[發明專利]基于四象限光柵及探測器的二維微位移傳感器

在審

• 申請號: 202010024742.3
• 申請日: 2020-01-10
• 公開（公告）號: CN111156906A
• 公開（公告）日: 2020-05-15
• 發明（設計）人: 張瑞;李孟委;靳黎明;金麗
• 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

本發明屬于微位移傳感器技術領域，具體涉及一種基于四象限光柵及探測器的二維微位移傳感器，包括第一激光器、第二激光器、第一準直透鏡、第二準直透鏡、可動光柵、四象限光柵、四象限探測器，所述第一激光器、第二激光器分別設置在第一準直透鏡、第二準直透鏡的正上方，所述第一準直透鏡、第二準直透鏡的下方設置有可動光柵，所述可動光柵的下方設置有X軸四象限光柵、Y軸四象限光柵，所述X軸四象限光柵、Y軸四象限光柵的下方分別設置有第一四象限探測器、第二四象限探測器。本發明通過四象限光柵及探測器產生四路信號進行差分，有利于后續高倍細分，且可消除背景噪聲及直流分量，提高微位移檢測的分辨率和精度。本發明用于微位移的測量。

技術領域

本發明屬于微位移傳感器技術領域，具體涉及一種基于四象限光柵及探測器的二維微位移傳感器。

背景技術

位移量是最基本的物理量，其中高精度位移測量技術是精密機械加工的基礎，應用場合極其廣泛。位移測量傳感器的測量精度決定了整個制造業的制造精度，而制造業是整個工業的基礎，制約著各個領域的發展。隨著精密制造技術不斷發展，被加工對象精度的提高要求位移測量儀器具有高精度、高分辨率、高可靠性、大量程、小體積和低成本的特點。

當前納米測量對于位移傳感器的要求趨勢是：高精度、高分辨力、大量程、體積小、重量輕、抗干擾、低成本、對工作環境要求低、安裝和使用簡單、方便。在眾多測量方法中，光學測量具有直接與光波長相關、測量精度高、分辨力高的優點。而傳統的激光干涉儀采用波長為測量基準，可以達到很高的測量精度，但是對激光器穩頻要求高，成本高；并且對使用環境要求苛刻，典型要求為溫度波動須控制到±℃，對溫度、濕度及氣壓變化要連續補償，還要抑制光路中的空氣擾動及儀器的機械振動，容易受到環境干擾，并且系統體積較大，操作繁瑣，通常只在實驗室使用，不能應用于工業現場。采用光柵作為測量基準，具有測量基準固定，不受環境影響的優點；同時對光源穩頻要求不高，因而成本大幅降低；同時由于電子技術的應用，能夠產生數字位移信號，便于應用于自動控制系統中。因此，采用光柵作為測量基準的光柵尺在現代工業中得到廣泛應用，但是傳統光柵尺采用幾何莫爾條紋原理進行測量，受測量原理的限制，當光柵密度增大，刻線周期小于μ時，由于衍射現象變得顯著，莫爾條紋信號的質量因高次諧波的影響而降低，同時要求光柵副的間隙很小，僅為幾十微米，使得儀器的安裝十分困難，可靠性變低，精度無法提高，因此采用傳統幾何莫爾條紋技術進行位移測量無法滿足高精度納米測量要求。

發明內容

針對上述傳統幾何莫爾條紋技術安裝困難、可靠性變低、精度無法提高的技術問題，本發明提供了一種高靈敏度、高線性度、抗電磁干擾能力強的基于四象限光柵及探測器的二維微位移傳感器。

為了解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：

基于四象限光柵及探測器的二維微位移傳感器，包括第一激光器、第二激光器、第一準直透鏡、第二準直透鏡、可動光柵、X軸四象限光柵、Y軸四象限光柵、第一四象限探測器、第二四象限探測器，所述第一激光器、第二激光器分別設置在第一準直透鏡、第二準直透鏡的正上方，所述第一準直透鏡、第二準直透鏡的下方設置有可動光柵，所述第一激光器、第二激光器發出的光束分別經過第一準直透鏡、第二準直透鏡準直，再經過可動光柵形成泰伯像，所述可動光柵的下方設置有X軸四象限光柵、Y軸四象限光柵，所述X軸四象限光柵、Y軸四象限光柵的下方分別設置有第一四象限探測器、第二四象限探測器，所述X軸四象限光柵、Y軸四象限光柵在泰伯像位置發生面內相對運動時，第一四象限探測器、第二四象限探測器中各象限接受到的光強會發生變化，可得到位移與光強變化的關系，從而通過光強變化來獲得被測位移的大小。

所述可動光柵采用單片集成正交光柵，所述可動光柵包括固定夾具、端口、第一可動光柵、第二可動光柵，所述第一可動光柵與第二可動光柵的柵線方向相互垂直，所述第一可動光柵與第二可動光柵并列集成在玻璃片上，所述玻璃片固定在固定夾具內，所述固定夾具的一側固定連接有端口。

所述X軸四象限光柵、Y軸四象限光柵分別與第一四象限探測器、第二四象限探測器的光敏面通過膠固定貼合。