[实用新型]一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于位移传感器技术，具体涉及一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器。

背景技术

随着表面轮廓测量技术的迅速发展，研制大量程、高精密、低成本位移传感器的问题变得至关重要。轮廓测量一般使用电感式位移传感器存在测量范围小、造价高、精度低的问题。目前已有的大量程轮廓测量位移传感器主要有两种：一是利用激光干涉原理的轮廓测量位移传感器。([1]肖虹，王选择，谢铁邦。滚动轴承曲面轮廓形貌测量仪。轴承，6，2004，p.30～33)，与光栅干涉相比，激光干涉测量精度受空气成份、压强、湿度的影响，环境的变化对激光干涉轮廓测量位移传感器的测量精度影响较大，使用时必须对空间位置及工件的温度进行实时测量及补偿。其测量精度取决于稳频的精度和环境条件及各种环境测量传感器的数量和精度。二是用柱面光栅干涉的轮廓测量位移传感器。([2]蒋向前，李柱，谢铁邦。全息光栅干涉法测量曲面形貌理论研究。华中理工大学学报，22(2)，1994，p.60～64)，该传感器中使用的是柱面光栅。柱面光栅加工困难，安装定位难度大。

在对比文献中，文献[1]基于激光干涉原理测量轮廓形貌，工作范围±3mm，分辨率10nm，但是该系统较结构复杂，成本比本装置贵，并且激光干涉测量精度受到空气温度、压力及相对湿度的变化等环境变化影响大。文献[2]柱面光栅干涉传感器，理论测量范围6mm，分辨率能达到1nm。但是柱面光栅加工要严格保证柱面的曲率半径和表面质量，使传感器造价高。另外柱面光栅轮廓测量位移传感器安装困难，对轴承要求高，安装制造稍有偏差，将使光栅无法干涉，光电管接受不到有效的信号，导致无法测量。并且其测量的线性差，测量范围和测量精度都远未达到理论分析值，实际测量范围为1mm，测量精度为10nm。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器，该位移传感器具有结构简单、测量范围大、测量精度高和成本低的特点。

本实用新型提供的一种大量程直线型相位光栅轮廓测量位移传感器，其特征在于：该位移传感器包括激光器、整体切割平行弹簧、第一、第二指示光栅、标尺光栅、第一至第三光电探测器和信号处理电路。

整体切割平行弹簧由一块弹簧钢板切害而成的机架和平行弹簧二部分构成，平行弹簧位于机架内，平行弹簧的中间部分厚度大于其端部的厚度，构成弹簧加强筋；激光器位于整体切割平行弹簧的机架上；标尺光栅固定在平行弹簧的端部，标尺光栅、第一指示光栅和第二指示光栅相互平行，均为透射型光栅，激光器发出的光束依次经过第一指示光栅、标尺光栅和第二指示光栅产生干涉条纹，第一至第三光电探测器、均位于第二指示光栅与激光器相对的一侧，用于接收三路干涉条纹，并将光信号转化为电信号，再传送给信号处理电路处理后输出；连接杆的一端与标尺光栅的端部固定连接，其另一端通过铰链与测杆的一端相连，测杆安装在十字簧片铰链上，触针固定在测杆的另一端。

本实用新型的位移检测装置采用三个透射型相位光栅干涉作为计量标准器，激光束投射到光栅平面上，通过三个光栅的衍射形成三路不同的干涉条纹。与柱面光栅相比，本实用新型中使用的直线型相位光栅加工制造安装容易，使传感器结构简单，成本低，测量线性好。与激光干涉测量相比，本实用新型中使用的直线型相位光栅测量精度不受空气成份、压强、湿度的影响；允许在环境温度变化较大的情况下使用，其测量精度取决于光栅尺本身的精度，测量重复性取决于光栅尺的热传导性。本实用新型所涉及到的材料、零件价格低廉，所涉及到的光路结构简单，易调整，容易实现。本实用新型测量位移传感器具有测量范围大、测量精度高、结构简单、成本低和无装配误差的特点。该传感器可用于测量工件的轮廓尺寸、表面形状误差、表面波度及表面粗糙度，该传感器测量范围为0～8mm、分辨率可达5nm。

附图说明

图1为本实用新型位移传感器的结构示意图；

图2为整体切割平行弹簧的结构示意图；

图3为光栅测量原理图；

图4为本实用新型位移传感器的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实例对本实用新型作进一步详细的说明。

如图1所示，本实用新型位移传感器主要包括激光器4、整体切割平行弹簧5、指示光栅8，10、标尺光栅9和光电探测器12、13、14等部件。