[发明专利]一种光电位移传感器及位移测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及微电子、光电子、工业控制和仪器科学领域，尤其涉及传感器领域

背景技术

基础工程建设中存在大量的线型工程，如高速公路、铁路、市政管线、输油输气工程、地铁、隧道、桥梁、大坝和堤防等，这些线型工程一般具有跨度大，沿线地貌地质条件复杂等特点，对周边地质、地貌、气候等环境变化比较敏感，常发生差异沉降，变形、渗漏、断裂和侵蚀等工程问题，影响了工程的正常使用，造成重大损失，有时还对工程沿线的生态环境造成严重影响。因此，采取相应的监测技术手段对线型工程的主体及附属设施进行健康监测和诊断，及时预警预报，是广大科技工作者和工程技术人员必须要面对的重大课题。

位移传感器广泛应用在工程、工业控制、仪器科学领域，针对工程地形地貌的监测和航空航天中的测量。传统的位移传感器一般使用接触式的电刷，随着使用次数的增多造成电刷机械疲劳，使用寿命受限，同时由于机械式电刷的尺寸无法做到微米量级，使得基于电刷原理的位移传感器精度不高。目前，高精度的位移传感器主要是利用光栅、磁栅、容栅以及机械技术等原理来反映被测物体的位移大小，制作成本高，价格昂贵，高端产品大多被国外产品垄断。市场上需要一种精度高、寿命长且价格相对低廉的位移传感器。

发明内容

(一)要解决的问题

本发明的目的在于提供一种精度高、寿命长、成本低、体积小的位移传感器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种基于光电效应的位移传感器，该传感器结合了微电子和光电子的技术。微电子技术能实现大规模集成电路，大规模集成带来的直接利益就是低成本。随着微电子技术的飞速发展，光刻精度已经进入纳米量级，电路的体积越来越小，精度不断提高。光电子技术是以光电子学为基础，综合利用光学、精密机械、电子学和计算机技术解决各种工程应用课题的技术学科。信息载体正在由电磁波波段扩展到光波段，从而使光电科学与光机电一体化技术集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等的光电信息产业上。利用光电技术可以实现非接触传感，达到使用寿命长的目的。微电子和光电子技术的结合，可以实现高精度、低成本和高寿命的位移传感器产品。该光电传感器由激光器、光纤、位移刻度板组成。

上述方案中，激光器是根据半导体光探测器的材料而定的，激光器的辐射波长是半导体材料的光生电流响应度最大时的波长。

上述方案中，光纤与激光器耦合从而聚光，防止激光器的辐射光发散，提高辐射光的利用率。当光纤聚光不能满足精度要求时，加遮光板，同时采用识别技术，对多个光探测器同时输出光电流的情况，计算光照面的中心位置。

上述方案中，位移刻度板是由若干完全相同的半导体光探测器组成的。半导体光探测器是一种利用光电效应原理制成的光接收元件，当受到光源辐射时，产生光电流，光电流的大小与光探测器的材料、光探测器的结构和辐射光的波长有直接关系。

上述方案中，光电传感器的位移测量方法：激光器的一端与被测件相连，另一端通过光纤向位移刻度板辐射激光，位移刻度板上的光探测器感应到激光，就会产生光电流，测量光电流的输出支路，即可判断光探测器的位置刻度，将运动始末的位置刻度相减，即得到运动位移。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

此发明采用光电技术实现了非接触式位移传感器，这种新型位移传感器可大大提高使用寿命；利用微电子的精细加工制造技术使精度大大提高；微电子的大规模生产使成本下降，而且体积小，结构紧凑。采用本发明所述方法，利用现有的微电子和光电子技术的结合使位移传感器满足精度高、寿命长、成本低、体积小的要求。

附图说明

图1为该发明的结构示意图，图1中“1”标注的是被测件，“2”标注的是激光器，“3”标注的是光纤，“4”标注的是光探测器，“5”标注的是刻度板；

图2为该发明的位移刻度板光刻掩膜版图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

传感器的原理如图1所示，传感器测量时，使激光器的一端与被测件相连，另一端通过光纤辐射激光到位移刻度板上。位移刻度板是固定不动的，它由若干相同的半导体光探测器并列排列构成。