專利名稱：一種光柵線位移傳感器的制作方法
一種光柵線位移傳感器
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改善光電信號質(zhì)量的光柵線位移傳感器。背景技術(shù)：
光柵線位移傳感器中，標(biāo)尺光柵和指示光柵所形成的莫爾條紋圖樣，被探測器接 收轉(zhuǎn)換成光電信號，從而完成位移量到光電信號的轉(zhuǎn)換。但這僅僅是第一步，為了獲得更高 的測量分辨率，還要對所獲得的光電信號進(jìn)行細(xì)分。為了獲得更高的細(xì)分精度，就必須有高 的光電信號質(zhì)量?，F(xiàn)有技術(shù)中采用了指示光柵的窗口中分成兩個或四個小區(qū)間并移相的方法來提 高光電信號的質(zhì)量。但這種方法過于簡單，沒有考慮四個窗口之間如何消除附加相位誤差， 需要進(jìn)一步解決。

發(fā)明內(nèi)容為了解決現(xiàn)有技術(shù)中光電信號質(zhì)量較差，易產(chǎn)生高次諧波的問題，本發(fā)明有必要 提供一種改善光電信號，抑制對高細(xì)分影響較大的諧波的光柵線位移傳感器。一種光柵線位移傳感器，其包括標(biāo)尺光柵、沿標(biāo)尺光柵移動的滑架、設(shè)置在滑架上 的光源、指示光柵和探測器，該光源發(fā)出的光線依次經(jīng)過該標(biāo)尺光柵及該指示光柵，形成特 定的光信號，該探測器捕捉該光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，從而完成位移量到光電信號的轉(zhuǎn)換，該 指示光柵上設(shè)置多個窗口，每一個窗口內(nèi)均刻劃有多條刻線形成的圖案，該每一刻線方向 與該測量方向成一不為90°的夾角。相對于現(xiàn)有技術(shù)，指示光柵的相應(yīng)位置的區(qū)域內(nèi)的窗口上的刻線與標(biāo)尺光柵的刻 線是不平行的，是按一定的要求刻劃成一個確定的夾角。從而使兩個光柵形成的莫爾條紋 的寬度滿足我們的要求，使探測器接收到一個我們?yōu)橄槐匾闹C波而設(shè)計的莫爾條紋 寬度的一部分，如莫爾條紋寬度的1/5，1/4，1/3，1/2，等等。

圖1是本發(fā)明一種光柵線位移傳感器的橫截面示意圖。圖2是圖1所示指示光柵的各窗口排列示意圖。圖3是圖2所示各窗口內(nèi)的刻線的基本單元圖樣。圖4是圖2所示各窗口內(nèi)的刻線的基本單元圖樣。圖5-8是基本單元的多個圖樣組合形示意圖。圖9是圖5-8所示組合圖形的變形示意圖。圖10是本案第二實(shí)施方式的窗口排布示意圖。圖11是本案第三實(shí)施方式的窗口排布示意圖。圖12是本案第四實(shí)施方式的窗口排布示意圖。
具體實(shí)施方式請參閱圖1，圖1是本發(fā)明第一實(shí)施方式光柵線位移傳感器的橫截面示意圖。該光 柵線位移傳感器1包括標(biāo)尺光柵10、沿標(biāo)尺光柵縱向移動的滑架20、設(shè)置在滑架20上的光 源21、透鏡22、指示光柵23和探測器對。該標(biāo)尺光柵10上刻有與測量方向垂直的刻劃周 期為b0的刻線101。這些刻線可以是刻劃的，也可以是復(fù)制的。該指示光柵23上有按一定 規(guī)律排列的多個窗口(未標(biāo)示)，在各個窗口上均刻有刻線(未標(biāo)示)。該光源21發(fā)出的 光線依次經(jīng)過該透鏡22、標(biāo)尺光柵10及指示光柵23，形成特定的光信號，該探測器M捕捉 該光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，從而完成位移量到光電信號的轉(zhuǎn)換。請參閱圖3和圖4，圖3和圖4是圖2所示各窗口內(nèi)的刻線的第一基本單元圖樣 109和第二基本單元110。該第一基本單元109該第二基本單元110包括多條相互平行，且 與標(biāo)尺光柵10上的刻線成一定傾斜角的刻線。其中，刻線周期(光柵柵距)是b，它可以與 標(biāo)尺光柵10的刻線周期相同，也可以不相同，刻線的數(shù)量可按具體的結(jié)構(gòu)尺寸來確定，刻 線的長度是h，刻線方向與測量方向的夾角是α，這個夾角α不等于90°，夾角α的大小 由刻劃來實(shí)現(xiàn)，不是靠旋轉(zhuǎn)指示光柵得到。其中，b，α及h的關(guān)系可以近似的用下式來表 示h = w/k = b/tg(90° _a)/k其中w為莫爾條紋的寬度，k取2，3，4，5，7，等等。當(dāng)刻線周期b的寬度的選取與標(biāo)尺光柵10相同時，我們將得到近似沿刻線方向變 化的橫向莫爾條紋；當(dāng)刻線周期b的寬度選取與標(biāo)尺光柵不相同時，我們將得到斜向變化 的斜向莫爾條紋。斜向莫爾條紋的寬度可以按下式計算w= b *b0 /Vb*b+b0*b0-2bb0cos a?？梢杂嬎愠?，當(dāng)取k = 4時，即當(dāng)探測器M對應(yīng)著莫爾條紋寬度w的1/4時，奇次 諧波已經(jīng)衰減到1Λ2Π-1)，其中2n-l是奇次諧波的級次。同樣可以計算出，當(dāng)取k = 3時， 即當(dāng)探測器M對應(yīng)著莫爾條紋寬度w的1/3時，3次諧波已經(jīng)衰減到0，其他奇次諧波也得 到很大的衰減。請再參閱圖5、圖6、圖7和圖8，在圖5和圖6里，由圖3和圖4所提供的第一基本 單元109及第二基本單元110組成了一個半菱形圖樣111，在圖7里，由圖5和圖6提供的 圖樣組成了菱形112，在圖8里則由圖5到圖6提供的圖樣排列成多菱形圖樣，當(dāng)然也可以 有更多的基本單元圖樣109，110排列出更復(fù)雜的圖樣，這樣做的目的是進(jìn)一步降低指示光 柵23移動時附加的垂直于光柵刻劃面的微小的轉(zhuǎn)動帶來的不利的影響，同時也對其他制 造缺欠起到很好的平均消除作用。采用圖5或圖6所示的圖樣，將會大大減少由于莫爾條 紋寬度的變化而帶來的不利影響。采用圖7和圖8的圖樣，將會帶來更好的效果。可以看 到，當(dāng)一個基本單元圖樣109或110形成的莫爾條紋寬度變窄的時候，與其對應(yīng)的另一個基 本單元圖樣110或109由于其刻線方向與前者相反所形成的莫爾條紋的寬度將會變寬，這 樣一來兩個相反的變化就互相抵消了。它將降低裝配難度，并提高使用的可靠性。請參閱圖9，圖9是圖5-圖8所示組合圖形的變形示意圖。為了進(jìn)一步消除奇次 諧波，我們可以采用移相的方法，如每一窗口內(nèi)的圖形之間適當(dāng)?shù)倪x取不同的相位差就可 以消除不同的不必要的諧波，如圖9所示，由如圖3和(或)圖4所示的第一基本單元109或第二基本單元110組成復(fù)雜的圖形，同時使這些復(fù)雜圖形之間具有不同的θ的取值來消 除多個不必要的諧波。如標(biāo)號111-116所表示的各種圖形，均可作為各窗口的刻線的圖樣。 其中θ值表示兩個圖形的相位差?？梢杂嬎愠?，當(dāng)θ =36°、60°時可消除5次諧波、以5為倍數(shù)的諧波和3次諧 波、以3為倍數(shù)的諧波。為了消除其他諧波，在多個圖形之間采用多個不同的θ值，來同時 消除多個諧波。相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明指示光柵23的相應(yīng)位置的區(qū)域內(nèi)的窗口上的刻線與標(biāo) 尺光柵10的刻線是不平行的，是按一定的要求刻劃成一個確定的夾角。從而使兩個光柵形 成的橫向莫爾條紋的寬度滿足我們的要求，使探測器24接收到一個我們?yōu)橄槐匾?諧波而設(shè)計的莫爾條紋寬度的一部分，如莫爾條紋寬度的1/5，1/4，1/3，等等。本發(fā)明不限于上述實(shí)施方式，請參閱圖10，本發(fā)明第二實(shí)施方式的窗口設(shè)置示意 圖。相對于第一實(shí)施方式，為了使指示光柵23的調(diào)整方便，我們可以在合適的位置刻劃出 與測量方向垂直的幾個小的附加窗口，這幾個小的附加窗口的刻劃周期與標(biāo)尺光柵10是 一樣的，利用它來精確的調(diào)整各窗口內(nèi)刻線的正確角度。即當(dāng)幾個小的附加窗口與標(biāo)尺光 柵10形成光閘條紋時，可以認(rèn)為指示光柵23上的故意刻出的有一定傾斜角度的刻線與標(biāo) 尺光柵10刻線的夾角是正確的。如圖10所示，其中231和232就是兩個附加的小窗口，其 刻線的周期與標(biāo)尺光柵10是一致的，其刻線的方向是與測量方向垂直的。在實(shí)際應(yīng)用中也 可以采用更多的小附加窗口來使調(diào)整更加方便。另外，請參閱圖11，是本案第三實(shí)施方式的窗口排布示意圖。相對于第二實(shí)施方 式，我們可以將第一實(shí)施方式中的每一窗口分解成幾個部分，如131. 1和131. 2，每一個部 分之間具有一定的相位關(guān)系θ，這幾個部分可以相互靠近，也可以被其他窗口相隔。利用不 同的窗口具有不同的相位差來消除不需要的諧波。另外，請參閱圖12，是本案第四實(shí)施方式的窗口排布示意圖。在本發(fā)明第一實(shí)施方 式的基礎(chǔ)上，采用圖12所示的圖形，選取進(jìn)一步加多的窗口和不同的排列順序來消除相位 誤差。同相位的窗口的電信號是并聯(lián)在一起的。窗口 131、132、133、134之間的相位依次相 差90°，但在指示光柵上卻按131、132、134、133的順序排列。上述設(shè)置考慮到實(shí)際光源的 光照的不均勻性，我們可以采用更多的指示光柵窗口，安排不同的相位順序來平均光源光 照的不均勻性帶來的相位誤差。本發(fā)明的最佳實(shí)施方案如圖10所示，各窗口的刻線周期b = 0.02mm，其中231， 232的刻線與測量方向垂直，其他窗口 131，132，134，133之間的排列如圖12所示；窗口 131，132，134，133的窗口內(nèi)部的刻線圖樣采用圖9中116的形式，取θ =36°用以消除5 次諧波及以5為倍數(shù)的諧波；刻線圖樣采用如圖3和圖4所示的基本單元圖樣110 ；基本單 元圖樣 110 的結(jié)構(gòu)尺寸如下，W=L 5mm, h = w/3 = 0. 5mm, b = 0. 02mm, α = 45. 8'，選 擇這樣的參數(shù)是為了消除3次諧波及以3為倍數(shù)的諧波，并使其他諧波也得到很大的衰減。
權(quán)利要求
1.一種光柵線位移傳感器，其包括標(biāo)尺光柵、沿標(biāo)尺光柵移動的滑架、設(shè)置在滑架上的 光源、指示光柵和探測器，該光源發(fā)出的光線依次經(jīng)過該標(biāo)尺光柵及該指示光柵，形成特定 的光信號，該探測器捕捉該光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，從而完成位移量到光電信號的轉(zhuǎn)換，其特 征在于該指示光柵上設(shè)置多個窗口，每一窗口由一個或多個刻線圖案組成，每個圖案內(nèi)均 刻劃有多條刻線，該每一刻線方向與該測量方向成不為90°的夾角。
2.如權(quán)利要求1所述的光柵線位移傳感器，其特征在于該任意一窗口的多條刻線由 第一基本單元和第二基本單元中的至少一種組成；該第一基本單元圖樣和該第二基本單元 圖樣均包括多條相互平行，且與標(biāo)尺光柵上的刻線成一定傾斜角的刻線，刻線周期是b，刻 線的長度是h，刻線方向與測量方向的夾角是α，其中，b，h，α量的關(guān)系可以近似的用下式 來表示h = w/k = b/tg(90° _a)/k其中w為莫爾條紋的寬度，k取2，3，4，5，7，等等。
3.如權(quán)利要求2所述的光柵線位移傳感器，其特征在于該刻線周期b與該標(biāo)尺光柵 柵距相同或者與該標(biāo)尺光柵柵距不相同。
4.如權(quán)利要求3所述的光柵線位移傳感器，其特征在于該指示光柵上進(jìn)一步設(shè)置其 刻線方向與測量方向垂直的至少一個附加窗口，該附加窗口的刻劃周期與標(biāo)尺光柵的光柵 周期是一致的。
5.如權(quán)利要求4所述的光柵線位移傳感器，其特征在于該指示光柵上的每一窗口均 分成分離的多個部分，每一個部分之間具有一定的相位關(guān)系，這多個部分在空間上相互靠 近或被其他窗口相隔。
6.如權(quán)利要求5所述的光柵線位移傳感器，其特征在于該指示光柵上進(jìn)一步設(shè)置多 個窗口，每一窗口均有其對應(yīng)的相位，同相位的窗口的電信號并聯(lián)在一起。
7.如權(quán)利要求3至6任意一項所述的光柵線位移傳感器，其特征在于該每一窗口中 的刻線圖樣為第一基本單元和(或)第二基本單元的組合，該第一基本單元與第二基本單 元組合成半菱形、全菱形，且該每一單元圖樣之間具有一特定的相位關(guān)系。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光柵線位移傳感器。一種光柵線位移傳感器，其包括標(biāo)尺光柵、沿標(biāo)尺光柵移動的滑架、設(shè)置在滑架上的光源、指示光柵和探測器，該光源發(fā)出的光線依次經(jīng)過該標(biāo)尺光柵及該指示光柵，形成特定的光信號，該探測器捕捉該光信號進(jìn)行光電轉(zhuǎn)化，從而完成位移量到光電信號的轉(zhuǎn)換。該指示光柵上設(shè)置多個窗口，每一窗口內(nèi)均刻劃有多條刻線形成的圖案，該每一刻線方向與該測量方向成一不為90°的夾角。該光柵線位移傳感器能提高光電信號質(zhì)量。
文檔編號G01B11/02GK102095378SQ201010574909
公開日2011年6月15日 申請日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者吳宏圣, 孫強(qiáng), 孟輝, 張吉鵬, 曾琪峰 申請人:中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所