[發(fā)明專利]一種數(shù)字式波長編碼光學(xué)絕對(duì)位移傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310306367.1
• 申請(qǐng)日: 2013-07-20
• 公開（公告）號(hào): CN103411538A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉正坤;邱克強(qiáng);王宇;劉穎;付紹軍
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/02
• 分類號(hào): G01B11/02;G01D5/347
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責(zé)任公司 11251
• 代理人: 楊學(xué)明;李新華

1.一種數(shù)字式波長編碼光學(xué)絕對(duì)位移傳感器，其特征在于，包括：寬帶光源（1）或?yàn)楹鄠€(gè)波長λ1，λ2，λ3，λ4，…的光源組合，光源導(dǎo)入光纖（2），準(zhǔn)直系統(tǒng)（3），光闌（4），光柵尺（5），接收光纖(6)，準(zhǔn)直透鏡（7），衍射光柵（8），準(zhǔn)直透鏡（9）和光敏元件陣列組（10）；寬帶光源（1）或?yàn)楹鄠€(gè)波段λ1，λ2，λ3，λ4，…的光源組合的入射光經(jīng)光源導(dǎo)入光纖（2）傳送到準(zhǔn)直系統(tǒng)（3）中，準(zhǔn)直后光束經(jīng)過光闌（4）濾光后入射到光柵尺（5）上；衍射光束經(jīng)準(zhǔn)直系統(tǒng)（3）被接收光纖（6）接收，經(jīng)接收光纖（6）傳送到解調(diào)系統(tǒng)中，接收光纖（6）的出射光經(jīng)解調(diào)系統(tǒng)中準(zhǔn)直透鏡（7）后的光束經(jīng)衍射光柵（8）色散后，再次經(jīng)準(zhǔn)直透鏡（9）聚焦于光敏元件陣列組（10）；光敏元件陣列組（10）得到的數(shù)字電信號(hào)通過編碼庫建立編碼與光柵尺（5）上入射光照射部分光柵圖形的信息，而該光柵圖形組合是與位移關(guān)系一一對(duì)應(yīng)的，從而通過編碼的解碼能夠完成位移測(cè)試；

該傳感器采用不同線密度光柵單元組合編碼，設(shè)計(jì)光柵尺的結(jié)構(gòu)，具有多波段的光源入射到光柵尺上時(shí)，自準(zhǔn)直衍射回探測(cè)器中的光信號(hào)中包含有入射光照射在光柵尺上區(qū)域的編碼信息，通過波長解調(diào)能得到位移信息；

入射光斑內(nèi)的光柵線密度與衍射光波長的關(guān)系滿足：

k*n*λ＝sinθ_i+sinθ_o

n為光柵的線密度，k為整數(shù)，λ為衍射光波長，θ_i為入射光束與光柵尺法線的夾角，θ_o為光纖接收光束與光柵尺法線的夾角；

入射光纖及接收光纖相對(duì)于準(zhǔn)直系統(tǒng)的位置固定，因此θ_i與θ_o固定，光柵的線密度與衍射波長滿足倒數(shù)關(guān)系；

入射光斑沿光柵線條方向的尺寸大于光柵尺各區(qū)沿光柵線條方向的長度之和，沿光柵尺長度方向的尺寸大于3～4個(gè)光柵單元，具體的尺寸根據(jù)光敏元件的數(shù)量、光柵單元的長度進(jìn)行調(diào)整，光斑照射范圍內(nèi)的光柵單元中，如果其中有光柵單元的線密度為ni，則通過接收光纖傳入到解調(diào)系統(tǒng)中的光信號(hào)中含有波長為λi的波長信號(hào)；該光信號(hào)經(jīng)過色散元件色散后，各個(gè)波長聚焦于不同的色敏元件；當(dāng)光信號(hào)中包含波長λi時(shí)，對(duì)應(yīng)的光敏元件給出電信號(hào)1，當(dāng)不包含波長為λi時(shí)，對(duì)應(yīng)的光敏元件給出的信號(hào)為0，將多組光敏元件給出信號(hào)編碼組合；如4位光敏元件組合時(shí)，信號(hào)組合為1011時(shí)，表明信號(hào)中存在波長：λ1、λ3、λ4，入射光斑照射區(qū)域內(nèi)的光柵尺上存在光柵線密度為n1、n3、n4，光柵尺上的光柵編碼的組合方式是通過優(yōu)化設(shè)計(jì)的，不同的組合對(duì)應(yīng)不同的位移；通過該信號(hào)能夠給出入射光斑照射在光柵尺的位置；改變光柵尺與入射光斑的相對(duì)位置，解調(diào)系統(tǒng)給出不同的編碼組合，通過編碼與位移的關(guān)系表給出光柵尺絕對(duì)位移；

該傳感器采用感光面積較大的色敏元件，提高靈敏度；采用的是波長編碼方式，不依賴于光強(qiáng)的變化，因此光源的強(qiáng)度變化、光纖傳輸造成的光強(qiáng)損失不會(huì)對(duì)位移的計(jì)算造成影響；同時(shí)編碼數(shù)是光柵組合與光柵尺的分區(qū)數(shù)之積，同時(shí)采用的多組光柵組合，光柵線密度相差較大，溫度及振動(dòng)造成的波長變化遠(yuǎn)小于每組色敏元件的帶寬范圍，因此對(duì)溫度有更好的適應(yīng)性。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式波長編碼光學(xué)絕對(duì)位移傳感器，其特征在于，所述的光柵尺（5）分為多個(gè)單元，每個(gè)單元的長度按照光柵尺為50～300μm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式波長編碼光學(xué)絕對(duì)位移傳感器，其特征在于光柵尺(5)分為多個(gè)光柵單元，每個(gè)光柵單元的線密度為光柵尺設(shè)計(jì)的4～10種線密度中的一種，光柵單元的排列按照光柵尺的編碼整體設(shè)計(jì)要求進(jìn)行排布。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式波長編碼光學(xué)絕對(duì)位移傳感器，其特征在于，所述的光柵尺（5）作為直線位移傳感器的光柵編碼尺，可以為平面直線型；也可以為柱面編碼光柵尺，作為角度傳感器的光柵編碼尺進(jìn)行角位移傳感。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種數(shù)字式波長編碼光學(xué)絕對(duì)位移傳感器，其特征在于，所述的光柵尺（5）寬度為8mm，分4個(gè)區(qū)，沿光柵尺移動(dòng)方向光柵單元長度為200μm，沿光柵線條方向?qū)挾葹?mm，4個(gè)區(qū)的光柵單元進(jìn)行錯(cuò)位，錯(cuò)位量為50μm。