一種大量程直線型相位光柵輪廓測量位移傳感器的製作方法

2023-06-14 00:41:46 1

專利名稱：一種大量程直線型相位光柵輪廓測量位移傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於位移傳感器技術，具體涉及一種大量程直線型相位光柵輪廓測量位移傳感器。
背景技術：
隨著表面輪廓測量技術的迅速發展，研製大量程、高精密、低成本位移傳感器的問題變得至關重要。輪廓測量一般使用電感式位移傳感器存在測量範圍小、造價高、精度低的問題。目前已有的大量程輪廓測量位移傳感器主要有兩種一是利用雷射幹涉原理的輪廓測量位移傳感器。([1]肖虹，王選擇，謝鐵邦。滾動軸承曲面輪廓形貌測量儀。軸承，6，2004，p.30～33)，與光柵幹涉相比，雷射幹涉測量精度受空氣成份、壓強、溼度的影響，環境的變化對雷射幹涉輪廓測量位移傳感器的測量精度影響較大，使用時必須對空間位置及工件的溫度進行實時測量及補償。其測量精度取決於穩頻的精度和環境條件及各種環境測量傳感器的數量和精度。二是用柱面光柵幹涉的輪廓測量位移傳感器。([2]蔣向前，李柱，謝鐵邦。全息光柵幹涉法測量曲面形貌理論研究。華中理工大學學報，22(2)，1994，p.60～64)，該傳感器中使用的是柱面光柵。柱面光柵加工困難，安裝定位難度大。
在對比文獻中，文獻[1]基於雷射幹涉原理測量輪廓形貌，工作範圍±3mm，解析度10nm，但是該系統較結構複雜，成本比本裝置貴，並且雷射幹涉測量精度受到空氣溫度、壓力及相對溼度的變化等環境變化影響大。文獻[2]柱面光柵幹涉傳感器，理論測量範圍6mm，解析度能達到1nm。但是柱面光柵加工要嚴格保證柱面的曲率半徑和表面質量，使傳感器造價高。另外柱面光柵輪廓測量位移傳感器安裝困難，對軸承要求高，安裝製造稍有偏差，將使光柵無法幹涉，光電管接受不到有效的信號，導致無法測量。並且其測量的線性差，測量範圍和測量精度都遠未達到理論分析值，實際測量範圍為1mm，測量精度為10nm。

發明內容
本發明的目的在於提供一種大量程直線型相位光柵輪廓測量位移傳感器，該位移傳感器具有結構簡單、測量範圍大、測量精度高和成本低的特點。
本發明提供的一種大量程直線型相位光柵輪廓測量位移傳感器，其特徵在於該位移傳感器包括雷射器、整體切割平行彈簧、第一、第二指示光柵、標尺光柵、第一至第三光電探測器和信號處理電路。
整體切割平行彈簧由一塊彈簧鋼板切割而成的機架和平行彈簧二部分構成，平行彈簧位於機架內，平行彈簧的中間部分厚度大於其端部的厚度，構成彈簧加強筋；雷射器位於整體切割平行彈簧的機架上；標尺光柵固定在平行彈簧的端部，標尺光柵、第一指示光柵和第二指示光柵相互平行，均為透射型光柵，雷射器發出的光束依次經過第一指示光柵、標尺光柵和第二指示光柵產生幹涉條紋，第一至第三光電探測器、均位於第二指示光柵與雷射器相對的一側，用於接收三路幹涉條紋，並將光信號轉化為電信號，再傳送給信號處理電路處理後輸出；連接杆的一端與標尺光柵的端部固定連接，其另一端通過鉸鏈與測杆的一端相連，測杆安裝在十字簧片鉸鏈上，觸針固定在測杆的另一端。
本發明的位移檢測裝置採用三個透射型相位光柵幹涉作為計量標準器，雷射束投射到光柵平面上，通過三個光柵的衍射形成三路不同的幹涉條紋。與柱面光柵相比，本發明中使用的直線型相位光柵加工製造安裝容易，使傳感器結構簡單，成本低，測量線性好。與雷射幹涉測量相比，本發明中使用的直線型相位光柵測量精度不受空氣成份、壓強、溼度的影響；允許在環境溫度變化較大的情況下使用，其測量精度取決於光柵尺本身的精度，測量重複性取決於光柵尺的熱傳導性。本發明所涉及到的材料、零件價格低廉，所涉及到的光路結構簡單，易調整，容易實現。本發明測量位移傳感器具有測量範圍大、測量精度高、結構簡單、成本低和無裝配誤差的特點。該傳感器可用於測量工件的輪廓尺寸、表面形狀誤差、表面波度及表面粗糙度，該傳感器測量範圍為0～8mm、解析度可達5nm。


圖1為本發明位移傳感器的結構示意圖；圖2為整體切割平行彈簧的結構示意圖；圖3為光柵測量原理圖；圖4為本發明位移傳感器的工作流程示意圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實例對本發明作進一步詳細的說明。
如圖1所示，本發明位移傳感器主要包括雷射器4、整體切割平行彈簧5、指示光柵8，10、標尺光柵9和光電探測器12、13、14等部件。
整體切割平行彈簧5用來固定光柵和雷射器，由一塊彈簧鋼板整體切割而成機架18和平行彈簧20二部分，平行彈簧20位於機架18內，平行彈簧20的中間部分厚度大於二端部的厚度，構成彈簧加強筋19。該結構上下兩片彈簧的長度和兩端尺寸一致，保證彈簧的平行性且無偏轉，使其無裝配誤差，精度高。整體切割平行彈簧保證了標尺光柵9的平行移動，使光電探測器能接受到高質量的幹涉條紋。
雷射器4位於整體切割平行彈簧5的機架18上。標尺光柵9固定在平行彈簧20的端部，第一指示光柵8通過第一固定架7固定在傳感器基座上，第二指示光柵10位於第二固定架11上，第二固定架11通過連接螺釘6、17固定在機架18上，在第二指示光柵10與第一指示光柵8相對的一側設有第一、第二和第三光電探測器12、13和14。標尺光柵9、第一指示光柵8和第二指示光柵10相互平行，均為透射型光柵。雷射器4發出的光束依次經過第一指示光柵8、標尺光柵9和第二指示光柵10產生幹涉條紋。第一、第二和第三光電探測器12、13和14位於第二指示光柵10與雷射器4相對的一側，分別接收三路幹涉條紋，將光信號轉化為電信號輸出給信號處理電路21。信號處理電路21將光電探測器輸出的電信號去直流，差分放大和細分、辨向後送給後續處理電路和計算機。
連接杆15的一端與標尺光柵9的端部固定連接，其另一端通過鉸鏈16與測杆2的一端相連，十字簧片鉸鏈3固定在傳感器基座上，測杆2安裝在十字簧片鉸鏈3上，可以繞其做無摩擦力轉動，從而提高測杆的運動精度和靈敏度。觸針1固定在測杆2的另一端。
為了提高幹涉條紋的接收信噪比，光電探測器12、13和14最好採用田字型對稱式四象限排列方式。這種排列所獲取的相差信號允許條紋的形狀與寬度在一定範圍內發生變化，光電管對稱性好，參數一致，獲取幹涉條紋信號集中，因而能極大地抑制直流信號，獲取高信噪比的光電差分信號。
如圖3所示，光柵檢測原理是雷射器4發出的光束進入透射型第一指示光柵8，形成0級、+1、-1三束衍射光，再通過透射型標尺光柵9，形成+1-1；0+1；0-1；-1+1等多束衍射光，上述光束入射到透射型第二指示光柵10上，光波方向相同、光程相同的0+10，+1-1+1；+1-10，0+1+1；-1+10，0-1+1；-1+1-1，0-1-1產生幹涉條紋，其中+1-10，0+1+1和-1+10，0-1+1的幹涉條紋完全相同，故拾取其中一路。三路幹涉條紋分別進入光電探測器12、13、14上。
雷射器4發出的雷射束入射到指示光柵8上，產生±1級衍射光，指示光柵8的0級和±1級衍射光依次經過標尺光柵9和指示光柵10衍射後，光波方向相同、光程相同的光產生幹涉，形成明暗相間的幹涉條紋。當傳感器觸針1划過工件表面時，由於工件表面不平，觸針上下移動，測杆2繞十字簧片鉸鏈3做無摩擦力轉動，通過鉸鏈16和連接杆15驅動標尺光柵8上下移動，被測表面的輪廓的變化轉換為位移信號驅動標尺光柵9上下移動。第一指示光柵8、標尺光柵9和第二指示光柵10產生幹涉條紋跟隨移動，條紋變化量由光電探測器12、13、14測出。該信號經過信號處理電路21去直流，差分放大和細分、辨向後送給後續處理電路和計算機分析處理。其工作原理如圖4所示。
權利要求
1.一種大量程直線型相位光柵輪廓測量位移傳感器，其特徵在於該位移傳感器包括雷射器(4)、整體切割平行彈簧(5)、第一、第二指示光柵(8)，(10)、標尺光柵(9)、第一至第三光電探測器(12)、(13)、(14)和信號處理電路(21)；整體切割平行彈簧(5)由一塊彈簧鋼板切割而成的機架(18)和平行彈簧(20)二部分構成，平行彈簧(20)位於機架(18)內，平行彈簧(20)的中間部分厚度大於其端部的厚度，構成彈簧加強筋(19)；雷射器(4)位於整體切割平行彈簧(5)的機架(18)上；標尺光柵(9)固定在平行彈簧(20)的端部，標尺光柵(9)、第一指示光柵(8)和第二指示光柵(10)相互平行，均為透射型光柵，雷射器(4)發出的光束依次經過第一指示光柵(8)、標尺光柵(9)和第二指示光柵(10)產生幹涉條紋，第一至第三光電探測器(12)、(13)、(14)均位於第二指示光柵(10)與雷射器(4)相對的一側，用於接收三路幹涉條紋，並將光信號轉化為電信號，再傳送給信號處理電路(21)處理後輸出；連接杆(15)的一端與標尺光柵(9)的端部固定連接，其另一端通過鉸鏈(16)與測杆(2)的一端相連，測杆(2)安裝在十字簧片鉸鏈(3)上，觸針(1)固定在測杆(2)的另一端。
2.根據權利要求1所述的位移傳感器，其特徵在於第一至第三光電探測器(12)、(13)、(14)均採用田字型對稱式四象限排列方式。
全文摘要
本發明公開了一種大量程直線型相位光柵輪廓測量位移傳感器。整體切割平行彈簧由一塊彈簧鋼板切割而成的機架和平行彈簧二部分構成，雷射器位於機架上；標尺光柵固定在平行彈簧的端部；三個光柵相互平行；連接杆與標尺光柵連接，並通過鉸鏈與測杆相連，測杆安裝在十字簧片鉸鏈上，觸針固定在測杆的另一端；雷射器發出的光束依次經過三個光柵產生幹涉條紋，光電探測器接收三路幹涉條紋，並將光信號轉化為電信號，再傳送給信號處理電路處理後輸出。本發明測量位移傳感器具有測量範圍大、測量精度高、結構簡單、成本低和無裝配誤差的特點。該傳感器可用於測量工件的輪廓尺寸、表面形狀誤差、表面波度及表面粗糙度，該傳感器測量範圍為0～8mm、解析度可達5nm。
文檔編號G01D5/26GK1971209SQ200610125389
公開日2007年5月30日 申請日期2006年12月8日 優先權日2006年12月8日
發明者王淑珍, 常素萍, 謝鐵邦 申請人:華中科技大學