[发明专利]一种数字式波长编码光学绝对位移传感器

摘要

本发明提供一种数字式波长编码光学绝对位移传感器，利用入射光斑入射到编码光栅尺上得到的波段编码信号，经解调后转化为数字式的电信号，建立起位移与波长编码的一对一关系。解调系统直接给出数字信号，有利于解调系统的微型化处理，传感器部分及信号的传输部分均为光信号传输，能够抗电磁干扰；根据不同的波长信息，决定信号的有无，不是依靠光信号的强度信息，不存在振动、光纤传输损耗、光源强度波动等产生的信号强弱变化带来的错码问题，相对于目前采用变栅距光栅的波长编码传感器而言，其不需要连续光源，解调部分利用感光面积较大的色敏元件替代了线阵CCD等，提高了响应频率，同时将传感器的高低温适应性提高。

主权项

一种数字式波长编码光学绝对位移传感器，其特征在于，包括：宽带光源（1）或为含多个波长λ1，λ2，λ3，λ4，…的光源组合，光源导入光纤（2），准直系统（3），光阑（4），光栅尺（5），接收光纤(6)，准直透镜（7），衍射光栅（8），准直透镜（9）和光敏元件阵列组（10）；宽带光源（1）或为含多个波段λ1，λ2，λ3，λ4，…的光源组合的入射光经光源导入光纤（2）传送到准直系统（3）中，准直后光束经过光阑（4）滤光后入射到光栅尺（5）上；衍射光束经准直系统（3）被接收光纤（6）接收，经接收光纤（6）传送到解调系统中，接收光纤（6）的出射光经解调系统中准直透镜（7）后的光束经衍射光栅（8）色散后，再次经准直透镜（9）聚焦于光敏元件阵列组（10）；光敏元件阵列组（10）得到的数字电信号通过编码库建立编码与光栅尺（5）上入射光照射部分光栅图形的信息，而该光栅图形组合是与位移关系一一对应的，从而通过编码的解码能够完成位移测试；该传感器采用不同线密度光栅单元组合编码，设计光栅尺的结构，具有多波段的光源入射到光栅尺上时，自准直衍射回探测器中的光信号中包含有入射光照射在光栅尺上区域的编码信息，通过波长解调能得到位移信息；入射光斑内的光栅线密度与衍射光波长的关系满足：k*n*λ＝sinθi+sinθon为光栅的线密度，k为整数，λ为衍射光波长，θi为入射光束与光栅尺法线的夹角，θo为光纤接收光束与光栅尺法线的夹角；入射光纤及接收光纤相对于准直系统的位置固定，因此θi与θo固定，光栅的线密度与衍射波长满足倒数关系；入射光斑沿光栅线条方向的尺寸大于光栅尺各区沿光栅线条方向的长度之和，沿光栅尺长度方向的尺寸大于3～4个光栅单元，具体的尺寸根据光敏元件的数量、光栅单元的长度进行调整，光斑照射范围内的光栅单元中，如果其中有光栅单元的线密度为ni，则通过接收光纤传入到解调系统中的光信号中含有波长为λi的波长信号；该光信号经过色散元件色散后，各个波长聚焦于不同的色敏元件；当光信号中包含波长λi时，对应的光敏元件给出电信号1，当不包含波长为λi时，对应的光敏元件给出的信号为0，将多组光敏元件给出信号编码组合；如4位光敏元件组合时，信号组合为1011时，表明信号中存在波长：λ1、λ3、λ4，入射光斑照射区域内的光栅尺上存在光栅线密度为n1、n3、n4，光栅尺上的光栅编码的组合方式是通过优化设计的，不同的组合对应不同的位移；通过该信号能够给出入射光斑照射在光栅尺 的位置；改变光栅尺与入射光斑的相对位置，解调系统给出不同的编码组合，通过编码与位移的关系表给出光栅尺绝对位移；该传感器采用感光面积较大的色敏元件，提高灵敏度；采用的是波长编码方式，不依赖于光强的变化，因此光源的强度变化、光纤传输造成的光强损失不会对位移的计算造成影响；同时编码数是光栅组合与光栅尺的分区数之积，同时采用的多组光栅组合，光栅线密度相差较大，温度及振动造成的波长变化远小于每组色敏元件的带宽范围，因此对温度有更好的适应性。