[发明专利]光栅组微位移传感器及其测量位移的方法

权利要求书

1.一种光栅组微位移传感器，其特征在于：包括光源（1）、分束器（16）、第一光栅层（2）、第二光栅层（3）、增反层（4）、第一红外光电探测器（5）、第一聚焦透镜组（6）、第二红外光电探测器（7）、第二聚焦透镜组（8）、第一固定底座（9）、第二固定底座（15）、回形悬臂梁（10）、上层电容平板（11）、下层电容平板（12）、信号处理模块（13）和电流驱动模块（14）；所述上层电容平板（11）上刻蚀第一光栅层（2）；上层电容平板（11）的一端通过两个回形悬臂梁（10）与第一固定底座（9）相连，另一端通过两个回形悬臂梁（10）与第二固定底座（15）相连；第一固定底座（9）和第二固定底座（15）均固定在增反层（4）上；上层电容平板（11）通过回形悬臂梁（10）、第一固定底座（9）和第二固定底座（15）与增反层（4）电连接；所述下层电容平板（12）上刻蚀第二光栅层（3），下层电容平板（12）固定在增反层（4）上；

所述光源（1）置于上层电容平板（11）的正上方，光源（1）的下方设有分束器（16），第一红外光电探测器（5）和第二红外光电探测器（7）对称置于光源（1）的两侧，第一聚焦透镜组（6）置于第一红外光电探测器（5）的正下方，第二聚焦透镜组（8）置于第二红外光电探测器（7）的正下方；第一红外光电探测器（5）和第二红外光电探测器（7）与信号处理模块（13）相连；下层电容平板（12）的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；增反层（4）的两侧通过引线相连后接入电流驱动模块（14）；电流驱动模块（14）与信号处理模块（13）相连；

所述光源（1）为带有准直扩束的红外1530nm光源；所述增反层（4）由800nm的SiN3和600nm的SiO2以及Si基底从上至下依次排布组成；

所述第一光栅层（2）和第二光栅层（3）均有34组光栅，厚度均为950-965nm；每组光栅的光栅数为7个，周期T为1400-1500nm，占空比为0.45-0.5；第一光栅层（2）中每组光栅的横向间隔为1560nm；第二光栅层（3）中每组光栅的横向间隔为1575nm；第一光栅层（2）与第二光栅层（3）的空气间隙为300-400nm，横向初始位置在垂直于光栅方向上的间隔为10%T。

2.根据权利要求1所述一种光栅组微位移传感器，其特征在于：所述的光源（1）为垂直腔表面发射激光器。

3.根据权利要求1所述一种光栅组微位移传感器，其特征在于：所述每个光栅周期T为1441nm，占空比为0.47，第一光栅层（2）和第二光栅层（3）的厚度均为960nm。

4.一种利用权利要求1所述光栅组微位移传感器测量位移的方法，其特征在于，包括以下步骤：

从光源（1）发出的光通过分束器（16）产生两路激光，一路激光照射到上层电容平板（11）没有光栅的区域后反射，反射光束通过第一聚焦透镜组（6）照射到第一红外光电探测器（5）上；另一路激光依次通过上层电容平板（11）的第一光栅层（2）、下层电容平板（12）的第二光栅层（3）和增反层（4）后，经过增反层（4）反射的光束通过第二聚焦透镜组（8）照射到第二红外光电探测器（7）上；

第一红外光电探测器（5）和第二红外光电探测器（7）上接收到的光强信号传送到信号处理模块（13）进行对比分析，通过差分技术滤除噪声得到脉冲式光强信号；电流驱动模块（14）输出电流到上层电容平板（11）和下层电容平板（12），通过调整电流的大小来调整两层电容平板的纵向间隔，从而得到线宽不同的脉冲式光强信号，当得到的脉冲式光强信号的线宽最短时，锁定此时的电流，此时上层电容平板（11）和下层电容平板（12）发生横向位移产生一系列的脉冲式光强信号，计算此时脉冲式光强信号的脉冲个数，得到第一光栅层（2）相对于第二光栅层（3）的横向移动距离；若由于外界震动的原因造成上层电容平板（11）和下层电容平板（12）之间的间隔变化，使得脉冲信号消失，电流驱动模块（14）再次调整输出电流，直到重新出现脉冲式光强信号。