[发明专利]一种基于二维单层光栅结构的多维角振动传感器

说明书

本发明属于角振动传感器技术领域，具体涉及一种基于二维单层光栅结构的多维角振动传感器，所述激光器、扩束器、分光棱镜、二维光栅和反射镜设置在同一光轴方向上，所述反射镜通过限位器与二维光栅连接，所述反射镜通过限位器限制位置，所述反射镜设置在二维光栅的泰伯距离处，所述反射镜的下表面连接有待测物体表面，所述分光棱镜的一侧依次设置有透镜和光电探测器，所述透镜和光电探测器位于激光器激光出射方向的垂直方向上。本发明基于二维光栅泰伯像原理，结合反射镜结构实现单光栅镜像自干涉方法，仅使用单一光路、单一光栅便可以实现多维角度测量，显著简化传感器结构、降低传感器尺寸、提高器件集成度。

技术领域

本发明属于角振动传感器技术领域，具体涉及一种基于二维单层光栅结构的多维角振动传感器。

背景技术

精密角振动测量是现代机械工业的一个重要的技术领域，是促进现代工业进步和发展的基础条件之一。随着精密机械加工、半导体制造等领域的快速发展，相关高精制造系统的研发对于小体积、高精度和小角度的角振动传感器的需求日益迫切。光学式测角技术相比于传统的机械式和电磁式角度测量技术，具有高灵敏度、高精度和非接触等优点，成为测角技术的热门研究方向。其中光栅式光学检测法因其结构简单、稳定性高和抗电磁干扰等优点而被广泛应用到角振动测量传感器中。目前，此类器件的主要工作原理基于双层光栅莫尔条纹效应，利用CCD等成像器件和图像处理软件检测双层光栅透过图像，通过分析图像参数推算两层光栅夹角及夹角变化情况。但是，上述方法存在以下问题:1.需要至少两个光栅及CCD阵列等成像设备，器件尺寸大，难以集成；2.通过分析图像进行角度测量，响应速度慢；3.无法实现多维测量。以上问题限制了此类器件进一步向集成化、小型化的发展。

发明内容

针对上述器件尺寸大、响应速度慢、无法实现多维测量的技术问题，本发明提供了一种器件尺寸小、响应速度快、可以实现多维角度测量的基于二维单层光栅结构的多维角振动传感器。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于二维单层光栅结构的多维角振动传感器，包括激光器、扩束器、分光棱镜、二维光栅、限位器、反射镜、透镜和光电探测器，所述激光器、扩束器、分光棱镜、二维光栅和反射镜设置在同一光轴方向上，所述反射镜通过限位器与二维光栅连接，所述反射镜通过限位器限制位置，所述反射镜设置在二维光栅的泰伯距离处，所述反射镜的下表面连接有待测物体表面，所述分光棱镜的一侧依次设置有透镜和光电探测器，所述透镜和光电探测器位于激光器激光出射方向的垂直方向上。

所述限位器包括第一万向节、限位杆、弹簧、滚珠衬套、外壳和第二万向节，所述第一万向节与外壳的顶部铰接，所述外壳内设置有限位杆，所述限位杆上套设有弹簧，所述弹簧与外壳底部之间设置有滚珠衬套，所述限位杆穿过外壳底部与第二万向节连接。

所述第一万向节与二维光栅连接，所述第二万向节与反射镜连接。

所述分光棱镜采用偏振分光片或半透半反镜片。

所述二维光栅在X和Y方向上光栅周期一致。

所述泰伯距离为(1/2N+1/4)Z，所述N＝0,1,2,3…，所述Z为泰伯像在Z轴方向上的变换周期，所述所述d为光栅周期，所述λ为激光器波长。

所述激光器的功率1mW，所述激光器的入射光波长λ与二维光栅的光栅周期d之间满足关系：0.2dλ5d，所述二维光栅的光栅材料为Al，所述二维光栅在入射波长处的透过率不低于50％。

所述二维光栅在入射波长处设置有衬底，所述衬底的材料采用低透过率的半导体或金属，所述衬底的厚度为300nm。