[發明專利]折射放大光學位移傳感器

無效

• 申請號: 201310361465.5
• 申請日: 2013-08-19
• 公開（公告）號: CN103438805A
• 公開（公告）日: 2013-12-11
• 發明（設計）人: 于占江;吳雅博;于化東;許金凱;丁戧;楊英歌
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務所 22210
• 代理人: 陶尊新

技術領域

本發明涉及一種折射放大光學位移傳感器，將微小位移量通過光學折射放大獲得位移量值，實現微納米位移的高精度測量，同時，不要求所使用的光電傳感元件具有高分辨率，因此，本發明之折射放大光學位移傳感器在實現高精度測量的同時具有低價位的特點，屬于光學位移測量技術領域。

技術背景

由于機械產品及零部件的微小型化，要求微機電系統（MEMS）尺寸微小，通過研究這些微型機構的機械性能、運動特性，能夠為制造優良的微機電系統提供依據。其中，了解微機電系統的摩擦磨損特性尤為重要，現有技術采用微力彈性元件檢測微摩擦力，先采用位移測量技術測量微力彈性元件的變形量，再根據微力彈性元件的變形量與微摩擦力的關系計算出微摩擦力。

所述位移測量技術就是把位移量轉換成與之有確定關系的其它可測量量。

現有能夠測量微納米位移的光學位移測量方法分為干涉法和衍射法兩類，所使用的裝置為干涉儀和衍射儀，不過這些裝置結構復雜、價格昂貴，且對測量環境要求苛刻。

另外，采用光電傳感元件也能夠實現微納米位移的測量。例如，一篇刊登在《光學與工程技術》第4卷第2期、題為“基于PSD的微小位移研究”的文章公開了一種有關微納米位移測量的方案。該方案所使用的測量裝置由激光光源、定平面鏡、動平面鏡、PSD（位置敏感器件）等組成，該方案依據光杠桿原理，由一根連桿將微力彈性元件與動平面鏡連接起來，當發生彈性變形時微力彈性元件表面發生變形，引起動平面鏡角度變化，測量光在定平面鏡、動平面鏡之間多次反射，在PSD上光斑發生明顯位移，在這一過程中，測量裝置不僅將角度變化轉化為光斑在PSD上的位置變化，獲得位移量，而且進行了放大。由PSD檢測發生彈性變形前后，測量光光斑在PSD上的位置變化，由光斑位移量與角度的關系以及角度與微力彈性元件表面變形的關系，計算出微力彈性元件表面的變形量。盡管該測量裝置使用的并非是高分辨率的PSD，而是普通分辨率PSD，但是嗎，測量精度仍較高。不過，在該方案中，微力彈性元件與動平面鏡由一根連桿連接，可見，該測量方案屬于接觸式測量，而微力彈性元件結構精密，接觸式測量將會對微力彈性元件自身受力變形效果造成影響，會降低測量精度。

發明內容

為了進一步提高微力彈性元件變形的測量精度，同時使用普通分辨率的PSD，我們發明了一種折射放大光學位移傳感器。

在本發明之折射放大光學位移傳感器中有激光光源1和PSD9，其特征在于，如圖1、圖2所示，折射放大三棱鏡6位于激光光源1和PSD9之間的反射光路上，激光光源1光軸與折射放大三棱鏡6軸線空間垂直，激光光源1發出的測量光入射折射放大三棱鏡6的入射角a大于等于70°、小于90°，PSD9感光面與自折射放大三棱鏡6出射的測量光垂直。

本發明其技術效果在于，激光光源1發射的測量光照射到微力彈性元件表面5，被反射并以入射角a入射折射放大三棱鏡6的一個鏡面，由折射放大三棱鏡6折射后照射到PSD9的感光面，由此獲得一個位置信息。當微力彈性元件發生彈性變形后，微力彈性元件表面5發生位移D，如圖1所示，測量光被反射并以相同入射角a入射折射放大三棱鏡6的同一個鏡面，但是，入射點移動了一個距離L₁，如圖2所示，由折射放大三棱鏡6折射后照射到PSD9的感光面，但是，照射點移動了一個距離h₃，由此獲得另一個位置信息，由PSD9之后的信號處理單元獲得距離h₃的值。在上述測量過程中，由于所述位移D的發生，導致反射的測量光相對于原光路平移了一個距離h₁，該測量光被折射放大三棱鏡6的入射鏡面折射后相對于原光路平移了一個距離h₂，當入射角a大于70°時，距離h₂遠大于距離h₁，如h₂/h₁能夠達到43，如圖3所示，雖然測量光自折射放大三棱鏡6的出射鏡面折射后相對于原光路平移距離h₃小于距離h₂，但是，二者相差很小。另外，微力彈性元件表面5發生的位移D與所述距離h₁存在對應關系，這樣的話就能夠由所獲得的距離h₃的值換算得到量值極其微小的位移D的值，盡管位移D的值處在微納米量級，但是，由于該位移D被折射放大三棱鏡6放大若干倍，對PSD9的分辨率的要求因此明顯降低，具有普通分辨率即可。由于在測量過程中，本發明之折射放大光學位移傳感器與被測微力彈性元件表面5非接觸，不會發生因機械連接而導致的測量精度的下降。

附圖說明