CN109870109B - 一种二维光栅位移传感器测量装置 - Google Patents

Abstract

一种二维光栅位移传感器测量装置，属于光电测量技术领域，为了解决现有技术无法实现任意二维位移测量的问题，该装置包括：环形光栅、角位移测头、套筒、限位装置、旋转中心轴、线位移测头和光栅尺，环形光栅上装有可沿其滑动的角位移测头，角位移测头固定于光栅尺上，光栅尺另一端固定有套筒，套筒套在环形光栅上，从而光栅尺可带动角位移测头和套筒沿环形光栅移动；光栅尺中心处安装有限位装置和旋转中心轴，右半部分安有可沿光栅尺线性滑动的线位移测头。本发明通过改进光栅位移传感器，弥补了传统封闭式光栅不能进行二维位移测量的不足，实现了任意二维位移测量。

Description

一种二维光栅位移传感器测量装置

技术领域

本发明涉及一种能够进行二维纳米级位移测量的光栅位移传感器，属于光电测量技术领域。

背景技术

在封闭式光栅线位移传感器的结构中，滑架体通过滚动轴承限制光栅滑架自由度，从而使其能沿着一定的方向滑动，并采用弹簧对滑架施加压力，且通过滚动轴承与主光栅上的导轨面可靠接触，保证其信号的准确传递。这种光栅线位移传感器的形式结构简单，但是只能测量沿着光栅形状方向的位移。而实际上，大多数测量的轨迹并不总是沿着光栅形状的方向，所以传统的封闭式光栅线位移传感器无法应对不同方向位移的测量。

中国专利，专利号为“20120090820.5”，专利名称为“光栅线位移传感器”。该专利提出在滑架体上安装牵引弹簧，牵引弹簧的另一端与钢球固定，由于牵引弹簧对钢球向下的压力，钢球紧紧地卧于滑架的锥孔中；当滑架体左右移动时，滑架体的头部拉动牵引弹簧，牵引弹簧通过钢球牵引滑架，通过滚动轴承在光栅上左右滑动。但由于移动方向只能沿着光栅形状方向移动，所以传统的封闭式光栅线位移传感器只能测量沿着光栅的位移，不能做到任意二维位移的测量。

发明内容

本发明为了解决现有技术无法实现任意二维位移测量的问题，提供了一种二维光栅位移传感器测量装置。

本发明采用的技术方案如下：

一种二维光栅位移传感器测量装置，其特征是，其包括：环形光栅、角位移测头、套筒、限位装置、旋转中心轴、线位移测头和光栅尺，环形光栅上装有可沿其滑动的角位移测头，角位移测头固定于光栅尺上，光栅尺另一端固定有套筒，套筒套在环形光栅上，从而光栅尺可带动角位移测头和套筒沿环形光栅移动；光栅尺中心处安装有限位装置和旋转中心轴，右半部分安有可沿光栅尺线性滑动的线位移测头。

线位移测头包括光栅尺头、四个滚动轴承一和两个滚动轴承二，光栅尺头与光栅尺平行且位于光栅尺上方；四个滚动轴承一分别位于光栅尺的上下两侧；两个滚动轴承二位于光栅尺的左右两侧。

角位移测头由滑架头、弹簧、钢球、滑架体、圆光栅测头和两个轴承，滑架头与光栅尺固定在一起，滑架头通过弹簧与钢球相连，钢球卧于滑架体的凹槽中；滑架体中装有位于环形光栅上方且平行于环形光栅的圆光栅测头，两个轴承分别对称固定在滑架体内部，滑架体通过轴承与环形光栅相连。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过改进光栅位移传感器，弥补了传统封闭式光栅不能进行二维位移测量的不足，实现了任意二维位移测量。

2、本发明采用精密光学元件光栅进行位移测量，在硬件结构上大大提高了测量的精度；并且光栅产生的莫尔条纹信号可进行电学细分处理，经过软件后，测量精度即能够达到纳米量级。

3、本发明产生的光栅位移信号处理简单，避免了复杂的信号处理，可将测量结果转变为极坐标或二维坐标，能够直观数字化表示二维位移变化。

4、本发明结构及制作工艺简单，降低了材料原件等损耗，解决了装配工艺复杂的问题，且易于集成化，无需增加额外补偿装置。

附图说明

图1是本发明一种二维光栅位移传感器测量装置的主视示意图；

图2是本发明中光栅线位移测量头的左视图；

图3是本发明中光栅角位移测量头主视图；

图4是本发明中旋转中心轴与限位装置的装配图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，一种二维光栅位移传感器测量装置，包括：环形光栅1、角位移测头2、套筒3、限位装置4、旋转中心轴5、线位移测头6和光栅尺7。环形光栅1上装有可沿其滑动的角位移测头2，角位移测头2固定于光栅尺7上，光栅尺7另一端固定有套筒3，套筒3套在环形光栅1上，从而光栅尺7可带动角位移测头2和套筒3沿环形光栅1移动；光栅尺7中心处安装有限位装置4和旋转中心轴5，右半部分安有可沿光栅尺7线性滑动的线位移测头6。

本发明将被测物体的二维运动分解为直线运动和角运动进行测量。被测运动物体固定于线位移测头6上，运动物体带动线位移测头6与光栅尺7产生相对滑动，从而测量沿着光栅尺7方向的线位移；同时，进行二维运动的物体也会带动光栅尺7绕旋转中心轴5进行转动，旋转的光栅尺7带动固定在其上的角位移测头2在***的环形光栅1上做绕周运动，完成角位移的测量。通过上述测量可得到两个量：沿着光栅尺方向的线位移量r和沿着环形光栅方向的角位移量θ，构成极坐标(r,θ)，将其转换为二维坐标(rcosθ,rsinθ)，即可得到平面直角坐标系下的二维位置信息，通过与前一次位置信息的比较即可得到相对位移量。

如图2所示，线位移测头6包括光栅尺头6-1、四个滚动轴承一6-2和两个滚动轴承二6-3。光栅尺头6-1与光栅尺7平行且位于光栅尺7上方。四个滚动轴承一6-2分别位于光栅尺7的上下两侧。两个滚动轴承二6-3位于光栅尺7的左右两侧。滚动轴承一6-2使线位移测头6能够在光栅尺7上稳定滑动，滚动轴承二6-3既保证了其与光栅尺7的紧密接触，又保证了光栅尺7能够绕着旋转中心轴5自由转动，为角位移测量提供基础。将运动物体固定于线位移测头6上，运动物体带动线位移测头6沿光栅尺7移动，线位移测头6中光栅尺头6-1与光栅尺7相对移动形成明暗相间的莫尔条纹，将微小位移放大并携带位移信息，后经解调得到沿光栅尺7的直线位移量。

如图3所示，角位移测头2由滑架头2-1、弹簧2-2、钢球2-3、滑架体2-4、圆光栅测头2-5和轴承2-6。滑架头2-1与光栅尺7由四个螺钉固定在一起，使两者之间没有相对运动，确保角运动变化量从光栅尺7准确传递给角位移测头2；滑架头2-1通过弹簧2-2与钢球2-3相连，钢球2-3卧于滑架体2-4的凹槽中；滑架体2-4中装有位于环形光栅1上方且平行于环形光栅1的圆光栅测头2-5，两个轴承2-6分别对称固定在滑架体2-4内部，滑架体2-4通过轴承2-6与环形光栅1相连。当被测物体运动时，光栅尺7发生转动，带动与其相连的滑架头2-1转动，滑架头2-1通过弹簧2-2牵引钢球2-3移动，钢球2-3将力施加于滑架体2-4的凹槽中，带动滑架体2-4通过轴承2-6在环形光栅1上滑动，此时，圆光栅测头2-5沿环形光栅1运动，测量出角位移的变化。

如图4所示，光栅尺7可以绕着旋转中心轴5转动。限位装置4通过螺钉固定在光栅尺7上，限位装置4起到限制线位移测头6起点位置的作用，防止线位移测头6向测量的反方向运动而撞到角位移测头2。

Claims (3)

1.一种二维光栅位移传感器测量装置，其特征是，其包括：环形光栅(1)、角位移测头(2)、套筒(3)、限位装置(4)、旋转中心(5)、线位移测头(6)和光栅尺(7)，环形光栅(1)上装有可沿其滑动的角位移测头(2)，角位移测头(2)固定于光栅尺(7)上，光栅尺(7)另一端固定有套筒(3)，套筒(3)套在环形光栅(1)上，从而光栅尺(7)可带动角位移测头(2)和套筒(3)沿环形光栅(1)移动；光栅尺(7)中心处安装有限位装置(4)和旋转中心轴(5)，右半部分安有可沿光栅尺(7)线性滑动的线位移测头(6)。

2.根据权利要求1所述的一种二维光栅位移传感器测量装置，其特征在于，线位移测头(6)包括光栅尺头(6-1)、四个滚动轴承一(6-2)和两个滚动轴承二(6-3)，光栅尺头(6-1)与光栅尺(7)平行且位于光栅尺(7)上方；四个滚动轴承一(6-2)分别位于光栅尺(7)的上下两侧；两个滚动轴承二(6-3)位于光栅尺(7)的左右两侧。

3.根据权利要求1所述的一种二维光栅位移传感器测量装置，其特征在于，角位移测头(2)由滑架头(2-1)、弹簧(2-2)、钢球(2-3)、滑架体(2-4)、圆光栅测头(2-5)和两个轴承(2-6)，滑架头(2-1)与光栅尺(7)固定在一起，滑架头(2-1)通过弹簧(2-2)与钢球(2-3)相连，钢球(2-3)卧于滑架体(2-4)的凹槽中；滑架体(2-4)中装有位于环形光栅(1)上方且平行于环形光栅(1)的圆光栅测头(2-5)，两个轴承(2-6)分别对称固定在滑架体(2-4)内部，滑架体(2-4)通过轴承(2-6)与环形光栅(1)相连。

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