[发明专利]正交光栅三自由度磁浮测量传感器、检测仪及其检测方法

权利要求书

1.一种正交光栅三自由度磁浮测量传感器，其特征在于，包括分光棱镜(2)、分设于分光棱镜(2)左右两侧的激光器(14)和第一平面反射镜(3)、分设于分光棱镜(2)上下两侧的干涉信号探测器(1)和正交透射光栅(4)、位于正交透射光栅(4)下方的第二平面反射镜(6)以及位于第二平面反射镜(6)上方且呈正交布置的四个光斑位置探测器(5)，所述第二平面反射镜(6)安装在待测的磁浮触针结构上；测量时，由激光器(14)发射的激光经分光棱镜(2)分为正交的两路光输出，即透射光和反射光，其中，透射光经第一平面反射镜(3)反射返回分光棱镜(2)，再反射至干涉信号探测器(1)中，反射光经正交光栅(4)后形成一束0级直射光和四束±1级衍射光，一束0级直射光由第二平面反射镜(6)直接返回至干涉信号探测器(1)中，与反射至干涉信号探测器(1)中的透射光形成干涉条纹，而四束±1级衍射光分别经第二平面反射镜(6)反射到四个对应的光斑位置探测器(5)中以进行光斑位置的检测。

2.如权利要求1所述的正交光栅三自由度磁浮测量传感器，其特征在于，所述干涉信号探测器(1)优选为四象限探测器，其由四个性能完全一致的光电二极管按照直角坐标系要求制作而成。

3.如权利要求1所述的正交光栅三自由度磁浮测量传感器，其特征在于，所述磁浮触针结构包括触针轴(13)、安装在触针轴(13)下方的触针(11)以及实现触针轴悬浮的悬浮组件。

4.如权利要求3所述的正交光栅三自由度磁浮测量传感器，其特征在于，所述悬浮组件包括方形永磁体件、导向线圈(7)、悬浮线圈(9)和环形永磁体(10)，其中，方形永磁体件设有两组，分设于触针轴(13)上下两端的外部，每组方形永磁体件由多块沿触针轴(13)周向分布的方形永磁体(8)构成，所述导向线圈(7)的数量与方形永磁体(8)的数量对应，且同组方形永磁体件中的多个导向线圈呈正交布置，所述环形永磁体(10)套装在触针轴(13)的中部，所述悬浮线圈(9)由两个彼此平行且共轴的上下悬浮线圈构成，两个上下悬浮线圈套装在触针轴(13)的外部，且置于环形永磁体(10)的上下两端。

5.一种悬浮轴位移检测仪，其特征在于，包括偏转角度计算模块、位移计算模块及如权利要求1-4任一项所述的正交光栅三自由度磁浮测量传感器，所述偏转角度计算模块用于接收正交光栅三自由度磁浮测量传感器测得的光斑位置信息，并基于光斑位置信息计算获得磁浮触针结构的偏转角度；所述位移计算模块用于接收正交光栅三自由度磁浮测量传感器测得的干涉条纹信息，并基于干涉条纹信息计算获得磁浮触针结构的位移。

6.如权利要求5所述的悬浮轴位移检测仪，其特征在于，所述位移计算模块包括依次连接的差分电路、放大整形电路、辨向细分电路、A/D转换电路和计算机，其中，所述正交光栅三自由度磁浮测量传感器输出的干涉条纹信息经差分电路转换为相位差为90度的正余弦信号，一路送入放大整形电路以变成数字方波输出至辨向细分电路进行四细分计数，该辨向细分电路对超过1/4周期的条纹移动进行计数；另一路经A/D转换电路，通过A/D转换器对不足1/4周期的条纹移动进行细分处理；两路信号的计数值送入计算机进行同步相加处理以计算获得干涉条纹移动的周期数，再基于干涉条纹移动的周期数计算出磁浮触针结构的位移。

7.一种正交光栅三自由度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1入射激光经分光棱镜(2)分为正交的两路光输出，即透射光和反射光；

S2透射光经第一平面反射镜(3)反射返回至分光棱镜(2)，再反射至干涉信号探测器(1)中；

S3反射光经正交光栅(4)后形成一束0级直射光和四束±1级衍射光，一束0级直射光由第二平面反射镜(6)直接返回至干涉信号探测器(1)中，以与反射至干涉信号探测器(1)中的透射光形成干涉条纹，基于干涉条纹的信息推算出磁浮触针结构的位移；

S4四束±1级衍射光分别经第二平面反射镜(6)垂直入射到四个对应的光斑位置探测器(5)上进行光斑位置的检测，基于光斑位置及磁浮触针结构的位移推算出第二平面镜即磁浮触针结构的偏转角度。

8.如权利要求7所述的正交光栅三自由度测量方法，其特征在于，步骤S4中的所述偏转角度采用如下方式确定：

S41建立光斑位置探测器检测的偏移量与偏转角的关系式：

其中，为光斑位置探测器直接检测的偏移量，为仅由磁浮触针结构垂直方向的位移量L引起的分量，D为正交透射光栅到第二平面反射镜的安装垂直距离，L为磁浮触针结构垂直方向的位移量，θ_m为衍射角，β为偏转角度，s₁为第二平面反射镜上的反射光线到对应光斑位置探测器的距离；

S42建立与步骤S41中所述光斑位置探测器对称的光斑位置探测器检测的偏移量与偏转角的关系式：

其中，是光斑位置探测器直接检测的偏移量，该光斑位置探测器与步骤S41中的所述光斑位置探测器相对，s₂为第二平面反射镜上的反射光线到对应光斑位置探测器的距离；

S43联合式(一)和(二)解得β。