專利名稱：密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及制造領(lǐng)域的一種傳感器，對長度量、線位移遠(yuǎn)程安全測控用的傳 感器。
背景技術(shù)：
光柵線位移測控用的傳感器，國內(nèi)外也稱為密封式光柵線位移傳感器、或光學(xué) 尺、或密封式光柵尺。目前，國內(nèi)外用與長度量、線位移測量或控制用的同類光柵傳感器，普 遍存在的缺點(diǎn)1、測量信號傳輸距離短，原因是他們目前采用的LED(紅外發(fā)光管)及其光 學(xué)系統(tǒng)，因光能量小，方向性、抗干擾等性能較差，不適于信號的遠(yuǎn)傳。如CN1563883A中所 公開的。2、在危險環(huán)境中使用安全性差，傳感器自身含有電子元器件，滿足不了在易燃、易 爆、有害輻射等人體不易接近的危險環(huán)境中使用的要求。3、計(jì)量光柵尺與指示光柵尺之間 的光柵間的光柵間隙量較小，工作時易劃傷光柵刻線，使感器不能正常工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明專利的目的是克服現(xiàn)有光柵傳感器存在的缺點(diǎn)，提供一種用于易燃、易爆、 強(qiáng)電磁干擾、放射性輻射等人體不易接近的環(huán)境中的密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感
ο實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的技術(shù)方案如下一種密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感器，傳感器分為工作現(xiàn)場裝置和安全 區(qū)裝置兩部分，工作現(xiàn)場裝置具有尺殼組件，在尺殼組件內(nèi)裝有計(jì)量光柵尺、指示光柵尺、 鎧裝輸入光纖、柱透鏡鎧裝輸出光纖，安全區(qū)裝置依次具有半導(dǎo)體激光器，微型激光發(fā)射天 線、柱透鏡、鎧裝輸出光纖、鎧裝輸入光纖、光電接收器、電子處理裝置，在安全區(qū)安裝在電 子處理裝置區(qū)的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光源，經(jīng)微型激光發(fā)射天線調(diào)制，再經(jīng)柱透鏡與鎧裝 輸入光纖耦合后射出，在工作現(xiàn)場鎧裝輸入光纖將光束傳導(dǎo)至指示光柵與計(jì)量光柵尺的工 作面之上。光柵付隨工作過程相對移動產(chǎn)生的莫爾條紋光信號，光信號經(jīng)柱透鏡與鎧裝輸 出光纖耦合光射，由鎧裝光纖傳輸?shù)桨踩珔^(qū)的光電接收器，由光信號轉(zhuǎn)換成電測量信號后 經(jīng)電子裝置將工作過程的長度量或線位移量的模擬量或數(shù)字量形式輸出。進(jìn)一步，微型激光發(fā)射天線的半導(dǎo)體激光器和與光纖的收光角相匹配，微型激光 發(fā)射天線具有鏡筒、透鏡組a、隔套a、透鏡組b、隔套b、透鏡組C、壓圈、類頭組成。進(jìn)一步，所用的微型激光發(fā)射天線中的透鏡組(22、23、24)可以由兩組或三組以 上的多組透鏡組成。進(jìn)一步，所用的半導(dǎo)體激光器的波段可以為紅外波段、紫外波段。進(jìn)一步，采用在鎧裝輸出光纖、鎧裝輸入光纖端面的激光束輸入端各安裝兩組柱 透鏡的光耦合方式。本傳感器的工作原理傳感器的工作現(xiàn)場裝置部分被固定在被加工的設(shè)備上，當(dāng) 滑板與尺殼產(chǎn)生相對移動時，也就是指示光柵與光柵尺之間產(chǎn)生了相對移動，便會產(chǎn)生光學(xué)莫爾條紋測量信號，此光信號再由光纖輸出到安全區(qū)的光電接收器上，由光信號轉(zhuǎn)換成 電測量信號，經(jīng)外設(shè)電子處理裝置后最終將被要求的長度或線位移量，以模擬量或數(shù)字量 形式輸出，滿足裝備的數(shù)字化測量與控制的需要。為達(dá)到傳感器的測量信號傳輸距離遠(yuǎn)和自身不含有電子元器件安全性強(qiáng)的目的 (1)采用半導(dǎo)體激光器作照明光源，其波段可以是紅外波段和紫外波段，半導(dǎo)體激光器是近 代適于小型化設(shè)計(jì)，使用安全、可靠、壽命長、抗干擾適于遠(yuǎn)傳的優(yōu)良光源，尤其它具有單色 性、方向性和較高能量特性和發(fā)光靶面小于光纖截面積便于與光纖耦合的特點(diǎn)是目前其它 非激光光源所不能及的，現(xiàn)有的光柵線位移傳感器慣用的光源是LED(紅外發(fā)光二極管)， 其主要缺點(diǎn)是發(fā)光能量較低、單色性方向較差，不適于遠(yuǎn)傳，發(fā)光靶面大小不適于光耦合。 本發(fā)明采用的半導(dǎo)體激光器功率在毫瓦量級，其選用功率由傳輸?shù)木嚯x參數(shù)確定，安放的 位置在微型激光發(fā)射天線的后焦點(diǎn)上，(2)采用了與半導(dǎo)體激光器和與光纖的收光角相匹 配的微型激光發(fā)射天線，使充分發(fā)揮其自身特性和滿足使用要求，激光發(fā)射天線的作用是 對激光束進(jìn)行外調(diào)制，根據(jù)實(shí)際需要對激光光束進(jìn)行高倍壓縮。(3)采用半導(dǎo)體激光束—— 柱透鏡——光纖三者組合的光耦合方式，使光信號更適于遠(yuǎn)程傳輸，采用鎧裝光纖端面的 激光束輸入端各安裝兩組柱透鏡24b、30b的光耦合的方式，采用上述組合可以使入射光能 的損失減至最小，有其傳輸激光光束和光柵莫爾條紋信號是很適于遠(yuǎn)程使用的。為達(dá)到本傳感器光柵工作間隙量較大的目的(1)采用了計(jì)量光柵尺(32)，和指 示光柵尺結(jié)合的好方式，可使測量誤差平均對光信號放大，因此光柵尺可獲得較高的分辨 率和測量精度。(2)采用半導(dǎo)體激光器(17-2)與微型激光發(fā)射天線的有效組合，提高光柵 工作間隙量，光柵工作間隙量遵循費(fèi)涅爾光柵理論公式t = ικ!2λ，式中的t為工作間隙
量，η = 1、2、3......整數(shù)，η稱之為費(fèi)涅爾焦面次數(shù)主要決于入射光束的特性，λ為入射
光波長，d為光柵柵距，當(dāng)光柵密度確定后，光柵工作間隙量(t)的大小，取決于入射光束的 波長和光束的特性，LED光源的波長范圍通常為8500埃 9000埃，半導(dǎo)體激光器的波長范 圍通常為4600埃 6500埃，LED光源波長約為半導(dǎo)體激光器波長的(1. 8 1. 4)倍，半導(dǎo) 體激光器與微型激光發(fā)射天線的特性與作用前面已有敘述，其二者的有效組合與采用LED 的光學(xué)系統(tǒng)相比較具有入射光束波長短、單色性、方向性、光能量高、抗干擾、衍射效應(yīng)低 等優(yōu)點(diǎn)，特別是可以有效地控制高次諧波的產(chǎn)生，可以采用高級次的費(fèi)涅爾焦面增大光柵 工作間隙量(t)經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)證明本發(fā)明專利中光柵付的工作間隙量可比現(xiàn)有技術(shù)中同等 密度的光柵工作間隙量至少大2倍。該傳感器優(yōu)點(diǎn)是1、因采用了半導(dǎo)體激光光源和激光束——柱透鏡——光纖的光耦合方式后光線 損失減少，傳感器的光柵莫爾條紋測量光信號傳輸距離可達(dá)2公里以上。滿足了遠(yuǎn)程測量 要求。2、傳感器工作現(xiàn)場裝置自身不含有電子元器件，能防爆、防電磁干擾、防輻射、安 全性能強(qiáng)，適于在危險環(huán)境中使用。3、傳感器在同等光柵密度的條件下光柵工作間隙量比現(xiàn)有傳感器的光柵工作間 隙量比現(xiàn)有傳感器的光柵工作間隙量至少高2倍，傳感器工作穩(wěn)定、可靠。


圖1為本發(fā)明密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感器的剖視結(jié)構(gòu)示意圖。I為安 全區(qū)裝置的剖視圖，II為工作現(xiàn)場裝置的剖視圖；圖2為圖1中的工作現(xiàn)場裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為計(jì)量光柵尺結(jié)構(gòu)示意圖；圖4、圖5、圖6、為指示光柵結(jié)構(gòu)示意圖。其中5、6的A、B、C、D光柵窗口相位互差 90。圖中各序號的名稱為1端部固定塊、2尺殼表面、3滑塊、4螺釘b、5前壓板、6鋼球、7尺殼、8反壓板、9 螺釘C、10-1類頭、10-2類頭b、ll壓圈、12隔套b、13隔套a、14螺釘d、15支撐板、16電子 處理裝置、17-1鏡筒、17-2半導(dǎo)體激光器、18螺釘、19-1光電接收器、19-2電路板、20安全 區(qū)、21半導(dǎo)體激光器組件、22激光發(fā)射天線透鏡組a、23激光發(fā)射天線透鏡組b、24激光發(fā) 射天線透鏡組c、24-b柱透鏡、25密封膠條、26導(dǎo)向軸承a、27軸承a、28螺釘a、29壓支撐 座、30鎧裝輸出光纖、30b柱透鏡、31類頭C、32計(jì)量光柵尺、33螺釘e、34指示光柵、35類頭 a、36鎧裝輸入光纖、37護(hù)罩、38前支撐架、39軸承b、40螺釘g、41壓簧、42螺釘h、43螺釘 P、51-玻璃尺基體、52-光柵刻度線、53-0 °光柵窗口、54-光柵窗口、55-玻璃基體、56-零位 窗口、57-玻璃基體、58-零位窗口、59-玻璃基體
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合附圖1-6對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明。本發(fā)明由半導(dǎo)體激光器組件(21)、微型激光發(fā)射天線(22、23、24)、柱透鏡(24b)、 計(jì)量光柵尺(32)、尺殼組件、光柵讀數(shù)頭、光電接收組件七大部分組成，光源由遠(yuǎn)離危險現(xiàn) 場2公里外置于安全區(qū)中，從兩路半導(dǎo)體激光器17-2發(fā)出，經(jīng)兩路微型激光發(fā)射天線調(diào)制 后出射，在工作現(xiàn)場由兩路鎧裝輸入光纖36將光束傳導(dǎo)至傳感器的指示光柵34與計(jì)量光 柵尺32的工作面上，光柵付相對移動，產(chǎn)生的莫爾條紋光信號由兩路鎧裝輸出光纖30傳 輸至裝在安全區(qū)內(nèi)的電子處理裝置上的兩路光電接收器19上。尺殼組件由尺殼(7)、護(hù)罩 (37)、2個端部固定塊⑴和2條密封膠帶(25)組成；光柵讀數(shù)頭由滑板(3)、前壓板(5) 后壓板(8)、壓簧(41)、前支撐架(38)、后支撐架(29)、2個軸承a(26)、夾頭c(31)、3個軸 承b (39)、2條鎧裝輸入光纖(36)、2條鎧裝輸出光纖(30)、指示光柵(34)組成；光電接收組 件由2個夾頭y (10-2)、2個連接套(21)、2個電路板(19_2)、2個光電接收器(19_1)組成。光柵讀數(shù)頭的結(jié)構(gòu)方式2個端部固定塊1通過螺釘固定在尺殼7的兩端，端部固 定塊1上有長圓形通孔通過螺釘連接固定在外界的工作裝備。護(hù)罩37通過4個螺釘a2固 定在端部固定塊1上，計(jì)量光柵尺32用彈性膠粘接在尺殼7內(nèi)的長槽之中，光柵尺的設(shè)計(jì) 如圖3所示，其制作工藝采用半導(dǎo)體光刻工藝，其光柵刻線密度及精度的選取由整機(jī)要求 的分辨率和準(zhǔn)確度確定，指示光柵34用彈性膠粘接在后支撐座29的槽內(nèi)，其設(shè)計(jì)如圖4所 示，其制作方法與光柵尺相同，指示光柵上設(shè)有兩個光柵窗口，互差90°相位，用于本傳感 器的判向，光柵窗口內(nèi)的刻線密度與計(jì)量光柵尺保持一致，指示光柵的圖案也可以被設(shè)計(jì) 成圖5、圖6形式，兩支光電接收器bl9-l及兩組半導(dǎo)體激光器與微型激光發(fā)射天線一體化 形式的結(jié)構(gòu)被固定在支承板15上，支承板通過上面的4個螺孔被固定在放于安全區(qū)的外加 電子處理裝置16上，兩條鎧裝輸入光纖30和兩條鎧裝出光纖36的一端被固定在夾頭a35和夾頭blO-2內(nèi)，另一端通過夾頭c31和夾頭a35固定，尺殼2上內(nèi)槽裝有兩條密封膠條25 是為了防止油污進(jìn)入傳感器的內(nèi)部，滑板3的上部4個螺釘b4固定前壓板5和后壓板8是 為固定從傳感內(nèi)部引出的四條光纖，滑板的下部通過螺釘h42剛性的固定一條壓簧41，壓 簧另一端焊接了一個鋼球6，其作用是向下部機(jī)械零件前支承架38施加定向壓力，以確保 指示光柵與計(jì)量光柵尺正常工作，前支承架上通過螺釘分別固定有3個軸承b39和2個導(dǎo) 向軸承a26，3個軸承b的主要作用是實(shí)現(xiàn)光柵的工作間隙，前支承架上還有兩個螺釘，用來 固定后支撐座29，后支撐座的作用是固定兩條輸出光纖。在安全區(qū)裝置上，外加的電子處理 裝置16放于安全區(qū)20，兩組微型激光發(fā)射天線的鏡筒17-1緊配合裝入支撐板15上，支承 板通過螺釘把在電子處理裝置后面的半導(dǎo)體激光器組件21裝于鏡筒內(nèi)，位于透鏡組a、透 鏡組b、透鏡組c的組合焦點(diǎn)上，三組透鏡組通過隔套bl2、隔套al3和壓圈11被固定在鏡 筒內(nèi)，兩組柱透鏡24b、30b分雖被固定在夾頭10-1和夾頭c31之內(nèi)，位于光纖30、36端面 前方，兩條鎧裝輸入光纖36通過2個夾頭10分別與鏡筒連接；兩個連接套緊配合壓入支承 板15孔內(nèi)，2個光電接收器19-1焊接在2塊電路板19-2上，2塊電路板通過螺釘分別固定 在2個連接套上，兩條鎧裝輸出光纖30通過2個夾頭10-2分別與兩個連接套連接。本實(shí) 施微型激光發(fā)射天線由鏡筒17-1、透鏡組a22、隔套al3、透鏡組b23、隔套bl2、透鏡組c24、 壓圈11、夾頭10-1組成，上述透鏡組根據(jù)需要可設(shè)計(jì)成2組、3組以上的多組。
權(quán)利要求
一種密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感器，其特征為傳成器分為工作現(xiàn)場裝置和安全區(qū)裝置兩部分，工作現(xiàn)場裝置具有尺殼組件，在尺殼組件內(nèi)裝計(jì)量光柵尺，指示光柵尺，鎧裝輸入光纖、柱透鏡鎧裝輸出光纖，安全區(qū)裝置依次具有半導(dǎo)體激光器、微型激光發(fā)射天線、柱透鏡、鎧裝輸出光纖、鎧裝輸入光纖、光電接收器、電子處理裝置，在安全區(qū)安裝在電子處理裝置區(qū)的半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光源，經(jīng)微型激光發(fā)射天線調(diào)制，再經(jīng)柱透鏡與鎧裝輸入光纖耦合后射出，在工作現(xiàn)場鎧裝輸入光纖將光束傳導(dǎo)到指示光柵與計(jì)量光柵尺的工作面上。光柵付隨工作過程相對移動產(chǎn)生的莫爾條紋光信號，光信號經(jīng)柱透鏡與鎧裝輸出光纖耦合光射，由鎧裝光纖傳輸?shù)桨踩珔^(qū)的光電接收器，由光信號轉(zhuǎn)換成電測量信號后經(jīng)電子裝置將工作過程的長度量或線位移量的模擬量或數(shù)字量形式輸出。
2.根據(jù)權(quán)利要求所述的密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感器其特征還在于微型激 光發(fā)射天線的半導(dǎo)體激光器和與光纖的收光角相匹配，微型激光發(fā)射天線具有鏡筒、透鏡 組a、隔套a、透鏡組b、隔套b、透鏡組C、壓圈、類頭組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感器，其特征還在于 所用的微型激光發(fā)射天線中的透鏡組可以由兩組或三組以上的多組透鏡組成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感器，其特征還在于所 用的半導(dǎo)體激光器的波段可以為紅外波段、紫外波段。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感器，其特征還在于采 用在鎧裝輸出光纖、鎧裝輸入光纖端面的激光束輸入端各安裝兩組柱透鏡的光耦合方式。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種密封式激光光柵遠(yuǎn)程安全線位移傳感器，屬于制造領(lǐng)域中的一種用于遠(yuǎn)距離長度量、線位移測量的裝置，現(xiàn)有的同類傳感器不能在易燃、易爆、強(qiáng)電磁干攏和放射性輻射的環(huán)境中使用，為此，本發(fā)明提供了工作現(xiàn)場裝置和安全區(qū)裝置的部分組成此傳感器，由半導(dǎo)體激光器組件、微型激光發(fā)射天線、柱透鏡、計(jì)量光柵尺、尺殼組件、光柵讀數(shù)頭、光電接收組件構(gòu)成，光源由兩路半導(dǎo)體激光器發(fā)出，在光電接收器上，轉(zhuǎn)換為電信號，再由電子處理裝置輸出數(shù)顯、數(shù)控系統(tǒng)所需的信號，本發(fā)明具有傳輸距離遠(yuǎn)、防爆、防電磁干擾、防輻射、安全性能強(qiáng)和工作穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)。
文檔編號G01B11/02GK101988819SQ20091015747
公開日2011年3月23日 申請日期2009年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月30日
發(fā)明者史淑華, 張一鋼, 許興智, 許殊罡 申請人:廊坊開發(fā)區(qū)萊格光電儀器有限公司