[发明专利]激光成像扫描式光栅位移传感器

说明书

一.技术领域

本专利涉及透射成像式光栅位移传感器中光源及相应光路。

二.背景技术

透射成像式直线位移光栅尺常用于工业上检测直线位移，其中传感器由光源，有光栅条纹的玻璃材料主尺、玻璃材料标尺，光电传感器组成，主尺、标尺其中一个与被测试位移物体作机械连接，另一个与固定件作机械连接，光源是聚光型红外LED，早期使用白炽灯。红外LED发出的红外光透过主尺、标尺，照射到光电传感器上，主尺、标尺相对移动时，形成明暗交替出现的摩尔条纹，使透过的光出现明暗交替，最终光电传感器输出的电信号出现近似正弦波形电平变化，电信号经电路细分处理，经显示表显示，成为人可辨的直线位移数据。

现用光源红外LED发出的光平行度最好的仅能达到发散角8°左右，白炽灯光源相当，还存在寿命极短问题；光在经过主尺后，形成明暗交替的光带，因光的平行度差，在很短的距离内光带变得模糊不清，光带经过标尺后使光电传感器输出的电信号直流分量增大，测量用的交流分量减弱，使电路分辨位移变得困难。为取得良好的信号，主尺、标尺间距通常很小，最大为0.1mm；该间距变化时，电信号分量中交流分量变化极大，这将使电路易受到震动干扰，使显示表误计数。

现用光源采用多只红外LED，最少4只，每只红外LED光学参数，安装位置的不一致，会使光电传感器输出的电信号中直流电平也出现不一致，电路对此要求是相等的，在实际使用中通过人工调整解决，这会引来人为误差。

三.发明内容

针对白炽灯、红外LED光源发出的光平行度差带来的问题及多光源一致性问题，本发明采用半行光源作为发明基础，该光源发散角小于0.5°；本发明除可以使用原光路结构外，还包括以下改进型光路：

1.平行光源输出的光束与主尺面平行，通过与其成45°夹角的反射镜反射后，垂直射入主尺、标尺。

2.采用单光源(图1、2中1)，光束(图1中2)与传感器运行方向平行，通过光传播方向纵向排列的部分反射镜(图1、2中3、4、5、7)与全反射镜(图1、2中6、8、9)对单束光分成多束光，垂直射入主尺(图1中10)、标尺(图1中11)。

发散角小于0.5°平行光源，其平行性远优于发散角为8°左右红外LED，主尺、标尺间距会近似按比例增加。使用每毫米50线光栅主尺、标尺，发散角0.05°波长665nm激光试验表明，主尺、标尺间距增加到50mm时，光栅尺仍可以正常工作，50mm间距已超出主尺、标尺现有安装空间，且主尺、标尺间距变化时，光电传感器输出的电信号变化较小，这使传感器具有良好的抗震动性能。

改进型光路1是针对多数平行光源尺寸较长，现有空间难以安装难题，光束经过光路弯折后，光源较易安装。改进型光路2采用单光源通过部分反射镜与全反射镜将单束光分成多束光，垂直射入主尺、标尺；多束光强度比例由部分反射镜反射、透射比例决定，部分反射镜反射、透射比例的可以由镀膜技术很好的控制，这使光电传感器输出的电信号中直流电平有很好的一致性，可以通过预置的电路与之相适应，无需人工调整，消除人为误差。

四.附图说明

图1为不包括零位点光路的单光源光路俯视图，1为平行光源，2为平行光源发出的平行光束，3、4、5为部分反射镜，6为全反射镜，10为主尺，11为标尺。

图2为包括零位点光路单光源光路正视图，7、3、4、5为为部分反射镜，6、8、9为全反射镜；9的空间排列方式与图1中3、4、5、6相同，经过9的光线射入零位点光栅。

五.具体实施方式

能满足发散角小于0.5°平行光源通常为激光光源，推荐半导体激光器加汇聚透镜构成的平行光源，超辐射二极管加汇聚透镜也可以达到该效果。实际使用改进型光路1中反射镜以及改进型光路2中全反射镜为平面反射镜，也可以是三棱镜中斜面，利用该斜面的内全反射性作反射镜；光栅尺如不需要零位点校正功能，图2中7、8、9反射镜则不需要。

光源采用激光一类窄光谱光源，在标尺与光电传感器之间安放干涉滤光片加普通滤光片，会使光电传感器对环境光有极强的抗干扰能力。

本发明采用的平行光源以平行激光为最具有代表性，故称为激光成像扫描式光栅位移传感器。