CN1041558C - 密封式光栅线位移传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种密封式线位移传感器，它由光栅读数头、透射式标尺光栅、头部组件、压簧、尺壳主体、密封条和电缆等组成，所述的光栅读数头是单片等效双头读数的，由复合式摩擦组件保证读数头的滚动和滑动运动，读数头与标尺光栅之间采用恒力球头组合压簧付实现浮动接触定位。所述传感器可与数显表组成测量***，并用于机床制造和技术改造的数显、数控和几何长度的测量。

Description

密封式光栅线位移传感器

本发明涉及一种长度测量的光栅线位移传感器。尤其是一种适合非平行光照的用于机床制造和几何长度测量的数字显示和数字控制的密封式光栅线位移传感器。它是属于线性长度计测技术领域。

现有的密封式光栅线位移传感器，其测量原理是：由发光管发出的光通过标尺光栅，当指示光栅平移时，产生与线位移量相对应的莫尔条纹光信号，由光电接收器件将光信号转换成与其相应的电信号，再把电信号输入至光栅数显表，经过电路处理后，将线位移量准确地用数字显示出来，这就是通常的莫尔条纹的测量原理，对此可参见《传感器敏感元器件大全》一书，第七章中的长光栅数显仪，以及《SX-5，SX-6系列长光栅数字显示***使用说明书》中所涉及的光栅线位移传感器。但是，现有的光栅线位移传感器存在下述的缺点：

1．传感器中的读数头均采用单头读数的光栅读数头，其缺点是，通常传感器部采用非平行光照射，依据Gwild条纹方程推出的莫尔条纹的测量误差方程，即莫尔条纹的附加位移误差：

$\mathrm{\Δy}=\frac{\mathrm{\Φ}\·X_s}{\mathrm{\θ}\·\mathrm{\ω}}\·\mathrm{\Δt}$

式中，Φ为光源的发散角；Xs为莫尔条纹视场中参考点到视场中心的距离；θ为两光栅付栅线的交叉角；ω为栅距；△t为光栅付之间的间隙量的变化量。

从上式中可见，设计这种传感器时，光栅付的线纹需采用较粗的，即，尽可能使栅距ω增大，并且莫尔条纹取信号的视场需要采用较小的，即，尽可能使莫尔条纹视场中参考点到视场中心的距离Xs减小，由此才能有效地减小测量误差。但是，依据莫尔条纹的平差表达式：

${\mathrm{\δ}}_{\stackrel{\‾}{X}}=\frac{\mathrm{\δ}}{\sqrt{n}}$

式中，δ _X 为莫尔条纹位置的标准差；δ为单根栅线位置的标准差；n为参与形成莫尔条纹的栅线数。

由此可见，当栅距ω增大，以及视场中参考点到视场中心距减小时，参与形成莫尔条纹的栅线数n就要大量地减小，而δ是保持不变的固定量。所以，栅线数n减小，就使δ _X 增大，即，莫尔条纹的平差作用减小，也就是说，莫尔条纹用以消除测量基准的短周期，中周期和局部误差的功能被明显地减弱。

平差作用的减小将会影响获得高质量的莫尔条纹信号，即对信号的正弦性、对比度、正交性、等幅性、直流电平的漂移等误差不能得到很好的控制，这将影响传感器测量精度的提高，电子细分的使用以及测量分辨率的提高。

而现有的光栅读数头的平差作用受到显著的减弱，又没有二次补偿的功能，所以限制了传感器精度和测量分辨率的提高。

2．现有传感器中的光栅付的栅线线条的材质均采用单一膜层。其缺点是，反射率高，这使膜层的挡光性能差。这将造成莫尔条纹的基波辐射不理想，信号的高次谐波含量增多，影响到莫尔条纹信号的对比度和信号正弦性的提高。

3．现有传感器中采用的是光闸式条纹，这就需要光栅付的两栅线互相平行。可是，现有的光栅读数头的移动方式均采用单一式的滚动摩擦组件，或采用单一式的滑动摩擦组件。前者难于装调。而且由长金属丝制成的独立导轨其直线性和几何尺寸均难以保证精度要求，致使两栅线的平行性变差。后者是靠标尺光栅的尺背方向导向，摩擦面易摩损，也将引起两栅线的平行性变差，从而增大了传感器的测量误差。

4．现有的读数头与标尺光栅采用浮动接触定位传动，它是通过一根带有球头的压簧付来实现的。由于压簧与标尺光栅刻线互相垂直地放置，所以将使读数头上的指示光栅架和元件架的1／2被挡住，使被挡住的一侧无法设置光路。这种布局的结构限制了在不加长原有读数头尺寸和在同一对光栅付上采用多头读数的方法来增大光栅平差作用的可能性。

5．现有的传感器中的球头压簧付，即，球头压簧与指示光栅架上的球窝二者之间的搭配间隙量较大，这将造成在光栅付相对移动的测量中产生较大的空程，从而影响到测量准确度，尤其是影响测量的重复精度。

本发明的目的在于针对现有传感器中所存在的缺陷提出一种适用于非平行光照的，对测量基准----标尺光栅的短周期误差，中周期误差，局部误差具有二次补偿功能的，具有高质量莫尔条纹信号的，适合于电子细分的高准确度的密封式光栅线位移传感器。

本发明的目的将通过下述的本发明所提出的技术方案来实现。为便于对本发明的技术方案的理解，将结合附图对本发明的技术方案作详细的说明。

附图1表示本发明的密封式光栅线位移传感器的总体剖视图。

附图2表示图1中A-A剖面的剖视图。

附图3表示本发明的传感器中由等效双头光栅读数头和标尺光栅组成的光电信息转换***的示意图。

附图4表示本发明的指示光栅的刻划图案和刻划区分布的示意图。

附图5表示本发明的另一种指示光栅的刻划图案和刻划区分布的示意图。

参见附图1和2，本发明的密封式光栅线位移传感器主要的组成部分包括：头部组件2，单片等效双头读数的光栅读数头11；标尺光栅12；恒力球头组合压簧付4、8、9、10；尺壳主体13、密封橡胶条1和电缆6。其中，本发明在不增加现有的光栅读数头结构尺寸和在同一对光栅付上，采用了带有一个绝对零位和二组光电转换效果相同的四裂相的光栅读数头，即本发明的单片等效双头读数的光栅读数头。

参见附图3，本发明的单片等效双头读数的光栅读数头11是由指示光栅11-5；指示光栅架11-2；元件架11-7；复合式摩擦组件11-1、11-3、11-6、11-8；调整销5；砷化镓红外发光二极管11-4和硅光电接收二极管11-9组成。其工作原理是，由九支砷化镓红外发光二极管11-4发出的平行光或者非平行光入射到标尺光栅12上，当指示光栅11-5相对于标尺光栅12平行地移动时，便产生了亮、暗相间的二组相位角互差90°的回路光闸式莫尔条纹信号和一路绝对零位光脉冲信号，所产生的信号由放置在与各发光管同轴的九支硅光电二极管接受后，转换成二组相位角互差90°的回路等幅值的正弦电信号和一路绝对零位电脉冲信号，再把二组四路正弦电信号中相位角(相等的二路分别对应合成，重新组成四路相位角)依次互差90°的正弦信号，将他们与绝时零位信号一起，通过电缆6(见附图1)，输出供光栅数显进行放大、整形、细分、辨向、方向判别和计数译码，最后将所要测量的线位移量用数字显示出来。

参见附图4和5，本发明的单片等效双头光栅读数头中所采用的指示光栅11-5上的刻划图案以及刻划区的数目和分布如下：

所说的指示光栅11-5由一个多狭缝零位区11-5a和八个栅距与标尺光栅的栅距相等的光栅刻划区11-5b组成。其中，前四个刻划区为一组，后四个刻划区为另一组，并且两组的各种参数均相同。每一组中的四个刻划区相位依次互差1／4d。参见附图4，上述两组之间的相位关系，即这两组之间的对应距离为Nd，其中d为栅距，n为1、2、3……正整数，N为n的1、2、3……的正整数倍。多狭缝零位区11-5a的图案和刻划方法是需要确保指示光栅的零位区与两组刻划区之中的任意一个0°刻划区的相位关系，及标尺光栅12的零位区与刻划区的相位关系，使两者的相位关系要对应一致，同时要确保使用时既能准确地取出莫尔条纹光信号，又能准确地取出零位脉冲的光信号。

在本发明中，采用指示光栅11-5的零位区的第一条亮线与前一组中的0°刻划区第一条亮线的位置相差1／8nd，标尺光栅12的零位区的第一条亮线与光栅刻划区上离其最近的一条亮线的位置差1／8d。另外，本发明的指示光栅的刻划图案除了刻划成如附图4所示的双一字形排列外，还可以刻划成如附图5中所示的双田字形，图中的各相位关系不变。

本发明为达到使单片等效双头光栅读数头能获得消杂光、高密度和高对比度的莫尔条纹言号，对指示光栅栅线线条采用了与标尺光栅具有相同基底和材质的线条。该线条由底层为金属铬，上层为三氧化二铬的双层膜制成。线条的技术参数为：膜厚约3000，光学密度约为2．6，在近红外光入射时反射率约为5％。所述的线条的刻划是采用二种不同配方的腐蚀液，对双层膜进行分段腐蚀，先用快速腐蚀液硝酸铈铵腐蚀三氧化二铬，再用慢速腐蚀液硫酸铈腐蚀铬的方法进行，最终取得具有高密度、低反射率的线条。

图1中的标尺光栅12是采用以玻璃为基底，带有多个零位的透射式计量标尺光栅，其中零位每隔50mm一个，标尺光栅与指示光栅一起构成光栅付，并成为传感器的计量基准。

本发明中标尺光栅的技术参数是：全长最大刻划累积误差为传感器总体测量误差的1／2；短周期、中周期、局部误差为最大累积误差的1／2；均匀性误差为(8～12)％；线纹密度为25对线／毫米-100对线／毫米；亮暗比为1∶11，并且栅线和零位的刻划图案与指示光栅11-5的相对应，栅线线条的材质与指示光栅的相同。

本发明为达到使光栅读数头既能实现单片等效双头读数，又能避免产生测量误差的目的，专门设计了一种滚动、滑动并存的复合式摩擦组件。参见附图1和图2，对所述的滚动和滑动作出描述，其中，指示光栅架11-2与元件架11-7的连接板11-1上安置二个C级或D级的单列向心球轴承11-8，这二个轴承可沿着标尺光栅12的侧背进行往返的滚动摩擦运动，以满足读数头在这个方向上的定位需要。采用这种结构可省略掉现有产品中的独立金属丝定位导轨，并有利于保证光栅付的二栅线夹角趋于恒定。另外，读数头的指示光栅架11-2的正面有三个共面的耐磨的非金属摩擦凸台11-6，当三个凸台与标尺光栅面之间进行相对滑动摩擦运动时，在恒力球头组合压簧付4、9、10的压力作用下(参见图1)，可以确保凸台和标尺光栅面之间紧密接触，以及使光栅付之间的间隙△t趋于恒定。

本发明所设计的恒力球头组合压簧付的具体结构是，参见图1和2，其中弹簧钢丝10的两端分别与弹簧片4和钢球9刚性连接，弹簧片4上端与头部组件2钢性连接，钢球9压在指示光栅架11-2上镶有衬套8的球窝中心孔上。

所述的恒力球头组合压簧付的作用是：在与指示光栅运动方向垂直的方向上，提供一个使光栅付在相对移动的过程中始终保持适当的恒定压力，以确保光栅付之间的间隙△t趋于恒定，以及在与指示光栅运动一致的方向上有足够的刚度。这是因为所述压力是由弹簧片和弹簧丝共同产生的，所以在外界受力条件发生变化时，他们二者之查可以相互补偿，使压力保持恒定。另外，压力的大小可以通过改变弹簧片和弹簧丝的弯曲角度来调整。由于球头和与其以紧配合镶在指示光栅架上的衬套球窝中心孔是由二者对研而成的，所以采用这种设计可避免专感器在往返测量时产生空回，从而可以提高测量的重复精度。

参见附图1，本发明的密封光栅线位移传感器的安装是采用，让标尺光栅用具有一定弹性的粘合剂和弹性压块7将其粘合、固定在尺壳主体13底部的长槽内，光栅读数头11通过恒力球头组合压簧付的作用，浮动地安装在标尺光栅12上，这样安装可以克服因标尺光栅12在测量时产生的微量变形所带来的误差。其次，读数头11沿着标尺侧背的方向所做的滚动摩擦运动的限位是依靠上部压簧3来实现的。其中，上部压簧3上端连接在上部组件2上，下端压在复合式摩擦组件11-1的上背中心点上，调整销5用于对读数头11与标尺光栅12之间的相位调整，二条密封橡胶条1分别镶在尺壳主体13上部的二条长槽内，用以起到防止灰尘、油污、金属屑等进入的密封作用。电缆6的一端固定在上部组件2上，与光栅读数头上的电路联接，而另一端输入到光栅数显表(图中未示)。

本发明单片等效双头光栅读数头和标尺光栅的实施方案是：采用九支红外发光管，例如型号为LN68的砷化镓红外发光管，外径Φ=3mm，IF==50mA，P_o=2．5mW，VFmax=11．5V，λp=9400A，θ=±10°，所选用的九支砷化镓红外发光管的主要光电参数尽可能相同；相应数量和布置的光电接收二极管，其型号为PIN001，光敏面积为3×3mm²，峰值波长为9400，暗电流＜130mA，光电流≥50μA，工作电压为15V。选择九支光电接收二极管的主要光电参数尽可能相同，以利于输出九路等幅的电信号。把九支红外发光管按一定的间距设置在固定于指示光栅架11-2上的电路板11-3上，以相应的设置方式把九支光电接收管对称地安装在元件架11-7上，发光管和接收管之间相对位置的确定是靠固定指示光栅架11-2和元件架11-7中间的连接板11-1来实现，指示光栅11-5用胶粘接在指示光栅架11-2上。指示光栅的技术参数是：裂相精度一般选用标尺光栅的最大累积误差的1／2左右，两组四裂相刻划区之间的相位关系误差选用与裂相精度相等的误差。

本发明所述的光栅线位移专感器可与数显表一起组成线性长度的测量***，并实现动态、快速线位移的数字化显示。所述的传感器主要用于机床制造以及技术改造中的数显、数控和几何长度的测量。

Claims (5)

1、一种密封式光栅线位移传感器，由采用非平行光照明的光栅读数头、透射式标尺光栅、头部组件、压簧、尺壳主体、密封条和电缆组成，其中，光栅读数头(11)是由指示光栅(11-5)、指示光栅架(11-2)、元件架(11-7)、复合式摩擦组件(11-1、11-3、11-6、11-8)、调整销(5)、红外发光二极管(11-4)和光电接收二极管(11-9)组成，其特征在于：所述的光栅读数头(11)是单片等效双头读数的光栅读数头，其指示光栅(11-5)由一个多狭缝零位区(11-5a)和八个栅距与标尺光栅(12)的栅距相等的光栅刻划区(11-5b)组成，前四个刻划区为一组，后四个刻划区为另一组，每一组中的四个刻划区相位依次互差1／4d，且两组中对应的刻划区相位相同，对应二组光栅刻划区，所述的红外发光二极管(11-4)和光电接收二极管(11-9)亦各有二组，每一组各由四只管子组成，所述的指示光栅的刻划图案布置是按一字形排列的。

2、如权利要求1所述的光栅线位移传感器，其特征在于：所述的指示光栅的刻划图案布置是采用双田字形的。

3、如权利要求1或2所述的光栅线位移传感器，其特征在于：所述的标尺光栅和指示光栅栅线线条材质相同，底层为金属铬，上层为三氧化二铬的双层膜制成的高密度、低反射率线条。

4、如权利要求1或2所述的光栅线位移传感器，其特征在于：所述的光栅读数头上采用一种复合式摩擦组件，其中指示光栅架(11-2)与元件架(11-7)的连接板(11-1)上安置二个单列向心球轴承(11-8)，这二个轴承可沿着标尺光栅(12)的侧背进行往返的滚动摩擦运动，另外，在指示光栅架(11-2)的正面有三个共面的耐磨的摩擦凸台(11-6)，提供凸台与标尺光栅面之间进行相对滑动摩擦运动。

5、如权利要求1或2所述的光栅线位移传感器，其特征在于：所述的指示光栅(11-5)与标尺光栅(12)的浮动接触定位是通过恒力球头组合压簧付来实现，所述的组合压簧付由包括弹簧片(4)、弹簧钢丝(10)的弹性零件、钢球(9)以及衬套(8)构成，所述的弹性零件的安放位置与前述标尺光栅(12)的光栅刻线方向平行。

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