一種新型光臂放大式高精度長度傳感器及測量方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種精密測試技術及儀器領域，特別涉及一種新型光臂放大式高精度 長度傳感器及測量方法。
【背景技術】
[0002] 位移傳感器是一種常用的幾何量傳感器，在航空航天、工業(yè)生產、機械制造以及軍 事科學等很多領域中都有廣泛的使用。位移的測量方式有很多種，較小位移（如小于lcm) 通常用應變式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器來檢測，較大的位移（如大于 lcm)常用感應同步器、光柵、容柵、磁柵等傳感技術來測量。其中光柵傳感器因具有易實現(xiàn) 數(shù)字化、精度高（目前分辨率最高的可達到納米級）、抗干擾能力強、沒有人為讀數(shù)誤差、安 裝方便、使用可靠等優(yōu)點，在機床加工、檢測儀表等行業(yè)中得到日益廣泛的應用。
[0003] 光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形 的光學玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10~100線/毫米。由光柵形成的疊柵 條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。
[0004] 光柵傳感器由于光刻工藝的物理結構限制，造成其測量精度很難再有提升，無法 滿足越來越高的測量精度的需求，迫切需要開發(fā)一種結構簡單，精度更高的傳感器。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有光柵式位移傳感器由于其制造工藝、結構的限制導致 的精度很難進一步提高的不足，提供一種新型光臂放大式高精度長度傳感器，該長度傳感 器上設有反射部件，反射部件上具有連續(xù)的多個反射面，被測物體發(fā)生位移時，激光源發(fā)射 的激光束通過反射面反射到光電探測器上，根據(jù)光電探測器檢測到的反射激光位置的變化 值，得到被測物體的位移大小，該長度傳感器結構簡單，提高了測量精度，易于實現(xiàn)批量制 造。
[0006] 為了實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供了以下技術方案：
[0007] -種新型光臂放大式高精度長度傳感器，包括：
[0008] 激光束一、激光束二；
[0009] 反射部件，所述反射部件上設有用于反射所述激光束一、激光束二的若干個反射 面，每個所述反射面截面為凸起形狀，所有所述反射面首尾相連；
[0010] 光電探測器一，用于接收所述激光束一在所述反射部件中的反射面反射后的激光 束并顯示其反射位置；
[0011] 光電探測器二，用于接收所述激光束二在所述反射部件中的反射面反射后的激 光束并顯示其反射位置；
[0012] 處理系統(tǒng)，根據(jù)所述光電探測器一上所接收到的激光束一反射位置變化值和所述 光電探測器二上所接收到的激光束二反射位置變化值，計算得到被測物體的位移變化值。
[0013] 該新型光臂放大式高精度長度傳感器，可以通過將反射部件安裝在被測物體上， 激光束一、激光束二入射到反射部件的不同反射面表面后分別反射到光電探測器一、光電 探測器二上。當反射部件固定在被測物體上時，被測物體發(fā)生位移，反射部件隨之一起位 移，通過測量位移過程中激光束一、激光束二經(jīng)反射部件的反射面反射后分別位于光電探 測器一、光電探測器二上的反射位置點的變化，每個時刻激光束一、激光束二在反射面上反 射后的兩條激光束中至少有一條反射激光能夠被對應的光電探測器一、光電探測器二所檢 測，即光電探測器一、光電探測器二的長度適配并能夠感應到激光束一、激光束二的反射激 光束在對應光電探測器上變化的反射位置點。
[0014] 由于反射部件每個反射面的截面形狀為凸起形狀，首尾相連的所有反射面構成反 射部件的反射面陣列，反射部件相對激光束一、激光束二相對移動過程中，激光束一、激光 束二入射到不同反射面上的反射點發(fā)生變化，由于反射面是凸起形狀，激光束一、激光束二 的反射點在反射面上的微小位移變化，其反射到光電探測器一、光電探測器二上的位置變 化會發(fā)生更大的變化，即激光束一、激光束二反射到光電探測器一、光電探測器二上激光束 位置長度變化值遠大于反射部件與激光束一、激光束二發(fā)生的相對位移值。處理系統(tǒng)能夠 根據(jù)兩個光電探測器上激光束一、激光束二反射位置的變化值來計算被測物體位移的變化 值，能夠得到更高的精度，該傳感器結構簡單，適用于被測物體連續(xù)位移變化的測量，其測 量可靠，易于實現(xiàn)批量制造。
[0015] 該反射部件的反射面截面為凸起形狀，可以為對稱也可以是非對稱結構，若凸起 結構為非對稱形狀，激光束一、激光束二入射到的不同反射面上的結構若彼此不相互對稱， 處理系統(tǒng)根據(jù)反射到光電探測器上反射激光束位置長度變化規(guī)律采用不同的反射計算公 式進行計算。
[0016] 該光電探測器一、光電探測器二采用的是一種對光點位置敏感的光電器件，可以 測出光點的一維坐標的長方形器件。比如，光電探測器可選擇一維線性光電探測器（簡稱 一維PSD)，也可選擇成二維平面光電探測器（簡稱二維PSD)。
[0017] 優(yōu)選地，每個所述反射面的凸起形狀截面均為對稱的等腰三角形狀或圓弧形狀。
[0018] 該反射面的凸起形狀截面屬于軸對稱形狀，即沿軸對稱的兩面均能夠實現(xiàn)反射， 優(yōu)選該對稱的凸起形狀為等腰三角形狀，其中三角形反射面的底面連接在反射部件上或與 反射部件一體成型，另外兩腰所對應的兩面分別為反射單元面，所有反射面在反射部件上 形成一個連續(xù)的三角反射面陣列。另外，該反射面凸起形狀的截面還可以為圓弧形狀，其每 個反射面形成弧形面，所有反射面在反射部件上形成一個連續(xù)的波浪弧形反射面陣列。
[0019] 反射部件上設有便于安裝在被測物體上的安裝孔或粘貼件，便于與被測物體或者 在測量時的其他相對靜止的部件適配、卡接或粘貼，方便拆裝。
[0020] 優(yōu)選地，所述激光束一、激光束二分別通過激光源一和激光源二發(fā)射得到該激光 束。
[0021] 進一步優(yōu)選地，該傳感器還包括殼體，所述激光源一、激光源二、光電探測器一、光 電探測器二均位于殼體內，形成讀數(shù)頭，所述讀數(shù)頭的收發(fā)端面可穿過激光束一、激光束二 以及所述激光束一、激光束二的反射激光束。所述讀數(shù)頭設有安裝孔或粘貼件，便于與被測 物體或者相對靜止的部件適配、卡接或粘貼，方便拆裝。
[0022] 將激光源一、激光源二、光電探測器一、光電探測器二集成在殼體內，形成讀數(shù)頭， 在調試和測量時，只需要將讀數(shù)頭對準反射部件并調整二者相對位置，便能快速的將激光 源一、激光源二、光電探測器一、光電探測器二與反射部件的光路位置關系調試至符合測量 條件。
[0023] 優(yōu)選地，所述光電探測器一與所述光電探測器二相互平行設置，且均垂直或平行 于所述讀數(shù)頭的收發(fā)端面。
[0024] 該光電探測器一、光電探測器二相互平行設置，并且與收發(fā)端面相互平行或垂直， 便于調節(jié)讀數(shù)頭與反射部件的光路，當然在實際需要中也可以調整光電探測器一、光電探 測器二的位置與讀數(shù)頭的收發(fā)端面成一定角度。
[0025] 優(yōu)選地，所述激光源一和激光源二的間距可調，所述光電探測器一與所述光電探 測器二的間距可調，所述激光源一發(fā)射的激光束一、所述激光源二發(fā)射的激光束二相對讀 數(shù)頭收發(fā)端面的出射角度均可調。
[0026] 該光電探測器一、光電探測器二的間距可調，激光源一、激光源二間距也可調，因 此激光源一、激光源二與反射部件之間形成的激光束光路能夠方便的進行調整，即能夠將 激光源一、激光源二發(fā)射的激光束通過反射面反射到光電探測器上感光長度變化值輕易調 整到遠大于被測物體位移值，以便于檢測光電探測器一、光電探測器二上感光長度大小來 反推被測物體的位移，提高測量精度。
[0027] 本發(fā)明還提供了一種新型光臂放大式高精度長度傳感器的測量方法，包括如上述 的新型光臂放大式高精度長度傳感器，其測量方法包括以下步驟：
[0028] 步驟一、將將被測物體固定在所述反射部件或讀數(shù)頭上，其中將所述反射面調整 為與被測物體的移動方向一致；
[0029] 步驟二、調整激光束一、激光束二、反射部件、光電探測器一、光電探測器二的位置 關系，使其相互適配，使激光束一、激光束二在所述反射部件上反射的兩條激光束能夠分別 被所述光電探測器一、光電探測器二探測到；并且調整所述光電探測器一、光電探測器二與 所述反射部件的位置關系，使被測物體發(fā)生位移時，使激光束一、激光束二通過反射面反射 到光電探測器上的感光長度變化值大于被測物體位移值；所述光電探測器一、光電探測器 二與處理系統(tǒng)通信連接；
[0030] 步驟三、發(fā)射激光束一、激光束二，所述激光束一、激光束二分別經(jīng)過所述反射部 件的不同反射面或同一反