[發明專利]一種雙通道光柵位移測量方法

有效

• 申請號: 201811240765.7
• 申請日: 2018-10-24
• 公開（公告）號: CN109029272B
• 公開（公告）日: 2020-04-28
• 發明（設計）人: 張瑞;王雅寧;李孟委;解琨陽;王志斌;趙宏波
• 申請（專利權）人: 中北大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02
• 代理公司: 北京志霖恒遠知識產權代理事務所(普通合伙) 11435
• 代理人: 申紹中

本發明涉及高精度位移測量技術領域，更具體而言，涉及一種雙通道光柵位移測量方法，通過改變傳統亞波長雙層光柵結構，實現兩個相位相差90°的雙通道光柵位移傳感，結合反正切可實現大量程、全量程靈敏度一致的高精度位移測量。由于該方法可獲得一個通道光強隨位移為正弦三角函數、另一個通道光強光強隨位移為余弦三角函數，并且光柵常數d為亞波長級別，結合高倍細分技術，可實現跟高位移靈敏度的探測。

技術領域

本發明涉及高精度位移測量技術領域，更具體而言，涉及一種雙通道光柵位移測量方法。

背景技術

隨著一些前沿科技的飛速發展，在制造、微電子、生物以及航空航天等領域，尤其是在高精度陀螺和加速度計方面，迫切需要能實現高精度、高靈敏度的位移測量系統。其中光柵檢測法具有精度高、體積小、重量輕等優點，被廣泛應用，光柵位移傳感器主要有三大類，一類是基于雙光柵的莫爾條紋檢測原理，另一類是基于單光柵加反射結構的光柵衍射原理及干涉原理，單光柵結構被應用到位移傳感器和加速度傳感器中，主要工作原理是光垂直入射光柵，光柵的反射光的1級衍射光與光柵透射后被反射鏡反射再經過光柵的1級衍射光干涉，并且干涉光的強度與光柵與反射鏡的距離有關，進而測出位移，第三類是基于近場的亞波長雙層光柵檢測原理，第二個光柵位于第一個光柵的泰伯像區域，光強與兩個光柵的相對位移有關，進而測量位移，但是該方法由于只有一路信號，無法像摩爾條紋檢測那樣通過細分電路實現高靈敏度位移探測，導致精度和靈敏度無法進一步提高。

發明內容

為了克服現有技術中所存在的不足，本發明提供一種雙通道光柵位移測量方法，現有基于近場的亞波長雙層光柵檢測原理，只有單通道信號，無法像摩爾條紋檢測那樣通過細分電路實現高靈敏度位移探測，導致精度和靈敏度無法進一步提高。

為了解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案為：

一種雙通道光柵位移測量方法，其特征在于：包括激光器、擴束準直器、第一亞波長光柵、第二亞波長光柵、第一光電探測器和第二光電探測器，所述激光器發出的光通過擴束準直器，入射到第一亞波長光柵，光再通過第二亞波長光柵，并由第一光電探測器和第二光電探測器探測透射光強，設置第二亞波長光柵為固定光柵，第一亞波長光柵為位移輸入光柵，當第一亞波長光柵發生位移時，第一光電探測器和第二光電探測器的光強發生變化，經過結算獲得位移量S。

進一步地，所述第二亞波長光柵位于第一亞波長光柵的泰伯像區域。

進一步地，所述第二亞波長光和第一亞波長光柵的距離h滿足。

式中，d為光柵常數，λ為入射激光波長。

進一步地，所述第一亞波長光柵占空比為0.5。

進一步地，所述第二亞波長光柵的中間的不透光柵線區域尺寸為為式中k＝1、2、3...，d為光柵常數。

進一步地，所述第二亞波長光柵的光分成相位剛好成90°的兩束光，被第一光電探測器和第二光電探測器獲得的光強隨位移的變化分別為正弦變化和余弦變化。

進一步地，所述被測位移S為:

式中，d為光柵常數，I₅為光電探測(5)獲得光強去除直流成分后隨位移的變化，I₆為光電探測(6)獲得光強去除直流成分后隨位移的變化。

與現有技術相比，本發明所具有的有益效果為：

本發明提供了一種雙通道光柵位移測量方法，通過改變傳統亞波長雙層光柵結構，實現兩個相位相差90°的雙通道光柵位移傳感，結合反正切可實現大量程、全量程靈敏度一致的高精度位移測量。由于該方法可獲得一個通道光強隨位移為正弦三角函數、另一個通道光強光強隨位移為余弦三角函數，并且光柵常數d為亞波長級別，結合高倍細分技術，可實現跟高位移靈敏度的探測。