一種基于光纖陣列和反射式數(shù)字編碼器的位置傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于位置傳感器、光纖傳感器領(lǐng)域，涉及一種基于光纖陣列和反射式數(shù)字編碼器的位置傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]位移/位置傳感器是檢測長度基本物理量的一類重要的傳感器，得到了廣泛應(yīng)用，具有巨大的市場。位移傳感器包括直線位移傳感器和角位移傳感器兩類，兩種可以相互轉(zhuǎn)換。根據(jù)測量量程的大小，位移傳感器可以分為小位移傳感器和大位移傳感器。小位移傳感器包括應(yīng)變式、電容式、電感式、差動變壓器式、渦流式、霍爾傳感器式等，大位移傳感器包括感應(yīng)同步器式、光柵式、容柵式、磁柵式、激光位移傳感器、磁致伸縮位移傳感器和電位器式位移傳感器等。
[0003]光柵式位移傳感器因其具有數(shù)字化、精度高、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(yīng)用，但其成本高。
[0004]電位器式位移傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出信號大、使用方便、價格低廉等優(yōu)點，應(yīng)用非常廣泛。它通過電位器元件將機械位移轉(zhuǎn)換成與之成線性的電阻或電壓輸出，電位器元件的實現(xiàn)方式有導(dǎo)電塑料電阻膜、繞線電阻、金屬玻璃鈾電阻、金屬膜等。為實現(xiàn)測量位移目的而設(shè)計的電位器，要求在位移變化和電阻變化之間有一個確定關(guān)系，這受到電刷與電阻體接觸狀態(tài)的影響，尤其存在磨損、高速運動跳動和濕度帶來的影響，產(chǎn)生了很多的可靠性問題。
[0005]磁致伸縮位移傳感器利用磁致伸縮原理、通過兩個不同磁場相交產(chǎn)生一個應(yīng)變脈沖信號來準(zhǔn)確地測量位置，通過非接觸地檢測活動磁環(huán)的絕對位置來測量被檢測產(chǎn)品的實際位移值的，該傳感器的高精度和高可靠性已被廣泛應(yīng)用，但其也存在成本高的不足。
[0006]激光位移傳感器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，主要應(yīng)用于檢測物的位移、厚度、振動、距離、直徑等幾何量的測量。按照測量原理，激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波測量法，激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光測量分析法則用于遠距離測量，測量精度相對于激光三角測量法要低。激光位移傳感器的成本一般也較高。
[0007]從20世紀(jì)70年代中期開始，由于光纖傳感器的無源、長距離傳輸特性，對被測對象無任何影響，抗電磁干擾，具有耐高溫，耐高壓，抗腐蝕，可在有毒、核輻射等惡劣環(huán)境下正常工作，光纖傳輸頻帶寬，動態(tài)范圍大，光纖傳感器外形細小的特點，而被廣泛應(yīng)用，尤其在無電源供電，遙感遙測，電磁干擾、易燃易爆、高溫高濕等惡劣環(huán)境具有巨大的技術(shù)優(yōu)勢，成為一類重要的光纖位移傳感器。
[0008]細小觸狀態(tài)的影響，尤其存在使用纖接收器現(xiàn)有的一種反射式光纖位移傳感器，其基本原理是基于光纖探頭接收的反射光強隨距離變化的光強模擬調(diào)制型光纖位移傳感器。通常，傳感器包括光發(fā)射光纖和接收光纖，當(dāng)光纖探頭緊貼反射面時，接收光纖接收到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收光纖接收到的光強逐漸增加，到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。在得到電壓和距離的關(guān)系之后就可以通過單片機的處理將電壓轉(zhuǎn)換成距離顯示出來。這些光纖位移傳感器一般量程較小，易受到光源光強變化的影響，模擬量輸出，測量精度不高。
[0009]另一種基于反射式編碼光柵的光電位移傳感器，其構(gòu)成包括光源、準(zhǔn)直透鏡、成像透鏡、指示光柵(透射式)、主光柵(反射式光柵)和光敏元件。其工作原理為光源發(fā)出的光經(jīng)透鏡后成為平行光，平行光透過指示光柵后照到主光柵上，主光柵將指示光柵像成像于指示光柵面上，指示光柵像與主光柵相重疊形成莫爾條紋，成像透鏡將莫爾條紋成像在光敏元件上。主光柵移動時，指示光柵像將隨之移動，莫爾條紋將呈周期性變化，此時光敏元件上的電流也將呈周期改變，經(jīng)信號處理及計算后便可得出主光柵相對于指示光柵的轉(zhuǎn)角。該種位移傳感器光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜，包括主光柵和指示光柵的光柵副、準(zhǔn)直成像透鏡，以及光敏元件等器件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，安裝不便。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種具有量程大、非接觸、數(shù)字輸出、精度高、成本低，可靠性高，傳感器單元無需電源，適合于遠距離測量、電磁干擾、易燃易爆、高溫高濕等惡劣環(huán)境，很好解決了現(xiàn)有光纖位移傳感器的不足，同時又具有其他位移傳感器不具備的光纖傳感技術(shù)的基于光纖陣列和反射式數(shù)字編碼器的位置傳感器。
[0011]為實現(xiàn)本發(fā)明目的，提供了以下技術(shù)方案:一種基于光纖陣列和反射式數(shù)字編碼器的位置傳感器，其特征在于包括殼體、設(shè)置于殼體外的信號處理單元以及設(shè)置于殼體上的傳感器單元，所述傳感器單元包括輸入/輸出光纖、光纖陣列探頭、反射式數(shù)字編碼器、水平滑軌以及連接桿，所述輸入/輸出光纖一端連接信號處理單元，一端連接光纖陣列探頭，所述光纖陣列探頭安裝于殼體上并伸入殼體內(nèi)腔，光纖陣列探頭正下方設(shè)置有反射式數(shù)字編碼器，反射式數(shù)字編碼器安裝于可使反射式數(shù)字編碼器往復(fù)移動的水平滑軌上，所述水平滑軌與一端伸出殼體外的連接桿連接，通過將被測物與連接桿連接實現(xiàn)反射式數(shù)字編碼器移動。
[0012]作為優(yōu)選，所述光纖陣列探頭與反射式數(shù)字編碼器垂直或接近垂直設(shè)置，間隙為數(shù)微米至數(shù)百微米。
[0013]作為優(yōu)選，所述輸入/輸出光纖為單模或多模通信光纖。
[0014]作為優(yōu)選，所述光纖陣列探頭由固定在等間距的V型或U型槽內(nèi)的帶狀光纖組成，或直接使用帶狀光纖，光纖端面進行拋光、倒角處理。
[0015]作為優(yōu)選，所述信號處理單元包括半導(dǎo)體激光器、多路光探測器、光分路器、一組Y形光纖分束器和處理電路，Y形光纖分束器的公共端與光纖陣列探頭連接。
[0016]作為優(yōu)選，反射式數(shù)字編碼器包括基板，基板的邊緣設(shè)有0至100微米高度的保護凸體，基板上設(shè)置有交錯排列的高光反射率區(qū)域和低光反射率區(qū)域。
[0017]作為優(yōu)選，所述低光反射率區(qū)域為光透射區(qū)、光吸收區(qū)或光漫反射區(qū)。
[0018]作為優(yōu)選，基板為硅基板、玻璃基板、陶瓷基板或金屬基板。
[0019]作為優(yōu)選，帶狀光纖的光纖排列方向與反射式數(shù)字編碼器的高光反射率區(qū)域和低光反射率區(qū)域的分界線平行或成一定角度Θ。
[0020]當(dāng)光纖位移傳感器工作時，一束光線通過輸入光纖從光纖陣列探頭出射到反射式數(shù)字編碼器上，根據(jù)此時反射式數(shù)字編碼器與光纖陣列探頭對應(yīng)的是高光反射率區(qū)域或低光反射率區(qū)域，從反射式數(shù)字編碼器反射回光纖陣列探頭的光信號代表著二進制編碼位置信息1或0，該信息通過輸出光纖傳輸?shù)叫盘柼幚韱卧庹{(diào)處理。當(dāng)被測物體通過連接桿帶動反射式數(shù)字編碼器連續(xù)運動時，光纖陣列探頭從反射式數(shù)字編碼器上讀取到一組連續(xù)的二進制數(shù)字編碼信息，通過信號處理單元解調(diào)處理，從而得到被測物體位置及位置變化，進而測出物體位移。
[0021]本發(fā)明的有益效果是:
一、非接觸測量，光纖解調(diào)，壽命長，適應(yīng)高速運動位移測量；
二、安全可靠，電絕緣，抗電磁干擾，適應(yīng)惡劣使用環(huán)境，易實現(xiàn)對被測位置遠距離監(jiān)控；
三、結(jié)構(gòu)簡單、成本低，無復(fù)雜的光學(xué)元件如透鏡，僅包括光纖陣列和一塊反射式數(shù)字編碼器，適