[發明專利]敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器

有效

• 申請號: 201010152935.3
• 申請日: 2010-04-22
• 公開（公告）號: CN102192761A
• 公開（公告）日: 2011-09-21
• 發明（設計）人: 許興智;陳永福;張一鋼;許殊罡;高峰;史淑華
• 申請（專利權）人: 廊坊開發區萊格光電儀器有限公司
• 主分類號: G01D5/26
• 分類號: G01D5/26
• 代理公司: 北京中恒高博知識產權代理有限公司 11249
• 代理人: 夏晏平

技術領域

本發明涉及光、機、電一體化制造領域中的傳感器，具體地，涉及敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器。

背景技術

在光、機、電一體化制造領域，敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，是一種集光、機、電于一體的高精度光柵線位移傳感器。該敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，可以與光柵數字顯示儀或計算機或數字控制單元一起，組成具有相應功能的系統；并且，該敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，作為一種具有高精度與數字化長度的線位移測量基準器，可以用于精密檢測裝備與測量儀器中；另外，該敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，作為一種關鍵部件，可以用于高檔數控機床與基礎制造、檢測裝備運行位置誤差的精確測量和控制反饋，以保證裝備的加工、檢測與定位的精度，提高整機的可靠性、工作效率與智能化等性能。

目前，國內生產的敞開式光柵線位移傳感器中的測量基準元件，均采用透射式玻璃光柵尺，存在量程小、外形尺寸大、以及玻璃光柵尺的線膨脹系數與裝備主體(金屬材質)的線膨脹系數相差大的缺陷，不利于整機精度的提高。

另外，敞開式鋼帶光柵線位移傳感器產品，在國內是一項空白，在國外只有德國與英國這兩個國家能夠生產。但是，目前國外生產的敞開式鋼帶光柵線位移傳感器(國外稱為“敞開式鋼帶光柵尺”)，普遍存在以下兩方面的缺陷：

(1)該敞開式鋼帶光柵線位移傳感器，用于拾取光柵莫爾條紋測量信號的光柵讀數頭(國外稱為“光電掃描器”)，采用紅外(LED)光電掃描原理，具體的工作原理可參見圖1與圖2的相關說明。具體地，在圖1中，紅外光電掃描器包括第一標尺(鋼帶光柵尺)23、掃描板(指示光柵)24、聚光鏡25、光電元件(光電接收器)26與第一光源(LED)27，其中：光源(LED)27的反射光束，依次經聚光鏡25、掃描板(指示光柵)24與第一標尺(鋼帶光柵尺)23后，反射光束依次經掃描板(指示光柵)24與聚光鏡25后，被光電元件(光電接收器)26接收。

在圖2中，紅外光電掃描器包括聚光鏡25、第二標尺(鋼帶光柵尺)28、窗口(光欄)29、掃描光板30、掃描光柵(指示光柵)31、第二光源(LED)32與結構化探測器(光電接收器)33，其中：第二光源(LED)32的入射光束，依次經聚光鏡25、掃描光柵(指示光柵)31與第二標尺(鋼帶光柵尺)28后，反射光束依次經窗口(光欄)29后，被結構化探測器(光電接收器)33接收。在上述工作過程中，至少存在以下缺陷：

①采用上述敞開式鋼帶光柵線位移傳感器，拾取高密度光柵莫爾條紋測量信號的能力較差，也就是說光柵副(即標尺光柵與指示光柵的總稱)的工作間隙量較小，從而造成敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的原始分辨率較低，不適合采用高密度的高檔光柵來提高敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的精度；

②上述敞開式鋼帶光柵線位移傳感器抗外界誤差影響的能力較弱，如敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的安裝誤差、以及裝備自身運行的幾何誤差等，都會使光柵副之間的工作間隙量發生變化：輕者會造成光柵信號質量變壞，而影響精度和可靠性；重者會造成光柵刻線劃傷，使敞開式鋼帶光柵線位移傳感器不能正常工作，進而縮短使用壽命；

③由于敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的紅外光電掃描器的光強較弱、光束直線性較差、光的波段較長、以及單色性較差的缺陷，使得敞開式鋼帶光柵線位移傳感器拾取光柵莫爾條紋信號的能力較弱；在國外的同類技術中，為了提高敞開式鋼帶光柵線位移傳感器拾取光柵莫爾條紋信號的能力、以及提高光柵副的工作間隙量，不惜提高制造成本，在鋼帶光柵的表面鍍金質膜，雖然有利于提高鋼帶光柵表面對紅外線的反射率、減少光源能量的損失，但制造成本太高；

(2)業內人士皆知，在上述敞開式鋼帶光柵線位移傳感器中，光柵副工作間隙量的公差帶較小；這里，公差帶是指由工作間隙量(t)值允許的最大值和最小值所確定的間隙范圍，公差帶較小，會造成敞開式鋼帶光柵線位移傳感器工作的可靠性較差。

在現有技術中，上述光柵副工作間隙量較小的原因，可參見圖1的相關說明；在圖1中，光電接收器被安裝的位置，處于光源所在位置或處于光源的上方，存在以下缺陷：①光電接收器所接收到的光信號，來自光源照亮視場的邊緣，信號的光強度較弱，加之受光的衍射效應的影響，光柵副工作間隙量(t)的公差帶就會較小；②業內人士皆知，光強在照亮視場中的能量分布遵循(Cosr)⁴衰減規律，即遠離視場中心區域的邊緣視場的光強較弱。