轮廓测量用接触式位移传感器.pdf

本发明涉及一种传感器，特别适用于机械工程测量场合。
    在机械工程测量中广泛应用的机械式、光学机械式、电动式、电感式、压电式及光电式等轮廓测量用的接触式位移传感器，它们共同的缺点是动态范围较小，如哈量生产的BCJ-2型为0.01μm～5μm，Talysurf 4-10型为0.01～5μm，西德S8P型为0.1-10μm，因此它们只能用于沿素线为直线的表面进行形貌测量，而不能进行曲面形貌的分析。80年代，英国Taylor-Hobson公司率先披露了解决曲形貌测量的一种传感器，它采用迈克尔逊干涉原理，标准量为氦-氖激光波长（λ＝0.6328μm），其动态测量范围为±3mm，分辨率为0.010μm，可用于对球面、椭圆面、双曲面进行表面形貌测量。但这种传感器的光路较长，系统复杂，标准量为激光波长，故易受温度、振动等环境因素的影响，且价格昂贵。

    针对上述在光技术的缺点，本发明的任务是提供一种把光栅干涉引入触针式传感器，用反射型柱面全息衍射光栅作为传感元件，用光栅常数作为标准量，能用于测量任意曲面的高精度接触式传感器。

    本发明通过以下技术措施实施，它由传感器本体和信号处理硬件电路构成，传感器本体中采用反射型柱面全息衍射光栅7，它置于测杆2的一端，2的另一端设触针1，测杆由刀口22和托块28支承，为使侧杆只作绕刀口22转动而不能有其他方向转动，设片簧18，18一端与侧杆固接，另一端固定在传感器本体上，为保证触针1与工作表面可靠接触，采用接簧21来产生工作压力，在光栅7的前方设激光管12，它置于托架13，两侧设反光镜8，该镜置于底座9上，由反光镜8出来的光进入分光镜11，11置于底座10上，由分光镜11出来的干涉光经反射镜8后进入透镜架17上的透镜16放大后由PIN光电列阵探测器15接收，转换成四相电信号，交依次进入四个前置放大器地入口端，其中两个前置放大器的出口端，分别与两个相同的低通滤波器连接，数据放大器的入口端与两个滤波器的出口端连接，出口端与调零差动放大器入口端连接，上述电路有两条，其中一路，调零差动放大器的出口端与过零比较器T1及采样保持器的入口端连接，过零比较器的出口端与D触发器的入口端连接，而该触发器的一个出口端与时钟发生器连接，另一个出口端与辩向电路的入口端连接，辩向电路的出口端分别与加法门Y1及减法门Y2连接，Y1及Y2的出口端与计数器4连接，另一路的调零差动放大器的出口端与过零比较器T2及另一个采样保持器的入口端连接，T2的出口端通过反向器T2′与加法门Y1减法门Y2连接，计数器的PB口及PA口分别与芯片8255连接，PC总线分别与两个8255芯片、12位A/D转换器及地址译码电路连接，地址译码电路一端与芯片8255连接，另一端与另一个芯片8255及同步采样电路连接，另一个芯片8255分别与同步采样电路及电子开关连接，两个采样保持器的出口分别与电子开关及同步采样电路连接，12位A/D转换器的出口端与电子开关连接。

    本发明的优点：（1）将光栅干涉引入触针式传感器，从根本上改变了传统触针式传感器的缺陷，使其具有宽的动态范围，解决了任意曲面表面粗糙度测量的困难，并可进一步用于形状误差、浓度及粗糙度的综合测量，（2）该传感器的触针位移用干涉信号的脉冲当量来描述，干涉信号脉冲当量为光栅常数的一半，它不随入射光波长的变化而变化，与迈克尔逊干涉法相比，它具有较短的干涉光路，因此，在外界大气环境下能保持较好的精度与稳定性。（3）新颖的细分方法及电路，保证了光栅信号的细分精度和逼真度。（4）结构简单，成本低，易于商品化。

    附图说明如下：

    附图1  传感器基本原理图

    附图2  传感器结构原理图

    附图3  A-A剖视图

    附图4  B-B剖视图

    附图5  信号处理框图

    以下结合附图对本发明作进一步说明如下：如图1所示，柱面全息衍射光栅中心与其回转中心O重合，当光栅绕O点转动时，其衍射角始终不变。当一束截面半径为r、波长为λ、振幅为UO的平面光波入射光栅时，产生夫琅和费远场衍射，得到±1级发射柱面光波，经反射镜M和分光镜N形成干涉，得到相位差为4πf△x的明暗相间的干涉条纹，当光栅以O点为中心逆时针转动时，干涉条纹随之变化，干涉条纹变化一次，相位差即为2π，故得到一个脉冲输出△x＝1/2f＝d/2，式中d＝1/f为光栅常数。由此可知，干涉条纹仅与光栅常数有关，而与入射光的波长无关，干涉条纹变化一次，其光栅转动量为光栅常数的一半。因此，在该光栅干涉系统中，光波波长不影响系统的灵敏度和分辩率，与迈克尔逊干涉法相比，它不仅有固定的标准量，而且光路很短，因此在外界大气环境下，仍能保持较好的精度和稳定性。传感器结构如图2、图3、图4所示，它有一个测杆2，它的一端是与被测表面接触的触针1，另一端是反射型柱面全息衍射光栅7，触针用金刚石制成，采用2μm的针尖半径。测针的支承采用片簧刀口22和托块28，为限制测杆2只作绕刀口转动，设置了一个片簧18，18一端固定在测杆上，另一端固定在传感器本体上，设拉簧21用以保证触针1和工作表面的可靠接触，触针的工作压力为0.7-1mN，光栅干涉光源采用氦-氖激光器，功率为1mW，波长为0.6328μm。从激光器来的一束波长为λ，振幅为UO，截面半径为0.24mm的平面相干光束按图2中B所示方向入射至柱面全息衍射光栅，产生的±1级发散柱面衍射波分别经两块反光镜8反射后，通过分光镜11叠加合成，形成干涉，产生明暗相间的干涉条纹，经透镜16放大后，由PIN光电列阵探测器15接收。当触针沿被测曲面以一定相对速度进行扫描时，柱面全息光栅绕支点转动，干涉信号的光强随光栅移动作周期性的变化，PIN光电列阵探测器接收到四相光信号，并转换成四相电信号。四相电信号按“前放大倍数匹配法”选定的高精度、低漂移电压放大器后，经一阶低通滤波器除去高频信号和干扰后，进入高对称性、高输入阻抗差动测量放大电路，得到了除去直流分量，可供双向计数的正交信号。A＝Usinθ，B＝Ucosθ，当触针在测量表面上扫描时，其高度方向的变动量是由光栅转动引起的干涉条纹明暗变化的整周期数和分数周期构成，整数周期由双向计数来实现，分数周期由采样时刻两相正交信号的瞬时相位角确定。如图5所示，两相正交信号分别送入调零差动放大器消除剩余直流分量后，通过过零比较器，得到两路相位差90°的方波T1和T2。为避免触针在被测表面上下振动而产生的误计数，方波T1送入记忆器件D型触发器，得到方波T1′。方波T1′送入辩向电路，得到与T′1的上升沿和下降沿相对应的窄脉冲F1，F2。当光栅正向转动时，T1′超前T′290°，T′1的上升沿脉冲F1触发加法门Y1，输出加法脉冲。当光栅反向转动时，T′1滞后T′290°，T1′的下降沿脉冲F2触发减法门Y2，输出乘法脉冲。计数电路是由四片四位同步加乘可逆计数器串联而成，以实现16位计数功能。