[发明专利]一种基于交变光场的时栅直线位移传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体涉及一种光学领域中用于精密直线位移测量的传感器。

背景技术

在光学领域中，用于精密直线位移测量的传感技术主要有：光栅和激光干涉仪。

光栅利用对莫尔条纹的个数进行计数来测量位移。其采用精密机械细分技术，在指示光栅和标尺光栅表面加工很密的等间距的栅线，将指示光栅与标尺光栅叠放在一起，中间留有适当的微小间隙，并使两块光栅的刻线之间保持很小的夹角口，两块光栅的刻线相交，在诸多相交刻线的垂直方向用恒定光强的光源照射，光线从两块光栅刻线重合处的缝隙通过，形成明暗条纹（即莫尔条纹），通过对莫尔条纹明暗变化次数的计数，来实现空间位移的测量。其测量精度与分辨力取决于光栅刻线的精细程度，然而为了实现1μm～0.1μm的精密直线位移测量，单靠刻线精度无法实现，需要采用高精度电子细分技术，从而使光栅的制造工艺要求苛刻，成本高，抗干扰力差。

激光干涉仪是基于光波干涉效应，利用对光波波长的个数进行计数来测量位移。其通过对两路光程或频率不同的光信号叠加，产生幅值或相位随位移变化的光强信号，可以实现光波波长范围内的位移测量，精度高。但其对激光本身要求高，价格非常昂贵，且容易受外界环境的干扰，不能长时间在工作现场进行测量。

近年来国内研制出了一种以时钟脉冲作为位移测量基准的时栅传感器。现有的时栅直线位移传感器主要有两种：磁场式和电场式。磁场式时栅采用电磁感应原理进行测量，由于导磁材料的可加工性较差，制作工艺需绕线，因此，其生产效率低，另外驱动定子线圈需要较大的激励功率，导致功耗较大。电场式时栅采用交变电场耦合原理进行测量，比如公告号为CN102288100B、名称为“一种基于交变电场的时栅直线位移传感器”的专利，其采用半导体加工工艺，制作精度高，一致性好，但由于电场信号在气隙中处于发散状态，且其要求定尺基体与测头基体的平行安装距离尽量小，该传感器的安装和制作比较困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于交变光场的时栅直线位移传感器，用在光学领域中对直线位移进行精密测量，其精度高、功耗低、成本低，且安装制作较容易。

本发明所述的基于交变光场的时栅直线位移传感器，包括定极板和动极板，定极板与动极板相对平行设置，且留有间隙，所述定极板的上、下部分别具有一排均匀分布的呈方形的定极板透光面，位于上部的一排定极板透光面的起始位置与位于下部的一排定极板透光面的起始位置相差1/2个定极板透光面宽度，在一排定极板透光面中，相邻两个定极板透光面之间的距离与一个定极板透光面宽度相等；所述定极板的后方上、下部分别设置有一组互不干扰的发光器件。所述动极板的上、下部分别具有两个呈半正弦形（即[0，π]区间的正弦曲线围成的区域形状）的动极板透光面，动极板透光面正对定极板透光面，动极板透光面的宽度与定极板透光面宽度相等，动极板透光面的高度小于1/2定极板透光面高度，位于动极板下部的两个动极板透光面与位于动极板上部的两个动极板透光面的排列方式相同，且起始位置对齐，位于动极板上部的两个动极板透光面的起始位置在沿动极板宽度方向间隔一个动极板透光面宽度，在沿动极板高度方向间隔的距离大于一个动极板透光面高度小于1/2定极板透光面高度；在动极板上固定有四个与动极板透光面对应的光敏接收单元，该光敏接收单元的光电接收面覆盖在动极板透光面上，固定在动极板上部的两个光敏接收单元的一个电势同极性端相短接（即它们的一个电势同极性端连在一起），该两个光敏接收单元的另外一个电势同极性端分别作为电信号输出端，固定在动极板下部的两个光敏接收单元的一个电势同极性端相短接（即它们的一个电势同极性端连在一起），该两个光敏接收单元的另外一个电势同极性端分别作为电信号输出端。