专利名称：一种光栅线位移传感器的制作方法
一种光栅线位移传感器
技术领域：
本发明涉及一种改善光电信号质量的光栅线位移传感器。背景技术：
光栅线位移传感器中，标尺光栅和指示光栅所形成的莫尔条纹图样，被探测器接 收转换成光电信号，从而完成位移量到光电信号的转换。但这仅仅是第一步，为了获得更高 的测量分辨率，还要对所获得的光电信号进行细分。为了获得更高的细分精度，就必须有高 的光电信号质量。现有技术中采用了指示光栅的窗口中分成两个或四个小区间并移相的方法来提 高光电信号的质量。但这种方法过于简单，没有考虑四个窗口之间如何消除附加相位误差， 需要进一步解决。

发明内容为了解决现有技术中光电信号质量较差，易产生高次谐波的问题，本发明有必要 提供一种改善光电信号，抑制对高细分影响较大的谐波的光栅线位移传感器。一种光栅线位移传感器，其包括标尺光栅、沿标尺光栅移动的滑架、设置在滑架上 的光源、指示光栅和探测器，该光源发出的光线依次经过该标尺光栅及该指示光栅，形成特 定的光信号，该探测器捕捉该光信号进行光电转化，从而完成位移量到光电信号的转换，该 指示光栅上设置多个窗口，每一个窗口内均刻划有多条刻线形成的图案，该每一刻线方向 与该测量方向成一不为90°的夹角。相对于现有技术，指示光栅的相应位置的区域内的窗口上的刻线与标尺光栅的刻 线是不平行的，是按一定的要求刻划成一个确定的夹角。从而使两个光栅形成的莫尔条纹 的宽度满足我们的要求，使探测器接收到一个我们为消除不必要的谐波而设计的莫尔条纹 宽度的一部分，如莫尔条纹宽度的1/5，1/4，1/3，1/2，等等。

图1是本发明一种光栅线位移传感器的横截面示意图。图2是图1所示指示光栅的各窗口排列示意图。图3是图2所示各窗口内的刻线的基本单元图样。图4是图2所示各窗口内的刻线的基本单元图样。图5-8是基本单元的多个图样组合形示意图。图9是图5-8所示组合图形的变形示意图。图10是本案第二实施方式的窗口排布示意图。图11是本案第三实施方式的窗口排布示意图。图12是本案第四实施方式的窗口排布示意图。
具体实施方式请参阅图1，图1是本发明第一实施方式光栅线位移传感器的横截面示意图。该光 栅线位移传感器1包括标尺光栅10、沿标尺光栅纵向移动的滑架20、设置在滑架20上的光 源21、透镜22、指示光栅23和探测器对。该标尺光栅10上刻有与测量方向垂直的刻划周 期为b0的刻线101。这些刻线可以是刻划的，也可以是复制的。该指示光栅23上有按一定 规律排列的多个窗口(未标示)，在各个窗口上均刻有刻线(未标示)。该光源21发出的 光线依次经过该透镜22、标尺光栅10及指示光栅23，形成特定的光信号，该探测器M捕捉 该光信号进行光电转化，从而完成位移量到光电信号的转换。请参阅图3和图4，图3和图4是图2所示各窗口内的刻线的第一基本单元图样 109和第二基本单元110。该第一基本单元109该第二基本单元110包括多条相互平行，且 与标尺光栅10上的刻线成一定倾斜角的刻线。其中，刻线周期(光栅栅距)是b，它可以与 标尺光栅10的刻线周期相同，也可以不相同，刻线的数量可按具体的结构尺寸来确定，刻 线的长度是h，刻线方向与测量方向的夹角是α，这个夹角α不等于90°，夹角α的大小 由刻划来实现，不是靠旋转指示光栅得到。其中，b，α及h的关系可以近似的用下式来表 示h = w/k = b/tg(90° _a)/k其中w为莫尔条纹的宽度，k取2，3，4，5，7，等等。当刻线周期b的宽度的选取与标尺光栅10相同时，我们将得到近似沿刻线方向变 化的横向莫尔条纹；当刻线周期b的宽度选取与标尺光栅不相同时，我们将得到斜向变化 的斜向莫尔条纹。斜向莫尔条纹的宽度可以按下式计算w= b *b0 /Vb*b+b0*b0-2bb0cos a。可以计算出，当取k = 4时，即当探测器M对应着莫尔条纹宽度w的1/4时，奇次 谐波已经衰减到1Λ2Π-1)，其中2n-l是奇次谐波的级次。同样可以计算出，当取k = 3时， 即当探测器M对应着莫尔条纹宽度w的1/3时，3次谐波已经衰减到0，其他奇次谐波也得 到很大的衰减。请再参阅图5、图6、图7和图8，在图5和图6里，由图3和图4所提供的第一基本 单元109及第二基本单元110组成了一个半菱形图样111，在图7里，由图5和图6提供的 图样组成了菱形112，在图8里则由图5到图6提供的图样排列成多菱形图样，当然也可以 有更多的基本单元图样109，110排列出更复杂的图样，这样做的目的是进一步降低指示光 栅23移动时附加的垂直于光栅刻划面的微小的转动带来的不利的影响，同时也对其他制 造缺欠起到很好的平均消除作用。采用图5或图6所示的图样，将会大大减少由于莫尔条 纹宽度的变化而带来的不利影响。采用图7和图8的图样，将会带来更好的效果。可以看 到，当一个基本单元图样109或110形成的莫尔条纹宽度变窄的时候，与其对应的另一个基 本单元图样110或109由于其刻线方向与前者相反所形成的莫尔条纹的宽度将会变宽，这 样一来两个相反的变化就互相抵消了。它将降低装配难度，并提高使用的可靠性。请参阅图9，图9是图5-图8所示组合图形的变形示意图。为了进一步消除奇次 谐波，我们可以采用移相的方法，如每一窗口内的图形之间适当的选取不同的相位差就可 以消除不同的不必要的谐波，如图9所示，由如图3和(或)图4所示的第一基本单元109或第二基本单元110组成复杂的图形，同时使这些复杂图形之间具有不同的θ的取值来消 除多个不必要的谐波。如标号111-116所表示的各种图形，均可作为各窗口的刻线的图样。 其中θ值表示两个图形的相位差。可以计算出，当θ =36°、60°时可消除5次谐波、以5为倍数的谐波和3次谐 波、以3为倍数的谐波。为了消除其他谐波，在多个图形之间采用多个不同的θ值，来同时 消除多个谐波。相对于现有技术，本发明指示光栅23的相应位置的区域内的窗口上的刻线与标 尺光栅10的刻线是不平行的，是按一定的要求刻划成一个确定的夹角。从而使两个光栅形 成的横向莫尔条纹的宽度满足我们的要求，使探测器24接收到一个我们为消除不必要的 谐波而设计的莫尔条纹宽度的一部分，如莫尔条纹宽度的1/5，1/4，1/3，等等。本发明不限于上述实施方式，请参阅图10，本发明第二实施方式的窗口设置示意 图。相对于第一实施方式，为了使指示光栅23的调整方便，我们可以在合适的位置刻划出 与测量方向垂直的几个小的附加窗口，这几个小的附加窗口的刻划周期与标尺光栅10是 一样的，利用它来精确的调整各窗口内刻线的正确角度。即当几个小的附加窗口与标尺光 栅10形成光闸条纹时，可以认为指示光栅23上的故意刻出的有一定倾斜角度的刻线与标 尺光栅10刻线的夹角是正确的。如图10所示，其中231和232就是两个附加的小窗口，其 刻线的周期与标尺光栅10是一致的，其刻线的方向是与测量方向垂直的。在实际应用中也 可以采用更多的小附加窗口来使调整更加方便。另外，请参阅图11，是本案第三实施方式的窗口排布示意图。相对于第二实施方 式，我们可以将第一实施方式中的每一窗口分解成几个部分，如131. 1和131. 2，每一个部 分之间具有一定的相位关系θ，这几个部分可以相互靠近，也可以被其他窗口相隔。利用不 同的窗口具有不同的相位差来消除不需要的谐波。另外，请参阅图12，是本案第四实施方式的窗口排布示意图。在本发明第一实施方 式的基础上，采用图12所示的图形，选取进一步加多的窗口和不同的排列顺序来消除相位 误差。同相位的窗口的电信号是并联在一起的。窗口 131、132、133、134之间的相位依次相 差90°，但在指示光栅上却按131、132、134、133的顺序排列。上述设置考虑到实际光源的 光照的不均勻性，我们可以采用更多的指示光栅窗口，安排不同的相位顺序来平均光源光 照的不均勻性带来的相位误差。本发明的最佳实施方案如图10所示，各窗口的刻线周期b = 0.02mm，其中231， 232的刻线与测量方向垂直，其他窗口 131，132，134，133之间的排列如图12所示；窗口 131，132，134，133的窗口内部的刻线图样采用图9中116的形式，取θ =36°用以消除5 次谐波及以5为倍数的谐波；刻线图样采用如图3和图4所示的基本单元图样110 ；基本单 元图样 110 的结构尺寸如下，W=L 5mm, h = w/3 = 0. 5mm, b = 0. 02mm, α = 45. 8'，选 择这样的参数是为了消除3次谐波及以3为倍数的谐波，并使其他谐波也得到很大的衰减。
权利要求
1.一种光栅线位移传感器，其包括标尺光栅、沿标尺光栅移动的滑架、设置在滑架上的 光源、指示光栅和探测器，该光源发出的光线依次经过该标尺光栅及该指示光栅，形成特定 的光信号，该探测器捕捉该光信号进行光电转化，从而完成位移量到光电信号的转换，其特 征在于该指示光栅上设置多个窗口，每一窗口由一个或多个刻线图案组成，每个图案内均 刻划有多条刻线，该每一刻线方向与该测量方向成不为90°的夹角。
2.如权利要求1所述的光栅线位移传感器，其特征在于该任意一窗口的多条刻线由 第一基本单元和第二基本单元中的至少一种组成；该第一基本单元图样和该第二基本单元 图样均包括多条相互平行，且与标尺光栅上的刻线成一定倾斜角的刻线，刻线周期是b，刻 线的长度是h，刻线方向与测量方向的夹角是α，其中，b，h，α量的关系可以近似的用下式 来表示h = w/k = b/tg(90° _a)/k其中w为莫尔条纹的宽度，k取2，3，4，5，7，等等。
3.如权利要求2所述的光栅线位移传感器，其特征在于该刻线周期b与该标尺光栅 栅距相同或者与该标尺光栅栅距不相同。
4.如权利要求3所述的光栅线位移传感器，其特征在于该指示光栅上进一步设置其 刻线方向与测量方向垂直的至少一个附加窗口，该附加窗口的刻划周期与标尺光栅的光栅 周期是一致的。
5.如权利要求4所述的光栅线位移传感器，其特征在于该指示光栅上的每一窗口均 分成分离的多个部分，每一个部分之间具有一定的相位关系，这多个部分在空间上相互靠 近或被其他窗口相隔。
6.如权利要求5所述的光栅线位移传感器，其特征在于该指示光栅上进一步设置多 个窗口，每一窗口均有其对应的相位，同相位的窗口的电信号并联在一起。
7.如权利要求3至6任意一项所述的光栅线位移传感器，其特征在于该每一窗口中 的刻线图样为第一基本单元和(或)第二基本单元的组合，该第一基本单元与第二基本单 元组合成半菱形、全菱形，且该每一单元图样之间具有一特定的相位关系。
全文摘要
本发明涉及一种光栅线位移传感器。一种光栅线位移传感器，其包括标尺光栅、沿标尺光栅移动的滑架、设置在滑架上的光源、指示光栅和探测器，该光源发出的光线依次经过该标尺光栅及该指示光栅，形成特定的光信号，该探测器捕捉该光信号进行光电转化，从而完成位移量到光电信号的转换。该指示光栅上设置多个窗口，每一窗口内均刻划有多条刻线形成的图案，该每一刻线方向与该测量方向成一不为90°的夹角。该光栅线位移传感器能提高光电信号质量。
文档编号G01B11/02GK102095378SQ201010574909
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年8月27日
发明者吴宏圣, 孙强, 孟辉, 张吉鹏, 曾琪峰 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所