[实用新型]一种新型阵列光电传感器光栅位移检测系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及精密测量的技术领域，尤其涉及到一种新型阵列光电传感器光栅位移检测系统。

背景技术

在精密测量领域中，常采用光栅尺作为位移反馈装置，其利用光栅光学原理，进行精密位移或角度测量。

现有光栅尺主要有增量式光栅尺和绝对式光栅尺两种。其中，增量式光栅尺依靠光源照射到玻璃或金属表面的均匀刻线，通过透射或反射后与指示光栅进行干涉，产生明暗相间的莫尔条纹，通过数条纹数量，对移动的距离进行计数。根据测量精度要求可以对莫尔条纹进行细分，由于是对模拟信号的数字细分，信号易受外部环境干扰而降低检测精度；而且，当分辨率高时，在高速运动情况下会产生“丢步”。绝对光栅尺是在主光栅尺上刻有一系列具有位置编码信息的刻线，可以直接获得绝对位置而避免“丢步”现象，但需要读取大量位置编码信息，处理速度较慢，并且，绝对式光栅尺的制造要求高，成本也高。

总之，上述不论采用何种方式，分辨率提高后，在同样速度下，反馈频率提高，因受采集卡最高截止频率限制，分辨率提高，测量速度必然要降低。

同时，为了提高测量精度，需要采用更密集的栅线，而更密集的栅线会导致单位位移数据采集量增大，出现“丢步”现象，降低数据的可信度，特别是在高速运动状态下，“丢步”现象更明显。另外，采用更高采集速度的设备，会使得成本大幅度增加。因此，高速度、高分辨率和高精度是光栅精密测量的固有矛盾。

上述问题的存在给电子制造装备高速高精度位移定位带来挑战，亟待解决。

发明内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种构成简单、检测成本低、测量精度高、检测速度快、实用性强的新型阵列光电传感器光栅位移检测系统。

为实现上述目的，本实用新型所提供的技术方案为：

一种新型阵列光电传感器光栅位移检测系统，其包括平行光源、增量式玻璃光栅尺、光电传感器阵列、信号处理单元、位移显示单元以及高速电压比较器；其中，增量式玻璃光栅尺垂直平行光源的照射方向；光电传感器阵列放置于该增量式玻璃光栅尺光栅栅距内，并呈阶梯型均匀分布；高速电压比较器连接于光电传感器阵列和信号处理单元之间，对光电传感器阵列输出信号进行整形以及对整形得出的方波信号进行电平转换；所述信号处理单元与位移显示单元连接，将计算得到的位移值显示在位移显示单元上。

进一步地，所述光电传感器阵列中光电传感器间的上下距离L＝(H-n*K)/(n-1),光电传感器间的错位距离D＝(W-M)/(n-1)；其中，H为光栅高度，n为光电传感器数量，K为光电传感器高度，W为栅距，M为光电传感器在增量式玻璃光栅尺移动方向上的宽度。

与现有技术相比，本方案原理如下：

平行光源照射到增量式玻璃光栅尺上，由于光电传感器对光照强度敏感度高，未被增量式玻璃光栅尺栅线遮挡的光电传感器接受全部光照，输出高电平信号，被遮挡的光电传感器接受部分光照或者不接受光照，光照强度低，输出低电平信号。由于光电传感器在检测光照强度变化时，输出的波形不是理想方波信号，需要对输出的信号进行整形。本方案采用高速电压比较器对光电传感器输出信号进行整形，输出方波信号，并将信号进行高低电平转换输出至信号处理单元，进行脉冲信号边沿检测和判断运动方向并计数，最后得到位移值。

与现有技术相比，具有以下优点：

1.检测速度快：位移检测信号由光电传感器直接输出，输出速度快，只需对整形后的脉冲边沿进行检测并计数即可得到位移值；相比现有的光栅尺测量系统，位移测量速度与无需细分的增量光栅速度一致。

2.实用性强：对光电传感器要求低，传感器大小既可以大于也可小于光栅栅纹宽度。

3.检测成本低：不用对莫尔条纹进行计数，从而无需指示光栅，简化构成，节省成本。

4.测量精度高：测量误差与栅距成正比，与栅矩内均布的光电传感器数量成反比。

5.光电传感器阵列呈阶梯型均匀分布，光电传感器间的上下距离L＝(光栅高度H-光电传感器数量n*光电传感器高度K)/(光电传感器数量n-1),光电传感器间的错位距离D＝(栅距W-光电传感器在增量式玻璃光栅尺移动方向上的宽度M)/(光电传感器数量n-1)，避免光电传感器发生短路，使位移检测信号能由光电传感器直接输出。

附图说明

图1为本实用新型中一种新型阵列光电传感器光栅位移检测系统的结构示意图；

图2为图1中201部分的局部放大图；

图3为本实用新型实施例中光电传感器在光栅栅距内的分布图；