专利名称：伺服比较式偏振光位移传感器系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及以光学方法为特征的计量设备，是一种伺服比较式偏振光位移传感器系统。
背景技术：
在背景技术领域中，直线位移或角位移是一个基本的物理量，位移传感器在科学研究和工业应用中量大而面广。现有位移传感器中应用较多的是电位器式位移传感器和光电编码器。电位器式位移传感器结构简单，价格低廉，但它属于典型的接触式传感器，寿命、精度、可靠性都偏低。偏振光位移传感器可以有与电位器式位移传感器相似的结构，而它的传感部分则具有非接触的优点。光电编码器式位移传感器可以直接测量角位移并通过机械转换装置测量直线位移，但它的制造工艺要求和价格都比较高。偏振光位移传感器也可与光电编码器有相同或相似的外部变换结构，但它的传感部分制造工艺简单，成本较低。
偏振光位移传感器要解决的基本问题之一是其固有的非线性，它是由光学上的马吕斯定律引入的。现有的技术方案是在机械部分进行预校正或在电路部分进行线性化处理。预校正的方法造成机械结构复杂，校正的效果依赖于加工精度。而对测量数据进行线性化处理需要A/D、单片机等装置，使电路复杂化。偏振光位移传感器要解决的基本问题之二是光源光强的漂移问题。现有的光反馈、温度补偿方法效果都有限。如何实现大量程测量是偏振光位移传感器要解决的另一个基本问题。现有的技术方案是利用偏振光检测的周期性，这需要对光电信号进行连续化处理，也增加了系统的复杂性和成本。
为达到上述目的，本发明采用的原理是将被测量的直线位移X通过机械结构(线性地)转换为角位移θ1与θ2，角位移θ1与θ2则分别在一个同光源双光路正交差动比较式偏振光检测系统中构成了偏振光之起偏器与检偏器透光轴间的夹角，根据马吕斯定律，在检偏系统中θ1与透过检偏器的光强J1之间具有确定的关系，即J1＝J0COS2θ1(1)其中J0为光源光强，当另一路光的检偏系统共用同一光源并且光路对称时，同理有J2＝J0COS2θ2(2)为得到最好的线性度，将θ1预置为45°，θ2预置为135°，二者是正交的(相差90°)，此时有J1＝J2，则当被测直线位移X连续运行使两起偏器(检偏器)同时产生一个角位移θ时，一般有J1≠J2，利用ΔJ＝J1-J2及其光电转换信号控制伺服(步进)电机使两检偏器(或起偏器)也跟踪(伺服)转过一个角度θ′，可以得到此时J1和J2的表达式J1＝J0COS2(45°+θ-θ′) (3)J2＝J0COS2(135°+θ-θ′) (4)当θ＝θ′时，有J1＝J2，反之也成立。即当两路光电信号之差为零时，表明伺服电机驱动下旋转的角度与输入位移造成的旋转角是相等的，在不失步的条件下，步进(伺服)电机的控制脉冲数成为被测位移的一个准确度量，并且可以对应很大的位移量程。而在同光源双光路正交差动比较结构中，当光强漂移时，预置工作点的纵坐标(光强或其光电转换信号)改变，但其横坐标(角位移)仍维持不变，即系统具有抗光源光强漂移的能力。为保证两检偏器(起偏器)是正交的，本发明采用由两片透光轴互成90°的偏振片合成特制的双偏振器。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是包括发光元件，起偏器，同心圆正交双检偏器，伺服或步进电机，两个光电检测元件，比较放大器，信号处理电路，电机驱动器；在起偏器的一侧装有发光元件，在起偏器的另一侧装有由伺服或步进电机带动转动的同心圆正交双检偏器，检偏器的另一侧装有两个光电检测元件，两个光电检测元件分别与比较放大器的两输入端连接，比较放大器的输出端经信号处理电路、电机驱动器接伺服或步进电机。
被测量位移引起机械转换结构中的圆轮转动，带动偏振光检测系统中的起偏器转动，发光元件发出的光束分别通过起偏器和同心圆正交双检偏器到达两个光电检测元件，两光电接收器件的输出端分别连接到比较放大器的两输入端，比较放大器的输出端连接到信号处理电路，信号处理电路的输出连接到电机驱动器的输入端，信号处理电路同时提供本发明的位移测量系统的检测与显示输出信号。
本发明与背景技术相比，具有的有益的效果是1.传感部分为非接触的偏振光检测，运行可靠，使用寿命长；2.伺服比较原理将工作点固定在线性度比较好的点，解决了光学系统固有的非线性问题；3.同光源双光路正交差动比较结构解决了光源光强漂移问题；4.现有步进电机分辨率指标已很高，并且由于轻载不易丢步，本发明的伺服比较原理适合大量程位移的测量；5.伺服比较式位移传感器为光、机、电一体化结构，各部分相对简单，性能价格比高。
如
图1所示，被测直线位移经机械转换使起偏器3旋转产生角位移θ，信号处理电路9通过电机驱动器10驱动伺服或步进电机5作伺服随动，使同心圆正交双检偏器4也旋转过相同的角度θ′，同时根据伺服或步进电机5的控制脉冲数提供被测位移的数值。具体工作过程可进一步描述如下发光元件2发出的部分光束被光电元(组)件1接收，形成光反�。狗⒐庠�2的光强有较高的稳定度。发光元件2发出的一部分光束分别通过起偏器3、同心圆正交双检偏器4的外环部分为光电检测元件6所接收；发光元件2发出的另一部分光束分别通过起偏器3、同心圆正交双检偏器4的内圆(或内环)部分为光电检测元件7所接收；通常使光电检测元件6、7在初始工作点(位移起点)接收的光强相等，而同心圆正交双检偏器4外环部分的透光轴与内环(圆)部分的透光轴是正交的。光电检测元件6、7输出的电信号连接至比较放大器8，它可由通常的模拟运算放大器电路构成。比较放大器8输出的光电差动信号连接至信号处理电路9，它可由数字电路、模拟电路或智能芯片组成，根据差动信号的方向、大小控制电机驱动器10和步进电机5使θ′不断跟随θ，直至二者相等。
如图2所示，本发明的正交差动比较结构具有抗光强漂移的能力。由(1)～(4)式可知，当光强未发生漂移时，上述正交差动比较伺服控制的结果使2条马吕斯曲线上的工作点维持在其交点(A点)；当光强发生漂移时，工作点将移至B点，但B点的横坐标(对应位移)仍与A点同，这意味着光强漂移对位移测量的结果没有影响。
如图3所示，本发明的同心圆正交双检偏器4由外环和内环(圆)两部分组成，二者的透光轴是正交(互成90°)的。同心圆正交双检偏器4也可用其他形状的偏振片构成。
如图4所示，本发明的正交差动光路及其安装结构可实现发光、光电元件的固定化，即它们不随起偏器3和同心圆正交双检偏器4转动，避免了类似电刷装置的使用，从而使电路可靠连接。在图4中，发光元件2和光电检测元件6、7被固定在结构件如遮光罩11上，与运动部分没有直接联系，而两个光电检测元件6、7对于发光元件2和同心圆正交双检偏器4内外环的分界线是对称布置的。
权利要求
1.一种伺服比较式偏振光位移传感器系统，其特征在于包括发光元件(2)，起偏器(3)，同心圆正交双检偏器(4)，伺服或步进电机(5)，两个光电检测元件(6、7)，比较放大器(8)，信号处理电路(9)，电机驱动器(10)；在起偏器(3)的一侧装有发光元件(2)，在起偏器(3)的另一侧装有由伺服或步进电机(5)带动转动的同心圆正交双检偏器(4)，检偏器的另一侧装有两个光电检测元件(6、7)，两个光电检测元件(6、7)分别与比较放大器(8)的两输入端连接，比较放大器(8)的输出端经信号处理电路(9)、电机驱动器(10)接伺服或步进电机(5)。
全文摘要
本发明公开了一种伺服比较式偏振光位移传感器系统。在起偏器的一侧装有发光元件、另一侧装有由伺服或步进电机带动转动的同心圆正交双检偏器，检偏器的另一侧装有两个光电检测元件，分别与比较放大器两输入端连接，其输出端经信号处理电路、电机驱动器接伺服或步进电机。它以偏振光光强信号过“零”检测和步进电机伺服比较为基础的差动式位移传感器系统，通过被测位移引起的角度变化和步进电机在光电信号控制下的角度伺服跟踪，完成机械位移至电机控制脉冲之间的转换，将工作点始终维持在线性度比较好的选定点，消除系统的非线性误差，提高测量准确度；用正交差动偏振检测结构排除光源光强漂移的影响；用伺服跟踪方式实现大量程的位移测量。
文档编号G01B11/26GK1474158SQ0314182
公开日2004年2月11日 申请日期2003年7月22日 优先权日2003年7月22日
发明者李伟, 卢圣, 王耀军, 李 伟 申请人:浙江大学
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