專利名稱：光學(xué)伺服比較式大量程絕對位置傳感器系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及以光學(xué)方法為特征的計量設(shè)備，是一種光學(xué)伺服比較式大量程絕對位置傳感器系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在背景技術(shù)領(lǐng)域中，直線位移或角位移是一個基本的物理量，位移傳感器在科學(xué)研究和工業(yè)應(yīng)用中量大而面廣?，F(xiàn)有位移傳感器中應(yīng)用較多的是電位器式位移傳感器和光電編碼器。電位器式位移傳感器結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，但它屬于典型的接觸式傳感器，壽命、精度、可靠性都偏低。偏振光位移傳感器可以有與電位器式位移傳感器相似的結(jié)構(gòu)，而它的傳感部分則具有非接觸的優(yōu)點。光電編碼器式位移傳感器可以直接測量角位移并通過機械轉(zhuǎn)換裝置測量直線位移，但它的制造工藝要求和價格都比較高。偏振光位移傳感器也可與光電編碼器有相同或相似的外部變換結(jié)構(gòu)，但它的傳感部分制造工藝簡單，成本較低。
偏振光位移傳感器要解決的基本問題之一是其固有的非線性，它是由光學(xué)上的馬呂斯定律引入的?，F(xiàn)有的技術(shù)方案是在機械部分進行預(yù)校正或在電路部分進行線性化處理。預(yù)校正的方法造成機械結(jié)構(gòu)復(fù)雜，校正的效果依賴于加工精度。而對測量數(shù)據(jù)進行線性化處理需要A/D、單片機等裝置，使電路復(fù)雜化。偏振光位移傳感器要解決的基本問題之二是光源光強的漂移問題。現(xiàn)有的光反饋、溫度補償方法效果都有限。而如何實現(xiàn)大量程測量是偏振光位移傳感器要解決的第三個問題?，F(xiàn)有的技術(shù)方案是利用偏振光檢測的周期性，這需要對光電信號進行連續(xù)化處理，也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本。最后，絕對位置檢測是各種位移傳感器面臨的技術(shù)難點，尤其是在大量程測量的場合，往往要增加許多的技術(shù)難度和成本，例如絕對位置式光電編碼器就比增量式光電編碼器的價格高出許多，如何實現(xiàn)大量程絕對式偏振光位移傳感器也是有待解決的一個重要問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光學(xué)伺服比較式大量程絕對位置傳感器系統(tǒng)，以偏振光光強信號過“零”檢測和步進電機伺服比較方法為基礎(chǔ)的差動式大量程絕對位置傳感器系統(tǒng)，通過被測位移引起的角度變化和步進電機在光電信號控制下的角度伺服跟蹤，完成(被測輸入量)機械位移至電機控制脈沖(測量輸出量)之間的轉(zhuǎn)換，并將工作點始終維持在線性度比較好的選定點，從測量方法上消除系統(tǒng)的非線性誤差，提高測量準(zhǔn)確度；用一種正交差動偏振檢測結(jié)構(gòu)從原理上排除光源光強漂移的影響；用伺服跟蹤方式實現(xiàn)大量程的位移測量；用一種多光路結(jié)構(gòu)及相應(yīng)的檢測方法實現(xiàn)大量程條件下的絕對位置測量，彌補背景技術(shù)中存在的不足。
為達到上述目的，本發(fā)明采用的原理是首先，將被測量的直線位移X通過機械結(jié)構(gòu)(線性地)轉(zhuǎn)換為角位移θ1與θ2，角位移θ1與θ2則分別在一個同光源雙光路正交差動比較式偏振光檢測系統(tǒng)中構(gòu)成了偏振光之起偏器與檢偏器透光軸間的夾角，根據(jù)馬呂斯定律，在檢偏系統(tǒng)中θ1與透過檢偏器的光強J1之間具有確定的關(guān)系，即J1＝J0COS2θ1(1)其中J0為光源光強，當(dāng)另一路光的檢偏系統(tǒng)共用同一光源并且光路對稱時，同理有J2＝J0COS2θ2(2)為得到最好的線性度，將θ1預(yù)置為45°，θ2預(yù)置為135°，二者是正交的(相差90°)，此時有J1＝J2，則當(dāng)被測直線位移X連續(xù)運行使兩起偏器(檢偏器)同時產(chǎn)生一個角位移θ時，一般有J1≠J2，利用ΔJ＝J1-J2及其光電轉(zhuǎn)換信號控制步進電機使兩檢偏器(或起偏器)也跟蹤(伺服)轉(zhuǎn)過一個角度θ′，可以得到此時J1和J2的表達式J1＝J0COS2(45°+θ-θ′)(3)J2＝J0COS2(135°+θ-θ′) (4)當(dāng)θ＝θ′時，有J1＝J2，反之也成立。即當(dāng)兩路光電信號之差為零時，表明伺服電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)的角度與輸入位移造成的旋轉(zhuǎn)角是相等的，在不失步的條件下，步進(伺服)電機的控制脈沖數(shù)成為被測位移的一個準(zhǔn)確度量，并且可以對應(yīng)很大的位移量程。而在同光源雙光路正交差動比較結(jié)構(gòu)中，當(dāng)光強漂移時，預(yù)置工作點(兩路光電信號相等的點)的縱坐標(biāo)(光強或其光電轉(zhuǎn)換信號)改變，但其橫坐標(biāo)(角位移)仍維持不變，即系統(tǒng)具有抗光源光強漂移的能力。為保證兩檢偏器是正交的，本發(fā)明采用由兩片透光軸互成90°的偏振片合成的雙偏振器。
其次，為獲得大量程條件下測量絕對位置的功能，系統(tǒng)中還安排有一種對稱多光路偏振光檢測結(jié)構(gòu)，并配以恰當(dāng)?shù)臋z測方法和檢測電路。
本發(fā)明采用的技術(shù)方案是包括1)第一套偏振光檢測系統(tǒng)從左到右依次裝有發(fā)光元件，在第一圓輪上同軸安裝起偏器，在第二圓輪上同軸安裝正交內(nèi)外環(huán)雙檢偏器，正交內(nèi)外環(huán)雙檢偏器的另一側(cè)裝有兩個光電檢測元件，兩個光電檢測元件的輸出端分別連接到比較放大器的兩輸入端，比較放大器的輸出端連接到信號處理與控制裝置的一輸入端，信號處理與控制裝置的輸出端連接到電機驅(qū)動器的輸入端，電機驅(qū)動器的輸出端接步進電機，步進電機驅(qū)動第二圓輪帶動正交內(nèi)外環(huán)雙檢偏器轉(zhuǎn)動；2)第二套偏振光檢測系統(tǒng)從左到右依次裝有另一發(fā)光元件，在第三圓輪上同軸安裝另一起偏器，在第四圓輪上同軸安裝對稱分布的多檢偏器，多檢偏器的另一側(cè)裝有相應(yīng)的光電檢測元件；相應(yīng)的多個光電檢測元件的輸出端分別接到另一比較放大器的相應(yīng)輸入端，另一比較放大器的輸出端接到信號處理與控制裝置的另一輸入端；3)第一圓輪與第三圓輪的外圓嚙合或摩擦耦合，使另一起偏器旋轉(zhuǎn)后和多檢偏器間產(chǎn)生一個正比于被測位移的轉(zhuǎn)角。
被測量位移引起機械轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的第一圓輪轉(zhuǎn)動，帶動第一套偏振光檢測系統(tǒng)中的起偏器轉(zhuǎn)過一個角度，發(fā)光元件發(fā)出的光束分別通過起偏器和雙檢偏器到達兩個光電檢偏元件，兩光電檢偏元件的輸出端分別連接到比較放大器的兩輸入端，比較放大器的輸出端連接到信號處理與控制裝置，信號處理與控制裝置的輸出連接到電機驅(qū)動器的輸入端，電機驅(qū)動器的輸出端接步進電機，步進電機驅(qū)動圓輪，使雙檢偏器轉(zhuǎn)過與起偏器相同的角度；信號處理與控制裝置同時提供位移測量系統(tǒng)的檢測與顯示輸出信號。在用于提供絕對位置信息的第二套檢偏系統(tǒng)中，第三圓輪與第一檢偏系統(tǒng)中的第一圓輪嚙合或摩擦耦合，使第二起偏器旋轉(zhuǎn)后和多檢偏器間得到一個正比于被測位移的轉(zhuǎn)角，四個光電檢測元件檢測到該轉(zhuǎn)角按馬呂斯定律引起的光強變化信號后，輸出到信號處理與控制裝置，使系統(tǒng)具有絕對位置檢測能力。
本發(fā)明與背景技術(shù)相比，具有的有益的效果是1.傳感部分為非接觸的偏振光檢測，運行可靠，使用壽命長；2.伺服比較原理將工作點固定在線性度比較好的點，解決了光學(xué)系統(tǒng)固有的非線性問題；3.同光源雙光路正交差動比較結(jié)構(gòu)解決了光源光強漂移問題；4.具有在大量程、掉電、任意移動條件下測量絕對位移的功能；
5.伺服比較式位移傳感器為光、機、電一體化結(jié)構(gòu)，各部分相對簡單，性能價格比高。


圖1是本發(fā)明的大量程絕對位置光學(xué)位移傳感器的光路結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的正交差動伺服比較系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；圖3是本發(fā)明的正交差動比較結(jié)構(gòu)抗光強漂移原理示意圖；圖4是本發(fā)明的絕對位置測量方法原理圖。
具體實施例方式
如圖1所示，本發(fā)明包括1)第一套偏振光檢測系統(tǒng)從左到右依次裝有發(fā)光元件1，在第一圓輪2上同軸安裝起偏器3，在第二圓輪5上同軸安裝正交內(nèi)外環(huán)(圓)雙檢偏器4，正交內(nèi)外環(huán)(圓)雙檢偏器4的另一側(cè)裝有兩個光電檢測元件6、7，兩個光電檢測元件6、7的輸出端分別連接到比較放大器8的兩輸入端，比較放大器8的輸出端連接到信號處理與控制裝置9的一輸入端，信號處理與控制裝置9的輸出端連接到電機驅(qū)動器10的輸入端，電機驅(qū)動器10的輸出端接步進電機11，步進電機11驅(qū)動第二圓輪5帶動正交內(nèi)外環(huán)雙檢偏器4轉(zhuǎn)動；2)第二套偏振光檢測系統(tǒng)從左到右依次裝有另一發(fā)光元件12，在第三圓輪14上同軸安裝另一起偏器13，在第四圓輪16上同軸安裝對稱分布的多檢偏器15，多檢偏器15的另一側(cè)裝有相應(yīng)的光電檢測元件；相應(yīng)的多個光電檢測元件的輸出端分別接到另一比較放大器21的相應(yīng)輸入端，另一比較放大器21的輸出端接到信號處理與控制裝置9的另一輸入端；3)第一圓輪2與第三圓輪14的外圓嚙合或摩擦耦合，使另一起偏器13旋轉(zhuǎn)后和多檢偏器15間產(chǎn)生一個正比于被測位移的轉(zhuǎn)角。
所說的第四圓輪16上裝有4個檢偏器15，分別對應(yīng)為光電檢測元件17、1819、20。
如圖1及圖2所示，被測直線位移經(jīng)機械轉(zhuǎn)換使圓輪2旋轉(zhuǎn)，起偏器3產(chǎn)生角位移θ，信號處理與控制裝置9通過驅(qū)動器10驅(qū)動步進電機11作伺服隨動，使圓輪5及其上的同心圓正交雙檢偏器4也旋轉(zhuǎn)過相同的角度θ′，同時根據(jù)步進電機的控制脈沖數(shù)提供被測位移的數(shù)值。具體工作過程可進一步描述如下發(fā)光元件1發(fā)出的一部分光束分別通過起偏器3、同心圓正交雙檢偏器4的外環(huán)部分為光電檢測元件7所接收；發(fā)光元件1發(fā)出的另一部分光束分別通過起偏器3、同心圓正交雙檢偏器4的內(nèi)圓部分為光電檢測元件6所接收；通常使光電檢測元件6、7在初始工作點(位移起點)接收的光強相等，而檢偏器4外環(huán)部分的透光軸與內(nèi)圓部分的透光軸是正交的。
如圖2所示，光電檢測元件6、7輸出的電信號連接至比較放大器8，它可由通常的模擬運算放大器電路構(gòu)成。比較放大器8輸出的光電差動信號連接至信號處理與控制裝置9，它可用常規(guī)的數(shù)字、模擬電路或單片機等實現(xiàn)。信號處理與控制裝置9根據(jù)差動信號的方向、大小控制驅(qū)動器10和步進電機11使θ′不斷跟隨θ，直至二者相等。
如圖3所示，本發(fā)明的正交差動比較結(jié)構(gòu)具有抗光強漂移的能力。由(1)～(4)式可知，當(dāng)光強未發(fā)生漂移時，上述正交差動比較伺服控制的結(jié)果使2條馬呂斯曲線上的工作點維持在其交點(A點)；當(dāng)光強發(fā)生漂移時，工作點將移至B點，但B點的橫坐標(biāo)(對應(yīng)位移)仍與A點相同，這意味著光強漂移對位移測量的結(jié)果沒有影響。
如圖1所示，本發(fā)明的正交雙檢偏器由外環(huán)和內(nèi)環(huán)(圓)兩部分組成，二者的透光軸是正交(互成90°)的。正交雙檢偏器也可用其他形狀的偏振片構(gòu)成。
如圖1所示，本發(fā)明的正交差動光路及其安裝結(jié)構(gòu)可實現(xiàn)發(fā)光、光電檢測元件的固定化，即它們不隨起偏器3和檢偏器4轉(zhuǎn)動，避免了類似電刷裝置的使用，從而使電路可靠連接。在圖1中，發(fā)光元件1和光電檢測元件6、7被固定在結(jié)構(gòu)件如遮光罩上，與運動部分沒有直接聯(lián)系，而兩個光電檢測元件關(guān)于發(fā)光元件和檢偏器內(nèi)外環(huán)(圓)的分界線是對稱布置的。
如圖1所示，第三圓輪14與第一圓輪2嚙合或摩擦耦合，使起偏器13旋轉(zhuǎn)后和多檢偏器15間產(chǎn)生一個正比于被測位移的轉(zhuǎn)角。第三圓輪14(或與其同軸的另一圓輪)與第一圓輪2(或與其同軸的另一圓輪)的半徑之比為一整數(shù)，例如為16∶1，多檢偏器15中的各檢偏器與起偏器13之間的透光軸預(yù)置夾角依次變化一個確定的角度(圖4中為45°)，則根據(jù)馬呂斯定律可得光電檢測元件17、18、19、20的輸出信號如圖4所示。設(shè)光電檢測元件17、18輸出信號的第一個交點為被測位移的起點，則圓輪2每轉(zhuǎn)一圈(360°)，圓輪14轉(zhuǎn)過22.5°，這個點也是光電元件17～20中某兩個光電輸出信號的交(相等)點，而信號處理與控制裝置9根據(jù)四路光電信號間的大小(極性)比較(參見表1)，可以唯一地確定圓輪14旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，使系統(tǒng)具有絕對位置檢測包括掉電和掉電后任意移動后絕對位置檢測的能力。例如，在上述圓輪14與圓輪2的半徑之比為16∶1的條件下，圓輪14每轉(zhuǎn)過22.5°，圓輪2將旋轉(zhuǎn)一圈，即在圓輪14的180°可區(qū)別范圍內(nèi)圓輪2共旋轉(zhuǎn)8圈，可以對應(yīng)很大的量程。在圓輪14旋轉(zhuǎn)的第1圈里四路光電信號的相互關(guān)系滿足V1≥V2≥V4≥V3，其中曲線A對應(yīng)著V1，曲線B對應(yīng)著V2，曲線C對應(yīng)著V3，曲線D對應(yīng)著V4，其他各段光電信號之間的關(guān)系如表1所示，第9圈將重復(fù)第1圈的關(guān)系。
由于仍通過兩路信號的比較確定旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，提供絕對位置信息的第二套檢偏系統(tǒng)同樣具有抗光強漂移的能力。

表權(quán)利要求
1.光學(xué)伺服比較式大量程絕對位置傳感器系統(tǒng)，其特征在于包括1)第一套偏振光檢測系統(tǒng)從左到右依次裝有發(fā)光元件(1)，在第一圓輪(2)上同軸安裝起偏器(3)，在第二圓輪(5)上同軸安裝正交內(nèi)外環(huán)雙檢偏器(4)，正交內(nèi)外環(huán)雙檢偏器(4)的另一側(cè)裝有兩個光電檢測元件(6、7)，兩個光電檢測元件(6、7)的輸出端分別連接到比較放大器(8)的兩輸入端，比較放大器(8)的輸出端連接到信號處理與控制裝置(9)的一輸入端，信號處理與控制裝置(9)的輸出端連接到電機驅(qū)動器(10)的輸入端，電機驅(qū)動器(10)的輸出端接步進電機(11)，步進電機(11)驅(qū)動第二圓輪(5)帶動正交內(nèi)外環(huán)雙檢偏器(4)轉(zhuǎn)動；2)第二套偏振光檢測系統(tǒng)從左到右依次裝有另一發(fā)光元件(12)，在第三圓輪(14)上同軸安裝另一起偏器(13)，在第四圓輪(16)上同軸安裝對稱分布的多檢偏器(15)，多檢偏器(15)的另一側(cè)裝有相應(yīng)的光電檢測元件；相應(yīng)的多個光電檢測元件的輸出端分別接到另一比較放大器(21)的相應(yīng)輸入端，另一比較放大器(21)的輸出端接到信號處理與控制裝置(9)的另一輸入端；3)第一圓輪(2)與第三圓輪(14)的外圓嚙合或摩擦耦合，使另一起偏器(13)旋轉(zhuǎn)后和多檢偏器(15)間產(chǎn)生一個正比于被測位移的轉(zhuǎn)角。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)伺服比較式大量程絕對位置傳感器系統(tǒng)，其特征在于所說的第四圓輪(16)上裝有4個檢偏器(15)，分別對應(yīng)為光電檢測元件(17、18、19、20)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)伺服比較式大量程絕對位置傳感器系統(tǒng)。包括兩套偏振光檢測系統(tǒng)，被測位移引起機械轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的第一圓輪轉(zhuǎn)動，帶動第一套檢偏系統(tǒng)中的起偏器轉(zhuǎn)過一個角度，發(fā)光元件的光束分別通過起偏器和雙檢偏器到達兩個光電檢偏元件，其輸出端分別接到比較放大器的兩輸入端，經(jīng)信號處理與控制裝置、電機驅(qū)動器接步進電機驅(qū)動圓輪，使雙檢偏器轉(zhuǎn)過與起偏器相同的角度；信號處理與控制裝置同時提供位移測量系統(tǒng)的檢測與顯示輸出信號。第二套檢偏系統(tǒng)中，第三圓輪與第一檢偏系統(tǒng)中的第一圓輪嚙合或摩擦耦合，使第二起偏器旋轉(zhuǎn)后和多檢偏器間得到一個正比于被測位移的轉(zhuǎn)角，光電檢測元件檢測到光強信號后，輸出到信號處理與控制裝置，使系統(tǒng)具有絕對位置檢測能力。
文檔編號G01D5/26GK1483996SQ03141869
公開日2004年3月24日 申請日期2003年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月24日
發(fā)明者李偉, 王耀軍, 盧圣, 李 偉 申請人:浙江大學(xué)