具有较高结构热稳定性的二维角度传感器的制作方法

本发明涉及高稳定性的精密测角传感器，更具体地说是一种具有较高结构热稳定性的二维角度传感器。

背景技术：

角度测量是纳米测量领域中不可或缺的一部分。基于自准直原理的二维角度传感器在原子力显微镜，纳米三坐标测量机及其测量探头上应用广泛。由温度变化引起的传感器输出信号漂移是导致角度测量精度不高的主要误差之一。解决热变形所引起的角度测量误差，目前主要有以下三种方法：一是利用热膨胀系数较小的材料制造测量器件，但主种材料造价昂贵，加工难度大；二是控制角度测量时的环境温度，一般来说是利用高精度的恒温控制箱来实现环境温度的稳定，但是利用恒温控制箱大大增加了测量成本，在工业领域中难以实现；三是建立热误差理论数学模型，通过计算的方法补偿误差，由于传感器结构不同，建立理论模型的复杂程度也不同，并且材料的热膨胀系数是一个基于实验数据的近似数值，受多方面因素影响，难以精确。

技术实现要素：

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足，提供一种测量成本低、精度高、长时间使用漂移数值较小的具有较高结构热稳定性的二维角度传感器。

本发明为解决技术问题采用如下技术方案：

本发明具有较高结构热稳定性的二维角度传感器的结构特点是：

在传感器的基板上设置各光学器件，分别是沿X轴向设置的各X轴向器件和沿Y轴向设置的各Y轴向器件；所述X轴向器件是与激光器的光轴同处在X轴向上的偏振分光棱镜、1/4波片和作为被测对象的平面反射镜，所述Y轴向器件是与所述偏振分光棱镜同处在Y轴向上的聚焦透镜和四象限光电探测器；

设置基于自准直光路的测量光路为：由激光器沿X轴向出射的准直光束依次经过偏振分光棱镜和1/4波片后转变成圆偏振光，所述圆偏振光入射在平面反射镜上，平面反射镜中的反射光束经1/4波片后转变为s线偏振光；所述s线偏振光入射经偏振分光棱镜反射后通过设置在Y轴向上的聚焦透镜照射在四象限光电探测器上；根据平面反射镜所发生的偏摆或俯仰的角度变化，照射在四象限光电探测器上的光点位置及四象限光电探测器的输出信号会发生相应的变化，以此获得平面反射镜的角度的变化值；

所述各X轴向器件分别固定设置在各自的X向器件基座中，各X向器件基座利用螺钉独立固定在基板上，所述各X向器件基座在沿X向和Y向上为轴对称结构；

所述各Y轴向器件分别固定设置在各自的Y向器件基座中，各Y向器件基座利用螺钉独立固定在基板上，所述各Y向器件基座在沿Y向上和X向上为轴对称结构。

本发明具有较高结构热稳定性的二维角度传感器的结构特点也在于：设置用于安装偏振分光棱镜的第一基座为中心镂空的立方体结构，包括底板、顶板和连接在底板与顶板之间的四个边柱，偏振分光棱镜置于底板上，并限位于四个边柱，在所述顶板上分布有四个螺孔，利用螺钉通过所述螺孔对所述偏振分光棱镜形成Z向限位，所述底板在沿X向上的两端分别有延伸的耳板，所述耳板由螺钉固定设置在基板上；所述偏振分光棱镜连同第一基座整体结构，以及各螺钉的分布在沿X向上为轴对称结构，且在沿Y向上亦为轴对称结构。

本发明具有较高结构热稳定性的二维角度传感器的结构特点也在于：所述1/4波片安装在第一基座上朝向平面反射镜所在的一侧。

本发明具有较高结构热稳定性的二维角度传感器的结构特点也在于：用于安装平面反射镜的第二基座是由中立板和底部平板构成的倒“T”形座，所述平面反射镜固定设置在其中间立板上朝向偏振分光棱镜的一侧，所述底部平板通过螺钉固定设置在基板上，所述第二基座的整体结构及螺钉的分布在X向和Y向为轴对称结构。

本发明具有较高结构热稳定性的二维角度传感器的结构特点也在于：用于安装平面反射镜的第二基座是由中立板和底部平板构成的倒“T”形座，所述平面反射镜固定设置在其中间立板上朝向偏振分光棱镜的一侧；设置用于调整第二基座的调整机构，所述调整机构具有一固定设置在基板上的外立板，在外立板的内侧弹性连接一内侧立板，在所述内侧立板上固定连接一“L”形承接板，所述第二基座利用螺钉固定设置所述“L”形承接板上；在所述外立板的对角位置上设置两只紧钉螺钉，通过调整两只紧钉螺钉的紧钉程度实现第二基座的偏转角及俯仰角的调整，使被测光束投射在四象限光电探测器的感测区域内；所述第二基座的整体结构及螺钉的分布在X向和Y向为轴对称结构。

本发明具有较高结构热稳定性的二维角度传感器的结构特点也在于：用于安装聚焦透镜的第三基座是由中立框架和一对底部侧耳构成的倒“T”形座，所述聚焦透镜固定设置在中立框架的中心通孔中，在所述中立框架的顶部中心以及两侧边各设置一螺孔，利用螺钉通过所述螺孔对所述聚焦透镜形成限位；所述底部侧耳通过螺钉固定设置在基板上，所述聚焦透镜连同第三基座的整体结构，以及各螺钉的分布在沿X向和Y向上为轴对称结构。

本发明具有较高结构热稳定性的二维角度传感器的结构特点也在于：用于安装四象限光电探测器的第四基座是由直立框架和一对底部耳板构成的倒“T”形座，所述四象限光电探测器固定设置在直立框架的中心通孔中，在所述直立框架的顶部中心以及两侧边各设置一螺孔，利用螺钉通过所述螺孔对所述四象限光电探测器形成限位；所述底部耳板通过螺钉固定设置在基板上，所述四象限光电探测器连同第四基座的整体结构，以及各螺钉的分布在沿X向和Y向上为轴对称结构。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明中各光学器件利用基座独立设置，并将基座设置为沿X和Y方向上的轴对称结构，其相对于非对称结构，由热变形所引起的角度测量误差大大减小，极大地提高了测量系统的热稳定性。

2、本发明相对于采用热膨胀系数小的材料进行制作，其造价低，易于实现。

3、本发明基于自准直光路的测量原理，光路结构精巧简单，测量稳定性好。

附图说明

图1本发明结构示意图；

图2为第一基座的ANSYS热变形仿真结果图；

图3a、图3b和图3c分别为第二基座、第三基座和第四基座的ANSYS热变形仿真结果图；

图4为非对称结构基座的ANSYS热变形仿真结果图；

图5为非对称结构基座的二维角度传感器示意图；

图6为测试的热稳定性曲线。

具体实施方式

参见图1，本实施例中具有较高结构热稳定性的二维角度传感器的结构形式是：

在传感器的基板1上设置各光学器件，分别是沿X轴向设置的各X轴向器件和沿Y轴向设置的各Y轴向器件；X轴向器件是与激光器9的光轴同处在X轴向上的偏振分光棱镜10、1/4波片4和作为被测对象的平面反射镜11，Y轴向器件是与偏振分光棱镜10同处在Y轴向上的聚焦透镜12和四象限光电探测器13。

设置基于自准直光路的测量光路为：由激光器9沿X轴向出射的准直光束依次经过偏振分光棱镜10和1/4波片4后转变成圆偏振光，圆偏振光入射在平面反射镜11上，平面反射镜11中的反射光束经1/4波片4后转变为s线偏振光；s线偏振光入射经偏振分光棱镜10反射后通过设置在Y轴向上的聚焦透镜12照射在四象限光电探测器13上；根据平面反射镜11所发生的偏摆或俯仰的角度变化，照射在四象限光电探测器13上的光点位置及四象限光电探测器13的输出信号会发生相应的变化，以此获得平面反射镜11的角度的变化值。

本实施例中各X轴向器件分别固定设置在各自的X向器件基座中，各X向器件基座利用螺钉独立固定在基板1上，各X向器件基座在沿X向和Y向上为轴对称结构；各Y轴向器件分别固定设置在各自的Y向器件基座中，各Y向器件基座利用螺钉独立固定在基板1上，各Y向器件基座在沿X向和Y向上为轴对称结构。

如图1所示，具体实施中，相应的结构形式是：

设置用于安装偏振分光棱镜10的第一基座3为中心镂空的立方体结构，包括底板、顶板和连接在底板与顶板之间的四个边柱，偏振分光棱镜10置于底板上，并限位于四个边柱，在顶板上分布有四个螺孔，利用螺钉通过螺孔对偏振分光棱镜10形成Z向限位，底板在沿X向上的两端分别有延伸的耳板，耳板由螺钉固定设置在基板1上；偏振分光棱镜10连同第一基座3整体结构，以及各螺钉的分布在沿X向上为轴对称结构，且在沿Y向上亦为轴对称结构；图1所示的1/4波片4安装在第一基座3上朝向平面反射镜11所在的一侧。

在第一基座3整体结构发生热变型时，底板受到螺钉的位移约束，四个边柱位置所受到的热应力分布均匀；如图2所示，当环境温度由24℃下降到19℃时，底板存在位移约束的情况下，结构在X轴向和Y轴向上的热变形分布均匀，由热变形引起的结构变化不会导致偏振分光棱镜10发生X轴向和Y轴向的侧向位移，偏振分光棱镜10的位置不变，光路不发生偏转，热稳定性好。

图1所示，用于安装平面反射镜11的第二基座5是由中立板和底部平板构成的倒“T”形座，平面反射镜11固定设置在其中间立板上朝向偏振分光棱镜10的一侧，底部平板可以通过螺钉直接固定设置在基板1上，或是如图1所示，设置用于调整第二基座5的调整机构6，调整机构6具有一固定设置在基板1上的外立板，在外立板的内侧弹性连接一内侧立板，在内侧立板上固定连接一“L”形承接板，第二基座5利用螺钉固定设置“L”形承接板上；在外立板的对角位置上设置两只紧钉螺钉，通过调整两只紧钉螺钉的紧钉程度实现第二基座5的偏转角及俯仰角的调整，使被测光束投射在四象限光电探测器13的感测区域内。在实际应用中，也可以保持平面反射镜11不动，将激光器9固定设置在激光器基座2，通过调整激光器基座2进而调整激光器9的二维姿态，使被测光束投射在四象限光电探测器13的感测区域内；第二基座5的整体结构及螺钉的分布在X向和Y向为轴对称结构。

图1所示，用于安装聚焦透镜12的第三基座7是由中立框架和一对底部侧耳构成的倒“T”形座，聚焦透镜12固定设置在中立框架的中心通孔中，在中立框架的顶部中心以及两侧边各设置一螺孔，利用螺钉通过所螺孔对聚焦透镜12形成限位；底部侧耳通过螺钉固定设置在基板1上，聚焦透镜12连同第三基座7的整体结构，以及各螺钉的分布在沿X向和Y向上为轴对称结构。

图1所示，用于安装四象限光电探测器13的第四基座8是由直立框架和一对底部耳板构成的倒“T”形座，四象限光电探测器13固定设置在直立框架的中心通孔中，在直立框架的顶部中心以及两侧边各设置一螺孔，利用螺钉通过所螺孔对四象限光电探测器13形成限位；底部耳板通过螺钉固定设置在基板1上，四象限光电探测器13连同第四基座8的整体结构，以及各螺钉的分布在沿Y向和X向上为轴对称结构。

对于第二基座5、第三基座7和第四基座8，当器件整体发生热变型时，由于采用“T”型对称结构，基座整体的热变形在水平方向均匀，不发生X轴或Y轴的偏摆角度变化。当环境温度由24℃下降到19℃时，底面存在位移约束的情况下，“T”型结构的ANSYS整体热变形仿真趋势分别如图3a、图3b和图3c所示。“T”型结构在热变形的过程中，X、Y方向的热变形分布均匀，产生的偏摆变形量甚微，对角度测量的光路影响小。

图4所示为非对称结构的ANSYS热变形仿真结果图，同样是底面存在固定约束的条件，形成了X方向偏摆位移，导致角度的测量值偏大。

为测试本发明中二维传感器的热稳定性，搭建图5所示的非对称结构基座的二维角度传感器，是将图1所示的本发明传感器中的第三基座7和第四基座8分别设置为“L”型基座，同时，第三基座和第四基座之间的底板相对且相连接，其它结构均与本发明相同，将图5所示传感器与图1所示本发明传感器放置在同一高精密恒温控制箱内，恒温控制箱在稳态时的温度波动范围小于0.03℃，优于ISO标准25-1982规范的一级恒温箱规范(0.1℃)，控制所述恒温控制箱内的温度由24℃稳态下降到19℃稳态。

实验时，先将两个传感器中四象限光电探测器的输出信号调整在线性范围之内，在保持输出信号稳定之后，随着恒温箱内温度的变化，每10s记录一次传感器中四象限光电探测器上的输出信号，记录持续时间为恒温箱内温度从24℃下降到19℃时所需时间。测量稳定性结果图6所示，其中u_Yaw1和u_Pitch1为非对称结构的二位角度传感器所测量偏摆与俯仰的输出电压漂移值，u_Yaw2和u_Pitch2为对称结构的二位角度传感器所测量偏摆与俯仰的角度输出电压漂移值。图6中可见，两个二维角度传感器的输出端电压随着温度变化呈非线性的递减趋势，不同之处在于，对称结构的二维角度传感器输出更加稳定，相对于非对称结构的角度传感器漂移值更小。

表1为连续10次热稳定性对比实验的测量角度漂移值。

表1

从表1中看出，相对于非对称结构来说，对称结构的二维角度传感器的平均角度漂移值从0.430 arcsec/℃下降到了0.120 arcsec/℃，该输出值经过输出电压与对应测量角度的标定,这一实验结果对于微纳米角度测量来说具有足够的稳定性。