专利名称：一种激光相位光栅干涉位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于位移传感器技术，具体涉及一种激光相位光栅干涉位移传 感器。
背景技术：
随着表面轮廓测量技术的迅速发展，为满足日益提高的表面轮廓测量 的要求，研制大量程、高精度、低成本位移传感器的问题变得至关重要。 表面轮廓测量一般使用电感式位移传感器，存在测量范围小、造价高、精 度低的问题。目前已有的大量程轮廓测量位移传感器主要有两种 一是利 用激光干涉原理的轮廓测量位移传感器([l]肖虹，王选择，谢铁邦.滚动轴
承曲面轮廓形貌测量仪.轴承，6， 2004， p.30~33)，与光栅干涉相比，激光 干涉测量精度受空气成份、压强、湿度的影响，环境的变化对激光干涉轮 廓测量位移传感器的测量精度影响较大，使用时必须对空间位置及工件的 温度进行实时测量及补偿，其测量精度取决于稳频的精度和环境条件及各 种环境测量传感器的数量和精度。二是用柱面光栅干涉的轮廓测量位移传 感器([2]蒋向前，李柱，谢铁邦.全息光栅干涉法测量曲面形貌理论研究.华 中理工大学学报，22(2)， 1994， p.60~64)，该传感器中使用的是柱面光栅， 柱面光栅加工困难，安装定位难度大。
在对比文献中，文献[l]基于激光干涉原理测量轮廓形貌，工作范围 士3mm，分辨率10nm，但是该系统较结构复杂，成本比本装置贵，并且激光 干涉测量精度受到空气温度、压力及相对湿度的变化等环境变化影响大。 文献[2]柱面光栅干涉传感器，理论测量范围6mm，分辨率能达到lnm。但 是柱面光栅加工要严格保证柱面的曲率半径和表面质量，使传感器造价高。 另外柱面光栅轮廓测量位移传感器安装困难，对轴承要求高，安装制造稍 有偏差，将使光栅无法干涉，光电管接受不到有效的信号，导致无法测量。
并且其测量的线性差，测量范围和测量精度都远未达到理论分析值，实际
测量范围为lmm，测量精度为10nm。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光相位光栅干涉位移传感器，该位移传 感器具有结构简单、测量范围大、测量精度高和成本低的特点。
本发明提供的激光相位光栅干涉位移传感器，其特征在于该传感器 包括半导体激光器、平行弹簧、透射光栅、+1级平面反射镜、挡板、-1级 平面反射镜、分光棱镜、干涉光平面反射镜、扩束透镜、光电接收器和信 号处理电路；
平行弹簧包括前支架，第一至第四簧片，第一、第二加强板，后支架； 第一、第二加强板位于前支架与后支架之间，第一加强板与前支架、后支 架之间分别夹持有第一、第二簧片，第二加强板与前支架、后支架之间分 别夹持有第三、第四簧片，平行弹簧的上、下两部分对称；
平行弹簧固定在底板上，半导体激光器固定在平行弹簧的前支架上， 透射光栅安装在平行弹簧的后支架上，复位弹簧一端安装在底板上，另一 端安装在后支架上端部；
连杆安装在后支架下端部，触球安装在连杆上，轴承支架位于前支架 下方，测杆由轴承安装在轴承支架上，测杆的前端安装有探针，后端与触 球接触；
半导体激光器、透射光栅、挡板和分光棱镜依次位于同一光路上，+1 级平面反射镜和-1级平面反射镜对称位于半导体激光器的发射方向的两 侧；干涉光平面反射镜位于分光棱镜的反射光路上，扩束透镜的轴线通过 干涉光平面反射镜中心；光电接收器位于扩束透镜的轴线上，光电接收器 与信号处理电路相连。
本发明的位移传感器装置采用一个透射型相位光栅作为计量标准器， 激光束投射到光栅平面上，通过光栅的衍射形成+1、 -l级光线，+1级光线
通过平面反射镜反射、分光棱镜反射，-1级光线通过平面反射镜反射、分 光棱镜透射，经分光棱镜反射的+1级光线与经分光棱镜透射的-1级光线干 涉产生干涉条纹。与柱面光栅相比，本发明中使用的直线型相位光栅加工 制造安装容易，使传感器结构简单，成本低，测量线性好。与激光干涉测 量相比，本发明中使用的直线型相位光栅测量精度不受空气成份、压强、
湿度的影响；允许在环境温度变化较大的情况下使用，其测量精度取决于 光栅本身的精度，测量重复性取决于光栅尺的热传导性。本发明所涉及到 的材料、零件价格低廉，所涉及到的光路结构简单，易调整，容易实现。 本发明测量位移传感器具有测量范围大、测量精度高、结构简单、成本低 和无装配误差的特点。该传感器可用于测量工件的轮廓尺寸、表面形状误 差、表面波度及表面粗糙度，该传感器测量范围为0 3mm、分辨率可达 6nmQ
图1为本发明位移传感器的结构示意图2为平行弹簧的结构示意图3为传感器测量原理图。
具体实施例方式
下面结合附图和实例对本发明作进一步详细的说明。 如图1所示，本发明位移传感器包括探针1、测杆2、轴承支架3、轴 承4、触球5、连杆6、 +1级平面反射镜7、挡板8、分光棱镜9、信号处理 电路10、光电接收器11、扩束透镜12、干涉光平面反射镜13、 -1级平面 反射镜14、透射光栅15、复位弹簧16、平行弹簧17、底板18和半导体激 光器19。
平行弹簧17用于安装透射光栅15和半导体激光器19，如图2所示，平行 弹簧由前支架28、簧片21、 23、 25、 27，第一、第二加强板22、 26，后支 架24构成。第一、第二加强板22、 26位于前支架28与后支架24之间，第一 加强板22与前支架、后支架28、 24之间分别夹持有簧片21、 23，第二加强
板26与前支架、后支架28、 24之间分别夹持有簧片25、 27。平行弹簧17的 上、下两部分对称，保证弹簧的平行性且无偏转。平行弹簧保证了透射光 栅15的平行移动，使光电接收器能接受到高质量的干涉条纹。
平行弹簧17固定在底板18上，半导体激光器19固定在平行弹簧17 的前支架28上。透射光栅15安装在平行弹簧17的后支架24上，连杆6 安装在后支架24下端部，触球5安装在连杆6上，复位弹簧16—端安装 在底板18上，另一端安装在后支架24上端部。探针1安装在测杆2前端， 测杆2由轴承4安装在轴承支架3上，测杆2的另一端与触球5接触，轴 承支架3位于前支架28下方。+1级平面反射镜7和-1级平面反射镜14安 装在底板18上，并对称于半导体激光器19的发射方向；半导体激光器19、 透射光栅15、挡板8和分光棱镜9依次位于同一光路上，挡板8和分光棱 镜9安装在底板上。干涉光平面反射镜13安装在底板18上；扩束透镜12 安装在底板18上，其轴线通过干涉光平面反射镜13中心。光电接收器11 位于扩束透镜12的轴线上，安装在底板18上。光电接收器ll与信号处理 电路10相连。
本发明具有以下优化设计参数
(1) +1级和-1级平面反射镜中心之间的距离为40 46mm，两中心连 线与透射光栅15之间的距离为23 28mm， +1级平面反射镜与水平方向角 度为1 3.5°， -1级平面反射镜与水平方向角度为1 -3.5°。
(2) 分光棱镜9的中心与+1级平面反射镜的中心之间的距离为45 49mm5
(3) 干涉光平面反射镜13与水平方向角度为20 25°，且其中心与分 光棱镜9的中心连线与水平方向夹角为40 50°;
(4) 光电接收器ll采用田字型对称式四象限排列方式。 为了提高干涉条纹的接收信噪比，光电接收器11采用田字型对称式四
象限排列方式。这种排列所获取的相差信号允许条纹的形状与宽度在一定 范围内发生变化，光电管对称性好，参数一致，获取干涉条纹信号集中， 因而能极大地抑制直流信号，获取高信噪比的光电差分信号。
如图3所示，传感器检测原理是半导体激光器19发出的光束透射到透
射光栅15，形成0级、+1级、-l级三束衍射光。0级衍射光被挡板8挡住;+1 级衍射光被+l级平面反射镜7反射，并进入分光棱镜9; -l级衍射光被-l级平 面反射镜14反射，也进入分光棱镜9。 -1级衍射光在分光棱镜9中的反射光和 +1级衍射光在分光棱镜9中的透射光形成干涉，干涉条纹被干涉光平面反射 镜13改变方向后进入扩束透镜12，经过扩束后的干涉条纹进入光电接收器 11，光电接收器ll的输出信号输出给信号处理电路lO。
在测量过程中，当传感器探针1划过工件20表面时，由于工件表面不 平，探针上下移动，测杆2绕轴承4转动，通过触球5和连杆6驱动平行 弹簧后支架24同时带动透射光栅15上下移动，从而被测表面轮廓的变化 转换为位移信号驱动透射光栅15的上下移动。干涉条纹跟随移动，条纹变 化量由光电接收器11测出。该信号经过信号处理电路10去直流，差分放 大和细分、辨向后送给后续处理电路和计算机分析处理。
权利要求
1、一种激光相位光栅干涉位移传感器，其特征在于该传感器包括半导体激光器(19)、平行弹簧(17)、透射光栅(15)、+1级平面反射镜(7)、挡板(8)、-1级平面反射镜(14)、分光棱镜(9)、干涉光平面反射镜(13)、扩束透镜(12)、光电接收器(11)和信号处理电路(10)；平行弹簧包括前支架(28)，第一至第四簧片(21、23、25、27)，第一、第二加强板(22、26)，后支架(24)；第一、第二加强板(22、26)位于前支架(28)与后支架(24)之间，第一加强板(22)与前支架、后支架(28、24)之间分别夹持有簧片(21、23)，第二加强板(26)与前支架、后支架(28、24)之间分别夹持有簧片(25、27)，平行弹簧(17)的上、下两部分对称；平行弹簧(17)固定在底板(18)上，半导体激光器(19)固定在平行弹簧(17)的前支架(28)上，透射光栅(15)安装在平行弹簧(17)的后支架(24)上，复位弹簧(16)一端安装在底板(18)上，另一端安装在后支架(24)上端部；连杆(6)安装在后支架(24)下端部，触球(5)安装在连杆(6)上，轴承支架(3)位于前支架(28)下方，测杆(2)由轴承(4)安装在轴承支架(3)上，测杆(2)的前端安装有探针(1)，后端与触球(5)接触；半导体激光器(19)、透射光栅(15)、挡板(8)和分光棱镜(9)依次位于同一光路上，+1级平面反射镜(7)和-1级平面反射镜(14)对称位于半导体激光器(19)的发射方向的两侧；干涉光平面反射镜(13)位于分光棱镜(9)的反射光路上，扩束透镜(12)的轴线通过干涉光平面反射镜(13)中心；光电接收器(11)位于扩束透镜(12)的轴线上，光电接收器(11)与信号处理电路(10)相连。
2、根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于+1级平面反射镜 (7)和-1级平面反射镜(14)对称位于半导体激光器(19)的发射方向，其中+1 级和-1级平面反射镜中心之间的距离为40 46mm，两中心连线与透射光栅 (15)之间的距离为23 28mm， +1级平面反射镜与水平方向角度为1 3.5°， -1级平面反射镜与水平方向角度为-1 -3.5°;分光棱镜(9)的中心与+l级平 面反射镜的中心之间的距离为45 49mm;干涉光平面反射镜(13)与水平方 向角度为20 25°，且其中心与分光棱镜(9)的中心连线与水平方向夹角为 40 50°。
3、根据权利要求1或2所述的位移传感器，其特征在于光电接收器(11)采用田字形排列方式。
全文摘要
一种激光相位光栅干涉位移传感器，包括半导体激光器、平行弹簧、透射光栅、±1级平面反射镜、分光棱镜、干涉光平面反射镜、扩束透镜、光电接收器和信号处理电路。激光器和透射光栅分别固定于平行弹簧的前、后支架；连杆与平行弹簧的后支架下端部连接，并通过触球与测杆相连，测杆安装在轴承上，探针固定在测杆的另一端；激光器发出的光束依次经过透射光栅、平面反射镜、分光棱镜产生干涉条纹，干涉条纹经透镜扩束后由光电接收器接收，并将光信号转化为电信号，再传送给信号处理电路处理后输出。本发明具有测量范围大、测量精度高、结构简单、成本低的特点。该传感器可用于测量工件的表面轮廓和表面粗糙度，测量范围为0～3mm、分辨率可达6nm。
文档编号G01D5/26GK101183017SQ20071016867
公开日2008年5月21日 申请日期2007年12月7日 优先权日2007年12月7日
发明者常素萍, 王淑珍, 王生怀, 谢铁邦 申请人:华中科技大学