基于光場耦合的時柵位移傳感器設(shè)計*

昌　馳, 朱　革, 付　敏, 姜林言

(重慶理工大學 機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室,重慶 400054)

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基于光場耦合的時柵位移傳感器設(shè)計*

昌馳, 朱革, 付敏, 姜林言

(重慶理工大學 機械檢測技術(shù)與裝備教育部工程研究中心時柵傳感及先進檢測技術(shù)重慶市重點實驗室,重慶 400054)

摘要:為了實現(xiàn)制造成本低、易加工、高精度的位移測量，設(shè)計了一種光場耦合式的時柵位移傳感器。介紹了利用基于交變光場的兩路駐波合成電行波信號，并通過鑒相的方式實現(xiàn)空間位移轉(zhuǎn)換的測量原理；完成了傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計，給出了傳感器的系統(tǒng)框圖，具體分析了信號處理電路的功能。實驗結(jié)果表明：光場耦合式的時柵位移傳感器在108 mm范圍內(nèi)誤差為±0.5 μm。

關(guān)鍵詞：位移測量； 光場耦合； 行波合成； 時柵傳感器； 誤差曲線

0引言

隨著近代工業(yè)和科學技術(shù)的迅速發(fā)展，高精度位移測量在直線伺服電機、數(shù)控系統(tǒng)、精密加工以及國防軍工等眾多領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[1，2]，實際工程應(yīng)用中常以光柵傳感器和激光干涉儀為主。光柵傳感器利用光電掃描原理對柵線檢測實現(xiàn)位移測量，其測量精度取決于空間等間距柵線的制造精度，制造精度又依賴于精密的光刻技術(shù)，而光刻技術(shù)卻受到了光波波長和光學衍射極限的制約[3,4]。激光干涉儀的測量精度取決于激光波長，且測量誤差隨測量行程的增加而增大。其對環(huán)境敏感，易受到大氣溫度、壓力、濕度和大氣湍流等因素的影響，不適合長時間的工作應(yīng)用[5～7]。

針對光柵傳感器和激光干涉儀中存在的問題，本文提出了一種光場耦合式的時柵位移傳感器。該傳感器是在時柵原理基礎(chǔ)[8～10]上提出的一種基于交變光場耦合的測量方式。其測量原理是“以時間量測量空間量”，即以時間為測量的基準單位，提高了空間位移測量的分辨率與精度；同時傳感器采用了“柵面”的形式，降低傳感器的制造成本和難度。

1傳感器的測量原理

(1)

圖1　正弦“柵面”透光面積隨位移變化關(guān)系Fig 1　Relationship between displacement variation andtranslucent area of sinusoidal“grid surface”

由式(1)可知，正弦“柵面”②和③的透光面積之差與位移呈余弦關(guān)系。另有一組正弦“柵面”④和⑤(如圖2所示)在空間上與②和③錯開w/2距離，同理,可得④和⑤的透光面積變化情況為

(2)

當光強信號分別為等幅、同頻的余弦和正弦信號時，則“柵面”②和③與“柵面”④和⑤透光面積之差的光信號可分別表示為

(3)

(4)

式(3)+式(4)得

(5)

2傳感器的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖3所示，由交變光源、定尺、動尺和光電池組成。交變光源分別由正弦信號I0+Imcosωt和I0+Imsinωt驅(qū)動；定尺和動尺的基體為玻璃，定尺上均勻分布著兩排透光的矩形“柵面”，且兩排“柵面”之間錯開半個“柵面”寬度的位置；動尺上分布著四排透光的正弦“柵面”，且“柵面”之間有特定的位置關(guān)系(如圖2所示)，“柵面”②和③,④和⑤在空間相位上分別相差180°，②和④,③和⑤分別相差90°，且同一排的“柵面”之間相差180°。

圖2　動尺正弦“柵面”空間位置關(guān)系Fig 2　Spatial location relationship of sinusoidal“grid surface”ofmoving ruler

圖3　傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig 3　Structural diagram of sensor

2.2系統(tǒng)框圖

傳感器的系統(tǒng)框圖如圖4所示，包括時柵激勵信號、傳感器基體、信號處理電路和時柵控制器等部分。將兩路時間上正交的激勵信號通過空間正交的“柵面”結(jié)構(gòu)，形成四路時間和空間相互耦合的光場駐波信號。利用光電池分別接收四路光場駐波信號，然后進行光電轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的駐波信號通過求差電路可得到電行波信號。當動尺相對于定尺發(fā)生位移時，時柵控制器負責測量電行波信號與激勵信號過零點的時間差，換算成實際的直線位移大小，并進行相關(guān)的誤差修正，將測量結(jié)果送到上位機顯示。

圖4　傳感器系統(tǒng)框圖Fig 4　System block diagram of sensor

2.3信號處理電路

信號處理電路主要是將光電池感應(yīng)的cos路駐波電信號和sin路駐波電信號經(jīng)過相關(guān)信號處理轉(zhuǎn)換成方波。信號處理電路如圖5所示，包括光電轉(zhuǎn)換、低通濾波、求差電路、儀用放大和過零比較五個部分。首先通過光電轉(zhuǎn)換將四路光電池接收的信號放大，分別為+cos路駐波、-cos路駐波、+sin路駐波和-sin路駐波；分別通過RC低通濾波器，濾除高頻噪聲；然后將cos路、sin路駐波信號分別求差得到消除直流分量的駐波信號，再將這兩路駐波求差即得到電行波信號；之后再將行波信號通過儀用放大電路進一步放大；最后將放大后的信號通過過零比較電路。實驗結(jié)果表明:通過此信號處理電路可以獲得較理想的電行波信號。

圖5　信號處理電路Fig 5　Signal processing circuit

3實驗驗證

搭建傳感器的實驗測試平臺如圖6(a)所示，包括RENISHAW測量系統(tǒng)、直線導軌、位移傳感器(如6(b)所示)、傳感器控制界面和干涉儀控制界面。傳感器定尺和動尺實物圖(如圖6(c)所示)。實驗中利用FPGA產(chǎn)生兩路同頻、等幅、相位差為π/2的激勵信號驅(qū)動兩路光源，其光源為紅色的LED光源配上透鏡。傳感器定尺正對于動尺安裝，光電池安裝在動尺“柵面”的正后方，且與動尺一起固定在直線導軌工作臺上。當工作臺移動時，動尺“柵面”的面積發(fā)生周期性變化，配合光強的正交變化，可將位移調(diào)制到電信號的相位變化上來。

實驗中所得的電行波信號如圖7所示。在對傳感器位置和信號處理電路元器件反復調(diào)整后，整個量程中電行波信號的峰峰值差小于52 mV，控制在2 %以內(nèi)，滿足所要求的幅值差裕值范圍；同時，由FFT頻譜圖(圖8所示)看出，通過光場耦合的電行波信號為一個高質(zhì)量、頻率10 kHz的正弦信號，所以,測量精度可以得到有效的保證。

利用上述電行波信號進行位移測量，用激光干涉儀進行校準。實驗中由時柵電氣控制箱采集光場時柵的測量值，同時記錄激光干涉儀的測量值，即可得到傳感器的測量誤差。實驗表明:在整個108 mm測量范圍內(nèi)，通過誤差補償，傳感器精度可達到±0.5 μm(如圖9所示)。

圖6　實驗測試平臺，位移傳感器和定尺，動尺Fig 6　Experimental test platform,displacement sensor,fix length and moving length

圖7　電行波信號Fig 7　Electric travelling wave signal

圖8　電行波頻譜圖Fig 8　Spectrogram of travelling wave

4結(jié)論

1)利用光場耦合和時柵的測量原理可實現(xiàn)高精度的空間位移測量，測量精度為±0.5 μm；

2)定尺和動尺的“柵面”寬度遠大于光柵精而密的“柵線”，有效地降低傳感器基體的制造難度和成本。

圖9　傳感器誤差曲線Fig 9　Error curve of sensor

實驗表明了利用光強正交的交變光場透過“柵面”合成行波進而實現(xiàn)高精度位移測量的可行性，為光電位移傳感器擺脫高精度的制造工藝、苛刻的環(huán)境要求限制提供了有效的解決方案。

參考文獻:

[1]袁巨龍,張飛虎,戴一帆,等.超精密加工領(lǐng)域科學技術(shù)發(fā)展研究[J].機械工程學,2010,46 (15) ：161-177.

[2]裘祖榮,石照耀,李巖.機械制造領(lǐng)域測量技術(shù)的發(fā)展研究[J].機械工程學報,2010,46 (14)：1-11.

[3]鄒自強.論納米光柵測量技術(shù)[J].納米技術(shù)與精密工程,2004,2(1)：8-15.

[4]Grotjohann T,Testa I,Leutengger Marcel,et al.Diffraction-un-limited all-optical imaging and writing with a photochromic GFP[J].Nature,2011,478(7368):204-208.

[5]曲興華,王立華.基于激光技術(shù)的亞納米位移測量系統(tǒng)的研究[J].儀器儀表學報,2010,31(6) ：1276-1281.

[6]Fleming A J.A review of nanometer resolution position sensors:Operation and performance[J].Sensors and Actuators A:Physical,2013,190:106-126.

[7]Karrai K,Braun P.Miniature long-range laser displacement sensor[C]∥Proc of Actuator,Bremen,Germany,2010:285-288.

[8]彭東林.時柵位移傳感器與新型機床動態(tài)檢測系統(tǒng)[M].北京：科學出版社,2010：40-48.

[9]彭東林,劉小康,譚紅民.時空坐標轉(zhuǎn)換理論與時柵位移傳感器研究[J].儀器儀表學報,2000,4(3)：340-342.

[10] 高忠華，陳錫侯，楊繼森，等.直線時柵傳感器全誤差模型和誤差修正方法研究[J].傳感器與微系統(tǒng),2012,31(8)：87-89.

Design of time-grating displacement sensor based on light field coupling*

CHANG Chi, ZHU Ge, FU Min, JIANG Lin-yan

(Engineering Research Center of Mechanical Testing Technology and Equipment,Ministry of Education,Chongqing Key Laboratory of Time-Grating Sensing and Advanced Testing Technology,Chongqing University of Technology,Chongqing 400054,China )

Abstract:In order to achieve displacement measurement of low cost,easy processing and high-precision,time-grating displacement sensor of light field coupling is designed.The measurement principle of displacement sensor,which uses electric standing waves based on alternating light field to synthesize electric traveling wave signal,and achieves spatial displacement conversion by means of phase discrimination,is illustrated;structural design of sensor is completed,system block diagram is given and function of signal processing circuit is specifically analyzed.Experimental results show that measurement error of time-grating displacement sensor of light field coupling can reach to ± 0.5 μm at range of 108 mm.

Key words:displacement measurement; light field coupling; travelling wave synthesis; time-grating sensor; error curve

DOI:10.13873/J.1000—9787(2016)02—0113—03

收稿日期：2015—05—15

*基金項目：教育部新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET—13—1065)；重慶市教委科學技術(shù)研究項目(KJ130801)

中圖分類號：TP 212

文獻標識碼：A

文章編號：1000—9787(2016)02—0113—03

作者簡介:

昌馳(1990-)，男，安徽合肥人，碩士研究生，主要從事智能檢測與傳感器技術(shù)的研究。