[發明專利]一種數字式波長編碼光學絕對位移傳感器

有效

• 申請號: 201310306367.1
• 申請日: 2013-07-20
• 公開（公告）號: CN103411538A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 劉正坤;邱克強;王宇;劉穎;付紹軍
• 申請（專利權）人: 中國科學技術大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01D5/347
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;李新華

技術領域

本發明涉及位移傳感器的技術領域，具體涉及一種數字式波長編碼光學絕對位移傳感器。

背景技術

現有技術1：基于莫爾條紋原理的光柵尺技術（具體文獻較多）。該技術對光柵副形成的莫爾條紋進行細分等技術處理，實現位移分辨。基于不同的光柵編碼形成絕對位移傳感器或增量式位移傳感器。該傳感器的優點是成熟，分辨率高。缺點是采用光強作為信號傳感，同時，雖然光源及信號采集部分采用的是發光二極管及光電二極管，傳感器的傳輸部分仍為電信號。因此，在電磁干擾強的區域，仍然需要對其傳輸信號線進行電磁屏蔽保護。

現有技術2：(參見Optical?grating?sensor?and?method?of?monitoring?with?a?multi-period?grating?patent?number:4985624)采用變柵距光柵作為核心元件，光柵柵距與位移存在一對一的對應關系。采用自準直衍射的方法，衍射回解調系統的光信號波長與在變柵距光柵表面的入射光斑對應的光柵周期呈線性關系。但該系統利用光譜儀等系統進行波長解調，響應頻率偏低，且譜儀中的CCD等元件的高低溫適應性差。后續R.D.LaClair在文獻“Long?stroke?optical?fiber?linear?position?sensor?for?FLASH?program”中報導，采用了色敏光電三極管作為波長解調元件，解決了響應的問題，但是溫度變化帶來的噪聲仍然很大。

目前采用光柵尺結構的位移傳感器中，傳感部分是光信號，但傳輸過程中仍然是電信號，因此仍然易受電磁干擾。波長編碼位移傳感器中采用的是光傳信息，但在解調部分需要采用譜儀結構，系統中需要陣列光敏器件，響應時間較長，且不能適應高低溫波動比較大的工作環境。

本發明涉及一種光學編碼及光學傳輸的絕對位移傳感器結構，該傳感器利用編碼光柵尺入射光斑內的光柵編碼得到包含波長編碼信號的光信號，經光纖傳輸到解調系統后轉化為數字式的電信號，建立起位移與波長編碼的一對一關系。目前還未見采用該方法及結構的位移傳感器。

發明內容

本發明的目的是提出一種新的傳感器結構，采用波長作為信號進行解調，消除了基于光強變化傳感器中光源強度變化及光纖傳輸損耗的影響。采用了一種新的光柵編碼結構，通過對光柵尺的結構設計，直接獲取波長編碼信號，獲取的信號是數字式的，容易建立對應關系。采用了較大感光面積的光敏元件結構，響應快，能夠滿足電磁場強、溫度變化劇烈等惡劣條件。

本發明采用的技術方案是一種數字式波長編碼光學絕對位移傳感器，包括：寬帶光源或為含多個波長λ1，λ2，λ3，λ4，…的光源組合，光源導入光纖，準直系統，光闌，光柵尺，接收光纖，準直透鏡，衍射光柵，準直透鏡和光敏元件陣列組；寬帶光源或為含多個波段λ1，λ2，λ3，λ4，…的光源組合的入射光經光源導入光纖傳送到準直系統中，準直后光束經過光闌濾光后入射到光柵尺上，衍射光束經準直系統被接收光纖接收，經接收光纖傳送到解調系統中，接收光纖出射光經解調系統中準直透鏡后的光束經衍射光柵色散后，再次經準直透鏡聚焦于光敏元件陣列組；光敏元件陣列組得到的數字電信號通過編碼庫識別光柵尺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系一一對應的，從而通過編碼的解碼能夠完成位移測試；

該傳感器采用不同線密度光柵單元組合編碼，設計光柵尺的結構。具有多波段的光源入射到光柵尺上時，自準直衍射回探測器中的光信號中包含有入射光照射在光柵尺上區域的編碼信息，通過波長解調能得到位移信息。

入射光斑內的光柵線密度與衍射光波長的關系滿足：

k*n*λ＝sinθ_i+sinθ_o

n為光柵的線密度，k為整數，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于準直系統的位置固定，因此θ_i與θ_o固定，光柵的線密度與衍射波長滿足倒數關系。