[发明专利]纳米位移测量传感器

说明书

技术领域

本发明涉及纳米计量技术领域，具体涉及一种位移测量传感装置。

背景技术

纳米测量(1nm～100nm)技术是纳米科学的一个重要分支。亚微米到纳米精度的测量已成为当前工业发展和科学发展中迫切需要解决的问题。

现有的高精度激光干涉仪成为目前纳米精度测量最广泛应用的工具，但这些测量设备大多体积较大，使用中占用较大的空间，不利于测量实践，难以与检测装置实现精巧集成，不符合现代精密机械精度设计的理念，且干涉测量技术容易受到测量环境的影响，使用时调整过程较为繁琐。

同时，随着光栅加工技术的不断进步，纳米光栅成为精密计量光栅的发展方向，精度稳定并且广泛应用的光栅测量方法可实现纳米精度的测量。目前光栅测量系统分辨率已经达到纳米级，测量性能基本可以和激光干涉仪媲美，而且光栅测量系统在实际应用中具有比激光干涉仪更强的适应性。

因此，研制微型纳米精度的光栅干涉测量传感器，为目前纳米科技的发展提供必要的精巧测量装置，其中的纳米测量基础理论和实用方法的研究也是纳米科技发展亟待解决的共性问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种纳米位移测量传感器，解决以上技术问题。

本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：

纳米位移测量传感器，包括用于产生激光光束的激光器、光学棱镜、光栅、光电探测器、信号处理电路、微型处理器系统，其特征在于，所述光学棱镜包括反射镜、第一直角棱镜、第二直角棱镜、第一四分之一波片、第二四分之一波片、非偏振分光棱镜、第一偏振分光棱镜、第二偏振分光棱镜；

所述光电探测器包括第一光电探测器、第二光电探测器，所述第一光电探测器、所述第二光电探测器分别连接所述信号处理电路，所述信号处理电路连接所述微型处理器系统；

所述激光器的出光口前方设有所述反射镜，所述反射镜将所述激光器产生的激光光束反射到所述光栅的一点上，产生第一次衍射；

衍射光束为两束，分别为+1级衍射光、-1级衍射光，所述+1级衍射光射入所述第一直角棱镜的斜面内，在所述第一直角棱镜内部进行全反射后回到所述光栅的另一点上；所述-1级衍射光通过所述第一四分之一波片射入所述第二直角棱镜的斜面内，在所述第二直角棱镜内部进行全反射后回到所述光栅的另一点上，所述第一直角棱镜与所述第二直角棱镜反射的衍射光束位于光栅的同一点上，产生第二次衍射；

经所述光栅产生的第二次衍射后的两束光经所述非偏振分光棱镜分为两束光；一束光经所述第一偏振分光棱镜射入所述第一光电探测器，另一束光通过所述第二四分之一波片射入所述第二偏振分光棱镜，进而射入所述第二光电探测器；

所述第一光电探测器、所述第二光电探测器接收到的正弦波信号分别通过所述信号处理电路处理后，发送给所述微型处理器系统，通过所述微型处理器系统进行分析。

本发明的传感原理如下：激光器产生的激光光束在光学棱镜的作用下，在光栅上能产生二次衍射。光栅产生第一次衍射时，由于-1级衍射光束由四分之一波片移向90°，所以回到第二点时与+1级衍射光束相位相差90°，还不能产生干涉。经光栅第二次衍射后的两束光经非偏振分光棱镜分为两束，再经偏振分光棱镜后，使得偏振方向分别旋转+45°和-45°，从而+1级和-1级衍射光束具有相同的偏振方向，并产生干涉，并被偏振分光棱镜前方的光电探测器接收。当光栅相对光电探测器做相对运动时，两路具有180°相移的调制信号在两个偏振分光棱镜的输出端输出，通过反向光电池抵消直流分量，从而在输出端获得两路相位差90°对称的正弦波信号。光电探测器接收到的正弦波信号用于后续微型处理器系统用于光栅信号处理与细分电路，对信号进行整形计数和细分处理。

本发明采用二次衍射的光路基本结构，在一定程度上降低了对被测运动的直线度要求。运用直角棱镜实现光路的转折，并在此基础上对光路进行优化。改进基于衍射光栅，半导体激光光源的纳米传感装置，构建了易于调节小巧紧凑的纳米测量光路。该测量传感装置易于调整定位，对测量环境要求相对激光干涉仪较低，且可实现微型化系统结构，同时该测量传感装置输出脉冲信号可以用来实现对平面位置的实时闭环驱动控制。

所述激光器的出光口左侧设有所述反射镜，所述反射镜的反射面位于右侧，且所述反射镜向右倾斜设置，所述反射镜的下方设有所述光栅，所述光栅的左侧设有所述第一直角棱镜；所述光栅的右侧设有所述第二直角棱镜，所述第二直角棱镜的入光面前方设有第一四分之一波片；所述第一直角棱镜、所述第二直角棱镜相对设置，且斜边均朝向所述光栅；