[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

本發明屬于精密測量領域，并公開了正交光柵三自由度磁浮測量傳感器、檢測儀及其檢測方法，其包括分光棱鏡、分設于分光棱鏡左右兩側的激光器和第一平面反射鏡、分設于分光棱鏡上下兩側的干涉信號探測器和正交透射光柵、位于正交透射光柵下方的第二平面反射鏡以及位于第二平面反射鏡上方且呈正交布置的四個光斑位置探測器，第二平面反射鏡安裝在待測的磁浮觸針結構上；所述檢測儀包括偏轉角度計算模塊、位移計算模塊及所述正交光柵三自由度磁浮測量傳感器；所述檢測方法由所述檢測儀實現。本發明可實現兩個方向的偏轉角度的同時測量，對觸針磁浮軸支撐剛度進行電流反饋，從而使得垂直方向的直線位移精確計量，具有結構緊湊、測量精度高等優點。

技術領域

本發明屬于精密測量領域，更具體地，涉及正交光柵三自由度磁浮測量傳感器、檢測儀及其檢測方法。

背景技術

隨著科學技術的不斷發展，人們對測量技術的精度要求也越來越高，其中高精度的光學干涉式計量裝置成為眾多領域前進發展的關鍵技術。常用的位移計量裝置為光柵尺和激光干涉測量儀。光柵尺是通過記錄靜尺和動尺相互移動對產生的干涉條紋數進行位移測量，其易受溫度的影響,測量分辨率嚴重依賴于光柵尺的光柵常數，測量范圍有限，且單個光柵尺檢測的最大允許速度往往與其測量分辨率成反比，故存在著測量速度與分辨率的矛盾。而激光干涉測量儀是利用激光在真空中的波長作為長度基準，可以達到納米級的測量分辨率，利用參考光路與測量光路的光程差對位移進行測量，激光的相干長度較大，測量的范圍要遠遠大于光柵尺的測量范圍。

目前，利用激光干涉精密計量的裝置有很多，例如CN108680108B公開的線激光移相干涉三角微位移測量裝置及方法，其將移相干涉技術和激光三角技術結合起來，以實現大范圍高精度微位移測量；再如CN105004273A公開了一種激光干涉位移測量系統，其通過偏振光學原理使測量光沿相同方向總共兩次進出移動角錐鏡，實現測量光與參考光光程差變化與角錐鏡位移的八倍程關系，從而實現對位移的光學八倍細分測量。但是目前的激光干涉裝置只能實現位移的測量，無法實現偏轉角度的測量，而對于懸浮觸針而言，軸的運動精度直接關系到測量系統的計量精度，因此對偏轉角度的檢測和控制是十分必要的，從而對軸的支撐進行反饋，保證軸的支撐剛度和測量過程中最大偏移量。因此，需要進行研究與設計以獲得一種可同時實現直線位移和偏轉角度測量的裝置及方法。

發明內容

針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了正交光柵三自由度磁浮測量傳感器、檢測儀及其檢測方法，其目的在于通過結構設計實現一個方向的直線位移和兩個方向的偏轉角度(即三自由度數據)的同時測量，具有結構緊湊、測量精度高等優點。

為實現上述目的，按照本發明的第一個方面，本發明提出了一種正交光柵三自由度磁浮測量傳感器，其包括分光棱鏡、分設于分光棱鏡左右兩側的激光器和第一平面反射鏡、分設于分光棱鏡上下兩側的干涉信號探測器和正交透射光柵、位于正交透射光柵下方的第二平面反射鏡以及位于第二平面反射鏡上方且呈正交布置的四個光斑位置探測器，所述第二平面反射鏡安裝在待測的磁浮觸針結構上；測量時，由激光器發射的激光經分光棱鏡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反射返回分光棱鏡，再反射至干涉信號探測器中，反射光經正交光柵后形成一束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直接返回至干涉信號探測器中，與反射至干涉信號探測器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垂直入射到四個對應的光斑位置探測器中以進行光斑位置的檢測。

作為進一步優選的，所述干涉信號探測器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。

作為進一步優選的，所述磁浮觸針結構包括觸針軸、安裝在觸針軸下方的觸針以及實現觸針軸懸浮的懸浮組件。