传感器后的透射光；

计算机监视器，连接光谱仪并监测记录透射光的波长变化。

进一步的，所述微小位移检测装置还包括平行光管，设置于连续光谱光源和微小位移检测传感器之间，用于准直所述连续光谱光源发出的光。

第三方面，本发明提供了一种微小位移检测方法，包括以下步骤：

利用具有连续光谱的光源垂直入射上述的微小位移检测传感器，并监测记录透射光的波长变化；

根据透射光的波长变化计算待测物体发生的位移值。

进一步的，所述待测物体发生的位移值计算表达式为：

其中，Δh为空气层厚度变化，即待测物体发生的位移值；λ₀为高反射多层介质膜的反射中心波长；Δm为干涉级次变化。

进一步的，所述干涉级次变化Δm的计算方法如下：

测量待测物体位移始末状态λ₀左右两侧的透射中心波长，并根据透射中心波长计算出位移始末状态对应的干涉级次m，将位移始末状态对应的干涉级次m相减求得干涉级次变化Δm。

进一步的，所述干涉级次m的计算表达式为：

其中，λ_n+1为λ₀的左侧的透射中心波长，λ_n为λ₀的右侧的透射中心波长。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果：

采用本发明中的微小位移检测传感器，对于发生微小位移的待测物体，在待测物体和参照物体处固定玻璃基片形成具有空气层的干涉滤光片，当具有连续光谱的光源垂直入射所述微小位移检测传感器时，通过监测记录透射光的波长变化计算待测物体发生的位移值，可实现对待测物体位移变化的动态监测和精准测量，精准度高且可靠性高。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的微小位移检测传感器结构示意图；

图2是本发明实施例二提供的微小位移检测装置结构示意图；

图3是本发明实施例三提供的高反射多层介质膜的反射中心波长左右两侧透射中心波长示意图；

图4是本发明实施例三提供的位移初始位置光谱图；

图5是本发明实施例三提供的位移终了位置光谱图。

图中：1、连续光谱光源；2、平行光管；3、微小位移检测传感器；4、光谱仪；5、计算机监视器；6、参照物体；7、待测物体；301、玻璃基片；302、高反射多层介质膜；303、空气层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例一：

本发明提供了一种微小位移检测传感器，请参阅图1-2，微小位移检测传感器3包括两片相对设置的玻璃基片301，且两片玻璃基片301上分别镀一组λ₀/4高反射多层介质膜302，膜系结构为(HL)³H，包括高折射率膜系和低折射率膜系，其中高折射率膜系的材料为硫化锌，低折射率膜系材料为氟化镁；高反射多层介质膜302的透射中心波长λ₀＝500nm，其中一片玻璃基片301用支架固定于参照物体6上，另一片玻璃基片301固定于待测物体7上，两片玻璃基片301之间形成一层空气层303，微小位移检测传感器3整体构成干涉滤光片。

实施例二：

本发明提供了一种微小位移检测装置，请参阅图2，包括微小位移检测传感器3，微小位移检测传感器3的一侧设置有连续光谱光源1，且连续光谱光源1经平行光管2准直垂直入射微小位移检测传感器3，两片玻璃基片是对称结构，所以从任一侧入射均可，微小位移检测传感器3的另一侧设置有接收透射光的光谱仪4，且光谱仪4连接有用于显示光谱分布的计算机监视器5。

实施例三：

请参阅图1-5，本发明提供了一种微小位移检测方法，原理及步骤如下：

λ₀为高反射多层介质膜302的反射中心波长，若λ₀恰好为某一透射中心波长，根据干涉滤光片原理，满足：

h为空气层303的厚度，m为λ₀的干涉级次。

若λ₀不是某级透射中心波长，此时(1)式仍然成立，只是λ₀对应的干涉级次m不再是整数。

对于确定的波长λ₀，h与m成正比，显然有：

其中Δh为空气层厚度变化，Δm为干涉级次变化。

在整个位移过程中，λ₀并不始终对应某一级透射中心波长，而是位于某两级透射中心波长之间。如图3，若λ₀左侧的透射中心波长为λ_n+1，λ_n+1的干涉级次为n+1,λ₀右侧的透射中心波长为λ_n，λ_n的干涉级次为n；

由干涉滤光片原理有:

由(3)式和(4)式可得：

由(1)式和(3)式可得：

将(5)式代入(6)式可得：

通过测量位移始末状态λ₀左右两侧的透射中心波长λ_n+1,λ_n，由(7)式分别计算出位移始末状态λ₀对应的干涉级次m，并求得干涉级次的变化Δm。

由(2)式，可得：

综上，当连续光谱光源1的透射光经平行光管2准直垂直入射微小位移检测传感器3后，穿过微小位移检测传感器3的透射光进入光谱仪4，光谱仪连接计算机监视器5，计算机监视器5显示光谱分布如图4，为若干不连续的窄带尖峰，即透射中心波长分布；记录位移之前λ₀左右两侧透射中心波长

和

当待测物体7产生微小位移，两片玻璃基片301之间的距离发生改变，即空气层303的厚度发生变化。由(1)式可知，λ₀对应的干涉级次发生变化。此时透射中心波长分布如图5。记录位移之后λ₀左右两侧透射中心波长，分别为

和

综上，根据位移之前λ₀左右两侧透射中心波长

和

由式(7)可得此时λ₀的干涉级次：

同理根据位移之后λ₀左右两侧透射中心波长

和

由式(9)可得此时λ₀的干涉级次：

将式(9)(10)的结果代入(8)式，可得待测物体发生的位移值：

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种微小位移检测传感器，其特征是，包括两片蒸镀有高反射多层介质膜的玻璃基片，其中一片玻璃基片用于与待测物体固定，另一片用于与参照物体固定，两片玻璃基片的高反射多层介质膜平行相对且中间具有空气层。

2.一种微小位移检测装置，其特征是，所述微小位移检测装置包括如权利要求1所述的一种微小位移检测传感器，还包括：

连续光谱光源，设置于微小位移检测传感器的一侧，将具有连续光谱的光垂直入射微小位移检测传感器；

光谱仪，设置于微小位移检测传感器的另一侧，接收连续光谱光源入射微小位移检测传感器后的透射光；

计算机监视器，连接光谱仪并监测记录透射光的波长变化。

3.根据权利要求2所述的微小位移检测装置，其特征是，所述微小位移检测装置还包括平行光管，设置于连续光谱光源和微小位移检测传感器之间，用于准直所述连续光谱光源发出的光。

4.一种微小位移检测方法，其特征是，包括以下步骤：

利用具有连续光谱的光源垂直入射权利要求1所述的微小位移检测传感器，并监测记录透射光的波长变化；

根据透射光的波长变化计算待测物体发生的位移值。

5.根据权利要求4所述的微小位移检测方法，其特征是，所述待测物体发生的位移值计算表达式为：

其中，Δh为空气层厚度变化，即待测物体发生的位移值；λ₀为高反射多层介质膜的反射中心波长；Δm为干涉级次变化。

6.根据权利要求5所述的微小位移检测方法，其特征是，所述干涉级次变化Δm的计算方法如下：

测量待测物体位移始末状态λ₀左右两侧的透射中心波长，并根据透射中心波长计算出位移始末状态对应的干涉级次m，将位移始末状态对应的干涉级次m相减求得干涉级次变化Δm。

7.根据权利要求6所述的微小位移检测方法，其特征是，所述干涉级次m的计算表达式为：

其中，λ_n+1为λ₀的左侧的透射中心波长，λ_n为λ₀的右侧的透射中心波长。

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