本發(fā)明涉及微光機(jī)電系統(tǒng)(Micro Optic Electro Mechanical System，MOEMS)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種位移傳感器。

背景技術(shù)：

位移是指物體位置相對參考點產(chǎn)生的偏移量，在眾多的物理量中位移與其它量相比是既容易檢測又容易獲得高精度的檢測結(jié)果，所以測量中常將被測對象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成位移量來檢測。例如將加速度轉(zhuǎn)換成質(zhì)量塊的位移、將膨脹轉(zhuǎn)換成物體表面的位移等。小位移測量是壓力、加速度、流量、溫度、振動等測量技術(shù)的基礎(chǔ)，大位移測量是自動化生產(chǎn)線(如機(jī)械手的移動)、工業(yè)檢測(如膨脹)、在線監(jiān)控(如振動)等的根基。

光電位移傳感器將位移信息轉(zhuǎn)化為光學(xué)信息，并通過光電二極管探測到的光強(qiáng)體現(xiàn)出來。光電位移傳感器具有非接觸測量、測試速度快、精度高、測試點小等優(yōu)點被廣泛研究和應(yīng)用?，F(xiàn)有的光電位移測試主要有激光三角測量法、莫爾條紋法、雙光束干涉法、基于多普勒效應(yīng)的雙頻激光干涉法等，它們大都用于大位移的測量，其光路系統(tǒng)也都比較復(fù)雜，無法滿足現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展中小體積、易集成、高可靠性、低功耗要求。

雙光束干涉測量法基于邁克爾遜干涉儀、用雙光束干涉強(qiáng)度的變化來反映位移量的信息。由干涉強(qiáng)度反演被測對象的位移信息已被廣泛地研究，利用正弦相位調(diào)制法可使位移測量精度達(dá)到檢測光波長的百分之一以上。在雙光束干涉測量系統(tǒng)中，光源的相干長度決定了可測量的最大量程?，F(xiàn)有的大量程的雙光束干涉測量系統(tǒng)中光源大都由He-Ne激光器提供，但He-Ne激光器本身的體 積較大，這從根本上影響大位移雙光束干涉測量系統(tǒng)的體積。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

為解決現(xiàn)有存在的技術(shù)問題，本發(fā)明實施例期望提供一種具有微型化、易集成、高可靠性和低功耗等特點的位移傳感器和干涉儀。

本發(fā)明實施例的技術(shù)方案是這樣實現(xiàn)的：

本發(fā)明實施例提供一種位移傳感器，該位移傳感器包括：

半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生激光光束；

衍射光柵，用于將所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，產(chǎn)生第一衍射光；同時用于將所述激光光束中穿過自身、到達(dá)待測物體，并經(jīng)待測物體反射后再次穿過自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

探測器，位于待測第一衍射光和第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光交匯處，用于測量第一衍射光與第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光之間的干涉強(qiáng)度信息的變化；

信息處理器，與所述探測器相連，用于讀取干涉強(qiáng)度信號，根據(jù)探測器探測的干涉強(qiáng)度變化信息，反演出待測物體的位移信息；

所述衍射光柵位于半導(dǎo)體激光器與待測物體之間。

上述方案中，所述位移傳感器還包括：

衍射光柵調(diào)制解調(diào)裝置，用于對衍射光柵引入周期性的振動，以及對探測器探測到的干涉強(qiáng)度信息進(jìn)行解調(diào)。

上述方案中，所述位移傳感器還包括：

反射光收集裝置，用于收集經(jīng)待測物體反射的光，使得所探測第二衍射光與第一衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光的強(qiáng)度相當(dāng)。

上述方案中，所述半導(dǎo)體激光器為長相干距離半導(dǎo)體激光器。

本發(fā)明還提供一種干涉儀，該干涉儀包括：

半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生激光光束；

衍射光柵，用于將所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，產(chǎn)生第一衍射光；同時用于將所述激光光束中穿過自身、到達(dá)待測物體，并經(jīng)待測物體反射后再次穿過自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

探測器，位于待測第一衍射光和第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光交匯處，用于測量第一衍射光與第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光之間的干涉強(qiáng)度信息的變化。

上述方案中，所述干涉儀還包括：

衍射光柵調(diào)制解調(diào)裝置，用于對衍射光柵引入周期性的振動，以及對探測器探測到的干涉強(qiáng)度信息進(jìn)行解調(diào)。

上述方案中，所述干涉儀還包括：

反射光收集裝置，用于收集經(jīng)待測物體反射的光，使得所探測第二衍射光與第一衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光的強(qiáng)度相當(dāng)。

上述方案中，所述半導(dǎo)體激光器為長相干距離半導(dǎo)體激光器。

本發(fā)明還提供一種位移傳感器的使用方法，該方法包括：

半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光光束；

衍射光柵將所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，產(chǎn)生第一衍射光；同時衍射光柵將所述激光光束中穿過自身、到達(dá)待測物體，并經(jīng)待測物體反射后再次穿過自身的一部分光，衍射為第二衍射光；

探測器測量第一衍射光與第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光之間的干涉強(qiáng)度信息的變化；

信息處理器讀取干涉強(qiáng)度信號，根據(jù)探測器探測的干涉強(qiáng)度變化信息，反演出待測物體的位移信息。

本發(fā)明還提供一種位移傳感器的制作方法，該方法包括：

使用微光機(jī)電系統(tǒng)MOEMS工藝生產(chǎn)半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、探測器、信息處理器，以及光柵調(diào)制裝置、反射光收集裝置的MOEMS元件；

將分離的半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、光電探測器、信息處理器，以及光柵調(diào)制裝置、反射光收集裝置的MOEMS元件按照根據(jù)上述任意一種位移傳感器結(jié)構(gòu)組裝；或者

將半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、光電探測器、信息處理器，以及光柵調(diào)制裝置、反射光收集裝置的MOEMS元件中的全部或部分元件集成于一個單片中。

上述的技術(shù)方案的特點是：本發(fā)明提供的位移傳感器的探測光可由長相干距離半導(dǎo)體激光器提供，并不像現(xiàn)有的雙光束位移測量系統(tǒng)，探測光由He-Ne激光器等提供。這樣所發(fā)明的位移傳感器具有微型化、易集成等特點。傳感器所測量的最大量程是半導(dǎo)體激光器相干距離的一半，隨著長相干距離半導(dǎo)體激光器技術(shù)的不斷進(jìn)步，所發(fā)明的位移傳感器的量程可以達(dá)到數(shù)米甚至更遠(yuǎn)。

上述技術(shù)方案的另外一個特點是：產(chǎn)生相干雙光束的方法并不是像邁克爾遜干涉儀那樣利用不同的光路來實現(xiàn)，而是利用衍射光柵的半反半透性質(zhì)來實現(xiàn)分光的。光柵的直接反射和待測物體的表面反射提供了兩束相干光，它們的光程差包含了待測物體的位移信息。相互干涉的兩束光可以是第一衍射光與第二衍射光中任何一級的衍射光，如0級，±1級，±2級等，它們的空間方向不同，因此利用不同級別衍射光相干信息測量時，相應(yīng)探測器的空間位置也不同。

上述的技術(shù)方案的另外一個特點是：可以對衍射光柵引入調(diào)制系統(tǒng)。對衍射光柵引入周期性的振動，而后對探測器探測到的干涉強(qiáng)度信息進(jìn)行解調(diào)；這樣可以有效地抑制和降低噪聲，提高測量精度。

此外，本發(fā)明提供的位移傳感器和干涉儀的各個組件都可利用MOEMS工 藝生產(chǎn)，因此，使得本發(fā)明提供的位移傳感器和干涉儀具有微型化、易集成的特點。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的位移傳感器的組成結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的位移傳感器的使用方法的流程示意圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的位移傳感器工作過程中光線傳播的示意圖。

具體實施方式

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例和技術(shù)方案，下面將結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行更詳細(xì)的說明，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

圖1為本發(fā)明實施例提供的位移傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該位移傳感器包括：

半導(dǎo)體激光器101，用于產(chǎn)生激光光束；

衍射光柵102，用于將所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，產(chǎn)生第一衍射光；同時用于將所述激光光束中穿過自身、到達(dá)待測物體，并經(jīng)待測物體反射后再次穿過自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

探測器103，位于待測第一衍射光和第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光交匯處，用于測量第一衍射光與第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光之間的干涉強(qiáng)度信息的變化；

信息處理器104，與所述探測器相連，用于讀取干涉強(qiáng)度信號，根據(jù)探測器探測的干涉強(qiáng)度變化信息，反演出待測物體的位移信息；

所述衍射光柵位于半導(dǎo)體激光器與待測物體之間。

具體的，上述位移傳感器中，所述半導(dǎo)體激光器101可以是長相干距離半導(dǎo)體激光器，使得所述位移傳感器可以測量較大的位移，該位移傳感器的量程是半導(dǎo)體激光器相干距離的一半，隨著長相干距離半導(dǎo)體激光器技術(shù)的不斷進(jìn)步，所發(fā)明的位移傳感器的量程可以達(dá)到數(shù)米甚至更遠(yuǎn)。

此外，上述位移傳感器中，衍射光柵102可以是對激光半反半透的光柵來實現(xiàn)。

進(jìn)一步的，上述位移傳感器中，所述探測器103可以是光電探測器；該探測器103的位置是與半導(dǎo)體激光器101發(fā)射的激光波長、衍射光柵102的周期，以及要測量發(fā)生干涉的衍射光的級次有關(guān)的，當(dāng)衍射光柵的周期和激光波長確定后，衍射光中各衍射級次的方向就確定，探測器的位置由待測衍射級次的方向和探測面與衍射光柵的距離來確定。因而，需預(yù)先設(shè)定具體測量哪一級衍射光，在實際應(yīng)用中，可根據(jù)具體情況設(shè)定為測定0級，±1級，±2級等，即上述預(yù)設(shè)相同級次的衍射光可以是0級，±1級，±2級等級次的衍射光。

此外，上述位移傳感器中，信息處理器104在實際應(yīng)用中，可由位于位移傳感器中的中央處理器(CPU)、微處理器(MPU)、數(shù)字信號處理器(DSP)、或現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)實現(xiàn)。

進(jìn)一步的，上述位移傳感器還可包括：

衍射光柵調(diào)制解調(diào)裝置105，用于對衍射光柵引入周期性的振動，以及對探測器探測到的干涉強(qiáng)度信息進(jìn)行解調(diào)。

具體的，衍射光柵調(diào)制解調(diào)裝置105可以通過壓電調(diào)制等方法實現(xiàn)，衍射光柵調(diào)制解調(diào)裝置的目的在于抑制測量過程中的噪聲，它可以借助于微小信號處理中的鎖相放大等方法來提高探測信號的信噪比，從而提高位移測量精度。

進(jìn)一步的，上述位移傳感器還可包括：

反射光收集裝置106，用于收集經(jīng)待測物體反射的光，使得所探測第二衍射光與第一衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光的強(qiáng)度相當(dāng)。

具體的，反射光收集裝置106可以通過透鏡等方法實現(xiàn)，反射光收集裝置106的目的在于使更多的待測物體反射的光參與相干，理想的情況是參與相干的兩束光的強(qiáng)度等同。

本發(fā)明提供的上述位移傳感器，若除去信息處理器104，剩下的部分本身是一種干涉儀，因此，本發(fā)明還提供一種干涉儀，其包括：

半導(dǎo)體激光器，用于產(chǎn)生激光光束；

衍射光柵，用于將所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，產(chǎn)生第一衍射光；同時用于將所述激光光束中穿過自身、到達(dá)待測物體，并經(jīng)待測物體反射后再次穿過自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

探測器，位于待測第一衍射光和第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光交匯處，用于測量第一衍射光與第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光之間的干涉強(qiáng)度信息的變化。

進(jìn)一步的，上述干涉儀還包括：

衍射光柵調(diào)制解調(diào)裝置，用于對衍射光柵引入周期性的振動，以及對探測器探測到的干涉強(qiáng)度信息進(jìn)行解調(diào)。

進(jìn)一步的，上述干涉儀還包括：

反射光收集裝置，用于收集經(jīng)待測物體反射的光，使得所探測第二衍射光與第一衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光的強(qiáng)度相當(dāng)。

進(jìn)一步的，上述干涉儀中，所述半導(dǎo)體激光器為長相干距離半導(dǎo)體激光器。

圖2為本發(fā)明提供的上述位移傳感器的使用方法的流程示意圖，如圖2所示，該方法包括：

步驟201，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生激光光束；

步驟202，衍射光柵將所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，產(chǎn)生第一衍射光；同時衍射光柵將所述激光光束中穿過自身、到達(dá)待測物體，并經(jīng)待測物體反射后再次穿過自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

具體的，如圖3所示，半導(dǎo)體激光器發(fā)出的激光光束入射到衍射光柵表面時，一部分激光光束直接被衍射光柵衍射再反射產(chǎn)生第一衍射光，第一衍射光中包含一系列衍射級次，如0級，±1級，±2級等；同時一部分激光光束穿過衍射光柵到達(dá)待測物體，被待測物體反射后經(jīng)反射光收集裝置后再次穿過衍射光柵衍射為第二衍射光，第二衍射光中也包含一系列衍射級次，如0級，±1級，±2級等。

步驟203，探測器測量第一衍射光與第二衍射光中預(yù)設(shè)相同級次的衍射光之間的干涉強(qiáng)度信息的變化；

具體的，調(diào)節(jié)衍射光柵使待測物體的反射面與光柵的反射面平行，如圖3所示，這時第一衍射光與第二衍射光中預(yù)設(shè)的相同衍射級次的衍射光的空間方向一致，它們將發(fā)生干涉。調(diào)節(jié)探測器使探測器位于第一衍射光和第二衍射光中預(yù)設(shè)的相同衍射級次交匯處，如圖3所示。這樣，探測器就能測量到第一衍射光與第二衍射光干涉強(qiáng)度的變化信息。

這里，所述的預(yù)設(shè)的相同衍射級次，是指預(yù)設(shè)第一衍射光與第二衍射光的級次同為0級，同為±1級，同為±2級等。

進(jìn)一步的，可以通過衍射光柵調(diào)制解調(diào)裝置對衍射光柵引入周期性的振動，并對探測器探測到的干涉強(qiáng)度變化信息進(jìn)行解調(diào)，抑制測量過程中的噪聲。

步驟204，信息處理器讀取干涉強(qiáng)度信號，根據(jù)探測器探測的干涉強(qiáng)度變化信息，反演出待測物體的位移信息；

具體的，如圖3所示，此時發(fā)生干涉的第一衍射光與第二衍射光的光程差是由衍射光柵反射面與待測物體反射面之間的距離決定的，這樣和傳統(tǒng)的邁克爾遜干涉儀測量位移信息的方法一樣，信息處理器根據(jù)所述干涉強(qiáng)度變化信息，經(jīng)過已有的處理電路和執(zhí)行已有的處理算法后就可以反演出運動物體的位移信息。

本發(fā)明還提供上述位移傳感器的制作方法，該方法包括：

使用微光機(jī)電系統(tǒng)MOEMS工藝生產(chǎn)半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、探測器、信息處理器，以及光柵調(diào)制裝置、反射光收集裝置的MOEMS元件；

將分離的半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、光電探測器、信息處理器，以及光柵調(diào)制裝置、反射光收集裝置的MOEMS元件按照根據(jù)上述任意一種位移傳感器結(jié)構(gòu)組裝；或者

將半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、光電探測器、信息處理器，以及光柵調(diào)制裝置、反射光收集裝置的MOEMS元件中的全部或部分元件集成于一個單片中。

具體的，將分離的半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、光柵調(diào)制裝置、反射光收集裝置、光電探測器、信息處理器等參考圖1組裝起來，構(gòu)成所發(fā)明的位移傳感器；或者

利用現(xiàn)有的MOEMS工藝將半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、光電探測器、信息處理器，以及光柵調(diào)制裝置、反射光收集裝置的MOEMS元件中的全部或部分元件集成于一個單片中，制作出全集成或半集成的MOEMS位移傳感器。

上述的技術(shù)方案的特點是：本發(fā)明提供的位移傳感器的探測光可以是由長相干距離半導(dǎo)體激光器提供，并不像現(xiàn)有的雙光束位移測量系統(tǒng)，探測光由He-Ne激光器等提供。這樣所發(fā)明的位移傳感器具有微型化、易集成等特點。 傳感器所測量的最大量程是半導(dǎo)體激光器相干距離的一半，隨著長相干距離半導(dǎo)體激光器技術(shù)的不斷進(jìn)步，所發(fā)明的位移傳感器的量程可以達(dá)到數(shù)米甚至更遠(yuǎn)。

上述技術(shù)方案的另外一個特點是：產(chǎn)生相干雙光束的方法并不是像邁克爾遜干涉儀那樣利用不同的光路來實現(xiàn)，而是利用衍射光柵的半反半透性質(zhì)來實現(xiàn)分光的。光柵的直接反射和待測物體的表面反射提供了兩束相干光，它們的光程差包含了待測物體的位移信息。相互干涉的兩束光可以是第一衍射光與第二衍射光中任何一級的衍射光，如0級，±1級，±2級等，它們的空間方向不同，因此利用不同級別衍射光相干信息測量時，相應(yīng)探測器的空間位置也不同。

上述的技術(shù)方案的另外一個特點是：可以對衍射光柵引入調(diào)制系統(tǒng)。對衍射光柵引入周期性的振動，而后對探測器探測到的干涉強(qiáng)度信息進(jìn)行解調(diào)；這樣可以有效地抑制和降低噪聲，提高測量精度。

在制造方式上，可以通過分離的元件貼片搭建而成，也可以是集成的。通過分離的元件貼片搭建時，將分離的半導(dǎo)體激光器、衍射光柵、光柵調(diào)制裝置、反射光收集裝置、光電探測器、信息處理器等參考圖1組裝起來，構(gòu)成所發(fā)明的位移傳感器。由于所發(fā)明的位移傳感器中各個元件的制作都與現(xiàn)有的MOEMS工藝兼容，因此也可以利用所有的MOEMS工藝制作出單片集成的位移傳感器。

以上所述，僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。