專利名稱：光柵位移測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明適用于線位移和角位移的測(cè)量。
光柵用于線位移和角位移的測(cè)量已為人們所熟知，通常光柵信號(hào)中含有豐富的諧波，高次諧波的含量一般可占基波的10％左右，這些高次諧波影響了光柵信號(hào)的質(zhì)量。在測(cè)量?jī)x器中，由于測(cè)量速度具有隨意性，一般不能采用電路濾波的方法，而只能進(jìn)行光學(xué)濾波。目前這一方面的研究很少，僅有一種用空間光闌改善光柵信號(hào)的正弦性的方法(美國專利3,674,372)。這種方法的不足之處在于光闌只適用于橫向和縱向莫爾條紋的濾波，無法對(duì)光閘莫爾條紋濾波；同時(shí)光闌濾波要求莫爾條紋具有固定的空間頻率，光柵在使用時(shí)常常滿足不了要求；光闌濾波降低了信號(hào)的對(duì)比度，光柵均勻性引起的直流電平漂移也更加突出，光闌濾波器的這些缺點(diǎn)使其很少應(yīng)用。
本發(fā)明的目的在于提供一種由兩個(gè)光柵組成的位移測(cè)量裝置，該裝置能夠輸出與位移有關(guān)的純凈的正弦信號(hào)。
本發(fā)明的基本思想是通過合理設(shè)計(jì)兩光柵測(cè)量裝置中指示光柵的刻線結(jié)構(gòu)，使測(cè)量裝置輸出單一諧波的信號(hào)。在本發(fā)明中指示光柵的每條刻線是由多個(gè)精細(xì)的光學(xué)圖形單元連接而成，每個(gè)光學(xué)圖形單元含有透光部分，光強(qiáng)透過率為常數(shù)c，和不透光部分，光透過率為0。


圖1是本發(fā)明所采用的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是圖1中指示光柵4的局部示意圖。
圖3是圖1中指示光柵4單個(gè)的透光單元的示意圖。
圖4為本發(fā)明的用于角位移測(cè)量的示意圖。
圖5是圖4中徑向指示光柵4的示意圖。
圖6是圖4中指示光柵4的透光單元的示意圖。
圖中，1-光源，2-聚光鏡，3-標(biāo)尺光柵，4-指示光柵，5-光電接收裝置，6-軸系。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
在圖1所示的裝置中，光源1位于聚光鏡2的焦面上，光線經(jīng)聚光鏡2變?yōu)闇?zhǔn)直光，如果光源1本身能夠發(fā)出準(zhǔn)直光，聚光鏡2可以省略不用。準(zhǔn)直光依次通過彼此相鄰的標(biāo)尺光柵3和指示光柵4，標(biāo)尺光柵3與指示光柵4之間取一很小的間隙z，以避免二者相互磨擦，它們可以在x軸方向作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。標(biāo)尺光柵3為一線性光柵，即光柵的各條刻線相互平行，指示光柵4的各條刻線也相互平行，并具有與標(biāo)尺光柵3相同的光柵常數(shù)W。指示光柵4具有特別的刻線形式，如圖2所示，它的每條刻線由許多個(gè)透光單元組成，每個(gè)透光單元中間有一透光孔，如圖3所示，透光孔內(nèi)光強(qiáng)透過率為常數(shù)c，透光孔以外區(qū)域光強(qiáng)透過率為0或接近于0，透光孔的內(nèi)邊緣沿y方向的跨度滿足Δy=ai+bisin(2πxW+φi)--------(1)]]>其中，W--光柵常數(shù)；i--光學(xué)圖形單元的編號(hào)；ai、bi--與第i個(gè)光學(xué)圖形單元形狀大小有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于不同的單元可以取不同的值；φi--第i個(gè)光學(xué)圖形單元的初相角；xi-W2<x<xi+W2,]]>xi為該透光單元中心的坐標(biāo)。
讓標(biāo)尺光柵3和指示光柵4的柵線相互平行或者稍微傾斜，照明光經(jīng)過兩光柵后為光電接收裝置5所接收，光電接收裝置5中通常含有多個(gè)光電元件，由于指示光柵的作用，當(dāng)兩光柵作相對(duì)直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，每個(gè)光電元件的輸出均不含有高次諧波，光電接收裝置5中的光電元件之間通常具有一定的相位差，可用于細(xì)分和辨向等。
現(xiàn)在就以兩光柵柵線相互平行為例來解釋上述裝置的原理。
在如圖1所示的由標(biāo)尺光柵與指示光柵組成的兩光柵光學(xué)系統(tǒng)中，標(biāo)尺光柵為一具有恒定周期的光柵，可以表示為傅立葉級(jí)數(shù)的形式，g(x)=Σn-∞+∞Cnexp(j2πnxW)----------(2)]]>其中，Cn(n＝0，±1，±2，…)--傅立葉系數(shù)，其值取決于刻線結(jié)構(gòu)；x--在光柵平面內(nèi)沿與刻線垂直方向的坐標(biāo)；W--光柵常數(shù)。
標(biāo)尺光柵3在準(zhǔn)直光照射下，根據(jù)傅立葉光學(xué)，光柵的近衍射場(chǎng)的光強(qiáng)也呈周期分布，可以表示為I(x,z)=Σn=-∞+∞Il(z)exp(j2πxlW)----(3)]]>其中，x--在光柵平面內(nèi)沿與刻線垂直方向的坐標(biāo)；z--衍射場(chǎng)平面與光柵平面的距離；Il(z)--為各次諧波的幅值，其值取決于刻線的結(jié)構(gòu)及z的大??；設(shè)指示光柵4共含有N個(gè)透光單元，則指示光柵的透光函數(shù)可以表示為l(x,y)=Σi=1Nli(x-xi,y-yi)------------(4)]]>式中，(xi，yi)--第i個(gè)透光單元中心的坐標(biāo)；ti(x－xi，y－yi)--第i個(gè)單元的透光函數(shù)，若(x，y)位于第i個(gè)透光單元的透光孔內(nèi)，ti(x－xi，y－yi)＝c，否則ti(x－xi，y－yi)＝0。
通常透光單元比較小，光電元件尺寸比較大，光電元件總是覆蓋著許多透光單元，如果忽略光電元件邊緣覆蓋的分?jǐn)?shù)單元，可設(shè)光電元件覆蓋著整數(shù)n(＜N)個(gè)透光單元，光電元件接收到的光強(qiáng)E為標(biāo)尺光柵衍射場(chǎng)的光強(qiáng)分布與指示光柵光強(qiáng)透過率的卷積，由式(3)、(4)得E=∫∫sI(x0-x)t(x,y)dxdy]]>=∫∫sΣl=-∞∞Il(z)exp(j2πl(x0-x)W)Σi=1nti(x-xi,y-yi)dxdy]]>=ΣI=-∞∞Il(z)exp(j2πlx0W)Σi-ln∫∫sexp(-j2πlxW)li(x-xi,y-yi)dxdy]]>=Σl=-∞∞Il(z)exp(j2πlx0W)Σi=1nc∫xi-W2xi+W2exp(-j2πlxW)[ai+bisin(2πxW+φi)]dx----(5)]]>當(dāng)l＝0時(shí)，El=0=I0(z)cΣi=1naiW]]>當(dāng)l＝-1時(shí)，El=-1=exp(-j2πx0W)I-1(z)cΣi=1nbiW2(sinφi+jcosφi)]]>當(dāng)l＝1時(shí)，El=1=exp(j2πx0W)Il(z)cΣi=1nbiW2(sinφi-jcosφi)]]>當(dāng)l≠0，±1時(shí)，El≠0＋1＝0
由此可見，在標(biāo)尺光柵與指示光柵組成的位移測(cè)量裝置中，光電元件接收的光強(qiáng)信號(hào)僅含有一次基波，二次以上高次諧波均為0。
在本發(fā)明的另一種形式圖4里，光源1位于聚光鏡2的焦面上，光線經(jīng)聚光鏡2變?yōu)闇?zhǔn)直光，如果光源1本身能夠發(fā)出準(zhǔn)直光，聚光鏡2可以省略不用。準(zhǔn)直光依次通過彼此相鄰的標(biāo)尺光柵3和指示光柵4，標(biāo)尺光柵3通過軸系6與某一個(gè)轉(zhuǎn)角待測(cè)定的部件剛性地聯(lián)接在一起，軸系可以轉(zhuǎn)動(dòng)，指示光柵4與一基準(zhǔn)部件相聯(lián)接。標(biāo)尺光柵3為一徑向光柵，即光柵的各條刻線相交于一點(diǎn)，指示光柵4是具有與標(biāo)尺光柵3相同的光柵常數(shù)ω的徑向光柵，但指示光柵4只取整個(gè)圓周的一個(gè)局部，并具有特別的刻線形式，如圖5所示。它的每條刻線由許多個(gè)透光單元連接而成，每個(gè)透光單元有一透光孔，如圖6所示，透光孔內(nèi)光強(qiáng)透過率為常數(shù)c，透光孔以外區(qū)域透過率為0或接近于0，透光部分沿半徑方向的跨度Δy符合或者近似符合下面的表達(dá)式Δr=ai+bisin(2πθω+φi)------(6)]]>其中，ω--徑向光柵刻線的角間距；i--光學(xué)圖形單元的編號(hào)；θ--以指示光柵刻線交點(diǎn)為圓心沿圓周方向的角度坐標(biāo)，θi-ω2+<θ<θi+ω2,]]>θi為第i個(gè)光學(xué)圖形單元中心的角度坐標(biāo)；ai、bi--與第i個(gè)光學(xué)圖形單元形狀大小有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于不同的單元可以取不同的值；φi--第i個(gè)光學(xué)圖形單元的初相角；
標(biāo)尺光柵3和指示光柵4柵線方向一致或者稍微傾斜，照明光經(jīng)過兩光柵后為光電接收裝置5所接收，由于指示光柵4的特殊作用，當(dāng)軸系轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電接收裝置的輸出是較純凈的正弦波。圖4所示裝置的原理類似于圖1，只需將直角坐標(biāo)改為極坐標(biāo)，以角度坐標(biāo)θ代替x，線性光柵的常數(shù)W換為徑向光柵的常數(shù)ω即可，這里不再贅述。
本發(fā)明的積極效果在于采用本發(fā)明所提供的標(biāo)尺光柵和指示光柵組成的測(cè)量裝置只輸出單一的諧波信號(hào)。與其它技術(shù)相比(美國專利3,674,372)，具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的指示光柵可以制作成與現(xiàn)有各種指示光柵相兼容的形式，在不需要改變現(xiàn)有光柵測(cè)量裝置下，只要更換一片指示光柵就可以達(dá)到濾波效果。而光闌濾波器只能以自己獨(dú)特的形式存在，與現(xiàn)有的光柵讀數(shù)裝置兼容性差，不利于推廣。采用本發(fā)明提供的光柵位移測(cè)量裝置中，光柵信號(hào)諧波的純凈性不受莫爾條紋空間頻率變化的影響，克服了光闌濾波器的缺點(diǎn)。提高了測(cè)量質(zhì)量。本發(fā)明可用于一切線位移和角位移測(cè)量裝置中。
權(quán)利要求
1.光柵位移測(cè)量裝置具有光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電接收裝置，其光源位于標(biāo)尺光柵一側(cè)，照明光線依次經(jīng)過標(biāo)尺光柵和指示光柵，為光電接收裝置所接受，其特征是所說的指示光柵其每條刻線是由多個(gè)精細(xì)的光學(xué)圖形單元連接而成，每個(gè)光學(xué)圖形單元含有透光部分，光強(qiáng)透過率為常數(shù)c，和不透光部分，光透過率接近為0。
2.按照權(quán)利要求1所說的光柵位移測(cè)量裝置，其特征是所說的指示光柵各條刻線相互平行，其組成刻線的光學(xué)圖形單元中的透光部分沿刻線方向的跨度Δy符合或者近似符合下面的表達(dá)式Δy=ai+bisin(2πxW+φi)]]>其中，W--光柵常數(shù)；i--光學(xué)圖形單元的編號(hào)；x--光柵平面內(nèi)沿與刻線垂直的方向的坐標(biāo)，xi-W2<x<xi+W2,]]>xi為第i個(gè)光學(xué)圖形單元中心在x方向的坐標(biāo)ai、bi--與第i個(gè)光學(xué)圖形單元形狀大小有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于不同的單元可以取不同的值；φi--第i個(gè)光學(xué)圖形單元的初相角。
3.按照權(quán)利要求1所說的光柵位移測(cè)量裝置，其特征是所說的指示光柵各條刻線相交于一點(diǎn)，其組成刻線的光學(xué)圖形單元中的透光部分沿該刻線方向的跨度Δy符合或者近似符合下面的表達(dá)式Δr=ai+bisin(2πθω+φi)]]>其中，ω--指示光柵相臨刻線的角間距；i--光學(xué)圖形單元的編號(hào)；θ--以指示光柵的刻線交點(diǎn)為圓心沿圓周方向的角度坐標(biāo)，θi-ω2<θ<θi+ω2,]]>θi為第i個(gè)圖形單元中心的角度坐標(biāo)ai、bi--與第i個(gè)光學(xué)圖形單元形狀大小有關(guān)的常數(shù)，對(duì)于不同的單元可以取不同的值；φi--第i個(gè)光學(xué)圖形單元的初相角。
全文摘要
光柵位移測(cè)量裝置，適用于線位移和角位移的測(cè)量。具有光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電接收裝置。本發(fā)明的指示光柵的每條刻線是由多個(gè)精細(xì)的光學(xué)圖形單元連接而成，每個(gè)光學(xué)圖形單元含有透光部分，光強(qiáng)透過率為常數(shù)c，和不透光部分，光透過率為0或接近于0。本發(fā)明可輸出純凈的正弦波信號(hào)，信號(hào)的純潔性不受光柵莫爾條紋形式和空間頻率變化的影響。
文檔編號(hào)G01B11/26GK1146551SQ9511718
公開日1997年4月2日 申請(qǐng)日期1995年9月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年9月29日
發(fā)明者王春海, 張國雄, 郭尚旗 申請(qǐng)人:天津大學(xué)