專利名稱：敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光、機、電一體化制造領(lǐng)域中的傳感器，具體地，涉及敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器。
背景技術(shù)：
在光、機、電一體化制造領(lǐng)域，敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，是一種集光、 機、電于一體的高精度光柵線位移傳感器。該敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，可以與光柵數(shù)字顯示儀或計算機或數(shù)字控制單元一起，組成具有相應功能的系統(tǒng)；并且，該敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，作為一種具有高精度與數(shù)字化長度的線位移測量基準器， 可以用于精密檢測裝備與測量儀器中；另外，該敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，作為一種關(guān)鍵部件，可以用于高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造、檢測裝備運行位置誤差的精確測量和控制反饋，以保證裝備的加工、檢測與定位的精度，提高整機的可靠性、工作效率與智能化等性能。目前，國內(nèi)生產(chǎn)的敞開式光柵線位移傳感器中的測量基準元件，均采用透射式玻璃光柵尺，存在量程小、外形尺寸大、以及玻璃光柵尺的線膨脹系數(shù)與裝備主體(金屬材質(zhì))的線膨脹系數(shù)相差大的缺陷，不利于整機精度的提高。另外，敞開式鋼帶光柵線位移傳感器產(chǎn)品，在國內(nèi)是一項空白，在國外只有德國與英國這兩個國家能夠生產(chǎn)。但是，目前國外生產(chǎn)的敞開式鋼帶光柵線位移傳感器(國外稱為“敞開式鋼帶光柵尺”)，普遍存在以下兩方面的缺陷(1)該敞開式鋼帶光柵線位移傳感器，用于拾取光柵莫爾條紋測量信號的光柵讀數(shù)頭(國外稱為“光電掃描器”)，采用紅外(LED)光電掃描原理，具體的工作原理可參見圖 1與圖2的相關(guān)說明。具體地，在圖1中，紅外光電掃描器包括第一標尺(鋼帶光柵尺)23、 掃描板(指示光柵)24、聚光鏡25、光電元件(光電接收器) 與第一光源(LED)27，其中 光源(LED) 27的反射光束，依次經(jīng)聚光鏡25、掃描板(指示光柵) 與第一標尺(鋼帶光柵尺)23后，反射光束依次經(jīng)掃描板(指示光柵)M與聚光鏡25后，被光電元件(光電接收器)26接收。在圖2中，紅外光電掃描器包括聚光鏡25、第二標尺(鋼帶光柵尺)28、窗口(光欄)29、掃描光板30、掃描光柵(指示光柵)31、第二光源(LED) 32與結(jié)構(gòu)化探測器(光電接收器)33，其中第二光源(LED) 32的入射光束，依次經(jīng)聚光鏡25、掃描光柵(指示光柵)31 與第二標尺(鋼帶光柵尺) 后，反射光束依次經(jīng)窗口(光欄) 后，被結(jié)構(gòu)化探測器(光電接收器)33接收。在上述工作過程中，至少存在以下缺陷①采用上述敞開式鋼帶光柵線位移傳感器，拾取高密度光柵莫爾條紋測量信號的能力較差，也就是說光柵副(即標尺光柵與指示光柵的總稱)的工作間隙量較小，從而造成敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的原始分辨率較低，不適合采用高密度的高檔光柵來提高敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的精度；②上述敞開式鋼帶光柵線位移傳感器抗外界誤差影響的能力較弱，如敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的安裝誤差、以及裝備自身運行的幾何誤差等，都會使光柵副之間的工作間隙量發(fā)生變化輕者會造成光柵信號質(zhì)量變壞，而影響精度和可靠性；重者會造成光柵刻線劃傷，使敞開式鋼帶光柵線位移傳感器不能正常工作，進而縮短使用壽命；③由于敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的紅外光電掃描器的光強較弱、光束直線性較差、光的波段較長、以及單色性較差的缺陷，使得敞開式鋼帶光柵線位移傳感器拾取光柵莫爾條紋信號的能力較弱；在國外的同類技術(shù)中，為了提高敞開式鋼帶光柵線位移傳感器拾取光柵莫爾條紋信號的能力、以及提高光柵副的工作間隙量，不惜提高制造成本，在鋼帶光柵的表面鍍金質(zhì)膜，雖然有利于提高鋼帶光柵表面對紅外線的反射率、減少光源能量的損失，但制造成本太高；(2)業(yè)內(nèi)人士皆知，在上述敞開式鋼帶光柵線位移傳感器中，光柵副工作間隙量的公差帶較小；這里，公差帶是指由工作間隙量(t)值允許的最大值和最小值所確定的間隙范圍，公差帶較小，會造成敞開式鋼帶光柵線位移傳感器工作的可靠性較差。在現(xiàn)有技術(shù)中，上述光柵副工作間隙量較小的原因，可參見圖1的相關(guān)說明；在圖 1中，光電接收器被安裝的位置，處于光源所在位置或處于光源的上方，存在以下缺陷① 光電接收器所接收到的光信號，來自光源照亮視場的邊緣，信號的光強度較弱，加之受光的衍射效應的影響，光柵副工作間隙量(t)的公差帶就會較??；②業(yè)內(nèi)人士皆知，光強在照亮視場中的能量分布遵循(Cosr)4衰減規(guī)律，即遠離視場中心區(qū)域的邊緣視場的光強較弱。在國外同類技術(shù)中，如圖2所示，敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的光柵副工作間隙量(t)的公差帶較小，存在的主要缺陷是光源入射光束的主光軸不垂直于光柵副的刻線面，g卩，基于光柵副具有較大的入射角，光束傳播遵循幾何光學理論一入射角等于反射角；當光柵副的工作間隙量發(fā)生變化時，光柵副的入射光束的法線位置一定會改變，相應的反射角也會發(fā)生改變，造成光電接收器所接收的光能量減弱或根本就接收不到光信號，使得當光柵副的工作間隙量變化較小時，敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的測量精度降低； 當光柵副的工作間隙量變化較大時，敞開式鋼帶光柵線位移傳感器不能正常工作。綜上所述，在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中至少存在以下缺陷(1)國內(nèi)生產(chǎn)的敞開式光柵線位移傳感器中的測量基準元件，均采用透射式玻璃光柵尺，量程小、外形尺寸大、玻璃光柵尺的線膨脹系數(shù)與裝備主體(金屬材質(zhì))的線膨脹系數(shù)相差大，不利于整機精度的提高；(2)光柵副的工作間隙量小國外生產(chǎn)的敞開式鋼帶光柵線位移傳感器，由于光柵副的工作間隙量較小，影響敞開式鋼帶光柵線位移傳感器的原始分辨率、以及拾取高密度光柵莫爾條紋測量信號的能力；(3)光柵副工作間隙量的公差帶小在敞開式鋼帶光柵線位移傳感器中，光柵副工作間隙量的公差帶較小，影響敞開式鋼帶光柵線位移傳感器工作的可靠性；(4)成本高為了提高敞開式鋼帶光柵線位移傳感器拾取光柵莫爾條紋信號的能力、以及提高光柵副的工作間隙量，在鋼帶光柵的表面鍍金質(zhì)膜，制造成本太高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，針對上述問題，提出敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，以實現(xiàn)測量分辨率高、測量準確度高、使用壽命長、可靠性高、制造難度小、以及成本低的優(yōu)點ο為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，包括標尺光柵，以及配合設(shè)置在所述標尺光柵上方的光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組、激光限束光電掃描系統(tǒng)、以及電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)。進一步地，所述激光限束光電掃描系統(tǒng)包括光源、光學透鏡、小口徑光欄、指示光柵與光電接收器，其中所述光源發(fā)出的粗光束，經(jīng)光學透鏡被會聚成細光束；所述細光束經(jīng)小口徑光欄時，視場邊緣的光束被瀘掉，視場中心區(qū)域的光束通過小口徑光欄后，透過指示光柵，照射在標尺光柵的刻線面上產(chǎn)生反射，得到反射光束；所述反射光束再次透過指示光柵，被置于小口徑光欄下方的光電接收器所接收；所述指示光柵與標尺光柵構(gòu)成光柵副， 當所述光柵副產(chǎn)生相對移動時，產(chǎn)生光柵莫爾條紋測量光信號；所述光電接收器接收光柵莫爾條紋測量光信號，并被轉(zhuǎn)換為光電測量信號。進一步地，所述光源的入射光束的主光軸，垂直于指示光柵的刻線面；所述光學透鏡位于光源的下方，所述小口徑光欄位于光源與光學透鏡的下方，并且，小口徑光欄的中軸線與光源的入射光束的主光軸重合；所述光電接收器與指示光柵，均位于小口徑光欄的下方，并且，指示光柵的刻線面與光源的入射光束的主光軸垂直。進一步地，所述光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組包括主體組件，以及可拆卸式設(shè)置在所述主體組件上方的上蓋組件。進一步地，所述主體組件包括主體、第三電路板與光源架，其中所述主體為內(nèi)部豎直設(shè)有第一至三支撐件的空腔結(jié)構(gòu)，主體的頂部開口、底部外側(cè)橫向開設(shè)有與指示光柵相匹配的矩形槽，指示光柵粘接在矩形槽中；所述第三電路板水平設(shè)置在主體的左側(cè)內(nèi)壁與右側(cè)內(nèi)壁之間，第一至二支撐件分別與第三電路板可拆卸式連接；在所述第三電路板上， 開設(shè)有多個小口徑光欄，在每個小口徑光欄的下方，均配合設(shè)置有光電接收器；所述光源架為“T”型光源架，“T”型光源架的橫桿與主體的頂部平齊設(shè)置，豎桿與第三支撐件可拆卸式連接；在所述“T”型光源架上，設(shè)有多個鏡架，在每個鏡架上，均配合安裝有光學透鏡，每個光學透鏡與相應的小口徑光欄豎直對應設(shè)置。進一步地，所述上蓋組件包括上蓋、第一至二電路板、LED、導線與導向套，其中所述上蓋具有柱型空腔結(jié)構(gòu)，第一電路板包括平行設(shè)置在上蓋的左側(cè)壁與右側(cè)壁之間、且可拆卸式連接的第一層板與第二層板，在第一層板與第二層板之間的縫隙中安裝有LED;在所述上蓋的右側(cè)壁，水平安裝有與第一至三電路板電連接的導線，靠近導線與上蓋的連接處、在導線外設(shè)有導向套；靠近所述主體的頂部，與每個光學透鏡相配合，均設(shè)有光源；所述第二電路板包括多個支板，每個支板與相應的光源配合設(shè)置。進一步地，所述光源包括紅光半導體激光器、紫藍光半導體激光器與紫光半導體激光器中的任意一種，所述光學透鏡包括柱面鏡、球面鏡與非球面鏡中的任意一種，所述標尺光柵包括不銹鋼帶光柵尺、玻璃光柵尺、陶瓷光柵尺、鋼質(zhì)光柵尺與石英光柵尺，所述光電接收器包括光電池、光電二極管與光電三極管，所述小口徑光欄的通光口徑的形狀包括矩形與圓形；所述指示光柵包括透明玻璃基體，設(shè)在所述透明玻璃基體上表面的鉻層，以及設(shè)在所述鉻層上表面的零位與多個光柵窗口 ；其中，每個光柵窗口為矩形光柵窗口或“田” 字型光柵窗口或“一”字型光柵窗口。進一步地，所述電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)包括電路處理系統(tǒng)，以及與所述電路處理系統(tǒng)配合設(shè)置的光柵相位監(jiān)測系統(tǒng)。進一步地，所述電路處理系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換單元、差分放大單元、接收處理單元、 光柵相位監(jiān)測電路與相位監(jiān)測顯示單元，其中所述光電轉(zhuǎn)換單元、差分放大單元與接收處理單元，依次信號連接；所述差分放大單元、光柵相位監(jiān)測電路與相位監(jiān)測顯示單元，依次信號連接。進一步地，所述光柵相位監(jiān)測系統(tǒng)包括列相光柵單元、光電轉(zhuǎn)換單元、差分放大單元、比較器與光柵相位監(jiān)測顯示單元，其中所述列相光柵單元、光電轉(zhuǎn)換單元、差分放大單元、比較器與光柵相位監(jiān)測顯示單元，依次信號連接。本發(fā)明各實施例的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，由于包括標尺光柵，以及配合設(shè)置在所述標尺光柵上方的光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組、激光限束光電掃描系統(tǒng)、以及電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)，可以用于高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造、檢測裝備之中；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中精度低、光柵副的工作間隙量小、光柵副工作間隙量的公差帶小、以及成本高的缺陷，以實現(xiàn)測量分辨率高、測量準確度高、使用壽命長、可靠性高、制造難度小、以及成本低的優(yōu)點。本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將在隨后的說明書中闡述，并且，部分地從說明書中變得顯而易見，或者通過實施本發(fā)明而了解。本發(fā)明的目的和其他優(yōu)點可通過在所寫的說明書、權(quán)利要求書、以及附圖中所特別指出的結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)和獲得。下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。


附圖用來提供對本發(fā)明的進一步理解，并且構(gòu)成說明書的一部分，與本發(fā)明的實施例一起用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的限制。在附圖中圖1與圖2為現(xiàn)有技術(shù)中紅外光電掃描器的工作原理示意圖；圖3為根據(jù)本發(fā)明敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器的總體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4-圖7為根據(jù)本發(fā)明敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器中指示光柵刻劃圖案示意圖；圖8為根據(jù)本發(fā)明敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器中激光限束光電掃描器的工作原理示意圖；圖9為根據(jù)本發(fā)明敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器中標尺光柵刻劃示意圖；圖10為根據(jù)本發(fā)明敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器中電路處理系統(tǒng)的工作原理框圖；圖11為根據(jù)本發(fā)明敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器中光柵相位監(jiān)測系統(tǒng)的工作原理框圖。結(jié)合附圖，本發(fā)明實施例中附圖標記如下1-上蓋；2-第一螺釘(e) ；3-墊片；4_第一電路板(c) ；5-LED ；6_第二電路板(a)； 7-第二螺釘(c) ；8-導向套；9-導線；10-半導體激光器；11-鏡架；12-光源架；13-第三螺釘(b) ；14-小口徑光欄；15-光電接收器；16-第三電路板(b) ；17-指示光柵；18-第四螺釘 (d) ； 19-標尺光柵；20-主體；21-柱面鏡；22-第五螺釘(a) ；23-第一標尺(鋼帶光柵尺)； 24-掃描板(指示光柵)；25-聚光鏡；26-光電元件(光電接收器)；27-第一光源(LED)；28-第二標尺(鋼帶光柵尺)；29-窗口(光欄)；30-掃描光板；31-掃描光柵(指示光柵)； 32-第二光源(LED) ；33-結(jié)構(gòu)化探測器(光電接收器)；34-透明玻璃基體；35-零位；36-鉻層；371-第一光柵窗口(a) ；372-第二光柵窗口(b) ；373-第三光柵窗口(c) ；374-第四光柵窗口 (d) ；381-第一“田”字型光柵窗口 (a) ；382-第二“田”字型光柵窗口 (b) ；39-第三光源；40-光學透鏡；41-小孔徑光欄；42-第二光電接收器；43-第二指示光柵；44-反射式標尺光柵；45-主光軸；46-不銹鋼基體；47-光柵刻線；48-光電轉(zhuǎn)換單元；49-差分放大單元；50-接收處理單元；51-光柵相位監(jiān)測電路；52-相位監(jiān)測顯示單元；53-列相光柵單元； 54-光電轉(zhuǎn)換單元；55-比較器；56-光柵相位監(jiān)測顯示單元(LED)。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的優(yōu)選實施例進行說明，應當理解，此處所描述的優(yōu)選實施例僅用于說明和解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。根據(jù)本發(fā)明實施例，提供了敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器。如圖3-圖11 所示，本實施例包括標尺光柵19，以及配合設(shè)置在標尺光柵19上方的光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組、 激光限束光電掃描系統(tǒng)、以及電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)，其中，光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組、激光限束光電掃描系統(tǒng)、以及電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)的連接方式，可參見圖3的相關(guān)說明。這里，電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)的作用在于，便于敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器的安裝使用，當敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器的相位正常時，發(fā)光管(LED 5) 一直亮著，當敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器的相位不正常時，發(fā)光管(LED 5)熄滅報警，提示敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器安裝的幾何位置不正確，需要重新裝調(diào)。光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組(光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組是指除標尺光柵19之外的所有光、機、電部分組成的總稱)，側(cè)面上的2個M3螺孔被緊固在某裝備運動副的工作臺面上，安裝時使光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組上指示光柵17的線紋圖案面與標尺光柵19的線紋圖案面對面重合放置， 光柵副的間隙量和相位的裝調(diào)按傳感器的使用說明書處置，當某裝備的運動副產(chǎn)生相對運動時，光柵副也相應產(chǎn)生相對運動，同時，本實施例的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，產(chǎn)生光柵莫爾條紋測量光信號，光信號經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、差分放大后，以四路相位相差90° 的正余弦信號和二路尖脈沖(零位信號)輸出，提供外接的光柵數(shù)顯裝置或外接的數(shù)字控制單元使用，與之共同形成光柵數(shù)顯測量系統(tǒng)或光柵反饋控制系統(tǒng)。進一步地，在上述實施例中，如圖8所示，激光限束光電掃描系統(tǒng)包括第三光源 39、光學透鏡40、兩個小孔徑光欄41、第二光電接收器42、第二指示光柵43、反射式標尺光柵44與主光軸45，其中，第三光源39的入射光束的主光軸45，垂直于第二指示光柵43的刻線面；光學透鏡40位于光源的下方，小孔徑光欄41位于第三光源39與光學透鏡40的下方，并且，小孔徑光欄41的中軸線與第三光源39的入射光束的主光軸45重合；第二光電接收器42與第二指示光柵43，均位于小孔徑光欄41的下方，并且，第二指示光柵43的刻線面與光源的入射光束的主光軸45垂直。這里，為了達到上述敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器的工作間隙量(t)較大、以及工作間隙量(t)的公差較寬的目的，上述激光限束光電掃描系統(tǒng)的技術(shù)原理可參見圖8的相關(guān)說明。在圖8中，上述第三光源39發(fā)出的矩形粗光束，經(jīng)光學透鏡40(如柱面鏡21)被會聚成矩形細光束；細光束經(jīng)小孔徑光欄41時，其余視場邊緣的光束被瀘掉，視場中心區(qū)域的光束通過小孔徑光欄41后，透過第二指示光柵43，照射在標尺光柵19(如鋼帶光柵尺)的刻線面上產(chǎn)生反射，得到反射光束；反射光束再次透過第二指示光柵43，被置于小孔徑光欄41下方的第二光電接收器42所接收，實現(xiàn)了光電信號的轉(zhuǎn)換。在上述激光限束光電掃描系統(tǒng)中，當光柵副(第二指示光柵43與鋼帶光柵尺)產(chǎn)生相對移動時，產(chǎn)生光柵莫爾條紋測量光信號；第二光電接收器42接收光柵莫爾條紋測量光信號，并被轉(zhuǎn)換為光電測量信號。這里，第二指示光柵43與鋼帶光柵尺之間的間隙量，稱為光柵工作間隙量(t)，光柵工作間隙量(t)的大小，遵循菲涅爾光柵理論公式(參見哈爾濱工業(yè)大學張善鐘等編著《計量光柵技術(shù)》中第145頁公式4-13) :t = nd2/A (1)，公式(1) 中，η取整數(shù)，η稱為菲涅爾焦面數(shù)(η值的選取由光電系統(tǒng)的特性決定)；d為光柵的柵距 (即光柵亮線的寬度與暗線的寬度的和)；λ為入射光波長。由公式(1)可見，欲使t值較大，需η值較大，d值較大，λ值較??；本實施例可以采用半導體激光器10作為激光限束光電掃描系統(tǒng)的光源，通常其波長(λ )范圍λ = 4600 埃 6500埃，而國外同類技術(shù)采用紅外光源(LED)波長范圍通常λ = 8500埃 9000埃， 紅外LED光源波長約為半導體激光器10的1. 8 1. 4倍。同樣，由公式(1)可見，在選取d值等同的條件下，僅此一項就可將t值比現(xiàn)有技術(shù)擴大1. 8 1. 4倍，更重要的是，由半導體激光器10為光源的激光限束光電掃描系統(tǒng)，比同類技術(shù)的紅外LED光電掃描系統(tǒng)具有技術(shù)原理先進、結(jié)構(gòu)設(shè)計合理、光信息傳輸方向性好、光能量高、光能利用效果好、單色性好、抗干擾、以及衍射效應低等優(yōu)點。上述激光限束光電掃描系統(tǒng)，經(jīng)大量的實際應用，證明其具有良好的光電特性，在上式t = nd2/X中，當η = 5(即選取第五菲涅爾焦面)時，本實施例的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器仍可以正常工作；國外同類技術(shù)多選取η = 1(左右)。由上述理論分析和實際應用證明本實施例的光柵工作間隙量⑴至少比國外同類技術(shù)高3 5倍。在現(xiàn)有技術(shù)中，光柵工作間隙量⑴一般為t = 1匪士0. 1匪至t = 1匪士0. 3匪； 本實施例的激光限束光電掃描系統(tǒng)，光源主光軸45垂直入射到光柵副的工作面上，第二光電接收器42被安置于小孔徑光欄41下方的光源中心區(qū)域，小孔徑光欄41位于光源和光學透鏡40的下方，第二光電接收器42接收的光信號來自光源照明視場的中心區(qū)域；采用該方法，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中光柵工作間隙量(t)小的問題。本實施例由實際應用效果證明光柵工作間隙量⑴的公差帶為1. 5mm士 1. 4mm,比現(xiàn)有技術(shù)的公差帶范圍至少擴大4倍，提高了敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器工作的穩(wěn)定性、可靠性。進一步地，在上述實施例中，上述光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組包括主體20組件，以及可拆卸式設(shè)置在主體20組件上方的上蓋1組件。具體地，上述主體20組件包括主體20、第三電路板(b) 16與光源架12，其中主體 20為內(nèi)部豎直設(shè)有第一至三支撐件的空腔結(jié)構(gòu)，主體20的頂部開口、底部外側(cè)橫向開設(shè)有與指示光柵17相匹配的矩形槽，指示光柵17通過膠粘劑粘接在矩形槽中；第三電路板水平設(shè)置在主體20的左側(cè)內(nèi)壁與右側(cè)內(nèi)壁之間，第一至二支撐件分別與第三電路板可拆卸式連接；在第三電路板上，開設(shè)有多個小口徑光欄14，在每個小口徑光欄14的下方，均配合設(shè)置有光電接收器15 ；光源架12為“T”型光源架12，“T”型光源架12的橫桿與主體20的頂部平齊設(shè)置，豎桿與第三支撐件可拆卸式連接；在“Τ”型光源架12上，設(shè)有多個鏡架11，在每個鏡架11上，均配合安裝有光學透鏡40，每個光學透鏡40與相應的小口徑光欄14豎直對應設(shè)置。上述上蓋1組件作為敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器的結(jié)構(gòu)支撐體，實現(xiàn)敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器的光電測量原理；具體包括上蓋1、第一至二電路板、 LED 5、導線9與導向套8，其中上蓋1具有柱型空腔結(jié)構(gòu)，第一電路板(c)4包括平行設(shè)置在上蓋1的左側(cè)壁與右側(cè)壁之間、且可拆卸式連接的第一層板與第二層板，在第一層板與第二層板之間的縫隙中安裝有LED 5 ；在上蓋1的右側(cè)壁，水平安裝有與第一至三電路板電連接的導線9，靠近導線9與上蓋1的連接處、在導線9外設(shè)有導向套8 ；靠近主體20的頂部，與每個光學透鏡40相配合，均設(shè)有光源；第二電路板(a) 6包括多個支板，每個支板與相應的光源配合設(shè)置。具體地，如圖3所示，在上述實施例中，指示光柵17采用膠粘劑粘接在主體2020 底部的矩形槽內(nèi)，第三電路板(b) 16通過兩個第四螺釘(d)，被緊固在主體2020上，三個小口徑光欄14，被緊配合鑲在第三電路板(b) 16上，五支位于小口徑光欄14下方的光電接收器15被焊接在第三電路板(b) 16上，光源架2鑲?cè)胫黧w2020的防轉(zhuǎn)槽內(nèi)，并通過第三螺釘 (b) 13被緊固在主體2020上；三個鏡架11以緊配合壓入光源架12的三個圓孔之內(nèi)，三支半導體激光器10采用膠粘劑分別被粘接在三個鏡架11的圓孔上部，三個柱面鏡21，采用膠粘劑被分別粘接在三個鏡架11的下部長孔上，上蓋1通過四個第五螺釘(a) 22被緊固在主體2020上；第一電路板(c)4，通過兩個第一螺釘(e)2和兩個墊片3被緊固在上蓋1之內(nèi)， 導向套8以緊配合壓入上蓋1的側(cè)孔中，導線9穿入導向套8，由一個第二螺釘(c) 7壓緊， 標尺光柵(鋼帶光柵尺)19采用彈性雙面不干膠被另外粘在某裝備的運動工作臺面上。進一步地，在上述實施例中，上述光源包括紅光半導體激光器10、紫藍光半導體激光器10與紫光半導體激光器10中的任意一種，光學透鏡40包括柱面鏡21、球面鏡與非球面鏡中的任意一種，標尺光柵19包括不銹鋼帶光柵尺、玻璃光柵尺、陶瓷光柵尺、鋼質(zhì)光柵尺與石英光柵尺，光電接收器15包括光電池、光電二極管與光電三極管，小口徑光欄14的通光口徑的形狀可以是矩形、圓形或其它幾何形狀；指示光柵17包括透明玻璃基體34，設(shè)在透明玻璃基體34上表面的鉻層36，以及設(shè)在鉻層36上表面的零位與多個光柵窗口 ；其中，每個光柵窗口為矩形光柵窗口或“田”字型光柵窗口。具體地，指示光柵17的線紋刻劃圖案，可參見圖4-圖7的相關(guān)說明。在圖4中， 光柵窗口包括上下分層均勻設(shè)在鉻層36上的第一光柵窗口(a)371、第二光柵窗口(b)372、 第三光柵窗口(c)373與第四光柵窗口(d)374。在圖5中，光柵窗口包括均勻設(shè)在鉻層36 上的第一“田”字型光柵窗口(a) 381與第二“田”字型光柵窗口(b)382。在圖6中，光柵窗口包括橫向均勻設(shè)在鉻層36上的第一光柵窗口(a)371、第二光柵窗口(b)372、第三光柵窗口(c)373與第四光柵窗口(d)374。在圖7中，光柵窗口包括設(shè)在鉻層36上的第一“田”字型光柵窗口(a) 381。標尺光柵(鋼帶光柵尺)19的光刻圖案，可參見圖9的相關(guān)說明。在圖9中，標尺光柵(鋼帶光柵尺)19包括不銹鋼基體46，間隔設(shè)置在不銹鋼基體46上邊緣處的多個零位 35，以及豎直均勻設(shè)置在不銹鋼基體46上的光柵刻線47。進一步地，電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)包括電路處理系統(tǒng)，以及與電路處理系統(tǒng)配合設(shè)置的光柵相位監(jiān)測系統(tǒng)。具體地，上述電路處理系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換單元48、差分放大單元49、接收處理單元50、光柵相位監(jiān)測電路51與相位監(jiān)測顯示單元，其中光電轉(zhuǎn)換單元48、差分放大單元 49與接收處理單元50，依次信號連接；差分放大單元49、光柵相位監(jiān)測電路51與相位監(jiān)測顯示單元，依次信號連接。上述光柵相位監(jiān)測系統(tǒng)包括列相光柵單元、光電轉(zhuǎn)換單元48、差分放大單元49、 比較器55與光柵相位監(jiān)測顯示單元56，其中列相光柵單元、光電轉(zhuǎn)換單元48、差分放大單元49、比較器55與光柵相位監(jiān)測顯示單元56，依次信號連接。在帶有相位關(guān)系的指示光柵17 (也稱之為裂相光柵，本實施例敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器采用的也是裂相光柵)中，任意選取兩個光柵窗口中的兩路光電信號為基準，選取的原則是在指示光柵17的諸多光柵窗口中，選取兩者相互之間的距離最遠的兩個窗口，之后將被選取的兩個光柵窗口輸出的兩路光電信號差分放大，再經(jīng)比較器55輸出帶動相位監(jiān)測顯示器(LED)工作，當兩路信號發(fā)生變化時，差分信號也發(fā)生變化，隨之比較器55輸出信號也隨之發(fā)生變化，造成監(jiān)測顯示器(LED)產(chǎn)生明、暗變化，S卩顯示出了光柵副的相位關(guān)系變化，當指示光柵17的兩個窗口中的刻線與標尺光柵19中的刻線相互平行時，定義為光柵副的相位關(guān)系是正確的，當光柵副兩者的刻線之間產(chǎn)生了角度變化，即光柵副兩者的刻線不平行了，則是光柵副的相位關(guān)系產(chǎn)生了誤差，當誤差出現(xiàn)時，其在光柵相位監(jiān)測電路51中反映的是相位監(jiān)測顯示器(LED)產(chǎn)生亮、暗變化，此時便需調(diào)整敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器的幾何位置(即指示光柵17)，使其處于相位關(guān)系正確的狀態(tài)后， 敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器便可正常工作。上述實施例的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，作為一種長度量線位移的數(shù)字化精確檢測與控制反饋的共性技術(shù)與關(guān)鍵部件，主要用于高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造、檢測裝備之中，具有光柵副工作間隙量較大、間隙量公差帶范圍較大、使用壽命長、工作可靠性高、分辨率高、精度高、對外界幾何量誤差適應性強、以及制造成本低的優(yōu)點。綜上所述，本發(fā)明各實施例的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，由于包括標尺光柵，以及配合設(shè)置在所述標尺光柵上方的光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組、激光限束光電掃描系統(tǒng)、 以及電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)，可以用于高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造、檢測裝備之中；從而可以克服現(xiàn)有技術(shù)中精度低、光柵副的工作間隙量小、光柵副工作間隙量的公差帶小、以及成本高的缺陷，以實現(xiàn)測量分辨率高、測量準確度高、使用壽命長、可靠性高、制造難度小、以及成本低的優(yōu)點，具體如下(1)在使用同等密度光柵的條件下，具有很強的拾取莫爾條紋測量信號能力，與現(xiàn)有技術(shù)相比，光柵副工作間隙量(t)大，至少增大3倍，傳感器更可靠、壽命長、制造成本低； 特別適于采用高密度的高檔光柵，獲取較大的原始分辨率和提高傳感器的測量準確度；(2)光柵副工作間隙量⑴的公差帶范圍寬，其與同類技術(shù)相比，至少增大4倍，因而其對外界裝備運行中產(chǎn)生的幾何量誤差的適應性強，使傳感器工作更穩(wěn)定、可靠。最后應說明的是以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明， 盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換。 凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，包括標尺光柵，以及配合設(shè)置在所述標尺光柵上方的光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組、激光限束光電掃描系統(tǒng)、以及電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，所述激光限束光電掃描系統(tǒng)包括光源、光學透鏡、小口徑光欄、指示光柵與光電接收器，其中所述光源發(fā)出的粗光束，經(jīng)光學透鏡被會聚成細光束；所述細光束經(jīng)小口徑光欄時，視場邊緣的光束被瀘掉，視場中心區(qū)域的光束通過小口徑光欄后，透過指示光柵，照射在標尺光柵的刻線面上產(chǎn)生反射，得到反射光束；所述反射光束再次透過指示光柵，被置于小口徑光欄下方的光電接收器所接收；所述指示光柵與標尺光柵構(gòu)成光柵副，當所述光柵副產(chǎn)生相對移動時，產(chǎn)生光柵莫爾條紋測量光信號；所述光電接收器接收光柵莫爾條紋測量光信號，并被轉(zhuǎn)換為光電測量信號。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，所述光源的入射光束的主光軸，垂直于指示光柵的刻線面；所述光學透鏡位于光源的下方，所述小口徑光欄位于光源與光學透鏡的下方，并且，小口徑光欄的中軸線與光源的入射光束的主光軸重合；所述光電接收器與指示光柵，均位于小口徑光欄的下方，并且，指示光柵的刻線面與光源的入射光束的主光軸垂直。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，所述光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組包括主體組件，以及可拆卸式設(shè)置在所述主體組件上方的上蓋組件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，所述主體組件包括主體、第三電路板與光源架，其中所述主體為內(nèi)部豎直設(shè)有第一至三支撐件的空腔結(jié)構(gòu)，主體的頂部開口、底部外側(cè)橫向開設(shè)有與指示光柵相匹配的矩形槽，指示光柵粘接在矩形槽中；所述第三電路板水平設(shè)置在主體的左側(cè)內(nèi)壁與右側(cè)內(nèi)壁之間，第一至二支撐件分別與第三電路板可拆卸式連接；在所述第三電路板上，開設(shè)有多個小口徑光欄，在每個小口徑光欄的下方，均配合設(shè)置有光電接收器；所述光源架為“T”型光源架，“T”型光源架的橫桿與主體的頂部平齊設(shè)置，豎桿與第三支撐件可拆卸式連接；在所述“T”型光源架上，設(shè)有多個鏡架，在每個鏡架上，均配合安裝有光學透鏡，每個光學透鏡與相應的小口徑光欄豎直對應設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，所述上蓋組件包括上蓋、第一至二電路板、LED、導線與導向套，其中所述上蓋具有柱型空腔結(jié)構(gòu)，第一電路板包括平行設(shè)置在上蓋的左側(cè)壁與右側(cè)壁之間、且可拆卸式連接的第一層板與第二層板，在第一層板與第二層板之間的縫隙中安裝有 LED;在所述上蓋的右側(cè)壁，水平安裝有與第一至三電路板電連接的導線，靠近導線與上蓋的連接處、在導線外設(shè)有導向套；靠近所述主體的頂部，與每個光學透鏡相配合，均設(shè)有光源；所述第二電路板包括多個支板，每個支板與相應的光源配合設(shè)置。
7.根據(jù)權(quán)利要求2-6中任一項所述的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，所述光源包括紅光半導體激光器、紫藍光半導體激光器與紫光半導體激光器中的任意一種，所述光學透鏡包括柱面鏡、球面鏡與非球面鏡中的任意一種，所述標尺光柵包括不銹鋼帶光柵尺、玻璃光柵尺、陶瓷光柵尺、鋼質(zhì)光柵尺與石英光柵尺，所述光電接收器包括光電池、光電二極管與光電三極管，所述小口徑光欄的通光口徑的形狀包括矩形與圓形；所述指示光柵包括透明玻璃基體，設(shè)在所述透明玻璃基體上表面的鉻層，以及設(shè)在所述鉻層上表面的零位與多個光柵窗口；其中，每個光柵窗口為矩形光柵窗口或“田”字型光柵窗口或“一”字型光柵窗口。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，所述電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)包括電路處理系統(tǒng)，以及與所述電路處理系統(tǒng)配合設(shè)置的光柵相位監(jiān)測系統(tǒng)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，所述電路處理系統(tǒng)包括光電轉(zhuǎn)換單元、差分放大單元、接收處理單元、光柵相位監(jiān)測電路與相位監(jiān)測顯示單元，其中所述光電轉(zhuǎn)換單元、差分放大單元與接收處理單元，依次信號連接；所述差分放大單元、光柵相位監(jiān)測電路與相位監(jiān)測顯示單元，依次信號連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求8或9所述的敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，其特征在于，所述光柵相位監(jiān)測系統(tǒng)包括列相光柵單元、光電轉(zhuǎn)換單元、差分放大單元、比較器與光柵相位監(jiān)測顯示單元，其中所述列相光柵單元、光電轉(zhuǎn)換單元、差分放大單元、比較器與光柵相位監(jiān)測顯示單元，依次信號連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，包括標尺光柵，以及配合設(shè)置在所述標尺光柵上方的光柵讀數(shù)頭構(gòu)件組、激光限束光電掃描系統(tǒng)、以及電路處理與相位監(jiān)測系統(tǒng)。本發(fā)明所述敞開式激光限束掃描標尺光柵傳感器，可以克服現(xiàn)有技術(shù)中精度低、光柵副的工作間隙量小、光柵副工作間隙量的公差帶小、以及成本高等缺陷，以實現(xiàn)測量分辨率高、測量準確度高、使用壽命長、可靠性高、制造難度小、以及成本低的優(yōu)點。
文檔編號G01D5/26GK102192761SQ20101015293
公開日2011年9月21日 申請日期2010年4月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月22日
發(fā)明者史淑華, 張一鋼, 許興智, 許殊罡, 陳永福, 高峰 申請人:廊坊開發(fā)區(qū)萊格光電儀器有限公司