專利名稱：一種激光相位光柵干涉位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于位移傳感器技術(shù)，具體涉及一種激光相位光柵干涉位 移傳感器。
背景技術(shù)：
隨著表面輪廓測量技術(shù)的迅速發(fā)展，為滿足日益提高的表面輪廓測量 的要求，研制大量程、高精度、低成本位移傳感器的問題變得至關(guān)重要。 表面輪廓測量一般使用電感式位移傳感器，存在測量范圍小、造價高、精 度低的問題。目前已有的大量程輪廓測量位移傳感器主要有兩種 一是利 用激光干涉原理的輪廓測量位移傳感器([l]肖虹，王選擇，謝鐵邦.滾動軸
承曲面輪廓形貌測量儀.軸承，6， 2004, p.30 33)，與光柵干涉相比，激光 干涉測量精度受空氣成份、壓強(qiáng)、濕度的影響，環(huán)境的變化對激光干涉輪 廓測量位移傳感器的測量精度影響較大，使用時必須對空間位置及工件的 溫度進(jìn)行實(shí)時測量及補(bǔ)償，其測量精度取決于穩(wěn)頻的精度和環(huán)境條件及各 種環(huán)境測量傳感器的數(shù)量和精度。二是用柱面光柵干涉的輪廓測量位移傳 感器([2]蔣向前，李柱，謝鐵邦.全息光柵干涉法測量曲面形貌理論研究.華 中理工大學(xué)學(xué)報，22(2)， 1994， p.60 64)，該傳感器中使用的是柱面光柵， 柱面光柵加工困難，安裝定位難度大。
在對比文獻(xiàn)中，文獻(xiàn)[l]基于激光干涉原理測量輪廓形貌，工作范圍 士3mm，分辨率10nm，但是該系統(tǒng)較結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本比本裝置貴，并且激光 干涉測量精度受到空氣溫度、壓力及相對濕度的變化等環(huán)境變化影響大。 文獻(xiàn)[2]柱面光柵干涉?zhèn)鞲衅?，理論測量范圍6mm，分辨率能達(dá)至ljlnm。但
是柱面光柵加工要嚴(yán)格保證柱面的曲率半徑和表面質(zhì)量，使傳感器造價高。 另外柱面光柵輪廓測量位移傳感器安裝困難，對軸承要求高，安裝制造稍 有偏差，將使光柵無法干涉，光電管接受不到有效的信號，導(dǎo)致無法測量。并且其測量的線性差，測量范圍和測量精度都遠(yuǎn)未達(dá)到理論分析值，實(shí)際
測量范圍為lmm，測量精度為10nm。 發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種激光相位光柵干涉位移傳感器，該位 移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍大、測量精度高和成本低的特點(diǎn)。
本實(shí)用新型提供的激光相位光柵干涉位移傳感器，其特征在于該傳 感器包括半導(dǎo)體激光器、平行彈簧、透射光柵、+1級平面反射鏡、擋板、 -1級平面反射鏡、分光棱鏡、干涉光平面反射鏡、擴(kuò)束透鏡、光電接收器 和信號處理電路；
平行彈簧包括前支架，第一至第四簧片，第一、第二加強(qiáng)板，后支架； 第一、第二加強(qiáng)板位于前支架與后支架之間，第一加強(qiáng)板與前支架、后支 架之間分別夾持有第一、第二簧片，第二加強(qiáng)板與前支架、后支架之間分 別夾持有第三、第四簧片，平行彈簧的上、下兩部分對稱；
平行彈簧固定在底板上，半導(dǎo)體激光器固定在平行彈簧的前支架上， 透射光柵安裝在平行彈簧的后支架上，復(fù)位彈簧一端安裝在底板上，另一 端安裝在后支架上端部；
連桿安裝在后支架下端部，觸球安裝在連桿上，軸承支架位于前支架 下方，測桿由軸承安裝在軸承支架上，測桿的前端安裝有探針，后端與觸 球接觸；
半導(dǎo)體激光器、透射光柵、擋板和分光棱鏡依次位于同一光路上，+1 級平面反射鏡和-1級平面反射鏡對稱位于半導(dǎo)體激光器的發(fā)射方向的兩 側(cè)；干涉光平面反射鏡位于分光棱鏡的反射光路上，擴(kuò)束透鏡的軸線通過 干涉光平面反射鏡中心；光電接收器位于擴(kuò)束透鏡的軸線上，光電接收器 與信號處理電路相連。
本實(shí)用新型的位移傳感器裝置采用一個透射型相位光柵作為計量標(biāo)準(zhǔn) 器，激光束投射到光柵平面上，通過光柵的衍射形成+1、 -l級光線，+1級光線通過平面反射鏡反射、分光棱鏡反射，-1級光線通過平面反射鏡反射、 分光棱鏡透射，經(jīng)分光棱鏡反射的+1級光線與經(jīng)分光棱鏡透射的-1級光線 干涉產(chǎn)生干涉條紋。與柱面光柵相比，本實(shí)用新型中使用的直線型相位光 柵加工制造安裝容易，使傳感器結(jié)構(gòu)簡單，成本低，測量線性好。與激光 干涉測量相比，本實(shí)用新型中使用的直線型相位光柵測量精度不受空氣成
份、壓強(qiáng)、濕度的影響；允許在環(huán)境溫度變化較大的情況下使用，其測量 精度取決于光柵本身的精度，測量重復(fù)性取決于光柵尺的熱傳導(dǎo)性。本實(shí) 用新型所涉及到的材料、零件價格低廉，所涉及到的光路結(jié)構(gòu)簡單，易調(diào) 整，容易實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型測量位移傳感器具有測量范圍大、測量精度高、 結(jié)構(gòu)簡單、成本低和無裝配誤差的特點(diǎn)。該傳感器可用于測量工件的輪廓 尺寸、表面形狀誤差、表面波度及表面粗糙度，該傳感器測量范圍為0 3tnm、分辨率可達(dá)6nm。


圖1為本實(shí)用新型位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖2為平行彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖3為傳感器測量原理圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和實(shí)例對本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。 如圖1所示，本實(shí)用新型位移傳感器包括探針1、測桿2、軸承支架3、 軸承4、觸球5、連桿6、 +1級平面反射鏡7、擋板8、分光棱鏡9、信號處 理電路10、光電接收器11、擴(kuò)束透鏡12、干涉光平面反射鏡13、 -1級平 面反射鏡14、透射光柵15、復(fù)位彈簧16、平行彈簧17、底板18和半導(dǎo)體 激光器19。
平行彈簧17用于安裝透射光柵15和半導(dǎo)體激光器19，如圖2所示，平行 彈簧由前支架28、簧片21、 23、 25、 27，第一、第二加強(qiáng)板22、 26，后支 架24構(gòu)成。第一、第二加強(qiáng)板22、 26位于前支架28與后支架24之間，第一 加強(qiáng)板22與前支架、后支架28、 24之間分別夾持有簧片21、 23，第二加強(qiáng)板26與前支架、后支架28、 24之間分別夾持有簧片25、 27。平行彈簧17的 上、下兩部分對稱，保證彈簧的平行性且無偏轉(zhuǎn)。平行彈簧保證了透射光 柵15的平行移動，使光電接收器能接受到高質(zhì)量的干涉條紋。
平行彈簧17固定在底板18上，半導(dǎo)體激光器19固定在平行彈簧17 的前支架28上。透射光柵15安裝在平行彈簧17的后支架24上，連桿6 安裝在后支架24下端部，觸球5安裝在連桿6上，復(fù)位彈簧16—端安裝 在底板18上，另一端安裝在后支架24上端部。探針1安裝在測桿2前端， 測桿2由軸承4安裝在軸承支架3上，測桿2的另一端與觸球5接觸，軸 承支架3位于前支架28下方。+1級平面反射鏡7和-1級平面反射鏡14安 裝在底板18上，并對稱于半導(dǎo)體激光器19的發(fā)射方向；半導(dǎo)體激光器19、 透射光柵15、擋板8和分光棱鏡9依次位于同一光路上，擋板8和分光棱 鏡9安裝在底板上。干涉光平面反射鏡13安裝在底板18上；擴(kuò)束透鏡12 安裝在底板18上，其軸線通過干涉光平面反射鏡13中心。光電接收器11 位于擴(kuò)束透鏡12的軸線上，安裝在底板18上。光電接收器11與信號處理 電路IO相連。
本實(shí)用新型具有以下優(yōu)化設(shè)計參數(shù)
(1) +1級和-1級平面反射鏡中心之間的距離為40 46mm，兩中心連 線與透射光柵15之間的距離為23 28mm， +1級平面反射鏡與水平方向角 度為1 3.5°， -1級平面反射鏡與水平方向角度為1 -3.5°。
(2) 分光棱鏡9的中心與+1級平面反射鏡的中心之間的距離為45 49mms
(3) 干涉光平面反射鏡13與水平方向角度為20 25°，且其中心與分 光棱鏡9的中心連線與水平方向夾角為40 50°;
(4) 光電接收器11采用田字型對稱式四象限排列方式。 為了提高干涉條紋的接收信噪比，光電接收器11采用田字型對稱式四
象限排列方式。這種排列所獲取的相差信號允許條紋的形狀與寬度在一定 范圍內(nèi)發(fā)生變化，光電管對稱性好，參數(shù)一致，獲取干涉條紋信號集中， 因而能極大地抑制直流信號，獲取高信噪比的光電差分信號。
如圖3所示，傳感器檢測原理是半導(dǎo)體激光器19發(fā)出的光束透射到透射光柵15，形成0級、+1級、-l級三束衍射光。0級衍射光被擋板8擋?。?1 級衍射光被+l級平面反射鏡7反射，并進(jìn)入分光棱鏡9; -l級衍射光被-l級平 面反射鏡14反射，也進(jìn)入分光棱鏡9。 -l級衍射光在分光棱鏡9中的反射光和 +1級衍射光在分光棱鏡9中的透射光形成干涉，干涉條紋被干涉光平面反射 鏡13改變方向后進(jìn)入擴(kuò)束透鏡12，經(jīng)過擴(kuò)束后的干涉條紋進(jìn)入光電接收器 11，光電接收器ll的輸出信號輸出給信號處理電路lO。
在測量過程中，當(dāng)傳感器探針1劃過工件20表面時，由于工件表面不 平，探針上下移動，測桿2繞軸承4轉(zhuǎn)動，通過觸球5和連桿6驅(qū)動平行 彈簧后支架24同時帶動透射光柵15上下移動，從而被測表面輪廓的變化 轉(zhuǎn)換為位移信號驅(qū)動透射光柵15的上下移動。干涉條紋跟隨移動，條紋變 化量由光電接收器11測出。該信號經(jīng)過信號處理電路10去直流，差分放 大和細(xì)分、辨向后送給后續(xù)處理電路和計算機(jī)分析處理。
權(quán)利要求1、一種激光相位光柵干涉位移傳感器，其特征在于該傳感器包括半導(dǎo)體激光器(19)、平行彈簧(17)、透射光柵(15)、+1級平面反射鏡(7)、擋板(8)、-1級平面反射鏡(14)、分光棱鏡(9)、干涉光平面反射鏡(13)、擴(kuò)束透鏡(12)、光電接收器(11)和信號處理電路(10)；平行彈簧包括前支架(28)，第一至第四簧片(21、23、25、27)，第一、第二加強(qiáng)板(22、26)，后支架(24)；第一、第二加強(qiáng)板(22、26)位于前支架(28)與后支架(24)之間，第一加強(qiáng)板(22)與前支架、后支架(28、24)之間分別夾持有簧片(21、23)，第二加強(qiáng)板(26)與前支架、后支架(28、24)之間分別夾持有簧片(25、27)，平行彈簧(17)的上、下兩部分對稱；平行彈簧(17)固定在底板(18)上，半導(dǎo)體激光器(19)固定在平行彈簧(17)的前支架(28)上，透射光柵(15)安裝在平行彈簧(17)的后支架(24)上，復(fù)位彈簧(16)一端安裝在底板(18)上，另一端安裝在后支架(24)上端部；連桿(6)安裝在后支架(24)下端部，觸球(5)安裝在連桿(6)上，軸承支架(3)位于前支架(28)下方，測桿(2)由軸承(4)安裝在軸承支架(3)上，測桿(2)的前端安裝有探針(1)，后端與觸球(5)接觸；半導(dǎo)體激光器(19)、透射光柵(15)、擋板(8)和分光棱鏡(9)依次位于同一光路上，+1級平面反射鏡(7)和-1級平面反射鏡(14)對稱位于半導(dǎo)體激光器(19)的發(fā)射方向的兩側(cè)；干涉光平面反射鏡(13)位于分光棱鏡(9)的反射光路上，擴(kuò)束透鏡(12)的軸線通過干涉光平面反射鏡(13)中心；光電接收器(11)位于擴(kuò)束透鏡(12)的軸線上，光電接收器(11)與信號處理電路(10)相連。
2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的位移傳感器，其特征在于+1級平面反射鏡 (7)和-1級平面反射鏡(14)對稱位于半導(dǎo)體激光器(19)的發(fā)射方向，其中+1 級和-1級平面反射鏡中心之間的距離為40 46mm，兩中心連線與透射光柵 (15)之間的距離為23 28mm， +1級平面反射鏡與水平方向角度為1 3.5°， -1級平面反射鏡與水平方向角度為-1 -3.5°;分光棱鏡(9)的中心與+l級平面反射鏡的中心之間的距離為45 49mm;干涉光平面反射鏡(13)與水平方 向角度為20 25。，且其中心與分光棱鏡(9)的中心連線與水平方向夾角為 40 50°。
3、根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的位移傳感器，其特征在于光電接收器(11)采用田字形排列方式。
專利摘要一種激光相位光柵干涉位移傳感器，包括半導(dǎo)體激光器、平行彈簧、透射光柵、±1級平面反射鏡、分光棱鏡、干涉光平面反射鏡、擴(kuò)束透鏡、光電接收器和信號處理電路。激光器和透射光柵分別固定于平行彈簧的前、后支架；連桿與平行彈簧的后支架下端部連接，并通過觸球與測桿相連，測桿安裝在軸承上，探針固定在測桿的另一端；激光器發(fā)出的光束依次經(jīng)過透射光柵、平面反射鏡、分光棱鏡產(chǎn)生干涉條紋，干涉條紋經(jīng)透鏡擴(kuò)束后由光電接收器接收，并將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，再傳送給信號處理電路處理后輸出。本實(shí)用新型具有測量范圍大、測量精度高、結(jié)構(gòu)簡單、成本低的特點(diǎn)。該傳感器可用于測量工件的表面輪廓和表面粗糙度，測量范圍為0～3mm、分辨率可達(dá)6nm。
文檔編號G01D5/26GK201130030SQ200720088830
公開日2008年10月8日 申請日期2007年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月7日
發(fā)明者常素萍, 王淑珍, 王生懷, 謝鐵邦 申請人:華中科技大學(xué)