[发明专利]折射放大光学位移传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种折射放大光学位移传感器，将微小位移量通过光学折射放大获得位移量值，实现微纳米位移的高精度测量，同时，不要求所使用的光电传感元件具有高分辨率，因此，本发明之折射放大光学位移传感器在实现高精度测量的同时具有低价位的特点，属于光学位移测量技术领域。

技术背景

由于机械产品及零部件的微小型化，要求微机电系统（MEMS）尺寸微小，通过研究这些微型机构的机械性能、运动特性，能够为制造优良的微机电系统提供依据。其中，了解微机电系统的摩擦磨损特性尤为重要，现有技术采用微力弹性元件检测微摩擦力，先采用位移测量技术测量微力弹性元件的变形量，再根据微力弹性元件的变形量与微摩擦力的关系计算出微摩擦力。

所述位移测量技术就是把位移量转换成与之有确定关系的其它可测量量。

现有能够测量微纳米位移的光学位移测量方法分为干涉法和衍射法两类，所使用的装置为干涉仪和衍射仪，不过这些装置结构复杂、价格昂贵，且对测量环境要求苛刻。

另外，采用光电传感元件也能够实现微纳米位移的测量。例如，一篇刊登在《光学与工程技术》第4卷第2期、题为“基于PSD的微小位移研究”的文章公开了一种有关微纳米位移测量的方案。该方案所使用的测量装置由激光光源、定平面镜、动平面镜、PSD（位置敏感器件）等组成，该方案依据光杠杆原理，由一根连杆将微力弹性元件与动平面镜连接起来，当发生弹性变形时微力弹性元件表面发生变形，引起动平面镜角度变化，测量光在定平面镜、动平面镜之间多次反射，在PSD上光斑发生明显位移，在这一过程中，测量装置不仅将角度变化转化为光斑在PSD上的位置变化，获得位移量，而且进行了放大。由PSD检测发生弹性变形前后，测量光光斑在PSD上的位置变化，由光斑位移量与角度的关系以及角度与微力弹性元件表面变形的关系，计算出微力弹性元件表面的变形量。尽管该测量装置使用的并非是高分辨率的PSD，而是普通分辨率PSD，但是吗，测量精度仍较高。不过，在该方案中，微力弹性元件与动平面镜由一根连杆连接，可见，该测量方案属于接触式测量，而微力弹性元件结构精密，接触式测量将会对微力弹性元件自身受力变形效果造成影响，会降低测量精度。

发明内容

为了进一步提高微力弹性元件变形的测量精度，同时使用普通分辨率的PSD，我们发明了一种折射放大光学位移传感器。

在本发明之折射放大光学位移传感器中有激光光源1和PSD9，其特征在于，如图1、图2所示，折射放大三棱镜6位于激光光源1和PSD9之间的反射光路上，激光光源1光轴与折射放大三棱镜6轴线空间垂直，激光光源1发出的测量光入射折射放大三棱镜6的入射角a大于等于70°、小于90°，PSD9感光面与自折射放大三棱镜6出射的测量光垂直。

本发明其技术效果在于，激光光源1发射的测量光照射到微力弹性元件表面5，被反射并以入射角a入射折射放大三棱镜6的一个镜面，由折射放大三棱镜6折射后照射到PSD9的感光面，由此获得一个位置信息。当微力弹性元件发生弹性变形后，微力弹性元件表面5发生位移D，如图1所示，测量光被反射并以相同入射角a入射折射放大三棱镜6的同一个镜面，但是，入射点移动了一个距离L₁，如图2所示，由折射放大三棱镜6折射后照射到PSD9的感光面，但是，照射点移动了一个距离h₃，由此获得另一个位置信息，由PSD9之后的信号处理单元获得距离h₃的值。在上述测量过程中，由于所述位移D的发生，导致反射的测量光相对于原光路平移了一个距离h₁，该测量光被折射放大三棱镜6的入射镜面折射后相对于原光路平移了一个距离h₂，当入射角a大于70°时，距离h₂远大于距离h₁，如h₂/h₁能够达到43，如图3所示，虽然测量光自折射放大三棱镜6的出射镜面折射后相对于原光路平移距离h₃小于距离h₂，但是，二者相差很小。另外，微力弹性元件表面5发生的位移D与所述距离h₁存在对应关系，这样的话就能够由所获得的距离h₃的值换算得到量值极其微小的位移D的值，尽管位移D的值处在微纳米量级，但是，由于该位移D被折射放大三棱镜6放大若干倍，对PSD9的分辨率的要求因此明显降低，具有普通分辨率即可。由于在测量过程中，本发明之折射放大光学位移传感器与被测微力弹性元件表面5非接触，不会发生因机械连接而导致的测量精度的下降。

附图说明