专利名称：干涉式高密度圆光栅偏心检测装置的制作方法
技术领域：
本发明属于精密仪器检测技术领域，特别涉及一种干涉式高密度圆光栅偏心检测
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背景技术：
由于工业技术的发展，对检测仪器的精度要求越来越高，这就对精密仪器的加工和检测方法提出了更高的要求。光电轴角编码器作为精密角度测量仪器，已经普遍应用于各种位置控制和检测领域。编码器的关键检测元件为计量圆光栅，它在轴系上的安装偏心直接影响编码器的测角精度。目前，传统的计量光栅可以通过显微镜目测检测的方法即可达到精度要求。高精度的计量光栅可以通过光栅副之间产生莫尔条纹通过两个对径放置的光电接收器提取出位移信息的检测方法，而这种检测方法存在局限性，当光栅盘密度增大时光栅副之间的间距减少，因此编码器机械装调困难，光电信号对比度差，检测的计量光栅线密度不高于125线对/mm。因此，提供一种能够检测高于125线对/mm计量光栅的简单易行的检测方法势在必行。
发明内容
为了解决现有高密度光栅检测方法存在的编码器机械装调困难，光电信号对比度差，计量光栅线密度不高于125线对/mm的问题，本发明提供一种干涉式高密度圆光栅偏心检测装置，可对安装在编码器轴系上数千线对/mm密度的圆光栅偏心进行检测。本发明解决技术问题所采取的技术方案如下干涉式高密度圆光栅偏心检测装置，包括一号激光器、一号准直镜、副光栅盘、一号光电接收器、二号光电接收器、二号准直镜、二号激光器、主轴、轴套、光栅连接座和示波器；待检测的主光栅盘固定在主轴的平台上，副光栅盘固定在光栅连接座上；光栅连接座固定在轴套上，光栅连接座与轴套同轴；轴套与主轴同轴，通过轴承动连接；副光栅盘与主轴通过光栅连接座和轴套实现同轴；一号激光器与二号激光器、以及一号准直镜与二号准直镜分别对径安装于主光栅盘下面的轴套位置，并呈轴心对称；一号光电接收器和二号光电接收器分别置于副光栅盘的上方；示波器分别与一号光电接收器和二号光电接收器连接；一号激光器发出的激光经过一号准直镜后变为平行光，垂直入射到主光栅盘中，经过主光栅盘的一次衍射和副光栅盘的二次衍射后，产生干涉条纹，干涉条纹经过一号光电接收器转换为电信号后，由示波器接收，得到主光栅盘的位移正弦信号；二号激光器发出的激光经过二号准直镜后变为平行光，垂直入射到主光栅盘中，经过主光栅盘的一次衍射和副光栅盘的二次衍射后，产生干涉条纹，干涉条纹经过二号光电接收器转换为电信号后，由示波器接收，得到主光栅盘的位移正弦信号；根据示波器中不同相位正弦信号的合成，能够检测出主光栅盘的偏心位置和偏心量。本发明的有益效果是该检测装置提高了分辨率，信号反差大，由于信号提取原理不同于现有的莫尔条纹原理，不需要光栅盘之间的距离太�。阌诎沧暗魇�。并且，衍射的条件满足高密度栅线光栅盘的检测，可以实现光栅计量系统体积减�。峁辜虻セ梢约觳庀呙芏雀哂�125线对/mm的计量光栅盘。
图1是本发明干涉式高密度圆光栅偏心检测装置的结构示意图。图2是本发明中的动态干涉条纹信号检测原理图。图3是本发明中对径安装的光电接收器得到的信号图。图4是本发明根据图3在示波器中合成的李萨茹图形。图5是图4中的李萨茹图形在一个循环周期内的六种状态示意图。图6是本发明干涉式高密度圆光栅偏心检测装置的原理图。图7是本发明中两个光电接收器的安装位置示意图。图8是本发明偏心量与光栅栅格差距的几何关系图。图9是本发明偏心极限位置与接收器位置的几何关系图。图中1、一号激光器，2、一号准直镜，3、主光栅盘，4、副光栅盘，5、一号光电接收器，6、二号光电接收器，7、二号准直镜，8、二号激光器，9、主轴，10、轴套，11、光栅连接座，PDl表示一号光电接收器5，PD2表示二号光电接收器6。
具体实施例方式下面结合附图对本发明做进一步详细说明。如图1所示，本发明的干涉式高密度圆光栅偏心检测装置，包括一号激光器1、一号准直镜2、副光栅盘4、一号光电接收器5、二号光电接收器6、二号准直镜7、二号激光器8、主轴9、轴套10、光栅连接座11和示波器；待检测的主光栅盘3固定在主轴9的平台上，副光栅盘4固定在光栅连接座11上；光栅连接座11固定在轴套10上，光栅连接座11与轴套10同轴；轴套10与主轴9同轴，通过轴承动连接；副光栅盘4与主轴9通过光栅连接座11和轴套10实现同轴；一号激光器1与二号激光器8、以及一号准直镜2与二号准直镜7分别对径安装于主光栅盘3下面的轴套位置，并呈轴心对称；一号光电接收器5和二号光电接收器6分别置于副光栅盘4的上方；示波器分别与一号光电接收器5和二号光电接收器6连接。一号激光器1与二号激光器8具有较好的单色性，波段为可见光范围，即波长范围380nm 800nm，并且体积�。β氏喽越洗螅话阍趍W级以上，实施例中用到的激光器波长为780nm，功率为5mW。主光栅盘3和副光栅盘4之间的间距无特殊要求，可以适当调整位置，防止主光栅盘3运动时发生刮擦，两光栅盘的栅线密度高于125线对/mm。如图2所示，本发明中的动态干涉条纹信号检测原理是激光器发出的单色光经过主光栅盘发生一次衍射，分别取0级次和+1级次，两束衍射光经过副光栅盘发生二级衍射取(0，+1)级次和(+1，0)级次，出射光线由于主光栅盘的移动，(+1,0)级次产生频移，(0，+1)级次则不发生频移，二者出射方向一致，产生干涉条纹。光电接收器接收到干涉产生的明暗条纹光信号后可以在示波器中得到正弦信号，根据不同相位正弦信号的合成，即可检测出主光栅盘的偏心位置及偏心量。
根据光栅方程dXsin￥ = πιλ (m = 0，士 1，士2，K) (1)式中，d为光栅栅距，Ψ为衍射角，m为衍射级次，λ为衍射光的波长。假设衍射光斑直径为2r，级次为(0，1)和(1，0)两束衍射光为了能够产生干涉，衍射光斑必须有重叠部分，即要求两束光中心距离L < 2r，根据图2可得L= δ Xtg Ψ X cos Ψ = δ X λ/d (2)式中，δ为主光栅盘3和副光栅盘4的间距，为了便于安装和保护光栅刻划面，应使δ彡0.1mm，但为了能够发生干涉，必须满足δ < 2rXd/A (3)例如，对于波长λ = 785nm、光斑直径2r为2mm的衍射光，光栅栅距d = 2. 4 μ m的码盘，主、副光栅盘的间距δ <6. 12mm，实际为了便于光电接收器探测，应当尽量使光斑重叠部分增大，相应光栅盘间距δ减小。本发明的干涉式高密度圆光栅偏心检测装置安装完成后，将对径位置的一号激光器1与二号激光器8通电，在相应的一号光电接收器5与二号光电接收器6中提取干涉条纹信号，并将信号线连接示波器，通过示波器中信号微调两光电接收器的位置，即，使两光电接收器的视场位于光线的一阶衍射角位置。对径位置得到清晰稳定的静态条纹信号后，均勻转动主轴9，通过示波器显示可以看到正弦信号发生移动，而且信号的周期发生细微变化。一号光电接收器5与二号光电接收器6以主轴9为中心，以0°和180°对径安装；由于主光栅盘3相对主轴9的偏心，导致一号光电接收器5与二号光电接收器6在相同时间内经过的光栅数不一样，即得到的探测信号在频率和相位上存在差异，通过对比可以解算出运动一周对径位置信号产生的相位差，再根据信号与光栅参数之间的关系，可以通过相位差计算出偏心量。计算过程如下对径安装的一号光电接收器5与二号光电接收器6得到的信号如图3所示，信号分别为X，Y，设初始信号为X = A sin (ω J+θ J (4)Y = B sin (ω 2t+ θ 2)) (5)如果偏心为0，信号X，Y的角频率相等，= 2 π x/d，x为主光栅盘3运动的线位移，d为主光栅盘3的栅距；如果偏心为e，信号X，Y的角频率不相等，其中CO1 = ZjixiAI, ω2 = 2 π x2/d, xl为主光栅盘3 —侧运动的线位移，x2为光栅对径位置运动的线位移，则由于偏心频移产生的相位差Δ θ为Δ θ = 2 π (X2-X1) /d (6)而根据几何关系e (X2-X1)/2，于是可得偏心量e和相位差Δ θ之间的关系e = Δ θ X d/ (4 π )(7)Δ θ可以通过示波器中信号X，Y合成的李萨茹图变化读出，如图4和图5所示，从李萨茹图形读出对应的相位差值(要求正弦信号频率相等)，图形两次穿过水平轴之间的距离ζ与图形在水平轴投影总长度ζΟ之比设为w，则相位差Δ θ =arc sin(W)，结合图形旋转方向，可以得到相位角真值表如附表1所示(归一化后结果)附表权利要求
1.干涉式高密度圆光栅偏心检测装置，其特征在于，该检测装置包括一号激光器(1)、一号准直镜( 、副光栅盘(4)、一号光电接收器( 、二号光电接收器(6)、二号准直镜(7)、二号激光器(8)、主轴(9)、轴套(10)、光栅连接座(11)和示波器；待检测的主光栅盘(3)固定在主轴(9)的平台上，副光栅盘(4)固定在光栅连接座(11)上；光栅连接座(11)固定在轴套(10)上，光栅连接座(11)与轴套(10)同轴；轴套(10)与主轴(9)同轴，通过轴承动连接；副光栅盘(4)与主轴(9)通过光栅连接座(11)和轴套(10)实现同轴；一号激光器(1)与二号激光器(8)、以及一号准直镜(2)与二号准直镜(7)分别对径安装于主光栅盘(3)下面的轴套位置，并呈轴心对称；一号光电接收器( 和二号光电接收器(6)分别置于副光栅盘(4)的上方；示波器分别与一号光电接收器( 和二号光电接收器(6)连接；一号激光器(1)发出的激光经过一号准直镜( 后变为平行光，垂直入射到主光栅盘C3)中，经过主光栅盘( 的一次衍射和副光栅盘(4)的二次衍射后，产生干涉条纹，干涉条纹经过一号光电接收器( 转换为电信号后，由示波器接收，得到主光栅盘(3)的位移正弦信号；二号激光器(8)发出的激光经过二号准直镜(7)后变为平行光，垂直入射到主光栅盘(3)中，经过主光栅盘( 的一次衍射和副光栅盘(4)的二次衍射后，产生干涉条纹，干涉条纹经过二号光电接收器(6)转换为电信号后，由示波器接收，得到主光栅盘(3)的位移正弦信号；根据示波器中不同相位正弦信号的合成，能够得出主光栅盘(3)的偏心位置和偏心量。
2.如权利要求1所述的干涉式高密度圆光栅偏心检测装置，其特征在于，所述主光栅盘(3)和副光栅盘的光栅栅距相同，二者的安装间距δ为毫米数量级。
3.如权利要求1所述的干涉式高密度圆光栅偏心检测装置，其特征在于，所述一号激光器(1)与二号激光器(8)发出的激光均为单色光，其波长为380nm 800nm。
全文摘要
干涉式高密度圆光栅偏心检测装置涉及精密仪器检测领域，该检测装置包括一号激光器(1)、一号准直镜(2)、副光栅盘(4)、一号光电接收器(5)、二号光电接收器(6)、二号准直镜(7)、二号激光器(8)、主轴(9)、轴套(10)、光栅连接座(11)和示波器。利用光栅盘使单束光线发生两次衍射后再发生干涉，光电接收器接收干涉条纹信号后可以在示波器中得到正弦信号，根据不同相位正弦信号的合成，即可检测出主光栅盘偏心位置及偏心量。本发明可以检测密度高于125线对/mm的计量光栅盘，使编码器光机结构的机械装调方便，使光栅计量系统体积减小，结构简单化。
文档编号G01B11/00GK102564308SQ201110451038
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月29日 优先权日2011年12月29日
发明者曹艳波, 艾华 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
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