專利名稱：基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器，屬于光電傳感器技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
聞?lì)l永磁力馬達(dá)等電磁兀件具有頻響聞、位移小、輸出力較小和外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜等特點(diǎn)；因此對(duì)其進(jìn)行靜動(dòng)態(tài)性能的測(cè)量，需采用具有高分辨率、高頻響、高靈敏度、良好線性度和實(shí)時(shí)性，并適用于非接觸式測(cè)量的傳感器。常用的高精度、非接觸式測(cè)量的位移傳感器有電渦流傳感器和激光位移傳感器兩種。電渦流傳感器基于電渦流效應(yīng)工作，可用于金屬導(dǎo)體(鐵磁材料或非鐵磁材料均可)的位移測(cè)量，具有非接觸式測(cè)量、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、不受非導(dǎo)磁介質(zhì)如油、油污、灰塵、水和蒸汽的影響，可靠性高，能工作于腐蝕環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。但永磁力馬達(dá)等元件的外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其固定部件及運(yùn)動(dòng)部件均為金屬，因此電渦流傳感器并不適用于高頻永磁力馬達(dá)等元件的測(cè)量。激光位移傳感器以激光及其光路為位移信號(hào)的傳輸介質(zhì)，激光的方向性好、光功率穩(wěn)定，因此測(cè)量精度高，線性度好，穩(wěn)定性好，體積小，而且適用于非接觸式測(cè)量?，F(xiàn)有技術(shù)的激光位移傳感器如Micro-Epsilon公司和Keyence公司的產(chǎn)品均以電荷稱合器件 (CCD)、CMOS器件或位置敏感器件(PSD)為光電接收元件，具有較高的測(cè)量分辨率和頻率高，但高解析度CCD、CMOS等光電接收元件的驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜且成本高，導(dǎo)致激光傳感器總體結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高；同時(shí)，激光位移傳感器以高速微處理器(MCU)或數(shù)字信號(hào)處理器(DSP) 及其軟件為后處理系統(tǒng)，不可避免的系統(tǒng)時(shí)延限制了傳感器動(dòng)態(tài)測(cè)量的實(shí)時(shí)性，因此難以用于實(shí)時(shí)測(cè)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，而提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性度好，靈敏度高，測(cè)量頻率高，分辨率高和實(shí)時(shí)性好的基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器，它可應(yīng)用于高頻永磁力馬達(dá)等元件的微小線性位移的靜動(dòng)態(tài)特性的在線或離線檢測(cè)。本發(fā)明的目的是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)完成的，一種基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器它主要包括一可發(fā)生線狀激光并被一發(fā)射聚焦透鏡會(huì)聚、由一被測(cè)物體反射的線狀激光器，一接收所述線狀激光并會(huì)聚的接收聚焦透鏡，在所述接收聚焦透鏡之后，設(shè)置有供線狀激光分別照射并透過(guò)雙通道光柵的一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)于所述一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，分別設(shè)置有接收線狀激光的一通道光電探測(cè)器和二通道光電探測(cè)器，所述一通道光電探測(cè)器和二通道光電探測(cè)器的輸出端口分別與實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路的輸入端口相連。所述的雙通道光柵為其上設(shè)置有高分辨率的、明暗相間條紋的透明玻璃薄片，明暗相間條紋間相互平行且寬度一致，并分為一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域。
所述明暗相間條紋采用刻蝕法加工而成，單個(gè)條紋的寬度小于5μπι;—通道光柵和二通道光柵的明暗條紋之間在物理位置上設(shè)置有偏移量，且當(dāng)相鄰明條紋或相鄰暗條紋的間距為△時(shí)，其偏移量設(shè)置為△/4，并使其分別對(duì)應(yīng)的一通道光電探測(cè)器與二通道光電探測(cè)器的輸出信號(hào)間的相位差為90°。所述的實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路包括信號(hào)調(diào)理電路、計(jì)數(shù)器、時(shí)序發(fā)生電路和數(shù)模轉(zhuǎn)換器；信號(hào)調(diào)理電路由放大電路和觸發(fā)電路組成；計(jì)數(shù)器由復(fù)雜可編程邏輯器件組成；時(shí)序發(fā)生電路由復(fù)雜可編程邏輯器件和高頻鐘振組成；一通道光電探測(cè)器和二通道光電探測(cè)器的輸出端口分別與信號(hào)調(diào)理電路的輸入端口相連，信號(hào)調(diào)理電路的輸出端口與計(jì)數(shù)器的輸入端口相連，計(jì)數(shù)器的輸出端口與數(shù)模轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)總線端口相連，時(shí)序發(fā)生電路的輸出端口與數(shù)模轉(zhuǎn)換器件的控制端口相連。所述的線狀激光器采用波長(zhǎng)為650nm半導(dǎo)體激光器，該半導(dǎo)體激光器發(fā)生的線狀激光長(zhǎng)度為10-20mm，寬度為O. 01-0. 05mm。所述的半導(dǎo)體激光器配置有一可對(duì)其所發(fā)生線狀激光的光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、保證光強(qiáng)穩(wěn)定、從而確保測(cè)量精度的光強(qiáng)穩(wěn)定電路。本發(fā)明具有如下有益的技術(shù)效果I、采用雙通道光柵，提高了測(cè)量解析度，具有測(cè)量精度高，分辨率高，線性度好的特點(diǎn)，適用于微小線性位移的測(cè)量；2、采用實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路，縮短了處理時(shí)間，具有測(cè)量頻率高，實(shí)時(shí)性好的特點(diǎn)；3、將該傳感器的輸出連接到示波器，能夠?qū)崟r(shí)在線測(cè)量微小線性位移的靜動(dòng)態(tài)特性，包括階躍響應(yīng)、正弦響應(yīng)等；4、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低，容易實(shí)現(xiàn)。因此本發(fā)明可應(yīng)用于高頻永磁力馬達(dá)等元件的微小線性位移的靜動(dòng)態(tài)特性的在線或離線檢測(cè)。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2為本發(fā)明雙通道光柵的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路的結(jié)構(gòu)框圖；圖4為本發(fā)明應(yīng)用實(shí)施例的示意圖；圖5為高頻永磁力馬達(dá)階躍響應(yīng)測(cè)量曲線。圖中的標(biāo)號(hào)有被測(cè)物體1，發(fā)射聚焦透鏡2，線狀激光器3，接收聚焦透鏡4，雙通道光柵5，一通道光電探測(cè)器6，二通道光電探測(cè)器7，實(shí)時(shí)處理電路8，信號(hào)調(diào)理電路9，計(jì)數(shù)器10，時(shí)序發(fā)生電路11，數(shù)模換轉(zhuǎn)換器12，信號(hào)發(fā)生器13，功率放大器14，傳感器15，示波器16，階躍響應(yīng)曲線17。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。圖1、2、3所示，本發(fā)明主要包括一可發(fā)生線狀激光并被一發(fā)射聚焦透鏡2會(huì)聚、 由一被測(cè)物體I反射的線狀激光器3，一接收所述線狀激光并會(huì)聚的接收聚焦透鏡4，在所
4述接收聚焦透鏡4之后、設(shè)置有供線狀激光分別照射并透過(guò)雙通道光柵5的一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)于所述一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，分別設(shè)置有接收線狀激光的一通道光電探測(cè)器6和二通道光電探測(cè)器7，所述一通道光電探測(cè)器6和二通道光電探測(cè)器7的輸出端口分別與實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路8的輸入端口相連。線狀激光器3發(fā)生的線狀激光依次經(jīng)發(fā)射聚焦透鏡2會(huì)聚、被測(cè)物體I反射、接收聚焦透鏡4會(huì)聚后，照射并透過(guò)雙通道光柵5的一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，再經(jīng)一通道光電探測(cè)器6和二通道光電探測(cè)器7分別接收，一通道光電探測(cè)器6和二通道光電探測(cè)器7的輸出端口分別與實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路8的輸入端口相連。所述的雙通道光柵5 :為其上設(shè)置有高分辨率的明暗相間條紋的透明玻璃薄片， 明暗條紋間相互平行且寬度一致，并分為一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，分別對(duì)應(yīng)于一通道光電探測(cè)器和二通道光電探測(cè)器；明暗條紋的加工可采用刻蝕法，按目前工藝，單個(gè)條紋的寬度可小于5 μ m ;一通道光柵和二通道光柵的明暗條紋之間在物理位置上設(shè)置有偏移量，當(dāng)相鄰明條紋或相鄰暗條紋的間距為△時(shí)，其偏移量設(shè)置為△#，使其分別對(duì)應(yīng)的一通道光電探測(cè)器6與二通道光電探測(cè)器7的輸出信號(hào)間的相位差為90°。所述的實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路8 :包括信號(hào)調(diào)理電路9、計(jì)數(shù)器10、時(shí)序發(fā)生電路11和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)12 ;信號(hào)調(diào)理電路9由放大電路(圖中未不出)和觸發(fā)電路(圖中未不出)組成；計(jì)數(shù)器10由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)組成；時(shí)序發(fā)生電路11由復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)和高頻鐘振組成。一通道光電探測(cè)器6和二通道光電探測(cè)器7的輸出端口分別與信號(hào)調(diào)理電路9的輸入端口相連；信號(hào)調(diào)理電路9的輸出端口與計(jì)數(shù)器10的輸入端口相連；計(jì)數(shù)器10的輸出端口與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A)12的數(shù)據(jù)總線端口相連；時(shí)序發(fā)生電路11的輸出端口與數(shù)模轉(zhuǎn)換器件(D/A) 12的控制端口相連。信號(hào)調(diào)理電路9對(duì)一通道光電探測(cè)器6和二通道光電探測(cè)器7輸出的交變信號(hào)進(jìn)行放大和整形，輸出相位差為90°的兩路方波信號(hào)至計(jì)數(shù)器10 ;計(jì)數(shù)器10根據(jù)兩路方波信號(hào)的相位差判斷被測(cè)物體I的運(yùn)動(dòng)方向，并根據(jù)判斷結(jié)果對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)，然后將計(jì)數(shù)結(jié)果輸出至數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/ A) 12 ;時(shí)序發(fā)生電路11產(chǎn)生數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A) 12的控制時(shí)序，驅(qū)動(dòng)數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A) 12進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出，其輸出電壓值與被測(cè)物體I的位移量成正比。所述的線狀激光器3 :采用波長(zhǎng)為650nm半導(dǎo)體激光器，發(fā)生長(zhǎng)度為10_20mm，寬度為O. 01-0. 05mm的線狀激光，并采用光強(qiáng)穩(wěn)定電路對(duì)其光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，保證光強(qiáng)穩(wěn)定， 從而確保測(cè)量精度。所述的一通道光電探測(cè)器6、二通道光電探測(cè)器7和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(D/A) 12均采用時(shí)延小、速度快的器件，以保證傳感器的實(shí)時(shí)性。實(shí)施例本實(shí)施例取線狀激光3的光軸和接收聚焦透鏡4的光軸的交點(diǎn)到接收聚焦透鏡4 的前主面的距離LI為20mm，接收聚焦透鏡4的后主面到成像面中心點(diǎn)的距離L2為200mm， 接收聚焦透鏡4的光軸與被測(cè)物體I的表面法線之間的夾角以及雙通道光柵5與接收聚焦透鏡4的光軸之間的夾角均為45°，雙通道光柵5的單個(gè)條紋的寬度為10 μ m，有效條紋數(shù)為100(50個(gè)明條紋和50個(gè)暗條紋)，根據(jù)工作原理計(jì)算可得本發(fā)明實(shí)施例的量程為 O. 1mm，測(cè)量分辨率為O. 001mm，工作頻率達(dá)IOkHz。圖4所示，采用本發(fā)明實(shí)施例傳感器15對(duì)高頻永磁力馬達(dá)的動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行測(cè)試。將高頻永磁力馬達(dá)作為被測(cè)物體1，安裝在被測(cè)位置上；信號(hào)發(fā)生器13的輸出端口與功率放大器14的輸入端口相連，功率放大器14的輸出端口與被測(cè)物體I的輸入端口相連，本發(fā)明的輸出端口與示波器16相連。線狀激光器3發(fā)生的線狀激光呈發(fā)散狀，經(jīng)發(fā)射聚焦透鏡 2聚焦后，入射在被測(cè)物體I的表面上，其反射光經(jīng)接收聚焦透鏡4后聚焦成線寬與雙通道光柵5的單個(gè)明暗條紋寬度一致的線狀激光，照射在雙通道光柵5上；信號(hào)發(fā)生器13輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大器14放大后驅(qū)動(dòng)被測(cè)物體I的銜鐵做線性運(yùn)動(dòng)，當(dāng)銜鐵運(yùn)動(dòng)X時(shí)，帶動(dòng)反射后的線狀激光偏轉(zhuǎn)，所照射和透過(guò)的雙通道光柵5的一通道光柵和二通道光柵的位置隨之變化，用示波器16測(cè)得本發(fā)明傳感器15的輸出；幅值為15V的階躍信號(hào)輸入功率放大器14，經(jīng)功率放大器14放大后驅(qū)動(dòng)被測(cè)物體I的銜鐵動(dòng)作，測(cè)得被測(cè)高頻永磁力馬達(dá)I的階躍響應(yīng)曲線17,圖5所示,被測(cè)永磁力馬達(dá)I的位移量為O. 06mm,階躍響應(yīng)的上升時(shí)間約為O. 35ms,響應(yīng)頻率達(dá)4. 2kHz ο本發(fā)明的等效變換均應(yīng)認(rèn)為落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器，其特征在于它主要包括一可發(fā)生線狀激光并被一發(fā)射聚焦透鏡(2)會(huì)聚、由一被測(cè)物體(I)反射的線狀激光器(3)，一接收所述線狀激光并會(huì)聚的接收聚焦透鏡(4)，在所述接收聚焦透鏡(4)之后，設(shè)置有供線狀激光分別照射并透過(guò)雙通道光柵(5)的一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)于所述一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，分別設(shè)置有接收線狀激光的一通道光電探測(cè)器(6)和二通道光電探測(cè)器(7)，所述一通道光電探測(cè)器(6)和二通道光電探測(cè)器(7)的輸出端口分別與實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路(8)的輸入端口相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器，其特征在于所述的雙通道光柵(5):為其上設(shè)置有高分辨率的、明暗相間條紋的透明玻璃薄片，明暗相間條紋間相互平行且寬度一致，并分為一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器，其特征在于所述明暗相間條紋采用刻蝕法加工而成，單個(gè)條紋的寬度小于5 μ m ;一通道光柵和二通道光柵的明暗條紋之間在物理位置上設(shè)置有偏移量，且當(dāng)相鄰明條紋或相鄰暗條紋的間距為△時(shí)， 其偏移量設(shè)置為△/4，并使其分別對(duì)應(yīng)的一通道光電探測(cè)器(6)與二通道光電探測(cè)器(7) 的輸出信號(hào)間的相位差為90°。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器，其特征在于所述的實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路⑶包括信號(hào)調(diào)理電路(9)、計(jì)數(shù)器(10)、時(shí)序發(fā)生電路(11)和數(shù)模轉(zhuǎn)換器(12);信號(hào)調(diào)理電路(9)由放大電路和觸發(fā)電路組成；計(jì)數(shù)器(10)由復(fù)雜可編程邏輯器件組成；時(shí)序發(fā)生電路(11)由復(fù)雜可編程邏輯器件和高頻鐘振組成；一通道光電探測(cè)器(6)和二通道光電探測(cè)器(7)的輸出端口分別與信號(hào)調(diào)理電路(9)的輸入端口相連，信號(hào)調(diào)理電路(9)的輸出端口與計(jì)數(shù)器(10)的輸入端口相連，計(jì)數(shù)器(10)的輸出端口與數(shù)模轉(zhuǎn)換器(12)的數(shù)據(jù)總線端口相連，時(shí)序發(fā)生電路(11)的輸出端口與數(shù)模轉(zhuǎn)換器件(12)的控制端口相連。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器，其特征在于所述的線狀激光器(3)采用波長(zhǎng)為650nm半導(dǎo)體激光器，該半導(dǎo)體激光器發(fā)生的線狀激光長(zhǎng)度為 10-20mm,寬度為 O. 01-0. 05mm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器，其特征在于所述的半導(dǎo)體激光器配置有一可對(duì)其所發(fā)生線狀激光的光強(qiáng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)、保證光強(qiáng)穩(wěn)定、從而確保測(cè)量精度的光強(qiáng)穩(wěn)定電路。
全文摘要
一種基于雙通道光柵的微小線性位移傳感器它主要包括一可發(fā)生線狀激光并被一發(fā)射聚焦透鏡會(huì)聚、由一被測(cè)物體反射的線狀激光器，一接收所述線狀激光并會(huì)聚的接收聚焦透鏡，在所述接收聚焦透鏡之后，設(shè)置有供線狀激光分別照射并透過(guò)雙通道光柵的一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，對(duì)應(yīng)于所述一通道光柵和二通道光柵兩個(gè)區(qū)域，分別設(shè)置有接收線狀激光的一通道光電探測(cè)器和二通道光電探測(cè)器，所述一通道光電探測(cè)器和二通道光電探測(cè)器的輸出端口分別與實(shí)時(shí)信號(hào)處理電路的輸入端口相連；它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，線性度好，靈敏度高，測(cè)量頻率高，分辨率高和實(shí)時(shí)性好等特點(diǎn)，可應(yīng)用于高頻永磁力馬達(dá)等元件的微小線性位移的靜動(dòng)態(tài)特性的在線或離線檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01B11/02GK102589447SQ201210061070
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)日期2012年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年3月9日
發(fā)明者方平 申請(qǐng)人:方平