专利名称：光学伺服比较式大量程绝对位置传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及以光学方法为特征的计量设备，是一种光学伺服比较式大量程绝对位置传感器系统。
背景技术：
在背景技术领域中，直线位移或角位移是一个基本的物理量，位移传感器在科学研究和工业应用中量大而面广。现有位移传感器中应用较多的是电位器式位移传感器和光电编码器。电位器式位移传感器结构简单，价格低廉，但它属于典型的接触式传感器，寿命、精度、可靠性都偏低。偏振光位移传感器可以有与电位器式位移传感器相似的结构，而它的传感部分则具有非接触的优点。光电编码器式位移传感器可以直接测量角位移并通过机械转换装置测量直线位移，但它的制造工艺要求和价格都比较高。偏振光位移传感器也可与光电编码器有相同或相似的外部变换结构，但它的传感部分制造工艺简单，成本较低。
偏振光位移传感器要解决的基本问题之一是其固有的非线性，它是由光学上的马吕斯定律引入的。现有的技术方案是在机械部分进行预校正或在电路部分进行线性化处理。预校正的方法造成机械结构复杂，校正的效果依赖于加工精度。而对测量数据进行线性化处理需要A/D、单片机等装置，使电路复杂化。偏振光位移传感器要解决的基本问题之二是光源光强的漂移问题。现有的光反馈、温度补偿方法效果都有限。而如何实现大量程测量是偏振光位移传感器要解决的第三个问题。现有的技术方案是利用偏振光检测的周期性，这需要对光电信号进行连续化处理，也增加了系统的复杂性和成本。最后，绝对位置检测是各种位移传感器面临的技术难点，尤其是在大量程测量的场合，往往要增加许多的技术难度和成本，例如绝对位置式光电编码器就比增量式光电编码器的价格高出许多，如何实现大量程绝对式偏振光位移传感器也是有待解决的一个重要问题。

发明内容
本发明的目的是提供一种光学伺服比较式大量程绝对位置传感器系统，以偏振光光强信号过“零”检测和步进电机伺服比较方法为基础的差动式大量程绝对位置传感器系统，通过被测位移引起的角度变化和步进电机在光电信号控制下的角度伺服跟踪，完成(被测输入量)机械位移至电机控制脉冲(测量输出量)之间的转换，并将工作点始终维持在线性度比较好的选定点，从测量方法上消除系统的非线性误差，提高测量准确度；用一种正交差动偏振检测结构从原理上排除光源光强漂移的影响；用伺服跟踪方式实现大量程的位移测量；用一种多光路结构及相应的检测方法实现大量程条件下的绝对位置测量，弥补背景技术中存在的不足。
为达到上述目的，本发明采用的原理是首先，将被测量的直线位移X通过机械结构(线性地)转换为角位移θ1与θ2，角位移θ1与θ2则分别在一个同光源双光路正交差动比较式偏振光检测系统中构成了偏振光之起偏器与检偏器透光轴间的夹角，根据马吕斯定律，在检偏系统中θ1与透过检偏器的光强J1之间具有确定的关系，即J1＝J0COS2θ1(1)其中J0为光源光强，当另一路光的检偏系统共用同一光源并且光路对称时，同理有J2＝J0COS2θ2(2)为得到最好的线性度，将θ1预置为45°，θ2预置为135°，二者是正交的(相差90°)，此时有J1＝J2，则当被测直线位移X连续运行使两起偏器(检偏器)同时产生一个角位移θ时，一般有J1≠J2，利用ΔJ＝J1-J2及其光电转换信号控制步进电机使两检偏器(或起偏器)也跟踪(伺服)转过一个角度θ′，可以得到此时J1和J2的表达式J1＝J0COS2(45°+θ-θ′)(3)J2＝J0COS2(135°+θ-θ′) (4)当θ＝θ′时，有J1＝J2，反之也成立。即当两路光电信号之差为零时，表明伺服电机驱动下旋转的角度与输入位移造成的旋转角是相等的，在不失步的条件下，步进(伺服)电机的控制脉冲数成为被测位移的一个准确度量，并且可以对应很大的位移量程。而在同光源双光路正交差动比较结构中，当光强漂移时，预置工作点(两路光电信号相等的点)的纵坐标(光强或其光电转换信号)改变，但其横坐标(角位移)仍维持不变，即系统具有抗光源光强漂移的能力。为保证两检偏器是正交的，本发明采用由两片透光轴互成90°的偏振片合成的双偏振器。
其次，为获得大量程条件下测量绝对位置的功能，系统中还安排有一种对称多光路偏振光检测结构，并配以恰当的检测方法和检测电路。
本发明采用的技术方案是包括1)第一套偏振光检测系统从左到右依次装有发光元件，在第一圆轮上同轴安装起偏器，在第二圆轮上同轴安装正交内外环双检偏器，正交内外环双检偏器的另一侧装有两个光电检测元件，两个光电检测元件的输出端分别连接到比较放大器的两输入端，比较放大器的输出端连接到信号处理与控制装置的一输入端，信号处理与控制装置的输出端连接到电机驱动器的输入端，电机驱动器的输出端接步进电机，步进电机驱动第二圆轮带动正交内外环双检偏器转动；2)第二套偏振光检测系统从左到右依次装有另一发光元件，在第三圆轮上同轴安装另一起偏器，在第四圆轮上同轴安装对称分布的多检偏器，多检偏器的另一侧装有相应的光电检测元件；相应的多个光电检测元件的输出端分别接到另一比较放大器的相应输入端，另一比较放大器的输出端接到信号处理与控制装置的另一输入端；3)第一圆轮与第三圆轮的外圆啮合或摩擦耦合，使另一起偏器旋转后和多检偏器间产生一个正比于被测位移的转角。
被测量位移引起机械转换结构中的第一圆轮转动，带动第一套偏振光检测系统中的起偏器转过一个角度，发光元件发出的光束分别通过起偏器和双检偏器到达两个光电检偏元件，两光电检偏元件的输出端分别连接到比较放大器的两输入端，比较放大器的输出端连接到信号处理与控制装置，信号处理与控制装置的输出连接到电机驱动器的输入端，电机驱动器的输出端接步进电机，步进电机驱动圆轮，使双检偏器转过与起偏器相同的角度；信号处理与控制装置同时提供位移测量系统的检测与显示输出信号。在用于提供绝对位置信息的第二套检偏系统中，第三圆轮与第一检偏系统中的第一圆轮啮合或摩擦耦合，使第二起偏器旋转后和多检偏器间得到一个正比于被测位移的转角，四个光电检测元件检测到该转角按马吕斯定律引起的光强变化信号后，输出到信号处理与控制装置，使系统具有绝对位置检测能力。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是1.传感部分为非接触的偏振光检测，运行可靠，使用寿命长；2.伺服比较原理将工作点固定在线性度比较好的点，解决了光学系统固有的非线性问题；3.同光源双光路正交差动比较结构解决了光源光强漂移问题；4.具有在大量程、掉电、任意移动条件下测量绝对位移的功能；
5.伺服比较式位移传感器为光、机、电一体化结构，各部分相对简单，性能价格比高。


图1是本发明的大量程绝对位置光学位移传感器的光路结构示意图；图2是本发明的正交差动伺服比较系统结构图；图3是本发明的正交差动比较结构抗光强漂移原理示意图；图4是本发明的绝对位置测量方法原理图。
具体实施例方式
如图1所示，本发明包括1)第一套偏振光检测系统从左到右依次装有发光元件1，在第一圆轮2上同轴安装起偏器3，在第二圆轮5上同轴安装正交内外环(圆)双检偏器4，正交内外环(圆)双检偏器4的另一侧装有两个光电检测元件6、7，两个光电检测元件6、7的输出端分别连接到比较放大器8的两输入端，比较放大器8的输出端连接到信号处理与控制装置9的一输入端，信号处理与控制装置9的输出端连接到电机驱动器10的输入端，电机驱动器10的输出端接步进电机11，步进电机11驱动第二圆轮5带动正交内外环双检偏器4转动；2)第二套偏振光检测系统从左到右依次装有另一发光元件12，在第三圆轮14上同轴安装另一起偏器13，在第四圆轮16上同轴安装对称分布的多检偏器15，多检偏器15的另一侧装有相应的光电检测元件；相应的多个光电检测元件的输出端分别接到另一比较放大器21的相应输入端，另一比较放大器21的输出端接到信号处理与控制装置9的另一输入端；3)第一圆轮2与第三圆轮14的外圆啮合或摩擦耦合，使另一起偏器13旋转后和多检偏器15间产生一个正比于被测位移的转角。
所说的第四圆轮16上装有4个检偏器15，分别对应为光电检测元件17、1819、20。
如图1及图2所示，被测直线位移经机械转换使圆轮2旋转，起偏器3产生角位移θ，信号处理与控制装置9通过驱动器10驱动步进电机11作伺服随动，使圆轮5及其上的同心圆正交双检偏器4也旋转过相同的角度θ′，同时根据步进电机的控制脉冲数提供被测位移的数值。具体工作过程可进一步描述如下发光元件1发出的一部分光束分别通过起偏器3、同心圆正交双检偏器4的外环部分为光电检测元件7所接收；发光元件1发出的另一部分光束分别通过起偏器3、同心圆正交双检偏器4的内圆部分为光电检测元件6所接收；通常使光电检测元件6、7在初始工作点(位移起点)接收的光强相等，而检偏器4外环部分的透光轴与内圆部分的透光轴是正交的。
如图2所示，光电检测元件6、7输出的电信号连接至比较放大器8，它可由通常的模拟运算放大器电路构成。比较放大器8输出的光电差动信号连接至信号处理与控制装置9，它可用常规的数字、模拟电路或单片机等实现。信号处理与控制装置9根据差动信号的方向、大小控制驱动器10和步进电机11使θ′不断跟随θ，直至二者相等。
如图3所示，本发明的正交差动比较结构具有抗光强漂移的能力。由(1)～(4)式可知，当光强未发生漂移时，上述正交差动比较伺服控制的结果使2条马吕斯曲线上的工作点维持在其交点(A点)；当光强发生漂移时，工作点将移至B点，但B点的横坐标(对应位移)仍与A点相同，这意味着光强漂移对位移测量的结果没有影响。
如图1所示，本发明的正交双检偏器由外环和内环(圆)两部分组成，二者的透光轴是正交(互成90°)的。正交双检偏器也可用其他形状的偏振片构成。
如图1所示，本发明的正交差动光路及其安装结构可实现发光、光电检测元件的固定化，即它们不随起偏器3和检偏器4转动，避免了类似电刷装置的使用，从而使电路可靠连接。在图1中，发光元件1和光电检测元件6、7被固定在结构件如遮光罩上，与运动部分没有直接联系，而两个光电检测元件关于发光元件和检偏器内外环(圆)的分界线是对称布置的。
如图1所示，第三圆轮14与第一圆轮2啮合或摩擦耦合，使起偏器13旋转后和多检偏器15间产生一个正比于被测位移的转角。第三圆轮14(或与其同轴的另一圆轮)与第一圆轮2(或与其同轴的另一圆轮)的半径之比为一整数，例如为16∶1，多检偏器15中的各检偏器与起偏器13之间的透光轴预置夹角依次变化一个确定的角度(图4中为45°)，则根据马吕斯定律可得光电检测元件17、18、19、20的输出信号如图4所示。设光电检测元件17、18输出信号的第一个交点为被测位移的起点，则圆轮2每转一圈(360°)，圆轮14转过22.5°，这个点也是光电元件17～20中某两个光电输出信号的交(相等)点，而信号处理与控制装置9根据四路光电信号间的大小(极性)比较(参见表1)，可以唯一地确定圆轮14旋转的圈数，使系统具有绝对位置检测包括掉电和掉电后任意移动后绝对位置检测的能力。例如，在上述圆轮14与圆轮2的半径之比为16∶1的条件下，圆轮14每转过22.5°，圆轮2将旋转一圈，即在圆轮14的180°可区别范围内圆轮2共旋转8圈，可以对应很大的量程。在圆轮14旋转的第1圈里四路光电信号的相互关系满足V1≥V2≥V4≥V3，其中曲线A对应着V1，曲线B对应着V2，曲线C对应着V3，曲线D对应着V4，其他各段光电信号之间的关系如表1所示，第9圈将重复第1圈的关系。
由于仍通过两路信号的比较确定旋转的圈数，提供绝对位置信息的第二套检偏系统同样具有抗光强漂移的能力。

表权利要求
1.光学伺服比较式大量程绝对位置传感器系统，其特征在于包括1)第一套偏振光检测系统从左到右依次装有发光元件(1)，在第一圆轮(2)上同轴安装起偏器(3)，在第二圆轮(5)上同轴安装正交内外环双检偏器(4)，正交内外环双检偏器(4)的另一侧装有两个光电检测元件(6、7)，两个光电检测元件(6、7)的输出端分别连接到比较放大器(8)的两输入端，比较放大器(8)的输出端连接到信号处理与控制装置(9)的一输入端，信号处理与控制装置(9)的输出端连接到电机驱动器(10)的输入端，电机驱动器(10)的输出端接步进电机(11)，步进电机(11)驱动第二圆轮(5)带动正交内外环双检偏器(4)转动；2)第二套偏振光检测系统从左到右依次装有另一发光元件(12)，在第三圆轮(14)上同轴安装另一起偏器(13)，在第四圆轮(16)上同轴安装对称分布的多检偏器(15)，多检偏器(15)的另一侧装有相应的光电检测元件；相应的多个光电检测元件的输出端分别接到另一比较放大器(21)的相应输入端，另一比较放大器(21)的输出端接到信号处理与控制装置(9)的另一输入端；3)第一圆轮(2)与第三圆轮(14)的外圆啮合或摩擦耦合，使另一起偏器(13)旋转后和多检偏器(15)间产生一个正比于被测位移的转角。
2.根据权利要求1所述的光学伺服比较式大量程绝对位置传感器系统，其特征在于所说的第四圆轮(16)上装有4个检偏器(15)，分别对应为光电检测元件(17、18、19、20)。
全文摘要
本发明公开了一种光学伺服比较式大量程绝对位置传感器系统。包括两套偏振光检测系统，被测位移引起机械转换结构中的第一圆轮转动，带动第一套检偏系统中的起偏器转过一个角度，发光元件的光束分别通过起偏器和双检偏器到达两个光电检偏元件，其输出端分别接到比较放大器的两输入端，经信号处理与控制装置、电机驱动器接步进电机驱动圆轮，使双检偏器转过与起偏器相同的角度；信号处理与控制装置同时提供位移测量系统的检测与显示输出信号。第二套检偏系统中，第三圆轮与第一检偏系统中的第一圆轮啮合或摩擦耦合，使第二起偏器旋转后和多检偏器间得到一个正比于被测位移的转角，光电检测元件检测到光强信号后，输出到信号处理与控制装置，使系统具有绝对位置检测能力。
文档编号G01D5/26GK1483996SQ03141869
公开日2004年3月24日 申请日期2003年7月24日 优先权日2003年7月24日
发明者李伟, 王耀军, 卢圣, 李 伟 申请人:浙江大学