一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器制造技术

本发明专利技术属于角度传感器技术领域，具体涉及一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器，包括点光源、内层环形光栅、第一外层位错式环形光栅、第二外层位错式环形光栅、透镜、二象限探测器，所述点光源、内层环形光栅、外层位错式环形光栅、外层位错式环形光栅、透镜、二象限探测器在同一光轴方向上，所述点光源和内层环形光栅放置在圆形的固定台上，所述固定台固定在待测物体表面，所述第一外层位错式环形光栅、第二外层位错式环形光栅和二象限探测器放置在地面或静止台面上。本发明专利技术基于圆形微纳光栅曲面自成像效应，使用双层环形光栅结构实现光学角度信号输出，利用圆形光栅和位错式环形光栅阵列，实现360

【技术实现步骤摘要】
一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器


[0001]本专利技术属于角度传感器
，具体涉及一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器。

技术介绍

[0002]角度参量是机械、仪器仪表和电子制造业中的重要几何参量之一,它的准确度、测量量程直接影响着产品性能与寿命。基于光栅莫尔条纹原理的叠栅条纹角度测量技术作为一种小角度光学测量技术,具有精确度高、非接触、测量片小等优点。但是，传统的叠栅条纹角度测量法存在以下问题：1.需要至少两个平面光栅及CCD阵列等成像设备，器件尺寸大，难以集成；2.通过分析图像进行角度测量，响应速度慢；3.测量角度有限，无法实现360
°
全角度检测。以上问题限制了此类器件进一步向集成化、小型化、大量程的发展。

技术实现思路

[0003]针对目前传统光栅角度传感器检测角度小、难于集成、检测速度慢等问题，本专利技术提供了一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器。本专利技术基于圆形微纳光栅曲面自成像效应和环形光栅的放大效应，使用双层环形光栅结构实现光学角度信号输出，实现单个光轴、单套系统的360
°
全角度检测功能，显著减小了测量结构体积，提高了系统集成度。另外，利用位错式环形光栅阵列，实现光学信号的A、B相信号输出，进而减小电学细分的难度，实现高灵敏度的角度测量。
[0004]为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器，包括点光源、内层环形光栅、第一外层位错式环形光栅、第二外层位错式环形光栅、透镜、二象限探测器，所述点光源、内层环形光栅、外层位错式环形光栅、外层位错式环形光栅、透镜、二象限探测器在同一光轴方向上，所述点光源和内层环形光栅放置在圆形的固定台上，所述固定台固定在待测物体表面，所述第一外层位错式环形光栅、第二外层位错式环形光栅和二象限探测器放置在地面或静止台面上。
[0006]所述点光源的功率＞1mW。
[0007]所述内层环形光栅为环形光栅，所述第一外层位错式环形光栅、第二外层位错式环形光栅均分两个光栅区域，所述两个光栅区域在Y轴方向上相错四分之一个光栅角周期。
[0008]所述内层环形光栅、第一外层位错式环形光栅和第二外层位错式环形光栅的光栅角周期相同，所述内内层环形光栅、第一外层位错式环形光栅和第二外层位错式环形光栅的光栅厚度相同，所述内内层环形光栅、第一外层位错式环形光栅和第二外层位错式环形光栅的占空比为0.5。
[0009]所述内层环形光栅的光栅周期为z
N1
＝2πR1/N，所述第一外层位错式环形光栅和第二外层位错式环形光栅的光栅周期均为zN2＝2π(R1+R2)/N，所述R1是点光源与内层光栅的距离，所述R2是内外层光栅间隙，所述N是光栅周期数。
[0010]所述透镜的纵向长度大于第一外层位错式环形光栅、第二外层位错式环形光栅的长度。
[0011]所述内层环形光栅、第一外层位错式环形光栅和第二外层位错式环形光栅在入射波长处透过率不低于50％。
[0012]所述点光源发出的光经内层环形光栅后产生自成像，在自成像位置处放置外层位错式环形光栅，当内层环形光栅沿光栅圆周方向上角度变化时，由第一外层位错式环形光栅和第二外层位错式环形光栅透过的光强随内层环形光栅的角度变化发生周期性变化，所述透镜将透过外层环形光栅的发散的光转化为平行光，从而在二象限探测器上接收到随内层环形光栅角度变化的光强，由光强变化测得内层环形光栅沿光栅圆周方向上角度变化量；同时，所述第一外层位错式环形光栅和第二外层位错式环形光栅设有两光栅区域相错1/4个光栅角周期的结构，实现了经两光栅区域的透过光强变化曲线相差90
°
相位，从而实现了二象限探测器两个象限分别输出两路电压信号，其中第一象限输出信号为参考信号，另外一个象限在有相应角度变化输入的情况下的输出信号均与第一象限输出信号相错90
°
，从而大大降低了电路细分的难度，实现了高灵敏度的角度测量。
[0013]本专利技术与现有技术相比，具有的有益效果是：
[0014]本专利技术基于圆形微纳光栅曲面自成像效应，使用双层环形光栅结构实现光学角度信号输出。基于平面光栅的传统检测方案，本专利技术利用圆形光栅和位错式环形光栅阵列，实现光学信号的A、B相信号输出，实现360
°
全角度高灵敏角度测量；相比基于平面光栅的传统检测方案，本专利技术采用光强检测方式，无需CCD等阵列成像设备，减小了器件整体尺寸、提高了器件响应速率。
附图说明
[0015]图1为本专利技术的结构示意图；
[0016]图2为本专利技术XY面衍射仿真结果图；
[0017]图3为本专利技术沿圆周方向仿真结果图；
[0018]图4为本专利技术内外层光栅光栅角周期位错对应0
°
时的仿真结果图；
[0019]图5为本专利技术内外层光栅光栅角周期位错对应3.6
°
时的仿真结果图；
[0020]图6为本专利技术位错式环形光栅展开图；
[0021]图7为本专利技术透过光强随位移量的变化情况图。
[0022]其中：1为点光源，2为内层环形光栅，3_1为第一外层位错式环形光栅，3_2为第二外层位错式环形光栅，4为透镜，5为二象限探测器。
具体实施方式
[0023]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]在本专利技术的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机
械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本专利技术中的具体含义。
[0025]一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器，如图1所示，包括点光源1、内层环形光栅2、第一外层位错式环形光栅3_1、第二外层位错式环形光栅3_2、透镜4、二象限探测器5，点光源1、内层环形光栅2、外层位错式环形光栅3_1、外层位错式环形光栅3_2、透镜4、二象限探测器5在同一光轴方向上，点光源1和内层环形光栅2放置在圆形的固定台上，固定台固定在待测物体表面，第一外层位错式环形光栅3_1、第二外层位错式环形光栅3_2和二象限探测器5放置在地面或静止台面上。
[0026]进一步，为保障良好的检测效率，点光源1的功率>1mW。
[0027]进一步，内层环形光栅2为环形光栅，第一外层位错式环形光栅3_1、第二外层位错式环形光栅3_2均分两个光栅区域，两个光栅区域在Y轴方向上相错四分之一个光栅角周期。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器，其特征在于：包括点光源(1)、内层环形光栅(2)、第一外层位错式环形光栅(3_1)、第二外层位错式环形光栅(3_2)、透镜(4)、二象限探测器(5)，所述点光源(1)、内层环形光栅(2)、外层位错式环形光栅(3_1)、外层位错式环形光栅(3_2)、透镜(4)、二象限探测器(5)在同一光轴方向上，所述点光源(1)和内层环形光栅(2)放置在圆形的固定台上，所述固定台固定在待测物体表面，所述第一外层位错式环形光栅(3_1)、第二外层位错式环形光栅(3_2)和二象限探测器(5)放置在地面或静止台面上。2.根据权利要求1所述的一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器，其特征在于：所述点光源(1)的功率>1mW。3.根据权利要求1所述的一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器，其特征在于：所述内层环形光栅(2)为环形光栅，所述第一外层位错式环形光栅(3_1)、第二外层位错式环形光栅(3_2)均分两个光栅区域，所述两个光栅区域在Y轴方向上相错四分之一个光栅角周期。4.根据权利要求1所述的一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器，其特征在于：所述内层环形光栅(2)、第一外层位错式环形光栅(3_1)和第二外层位错式环形光栅(3_2)的光栅角周期相同，所述内内层环形光栅(2)、第一外层位错式环形光栅(3_1)和第二外层位错式环形光栅(3_2)的光栅厚度相同，所述内内层环形光栅(2)、第一外层位错式环形光栅(3_1)和第二外层位错式环形光栅(3_2)的占空比为0.5。5.根据权利要求1所述的一种基于环形光栅阵列的双光栅机构角度传感器，其特征在于：所述内层环形光栅(2)的光栅周期为z
N1
＝2πR1/N，所述第一外层位错式环形光栅(3_1)和第二外层位错式环形光栅(3_2)的光栅周期均为z

【专利技术属性】
技术研发人员：辛晨光，杨志涌，李孟委，金丽，李晋华，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：