[发明专利]一种基于双通道光栅的微小角位移传感器

说明书

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。