CN203758459U

CN203758459U - 基于线阵ccd的光栅位移传感器

Info

Publication number: CN203758459U
Application number: CN201420045902.2U
Authority: CN
Inventors: 李聚光
Original assignee: Shijiazhuang University of Economics
Current assignee: Shijiazhuang University of Economics
Priority date: 2014-01-24
Filing date: 2014-01-24
Publication date: 2014-08-06
Anticipated expiration: 2024-01-24

Abstract

本实用新型为一种基于线阵CCD的光栅位移传感器，它包括壳体，在壳体内设置有发出光线的光源，在光源的后方设有固用于将光源发出的光转换成平行光的透镜，在透镜的后方固设有光栅缝宽度可变的光栅机构，所述光栅机构固后方设有用于检测光栅机构衍射图像的线阵CCD模块；在壳体上设有通过自身转动改变光栅机构的光栅缝宽度的轮轴，所述轮轴通过连接线与被测位移的物体相连；还包括用于从外界引入电源的传送模块，所述传送模块连接内部线阵CCD模块与外部的上位机。本实用新型结构简单，体积小，成本低，便于安装，测量精度高。本实用新型适用于各种高精度微位移的测量。

Description

基于线阵CCD的光栅位移传感器

技术领域

本实用新型属于位移传感器领域，尤其涉及物体高精度的位移测量，具体地说是一种基于线阵CCD的光栅位移传感器。

背景技术

目前，用于微位移测量的传感器有光学机械式、杠杆测量式等机械式传感器，还有电阻式、电容式、电感式等电学式传感器，以及干涉式、偏光式、扫描电镜式、激光三角法等光电式传感器。其中，机械式、电阻式传感器只能用于接触式测量；电容式传感器可用于无接触式测量，但量程比较小，精度比较低，无法满足高精度领域的要求；而电感式传感器（如LVDT位移传感器）虽然具有较好的线性度和较大的量程，但测量频率很低。

现有技术中比较好的精确位移测量方法是用光栅尺技术进行测量，光栅尺类位移传感器具有便于位移信号数字化、高分辨率、大量程、测量效率高、可靠性好等优点，因此被广泛应用。而传统的光栅位置测量装置中，莫尔条纹由光电元件读取，读取后的信号经过放大、细分、辩向、计数等环节，最终得到数字化的位移信号。随着细分数的提高，测量精度、***的可靠性及动态响应速度都受到影响，且传统的光栅位移检测装置还存在结构复杂，制作工艺要求高，价格成本高的缺点，因此在一定程度上制约了光栅位移测量装置的使用和发展。

实用新型内容

为了解决上述的问题，本实用新型提供了一种基于线阵CCD的光栅位移传感器，结构简单，制作方便，检测精度高，能够满足高精度领域的使用。

为实现上述目的，本实用新型所采用的技术方案如下：

一种基于线阵CCD的光栅位移传感器，包括壳体，在壳体内设置有发出光线的光源，在光源的后方固设有用于将光源发出的光转换成平行光的透镜，在透镜的后方固设有光栅缝宽度可变的光栅机构，所述光栅机构后方固设有用于检测光栅机构衍射图像的线阵CCD模块；

在壳体上设有通过自身转动改变光栅机构的光栅缝宽度的轮轴，所述轮轴通过连接线与被测位移的物体相连；

还包括用于从外界引入电源的传送模块，所述传送模块连接内部线阵CCD模块与外部的上位机。

作为对光栅机构的限定：所述光栅机构包括只有一条光栅条纹的单缝光栅，以及带有至少两个光栅条纹的光栅轮，所述光栅轮固设于透镜的后方，单缝光栅固设于光栅轮的后方，所述光栅轮的光栅条纹的宽度与单缝光栅的光栅条纹宽度相等，且光栅轮与轮轴同轴转动。

作为对线阵CCD模块的限定：线阵CCD模块包括作为控制中心的单片机***，用于接收光栅机构衍射图像的线阵CCD，所述线阵CCD的信号输出端通过信号处理模块连接单片机***的信号输出端。

作为对线阵CCD模块中信号处理模块的限定：所述信号处理模块包括CCD驱动电路，与二值化处理电路，所述线阵CCD的信号输出端通过CCD驱动电路连接二值化处理电路的信号输入端，二值化处理电路的信号输出端连接单片机***。

作为对线阵CCD中单片机***的限定：所述单片机***包括作为主控单元的单片机，所述单片机的采集信号输入端连接二值化处理电路，电源端连接电源模块，信号通信端通过RS485连接传送模块，显示信号输出端连接显示模块。

作为对传动模块的限定：所述传送模块采用航空接头，所述航空接头贯穿壳体内外固设于壳体上。

作为对本实用新型的另一种限定：所述壳体上设有用于将壳体固定的固定孔。

由于采用了以上技术方案，本实用新型可以达到如下的技术效果：

（1）本实用新型包括光源、透镜、光栅机构、线阵CCD模块，上述器件均设置在一壳体内，令整体结构简单，零部件少，同时成本低；

（2）在壳体外表面上设有可转动的轮轴，轮轴转动可以变换光栅机构的光栅缝宽度，而轮轴的转动是因外部被测物体发生位移而产生的，即外部被测物体发生位移会带动轮轴转动，同时轮轴带动光栅机构的光栅缝发生变化，最终导致光栅机构衍射的图像发生变化，而光栅机构的衍射图像由后方的线阵CCD接收、处理，方法简单；

（3）光栅机构包括固定不动的单缝光栅和带有若干个光栅缝的光栅轮，其中光栅轮与轮轴同轴设置，即外部被测物体有位移存在时，光栅轮在轮轴的带动下转动，而光源被透镜处理后的光束是透过光栅轮的光栅缝与单缝光栅的后才进行衍射，因此光栅轮的转动造成光栅轮与单缝光栅之间的相对光栅缝变化，进而能测量出物体的位移，且测量精度高。

综上所述，本实用新型结构简单，体积小，成本低，便于安装，测量精度高。

本实用新型适用于各种高精度微位移的测量。

附图说明

图1是本实用新型实施例的结构示意图；

图2是本实用新型实施例中光源2、透镜3、光栅机构4、线阵CCD模块5布置的结构示意图；

图3是本实施例中线阵CCD模块5的原理框图。

图中：1—壳体，2—光源，3—透镜，4—光栅机构，41—光栅轮，42—单缝光栅，5—线阵CCD模块，51—线阵CCD，52—CCD驱动电路，53—二值化处理电路，54—单片机***，541—单片机，542—电源模块，543—RS485模块，544—显示模块，6—轮轴，7—航空接头，8—固定孔，9—拉线，10—显示屏。

具体实施方式

实施例一种基于线阵CCD的光栅位移传感器

本实施例为一种基于线阵CCD的光栅位移传感器，如图1所示，它包括：

壳体1，在壳体1内固定设置有发出光线的光源2，本实施例采用现有技术中常用的激光作为光源2。在光源2的后方固设有用于将光源2发出的光转换成平行光的透镜3，由于需要将光源2的光变换成非细的平行光，因此要选择凸透镜。在透镜3的后方固设有光栅机构4，所述光栅机构4的光栅缝宽度在外部被测物体发生位移时是可变的，即外部被测物体发生位移时，光栅机构4的光栅缝宽度就会随之发生变化，进而造成光栅机构4最终衍射的图像发生变化。而光栅机构4与外部被测物体之间的联系通过轮轴6实现，即外部物体发生位移时，其会通过轮轴6将自身的位移传送给光栅机构4，进而光栅机构4的光栅缝发生变化。

光栅机构4的具体结构如图2所示：包括位于透镜3后方的光栅轮41，所述光栅轮41为一轮状结构，在光栅轮41上设有至少两个宽度相同的光栅缝，且光栅轮41与轮轴6同轴设置，即轮轴6的转动会带动光栅轮41同步转动；在光栅轮41后方固设有单缝光栅42，所述单缝光栅42的光栅缝宽度与光栅轮41上的光栅缝宽度相等，最终由光栅轮41与单缝光栅42叠加成为光栅缝可变的光栅机构4。

而光栅机构4的衍射图像则被固设于其后方的线阵CCD模块5所接收。所述线阵CCD模块5的结构如图3所示，包括：

（1）单片机***54，所述单片机***54作为控制中心，其包括单片机541，本实施例中采用现有技术中的型号为Atmega128L的控制芯片作为单片机541；还包括电源模块542、显示模块544。其中单片机541的电源端连接电源模块542，显示信号输出端连接显示模块544，同时显示模块544的显示屏10固设于壳体1的外表面上，为了与外部上位机进行通信，即将本实施例检测到的信息传送至上位机供工作人员集中处理，本实施例的单片机***54还设有RS485模块543，单片机541通过RS485模块543连接航空接头7，航空头7再与外部上位机相连接。

（2）线阵CCD51，用于接收光栅机构4衍射的图像，本实施例中采用现有技术中常见的型号为TCD150ID的线阵CCD，所述线阵CCD51的信号输出端通过信号处理模块连接单片机***54的信号输出端。

而该信号处理模块则包括CCD驱动电路52，与二值化处理电路53，所述线阵CCD51的信号输出端通过CCD驱动电路52连接二值化处理电路53的信号输入端，二值化处理电路53的信号输出端连接单片机***54。

此外，本实施例为了安装方便，所述壳体1上还设有用于将壳体1固定的固定孔8。

本实施例的具体工作原理为：壳体1上的轮轴6通过拉线9与外部被测物体相连接，一旦外部被测物体发生位移时，就会通过拉线带动轮轴6转动，而轮轴6与光栅轮41同轴设置，因此，光栅轮41转动，而光栅轮41上的光栅缝与单缝光栅42的光栅缝叠加形成的光栅缝的宽度会变化，造成光栅机构4衍射的图像发生变化，线阵CCD51将检测到的光栅机构4的衍射图像传送至信号处理模块处理后，传送到单片机***54。由于信号处理模块能够对信号进行二值化处理，故针对处理后的信号进行相应的程序设计，处理后的信号即可得到一个方波信号，只要对方波信号进行处理，就可得到二值化输出的两个信号，分别为SH、DO。处理原理为：SH为行同步脉冲，单片机***54先检测SH信号，当SH有下降沿时，说明DO的信号就为有效像元信号的开始。SH信号接单片的INT0中断脚，二值化信号输出DO接单片机541有捕获功能的IC1脚。当INT0发生中断时，说明输出了有效像元，这时立即启动单片机541中IC1脚的捕获功能，获取脉宽的宽度，脉宽反应了衍射图像中间圆斑的大小，当两个光栅相对移动时，光栅缝就会发生大小变化，当光栅缝从小变大时，衍射光斑也从小变大，光栅缝又由大变小时，衍射光斑也从大变小，当完全遮挡时没有衍射图像，反应到脉宽上就是一个从窄到宽，又从宽到窄的过程，当到下一个条纹出现时又会有相同的过程，因此，检测到脉冲宽度的变化即可得到位移的变化。

Claims

1.一种基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于它包括：壳体，在壳体内设置有发出光线的光源，在光源的后方固设有用于将光源发出的光转换成平行光的透镜，在透镜的后方固设有光栅缝宽度可变的光栅机构，所述光栅机构后方固设有用于检测光栅机构衍射图像的线阵CCD模块；

2.根据权利要求1所述的基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于：所述光栅机构包括只有一条光栅条纹的单缝光栅，以及带有至少两个光栅条纹的光栅轮，所述光栅轮固设于透镜的后方，单缝光栅固设于光栅轮的后方，所述光栅轮的光栅条纹的宽度与单缝光栅的光栅条纹宽度相等，且光栅轮与轮轴同轴转动。

3.根据权利要求1或2所述的基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于：线阵CCD模块包括作为控制中心的单片机***，用于接收光栅机构衍射图像的线阵CCD，所述线阵CCD的信号输出端通过信号处理模块连接单片机***的信号输出端。

4.根据权利要求3所述的基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于：所述信号处理模块包括CCD驱动电路，与二值化处理电路，所述线阵CCD的信号输出端通过CCD驱动电路连接二值化处理电路的信号输入端，二值化处理电路的信号输出端连接单片机***。

5.根据权利要求4所述的基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于：所述单片机***包括作为主控单元的单片机，所述单片机的采集信号输入端连接二值化处理电路，电源端连接电源模块，信号通信端通过RS485连接传送模块，显示信号输出端连接显示模块。

6.根据权利要求1、2、4、5中任意一项所述的基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于：所述传送模块采用航空接头，所述航空接头贯穿壳体内外固设于壳体上。

7.根据权利要求3所述的基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于：所述传送模块采用航空接头，所述航空接头贯穿壳体内外固设于壳体上。

8.根据权利要求1、2、4、5、7中任意一项所述的基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于：所述壳体上设有用于将壳体固定的固定孔。

9.根据权利要求3所述的基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于：所述壳体上设有用于将壳体固定的固定孔。

10.根据权利要求6所述的基于线阵CCD的光栅位移传感器，其特征在于：所述壳体上设有用于将壳体固定的固定孔。