[发明专利]密封式光栅线位移传感器

说明书

本发明涉及一种长度测量的光栅线位移传感器。尤其是一种适合非平行光照的用于机床制造和几何长度测量的数字显示和数字控制的密封式光栅线位移传感器。它是属于线性长度计测技术领域。

现有的密封式光栅线位移传感器，其测量原理是：由发光管发出的光通过标尺光栅，当指示光栅平移时，产生与线位移量相对应的莫尔条纹光信号，由光电接收器件将光信号转换成与其相应的电信号，再把电信号输入至光栅数显表，经过电路处理后，将线位移量准确地用数字显示出来，这就是通常的莫尔条纹的测量原理，对此可参见《传感器敏感元器件大全》一书，第七章中的长光栅数显仪，以及《SX-5，SX-6系列长光栅数字显示系统使用说明书》中所涉及的光栅线位移传感器。但是，现有的光栅线位移传感器存在下述的缺点：

1．传感器中的读数头均采用单头读数的光栅读数头，其缺点是，通常传感器部采用非平行光照射，依据Gwild条纹方程推出的莫尔条纹的测量误差方程，即莫尔条纹的附加位移误差：

Δy = Φ · X s θ · ω · Δt ]]>

式中，Φ为光源的发散角；        Xs为莫尔条纹视场中参考点到视场中心的距离；        θ为两光栅付栅线的交叉角；        ω为栅距；        △t为光栅付之间的间隙量的变化量。

从上式中可见，设计这种传感器时，光栅付的线纹需采用较粗的，即，尽可能使栅距ω增大，并且莫尔条纹取信号的视场需要采用较小的，即，尽可能使莫尔条纹视场中参考点到视场中心的距离Xs减小，由此才能有效地减小测量误差。但是，依据莫尔条纹的平差表达式：

δ X ‾ = δ n ]]>

式中，δ_X为莫尔条纹位置的标准差；        δ为单根栅线位置的标准差；         n为参与形成莫尔条纹的栅线数。

由此可见，当栅距ω增大，以及视场中参考点到视场中心距减小时，参与形成莫尔条纹的栅线数n就要大量地减小，而δ是保持不变的固定量。所以，栅线数n减小，就使δ_X增大，即，莫尔条纹的平差作用减小，也就是说，莫尔条纹用以消除测量基准的短周期，中周期和局部误差的功能被明显地减弱。

平差作用的减小将会影响获得高质量的莫尔条纹信号，即对信号的正弦性、对比度、正交性、等幅性、直流电平的漂移等误差不能得到很好的控制，这将影响传感器测量精度的提高，电子细分的使用以及测量分辨率的提高。

而现有的光栅读数头的平差作用受到显著的减弱，又没有二次补偿的功能，所以限制了传感器精度和测量分辨率的提高。

2．现有传感器中的光栅付的栅线线条的材质均采用单一膜层。其缺点是，反射率高，这使膜层的挡光性能差。这将造成莫尔条纹的基波辐射不理想，信号的高次谐波含量增多，影响到莫尔条纹信号的对比度和信号正弦性的提高。

3．现有传感器中采用的是光闸式条纹，这就需要光栅付的两栅线互相平行。可是，现有的光栅读数头的移动方式均采用单一式的滚动摩擦组件，或采用单一式的滑动摩擦组件。前者难于装调。而且由长金属丝制成的独立导轨其直线性和几何尺寸均难以保证精度要求，致使两栅线的平行性变差。后者是靠标尺光栅的尺背方向导向，摩擦面易摩损，也将引起两栅线的平行性变差，从而增大了传感器的测量误差。