[发明专利]一种数字式波长编码光学绝对位移传感器

说明书

技术领域

本发明涉及位移传感器的技术领域，具体涉及一种数字式波长编码光学绝对位移传感器。

背景技术

现有技术1：基于莫尔条纹原理的光栅尺技术（具体文献较多）。该技术对光栅副形成的莫尔条纹进行细分等技术处理，实现位移分辨。基于不同的光栅编码形成绝对位移传感器或增量式位移传感器。该传感器的优点是成熟，分辨率高。缺点是采用光强作为信号传感，同时，虽然光源及信号采集部分采用的是发光二极管及光电二极管，传感器的传输部分仍为电信号。因此，在电磁干扰强的区域，仍然需要对其传输信号线进行电磁屏蔽保护。

现有技术2：(参见Optical grating sensor and method of monitoring with a multi-period grating patent number:4985624)采用变栅距光栅作为核心元件，光栅栅距与位移存在一对一的对应关系。采用自准直衍射的方法，衍射回解调系统的光信号波长与在变栅距光栅表面的入射光斑对应的光栅周期呈线性关系。但该系统利用光谱仪等系统进行波长解调，响应频率偏低，且谱仪中的CCD等元件的高低温适应性差。后续R.D.LaClair在文献“Long stroke optical fiber linear position sensor for FLASH program”中报导，采用了色敏光电三极管作为波长解调元件，解决了响应的问题，但是温度变化带来的噪声仍然很大。

目前采用光栅尺结构的位移传感器中，传感部分是光信号，但传输过程中仍然是电信号，因此仍然易受电磁干扰。波长编码位移传感器中采用的是光传信息，但在解调部分需要采用谱仪结构，系统中需要阵列光敏器件，响应时间较长，且不能适应高低温波动比较大的工作环境。

本发明涉及一种光学编码及光学传输的绝对位移传感器结构，该传感器利用编码光栅尺入射光斑内的光栅编码得到包含波长编码信号的光信号，经光纤传输到解调系统后转化为数字式的电信号，建立起位移与波长编码的一对一关系。目前还未见采用该方法及结构的位移传感器。

发明内容

本发明的目的是提出一种新的传感器结构，采用波长作为信号进行解调，消除了基于光强变化传感器中光源强度变化及光纤传输损耗的影响。采用了一种新的光栅编码结构，通过对光栅尺的结构设计，直接获取波长编码信号，获取的信号是数字式的，容易建立对应关系。采用了较大感光面积的光敏元件结构，响应快，能够满足电磁场强、温度变化剧烈等恶劣条件。

本发明采用的技术方案是一种数字式波长编码光学绝对位移传感器，包括：宽带光源或为含多个波长λ1，λ2，λ3，λ4，…的光源组合，光源导入光纤，准直系统，光阑，光栅尺，接收光纤，准直透镜，衍射光栅，准直透镜和光敏元件阵列组；宽带光源或为含多个波段λ1，λ2，λ3，λ4，…的光源组合的入射光经光源导入光纤传送到准直系统中，准直后光束经过光阑滤光后入射到光栅尺上，衍射光束经准直系统被接收光纤接收，经接收光纤传送到解调系统中，接收光纤出射光经解调系统中准直透镜后的光束经衍射光栅色散后，再次经准直透镜聚焦于光敏元件阵列组；光敏元件阵列组得到的数字电信号通过编码库识别光栅尺上入射光照射部分光栅图形的信息，而该光栅图形组合是与位移关系一一对应的，从而通过编码的解码能够完成位移测试；

该传感器采用不同线密度光栅单元组合编码，设计光栅尺的结构。具有多波段的光源入射到光栅尺上时，自准直衍射回探测器中的光信号中包含有入射光照射在光栅尺上区域的编码信息，通过波长解调能得到位移信息。

入射光斑内的光栅线密度与衍射光波长的关系满足：

k*n*λ＝sinθ_i+sinθ_o

n为光栅的线密度，k为整数，λ为衍射光波长，θ_i为入射光束与光栅尺法线的夹角，θ_o为光纤接收光束与光栅尺法线的夹角。

入射光纤及接收光纤相对于准直系统的位置固定，因此θ_i与θ_o固定，光栅的线密度与衍射波长满足倒数关系。