[發明專利]正交光柵三自由度磁浮測量傳感器、檢測儀及其檢測方法

有效

• 申請號: 201910932300.6
• 申請日: 2019-09-29
• 公開（公告）號: CN110631483B
• 公開（公告）日: 2020-11-17
• 發明（設計）人: 常素萍;吳昊;盧文龍;趙言情;劉曉軍
• 申請（專利權）人: 華中科技大學
• 主分類號: G01B11/02
• 分類號: G01B11/02;G01B11/26
• 代理公司: 華中科技大學專利中心 42201
• 代理人: 張彩錦;曹葆青

1.一種正交光柵三自由度磁浮測量傳感器，其特征在于，包括分光棱鏡(2)、分設于分光棱鏡(2)左右兩側的激光器(14)和第一平面反射鏡(3)、分設于分光棱鏡(2)上下兩側的干涉信號探測器(1)和正交透射光柵(4)、位于正交透射光柵(4)下方的第二平面反射鏡(6)以及位于第二平面反射鏡(6)上方且呈正交布置的四個光斑位置探測器(5)，所述第二平面反射鏡(6)安裝在待測的磁浮觸針結構上；測量時，由激光器(14)發射的激光經分光棱鏡(2)分為正交的兩路光輸出，即透射光和反射光，其中，透射光經第一平面反射鏡(3)反射返回分光棱鏡(2)，再反射至干涉信號探測器(1)中，反射光經正交光柵(4)后形成一束0級直射光和四束±1級衍射光，一束0級直射光由第二平面反射鏡(6)直接返回至干涉信號探測器(1)中，與反射至干涉信號探測器(1)中的透射光形成干涉條紋，而四束±1級衍射光分別經第二平面反射鏡(6)反射到四個對應的光斑位置探測器(5)中以進行光斑位置的檢測。

2.如權利要求1所述的正交光柵三自由度磁浮測量傳感器，其特征在于，所述干涉信號探測器(1)優選為四象限探測器，其由四個性能完全一致的光電二極管按照直角坐標系要求制作而成。

3.如權利要求1所述的正交光柵三自由度磁浮測量傳感器，其特征在于，所述磁浮觸針結構包括觸針軸(13)、安裝在觸針軸(13)下方的觸針(11)以及實現觸針軸懸浮的懸浮組件。

4.如權利要求3所述的正交光柵三自由度磁浮測量傳感器，其特征在于，所述懸浮組件包括方形永磁體件、導向線圈(7)、懸浮線圈(9)和環形永磁體(10)，其中，方形永磁體件設有兩組，分設于觸針軸(13)上下兩端的外部，每組方形永磁體件由多塊沿觸針軸(13)周向分布的方形永磁體(8)構成，所述導向線圈(7)的數量與方形永磁體(8)的數量對應，且同組方形永磁體件中的多個導向線圈呈正交布置，所述環形永磁體(10)套裝在觸針軸(13)的中部，所述懸浮線圈(9)由兩個彼此平行且共軸的上下懸浮線圈構成，兩個上下懸浮線圈套裝在觸針軸(13)的外部，且置于環形永磁體(10)的上下兩端。

5.一種懸浮軸位移檢測儀，其特征在于，包括偏轉角度計算模塊、位移計算模塊及如權利要求1-4任一項所述的正交光柵三自由度磁浮測量傳感器，所述偏轉角度計算模塊用于接收正交光柵三自由度磁浮測量傳感器測得的光斑位置信息，并基于光斑位置信息計算獲得磁浮觸針結構的偏轉角度；所述位移計算模塊用于接收正交光柵三自由度磁浮測量傳感器測得的干涉條紋信息，并基于干涉條紋信息計算獲得磁浮觸針結構的位移。

6.如權利要求5所述的懸浮軸位移檢測儀，其特征在于，所述位移計算模塊包括依次連接的差分電路、放大整形電路、辨向細分電路、A/D轉換電路和計算機，其中，所述正交光柵三自由度磁浮測量傳感器輸出的干涉條紋信息經差分電路轉換為相位差為90度的正余弦信號，一路送入放大整形電路以變成數字方波輸出至辨向細分電路進行四細分計數，該辨向細分電路對超過1/4周期的條紋移動進行計數；另一路經A/D轉換電路，通過A/D轉換器對不足1/4周期的條紋移動進行細分處理；兩路信號的計數值送入計算機進行同步相加處理以計算獲得干涉條紋移動的周期數，再基于干涉條紋移動的周期數計算出磁浮觸針結構的位移。

7.一種正交光柵三自由度測量方法，其特征在于，包括如下步驟：

S1入射激光經分光棱鏡(2)分為正交的兩路光輸出，即透射光和反射光；

S2透射光經第一平面反射鏡(3)反射返回至分光棱鏡(2)，再反射至干涉信號探測器(1)中；

S3反射光經正交光柵(4)后形成一束0級直射光和四束±1級衍射光，一束0級直射光由第二平面反射鏡(6)直接返回至干涉信號探測器(1)中，以與反射至干涉信號探測器(1)中的透射光形成干涉條紋，基于干涉條紋的信息推算出磁浮觸針結構的位移；

S4四束±1級衍射光分別經第二平面反射鏡(6)垂直入射到四個對應的光斑位置探測器(5)上進行光斑位置的檢測，基于光斑位置及磁浮觸針結構的位移推算出第二平面鏡即磁浮觸針結構的偏轉角度。

8.如權利要求7所述的正交光柵三自由度測量方法，其特征在于，步驟S4中的所述偏轉角度采用如下方式確定：

S41建立光斑位置探測器檢測的偏移量與偏轉角的關系式：

其中，為光斑位置探測器直接檢測的偏移量，為僅由磁浮觸針結構垂直方向的位移量L引起的分量，D為正交透射光柵到第二平面反射鏡的安裝垂直距離，L為磁浮觸針結構垂直方向的位移量，θ_m為衍射角，β為偏轉角度，s₁為第二平面反射鏡上的反射光線到對應光斑位置探測器的距離；

S42建立與步驟S41中所述光斑位置探測器對稱的光斑位置探測器檢測的偏移量與偏轉角的關系式：

其中，是光斑位置探測器直接檢測的偏移量，該光斑位置探測器與步驟S41中的所述光斑位置探測器相對，s₂為第二平面反射鏡上的反射光線到對應光斑位置探測器的距離；

S43聯合式(一)和(二)解得β。