CN102607468B - 一种基于双通道光栅的微小角位移传感器 - Google Patents

Abstract

一种基于双通道光栅的微小角位移传感器：它主要包括：一可发生线状激光并通过一准直透镜会聚后射到被测物体上被反射的线状激光器，一可接收所述被反射的线状激光的聚焦透镜并被会聚，在该聚焦透镜之后设置有由会聚后线状激光分别照射并透过双通道光栅的一通道光栅和二通道光栅两个区域，对应于所述一通道光栅和二通道光栅两个区域设置有分别接收线状激光的一通道光电探测器和二通道光电探测器，所述一通道光电探测器和二通道光电探测器的输出端口分别与一实时信号处理电路的输入端口相连；它具有结构简单，线性度好，灵敏度高，测量频率高，分辨率高和实时性好等特点，可应用于高频永磁力矩马达等元件的微小角位移的静动态特性的在线或离线检测。

Description

一种基于双通道光栅的微小角位移传感器

技术领域

本发明涉及一种基于双通道光栅的微小角位移传感器，属于光电传感器技术领域。

背景技术

高频永磁力矩马达具有频响高、位移小、输出力矩较小和外形结构复杂等特点。因此对其进行静动态性能的测量，需采用具有高分辨率、高频响、高灵敏度、良好线性度和实时性，并适用于非接触式测量的传感器。常用的高精度、非接触式测量的位移传感器有电涡流传感器和激光位移传感器两种。

电涡流传感器基于电涡流效应工作，可用于金属导体(铁磁材料或非铁磁材料均可)的位移测量，具有非接触式测量、灵敏度高、抗干扰能力强、不受非导磁介质如油、油污、灰尘、水和蒸汽的影响，可靠性高，能工作于腐蚀环境等优点。但永磁力矩马达等元件的外形结构复杂，其固定部件及运动部件均为金属，因此电涡流传感器不适用于高频永磁力矩马达等元件的测量。

激光位移传感器以激光及其光路为位移信号的传输介质，激光的方向性好、光功率稳定，因此测量精度高，线性度好，稳定性好，体积小，而且适用于非接触式测量。激光位移传感器以电荷耦合器件(CCD)、CMOS器件或位置敏感器件(PSD)为光电接收元件，测量分辨率和频率高，但高解析度CCD、CMOS等光电接收元件的驱动电路复杂且成本高，导致激光传感器总体结构复杂、成本高；而且以高速微处理器(MCU)或数字信号处理器(DSP)及其软件组成的后处理系统，不可避免的系统时延限制了传感器动态测量的实时性，因此难以用于实时测量。同时，现有技术的激光三角法传感器如Micro-Epsilon公司的产品采用会聚光直射法，Keyence公司的产品采用会聚光斜射法，均难以用于微小角位移的测量。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种结构简单，线性度好，灵敏度高，测量频率高，分辨率高和实时性好的基于双通道光栅的微小角位移传感器，它可应用于高频永磁力矩马达等元件的微小角位移的静动态特性的在线或离线检测。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，一种基于双通道光栅的微小角位移传感器：它主要包括：一可发生线状激光并通过一准直透镜会聚后射到被测物体上被反射的线状激光器，一可接收所述被反射的线状激光的聚焦透镜并被会聚，在该聚焦透镜之后设置有由会聚后线状激光分别照射并透过双通道光栅的一通道光栅和二通道光栅两个区域，对应于所述一通道光栅和二通道光栅两个区域设置有分别接收线状激光的一通道光电探测器和二通道光电探测器，所述一通道光电探测器和二通道光电探测器的输出端口分别与一实时信号处理电路的输入端口相连。

所述的双通道光栅：为其上设置有高分辨率明暗相间条纹的透明玻璃薄片，明暗相间条纹间相互平行且宽度一致，并分为一通道光栅和二通道光栅两个区域。

所述的明暗相间条纹采用刻蚀法加工制成，其中单个条纹的宽度小于5μm；一通道光栅和二通道光栅的明暗条纹之间在物理位置上设置有偏移量，且当相邻明条纹或相邻暗条纹的间距为Δ时，其偏移量设置为Δ/4，使其分别对应的一通道光电探测器与二通道光电探测器的输出信号间的相位差为90°。

所述的实时信号处理电路：包括信号调理电路、计数器、时序发生电路和数模转换器；信号调理电路由放大电路和触发电路组成；计数器由复杂可编程逻辑器件组成；时序发生电路由复杂可编程逻辑器件和高频钟振组成；一通道光电探测器和二通道光电探测器的输出端口分别与信号调理电路的输入端口相连，信号调理电路的输出端口与计数器的输入端口相连，计数器的输出端口与数模转换器的数据总线端口相连，时序发生电路的输出端口与数模转换器件的控制端口相连。

所述的线状激光器：采用波长为650nm半导体激光器，且所述半导体激光器的线状激光发生的长度为10-20mm，宽度为0.01-0.05mm。

所述的半导体激光器配置有可对线状激光的光强进行实时调节、保证光强稳定、从而确保测量精度的光强稳定电路。

本发明具有如下有益的技术效果：

1、采用平行光斜射式激光三角法，适用于微小角位移的测量，且对被测物体的放置位置无严格要求，适用于微小角位移的测量；

2、采用双通道光栅，提高了测量解析度，具有测量精度高，分辨率高，线性度好的特点；

3、采用实时信号处理电路，缩短了处理时间，具有测量频率高，实时性好的特点；

4、将该传感器的输出连接到示波器，能够实时在线测量微小角位移的静动态特性，包括阶跃响应、正弦响应等；

5、结构简单，成本低，容易实现。

因此本发明可应用于高频永磁力矩马达等元件的微小角位移的静动态特性的在线或离线检测。

附图说明

图1为本发明的结构原理示意图；

图2为本发明双通道光栅的结构示意图

图3为本发明实时信号处理电路的结构框图；

图4为本发明的应用实施例示意图；

图5为高频永磁力矩马达阶跃响应测量曲线。

图中：1.被测物体，2.准直透镜，3.线状激光器，4.聚焦透镜，5.双通道光栅，6.一通道光电探测器，7.二通道光电探测器，8.实时处理电路，9.信号调理电路，10.计数器，11.时序发生电路，12.数模换转换器，13.信号发生器，14.功率放大器，15.传感器，16.示波器，17.阶跃响应曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1、2、3所示，本发明主要包括：一可发生线状激光并通过一准直透镜2会聚后射到被测物体1上被反射的线状激光器3，一可接收所述被反射的线状激光的聚焦透镜4并被会聚，在该聚焦透镜4之后设置有由会聚后线状激光分别照射并透过双通道光栅5的一通道光栅和二通道光栅两个区域，对应于所述一通道光栅和二通道光栅两个区域设置有分别接收线状激光的一通道光电探测器6和二通道光电探测器7，所述一通道光电探测器6和二通道光电探测器7的输出端口分别与一实时信号处理电路8的输入端口相连。

所述的双通道光栅5：为其上设置有高分辨率的明暗相间条纹的透明玻璃薄片，明暗条纹间相互平行且宽度一致，分为一通道光栅和二通道光栅两个区域，分别对应于一通道光电探测器6和二通道光电探测器7；明暗条纹的加工可采用刻蚀法，按目前工艺，单个条纹的宽度可小于5μm；一通道光栅和二通道光栅的明暗条纹之间在物理位置上设置有偏移量，当相邻明条纹或相邻暗条纹的间距为Δ时，其偏移量设置为Δ/4，使其分别对应的一通道光电探测器6与二通道光电探测器7的输出信号间的相位差为90°。

所述的实时信号处理电路8：包括信号调理电路9、计数器10、时序发生电路11和数模转换器(D/A)12；信号调理电路9由放大电路(图中未示出)和触发电路(图中未示出)组成；计数器10由复杂可编程逻辑器件(CPLD)组成；时序发生电路11由复杂可编程逻辑器件(CPLD)和高频钟振组成。一通道光电探测器6和二通道光电探测器7的输出端口分别与信号调理电路9的输入端口相连；信号调理电路9的输出端口与计数器10的输入端口相连；计数器10的输出端口与数模转换器(D/A)12的数据总线端口相连；时序发生电路11的输出端口与数模转换器件(D/A)12的控制端口相连。信号调理电路9对一通道光电探测器6和二通道光电探测器7输出的交变信号进行放大和整形，输出相位差为90°的两路方波信号至计数器10；计数器10根据两路方波信号的相位差判断被测物体1的运动方向，并根据判断结果对方波信号进行加、减计数，然后将计数结果输出至数模转换器(D/A)12；时序发生电路11产生数模转换器(D/A)12的控制时序，驱动数模转换器(D/A)12进行转换输出，其输出电压值与被测物体1的角位移量成正比。

所述的线状激光器3：采用波长为650nm半导体激光器，发生的线状激光长度为10-20mm，宽度为0.01-0.05mm，并采用光强稳定电路对其光强进行实时调节，保证光强稳定，从而确保测量精度。

所述的一通道光电探测器6、二通道光电探测器7和数模转换器(D/A)12均采用时延小、速度快的器件，以保证传感器的实时性。

实施例：

本实施例取聚焦透镜的焦距为25mm，双通道光栅5的单个条纹的宽度为10μm，有效像条纹数为100(50个明条纹和50个暗条纹)，根据工作原理计算可得本发明实施例的量程为0.02rad，分辨率为0.0002rad，测量频率为10KHz。

图4所示，采用本发明实施例传感器15对高频永磁力矩马达(阻尼较大)的动态性能进行测试。将高频永磁力矩马达作为被测物体1，安装在被测位置上；信号发生器13的输出端口与功率放大器14的输入端口相连，功率放大器14的输出端口与被测物体1的输入端口相连，本发明的输出端口与示波器16相连。线状激光器3发生的线状激光呈发散状，经准直透镜2会聚成平行光后，入射在被测物体1表面上，其反射光经接收聚焦透镜4后聚焦成线宽与双通道光栅5的单个明暗条纹宽度一致的线状激光，照射在双通道光栅5上；信号发生器13输出的信号经功率放大器14放大后驱动被测物体1的衔铁转动，当衔铁转动角度θ时，带动反射后的激光束偏转，所照射和透过的双通道光栅5的一通道光栅和二通道光栅的位置随之变化，用示波器16测得本发明实施例传感器15的输出。幅值为4V的阶跃信号输入功率放大器14，经功率放大器14放大后驱动被测物体1的衔铁动作，测得高频永磁力矩马达1的阶跃响应曲线17，如图5所示，被测永磁力矩马达1的角位移量为0.0062rad，阶跃响应的上升时间约为0.68ms，响应频率达3.8kHz。

本发明的等效变换均应认为落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于双通道光栅的微小角位移传感器，其特征在于它主要包括：一可发生线状激光并通过一准直透镜（2）会聚后射到被测物体（1）上被反射的线状激光器（3），一可接收所述被反射的线状激光的聚焦透镜（4）并被会聚成线宽与双通道光栅（5）的单个明暗条纹宽度一致的线状激光，在该聚焦透镜（4）之后设置有由会聚后线状激光分别照射并透过双通道光栅（5）的一通道光栅和二通道光栅两个区域，对应于所述一通道光栅和二通道光栅两个区域设置有分别接收线状激光的一通道光电探测器（6）和二通道光电探测器（7），所述一通道光电探测器（6）和二通道光电探测器（7）的输出端口分别与一实时信号处理电路（8）的输入端口相连；

    所述的双通道光栅（5）：为其上设置有高分辨率明暗相间条纹的透明玻璃薄片，明暗相间条纹间相互平行且宽度一致，并分为一通道光栅和二通道光栅两个区域；

    所述的明暗相间条纹采用刻蚀法加工制成，其中单个条纹的宽度小于5μm；一通道光栅和二通道光栅的明暗条纹之间在物理位置上设置有偏移量，且当相邻明条纹或相邻暗条纹的间距为Δ时，其偏移量设置为Δ / 4，使其分别对应的一通道光电探测器（6 ）与二通道光电探测器（7）的输出信号间的相位差为90°。

2.根据权利要求1所述的基于双通道光栅的微小角位移传感器，其特征在于所述的实时信号处理电路（8）：包括信号调理电路（9）、计数器（10）、时序发生电路（11）和数模转换器（12）；信号调理电路（9）由放大电路和触发电路组成；计数器（10）由复杂可编程逻辑器件组成；时序发生电路（11）由复杂可编程逻辑器件和高频钟振组成；一通道光电探测器（6）和二通道光电探测器（7）的输出端口分别与信号调理电路（9）的输入端口相连，信号调理电路（9）的输出端口与计数器（10）的输入端口相连，计数器（10）的输出端口与数模转换器（12）的数据总线端口相连，时序发生电路（11）的输出端口与数模转换器件（12）的控制端口相连。

3.根据权利要求1所述的基于双通道光栅的微小角位移传感器，其特征在于所述的线状激光器（3）：采用波长为650nm 半导体激光器，且所述半导体激光器的线状激光发生的长度为10-20mm，宽度为0.01-0.05mm。

4.根据权利要求3所述的基于双通道光栅的微小角位移传感器，其特征在于所述的半导体激光器配置有可对线状激光的光强进行实时调节、保证光强稳定、从而确保测量精度的光强稳定电路。

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