CN1167937C

CN1167937C - 偏振光直线位移传感器

Info

Publication number: CN1167937C
Application number: CNB011321369A
Authority: CN
Inventors: 伟李; 李伟
Original assignee: Zhejiang University ZJU
Current assignee: Zhejiang University ZJU
Priority date: 2001-11-06
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2021-11-06
Also published as: CN1349083A

Abstract

偏振光直线位移传感器，包括线性化和连续化电路，两套分别装有起偏器、检偏器对称于发光元件的两个半径相同或不相同的圆轮，带动圆轮转动的传动件组成的机械转换装置，两套每套包括发光元件、起偏器、检偏器、光电接收元件的偏振光检测系统。被测量位移引起机械转换结构中的两个或四个圆轮转动，分别带动两个偏振光检测系统中的起偏器或检偏器作相同角度的转动，接收两个偏振光检测系统光强信号的光电检测元件的输出端分别连接到对应的线性化与连续化处理电路，线性化与连续化处理电路的输出为测量系统的输出。由于交替使用两套机械转换的检偏系统的测量信号，可测量大量程位移，当需绝对位置测量时，可附加一套直线与角位移为高比率的机械与偏振光检测系统。

Description

偏振光直线位移传感器

技术领域

本发明涉及以光学方法为特征的计量设备，是一种基于偏振光检测方法测量大量程直线位移的传感器。

背景技术

直线位移或角位移是一个基本的物理量，位移传感器在科学研究和工业应用中量大而面广。但现有位移传感器中能应用到大量程测量的种类并不多，可举的例子有栅式传感器(光栅、磁栅、容栅等)、光电编码器、威德曼效应传感器等。通常它们的制造工艺与使用维护都比较复杂，成本较高。如光栅位移传感器对环境要求高；威德曼效应位移传感器二次电路部分复杂，一次传感部分需要特种钢材等。尤其是对大量程绝对位置的测量，往往比较难以实现或要付出较大代价。偏振光位移传感器具有传感为非接触，结构简单，价格低廉等特点，但现有的测量方案都不适合于大量程位移特别是绝对位置大量程位移的测量。

发明内容

本发明的目的是：提供一种偏振光直线位移传感器，能够以较低的成本实现大量程(绝对位置的)位移测量，弥补背景技术中存在的不足。

为达到上述目的，本发明采用的原理是：将被测量的直线位移X通过机械结构(线性地)转换为角位移θ₁与θ₂，角位移θ₁与θ₂则分别在两个偏振光检测系统中构成了偏振光之起偏器与检偏器透光轴间的夹角，根据马吕斯定律，在检偏系统中θ₁与透过检偏器的光强J₁之间具有确定的关系，即

J₁＝J₀COS²θ₁ (1)

其中J₀为光源光强，设在另一个检偏系统中有相同的光源光强，同理有

J₂＝J₀COS²θ₂ (2)

将θ₁与θ₂预置为相差45°，则当X连续运行时，可以得到J₁的光电转换信号VG₁和J₂的光电转换信号VG₂，反复交替利用其线性度较好的曲线段并进行线性化与连续化处理，可以得到与X成比例的输出电信号V₀，它对应很大的位移量程；当需要记录绝对位置时，附加一套上述直线位移与角位移为高比率的机械与偏振光检测系统，使其输出光电信号提供绝对位置信息。

本发明采用的技术方案是：

方案1

偏振光直线位移传感器，包括具有相同结构的第一、第二两个线性化电路，一个连续化电路，第一发光元件，一套对称于第一发光元件布置的装有第一起偏器的第一圆轮、装有第一检偏器的第二圆轮，第一光电接收元件，一个能带动第一圆轮转动的传动件，它还包括：

1)机械转换装置：包括在第一发光元件的另一侧有另一套半径相同装有第二起偏器的第三圆轮、装有第二检偏器的第四圆轮；转动的传动件能同时带动第一圆轮和第三圆轮转动；

2)偏振光检测系统：共用第一发光元件的左侧从右而左依次有安装在第一圆轮上的第一起偏器，安装在第二圆轮上的第一检偏器，第一光电接收元件；第一发光元件的右侧从左而右依次有安装在第三圆轮上的第二起偏器，安装在第四圆轮上的第二检偏器，第二光电接收元件；起偏器与检偏器能分别随两个圆轮同时同轴转动，也能使一个随轴转动，一个固定；第一光电接收元件信号VG₁接第一线性化电路，第二光电接收元件信号VG₂接第二线性化电路，两路信号与连续化电路连接。

在传动件的另一侧装有能与传动件一起转动的半径不相同的第五、第六圆轮，第五圆轮上装有第三起偏器，第六圆轮上装有第三检偏器，第二发光元件位于第三起偏器的左侧，第三光电接收元件位于第三检偏器的右侧，第三光电接收元件的信号VG₃接第三线性化电路后与连续化电路连接。

所说的传动件为相啮合齿条或摩擦传动的导条。

方案2

偏振光直线位移传感器，包括具有相同结构的两个线性化电路，一个连续化电路，一个发光元件，一套半径不相同装有第一起偏器的第一圆轮、装有第一检偏器的第二圆轮，一个能带动第一圆轮、第二圆轮转动的传动件，它还包括：

1)机械转换装置：包括另一套相对转动的传动件上下布置，另一套半径不相同装有第二起偏器的第三圆轮、装有第二检偏器的第四圆轮；转动的传动件能同时带动第一圆轮、第二圆轮、第三圆轮、第四圆轮转动；

2)偏振光检测系统：传动件的上方从左而右依次有安装在第一圆轮上的第一起偏器，安装在第二圆轮上的第一检偏器，第一光电接收元件；传动件的下方从左而右依次有安装在第三圆轮上的第二起偏器，安装在第四圆轮上的第二检偏器，第二光电接收元件；发光元件安装在两个起偏器的左侧，第一光电接收元件信号VG₁接第一线性化电路，第二光电接收元件信号VG₂接第二线性化电路，两路信号与连续化电路连接。

所说的传动件为相啮合条或摩擦传动的导条。

被测量位移引起机械转换结构中的两个或四个圆轮转动，分别带动两个偏振光检测系统中的起偏器或检偏器作相同角度的转动，接收两个偏振光检测系统光强信号的光电检测元件的输出端分别连接到对应的线性化与连续化处理电路，线性化与连续化处理电路的输出为测量系统的输出。当需绝对位置测量时，可附加一套直线与角位移为高比率的机械与偏振光检测系统。

本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是：

1)传感部分为非接触的偏振光检测，运行可靠，使用寿命长；2)由于交替使用两套机械转换和检偏系统的测量信号，可测量大量程位移；3)实现绝对位置特别是失电以后重新检测时的绝对位置测量。

附图说明

图1是光学上的马吕斯定律曲线与本发明直线位移测量方法示意图；

图2是本发明的一种结构示意图；

图3是本发明的另一种结构示意图；

图4是本发明当要绝对位移测量时的结构示意图；

图5是电路的结构框图。

具体实施方式

如图1所示，在两个偏振光检测系统中，偏振器与检偏器透光轴之间的夹角同透过检偏器的光强之间有确定的关系，即马吕斯定律，当将θ₁与θ₂之差预置45°时，可得到如粗线所示的一个周期的工作区域。

如图2所示，机械转换装置：包括左右分别有一套对称于发光元件3布置的半径相同装有起偏器10的圆轮11、装有检偏器12的圆轮2；半径相同装有起偏器9的圆轮8、装有检偏器7的圆轮5，一个能同时带动圆轮11和圆轮8转动的传动件4。偏振光检测系统：包括一个发光元件3，两套起偏器10、9，两套检偏器12、7，两套光电接收元件1、6；发光元件3的左侧从右而左依次有安装在圆轮11上的起偏器10，安装在圆轮2上的检偏器12，光电接收元件1；发光元件3的右侧从左而右依次有安装在圆轮8上的起偏器9，安装在圆轮5上的检偏器7，光电接收元件6；起偏器与检偏器可分别随两个圆轮同时同轴转动，也可一个随轴转动，一个固定；光电接收元件1信号VG₁接线性化电路19，光电接收元件6信号VG₂接线性化电路20，两路线性化电路的输出信号与连续化电路22连接。

被测量直线位移X通过传动件4，也可采用相啮合齿条或摩擦传动的导条或其它刚性、柔性连接机构，以一定的线速度同时带动两个半径相同的圆轮8和11连续转动，并带动同轴转动的两个起偏器9与10转动，分别产生θ₁与θ₂，从而完成了直线位移至角位移的线性转换并通过偏振光检测系统建立了它们与光强信号之间的联系，得到图1中的J₁(θ₁)和J₂(θ₂)周期性连续曲线，经光电元件1和6转换可得到相似的周期性电信号。分别通过线性化电路19、20和连续化电路22的处理，即多次依次采用图1中从左至右各粗线段对应的电信号，并将其线性化、连续化、周期化，可得到与被测位移成比例的输出电信号，完成大量程位移的测量。

如图3所示，机械转换装置：包括上下分别有一套半径不相同装有起偏器10′的圆轮11′、装有检偏器12′的圆轮2′；半径不相同装有起偏器9′的圆轮8′、装有检偏器7′的圆轮5′，一个能同时带动圆轮11′、圆轮2′、圆轮8′、圆轮5′转动的传动件4′。偏振光检测系统：包括一个发光元件3′，两套起偏器10′、9′，两套检偏器12′、7′，两套光电接收元件1′、6′；传动件4′的上方从左而右依次有安装在圆轮11′上的起偏器10′，安装在圆轮2′上的检偏器12′，光电接收元件1′；传动件4′的下方从左而右依次有安装在圆轮8′上的起偏器9′，安装在圆轮5′上的检偏器7′，光电接收元件6′；发光元件3′安装在两个起偏器的左侧，光电接收元件1′信号VG₁接线性化电路19，光电接收元件6′信号VG₂接线性化电路20，两路信号与连续化电路22连接。

图3中采用了差动结构，圆轮2′与5′，8′与11′分别具有相同的半径，它们之间则有一个半径差，由双面传动件4′同时带动圆轮2′、5′、8′、11′转动时，起偏器9′与检偏器7′之间，起偏器10′与检偏器12′之间，分别产生θ₁与θ₂，其他工作过程与图2同。

当需提供绝对位置信息时，可在图2基础上附加一套直线与角位移为高比率的机械变换与偏振光检测系统，如图4所示。即在传动件4的另一侧装有能与传动件4一起转动的半径不相同的圆轮16、15，圆轮16上装有起偏器17，圆轮15上装有检偏器14，发光元件18位于起偏器17的左侧，光电接收元件13位于检偏器14的右侧，光电接收元件13的信号VG₃接第三线性化电路21后与连续化电路22连接。

位移X通过齿条4同时带动半径为R1的圆轮15与半径为R2的圆轮16转动，因半径差引起两圆轮之间的一个角度差：

θ＝(R1-R2)X/(R1R2) (3)

与两圆轮分别同轴转动的起偏器17与检偏器14之间也产生相同的角度差，当θ比图2中θ₁与θ₂小得多时，其相应的光电检测信号可提供对应满量程的绝对位置信息，经线性化电路21和连续化电路22处理，可使系统具有掉电后或任意移动位置后进行绝对位置测量的能力。

如图5所示，光电转换信号VG₁、VG₂、VG₃分别连接到线性化电路19、20、21(其中线性化电路19与20具有相同的结构)，它们的输出信号连接到连续化电路22，连续化电路的输出为测量系统的输出V₀。线性化电路可由放大电路与A/D转换电路相串联，再输入至单片机内用查表程序实现，连续化电路的功能可在单片机内用程序实现。

Claims

1.偏振光直线位移传感器，包括具有相同结构的第一、第二两个线性化电路[19]、[20]，一个连续化电路[22]，第一发光元件[3]，一套对称于第一发光元件[3]布置的装有第一起偏器[10]的第一圆轮[11]、装有第一检偏器[12]的第二圆轮[2]，第一光电接收元件[1]，一个能带动第一圆轮[11]转动的传动件[4]，其特征在于它还包括：

1)机械转换装置：包括在第一发光元件[3]的另一侧有另一套半径相同装有第二起偏器[9]的第三圆轮[8]、装有第二检偏器[7]的第四圆轮[5]；转动的传动件[4]能同时带动第一圆轮[11]和第三圆轮[8]转动；

2)偏振光检测系统：共用第一发光元件[3]的左侧从右而左依次有安装在第一圆轮[11]上的第一起偏器[10]，安装在第二圆轮[2]上的第一检偏器[12]，第一光电接收元件[1]；第一发光元件[3]的右侧从左而右依次有安装在第三圆轮[8]上的第二起偏器[9]，安装在第四圆轮[5]上的第二检偏器[7]，第二光电接收元件[6]；起偏器与检偏器能分别随两个圆轮同时同轴转动，也能使一个随轴转动，一个固定；第一光电接收元件[1]信号VG₁接第一线性化电路[19]，第二光电接收元件[6]信号VG₂接第二线性化电路[20]，两路信号与连续化电路[22]连接。

2.根据权利要求1所述的偏振光直线位移传感器，其特征在于：在传动件[4]的另一侧装有能与传动件[4]一起转动的半径不相同的第五、第六圆轮[16]、[15]，第五圆轮[16]上装有第三起偏器[17]，第六圆轮[15]上装有第三检偏器[14]，第二发光元件[18]位于第三起偏器[17]的左侧，第三光电接收元件[13]位于第三检偏器[14]的右侧，第三光电接收元件[13]的信号VG₃接第三线性化电路[21]后与连续化电路[22]连接。

3.根据权利要求1或2所述的偏振光直线位移传感器，其特征在于：所说的传动件[4]为相啮合齿条或摩擦传动的导条。

4.偏振光直线位移传感器，包括具有相同结构的两个线性化电路[19]、[20]，一个连续化电路[22]，一个发光元件[3′]，一套半径不相同装有第一起偏器[10′]的第一圆轮[11′]、装有第一检偏器[12′]的第二圆轮[2′]，一个能带动第一圆轮[11′]、第二圆轮[2′]转动的传动件[4′]，其特征在于它还包括：

1)机械转换装置：包括另一套相对转动的传动件[4′]上下布置，另一套半径不相同装有第二起偏器[9′]的第三圆轮[8′]、装有第二检偏器[7′]的第四圆轮[5′]；转动的传动件[4′]能同时带动第一圆轮[11′]、第二圆轮[2′]、第三圆轮[8′]、第四圆轮[5′]转动；

2)偏振光检测系统：传动件[4′]的上方从左而右依次有安装在第一圆轮[11′]上的第一起偏器[10′]，安装在第二圆轮[2′]上的第一检偏器[12′]，第一光电接收元件[1′]；传动件[4′]的下方从左而右依次有安装在第三圆轮[8′]上的第二起偏器[9′]，安装在第四圆轮[5′]上的第二检偏器[7′]，第二光电接收元件[6′]；发光元件[3′]安装在两个起偏器的左侧，第一光电接收元件[1′]信号VG₁接第一线性化电路[19]，第二光电接收元件[6′]信号VG₂接第二线性化电路[20]，两路信号与连续化电路[22]连接。

5.根据权利要求4所述的偏振光直线位移传感器，其特征在于：所说的传动件[4′]为相啮合条或摩擦传动的导条。