一种位移传感器及其使用、制作方法和一种干涉仪与流程

本发明涉及微光机电系统(Micro Optic Electro Mechanical System，MOEMS)技术领域，尤其涉及一种位移传感器。

背景技术：

位移是指物体位置相对参考点产生的偏移量，在众多的物理量中位移与其它量相比是既容易检测又容易获得高精度的检测结果，所以测量中常将被测对象的机械量转换成位移量来检测。例如将加速度转换成质量块的位移、将膨胀转换成物体表面的位移等。小位移测量是压力、加速度、流量、温度、振动等测量技术的基础，大位移测量是自动化生产线(如机械手的移动)、工业检测(如膨胀)、在线监控(如振动)等的根基。

光电位移传感器将位移信息转化为光学信息，并通过光电二极管探测到的光强体现出来。光电位移传感器具有非接触测量、测试速度快、精度高、测试点小等优点被广泛研究和应用。现有的光电位移测试主要有激光三角测量法、莫尔条纹法、双光束干涉法、基于多普勒效应的双频激光干涉法等，它们大都用于大位移的测量，其光路系统也都比较复杂，无法满足现代工业发展中小体积、易集成、高可靠性、低功耗要求。

双光束干涉测量法基于迈克尔逊干涉仪、用双光束干涉强度的变化来反映位移量的信息。由干涉强度反演被测对象的位移信息已被广泛地研究，利用正弦相位调制法可使位移测量精度达到检测光波长的百分之一以上。在双光束干涉测量系统中，光源的相干长度决定了可测量的最大量程。现有的大量程的双光束干涉测量系统中光源大都由He-Ne激光器提供，但He-Ne激光器本身的体 积较大，这从根本上影响大位移双光束干涉测量系统的体积。

技术实现要素：

为解决现有存在的技术问题，本发明实施例期望提供一种具有微型化、易集成、高可靠性和低功耗等特点的位移传感器和干涉仪。

本发明实施例的技术方案是这样实现的：

本发明实施例提供一种位移传感器，该位移传感器包括：

半导体激光器，用于产生激光光束；

衍射光栅，用于将所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，产生第一衍射光；同时用于将所述激光光束中穿过自身、到达待测物体，并经待测物体反射后再次穿过自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

探测器，位于待测第一衍射光和第二衍射光中预设相同级次的衍射光交汇处，用于测量第一衍射光与第二衍射光中预设相同级次的衍射光之间的干涉强度信息的变化；

信息处理器，与所述探测器相连，用于读取干涉强度信号，根据探测器探测的干涉强度变化信息，反演出待测物体的位移信息；

所述衍射光栅位于半导体激光器与待测物体之间。

上述方案中，所述位移传感器还包括：

衍射光栅调制解调装置，用于对衍射光栅引入周期性的振动，以及对探测器探测到的干涉强度信息进行解调。

上述方案中，所述位移传感器还包括：

反射光收集装置，用于收集经待测物体反射的光，使得所探测第二衍射光与第一衍射光中预设相同级次的衍射光的强度相当。

上述方案中，所述半导体激光器为长相干距离半导体激光器。

本发明还提供一种干涉仪，该干涉仪包括：

半导体激光器，用于产生激光光束；

衍射光栅，用于将所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，产生第一衍射光；同时用于将所述激光光束中穿过自身、到达待测物体，并经待测物体反射后再次穿过自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

探测器，位于待测第一衍射光和第二衍射光中预设相同级次的衍射光交汇处，用于测量第一衍射光与第二衍射光中预设相同级次的衍射光之间的干涉强度信息的变化。

上述方案中，所述干涉仪还包括：

衍射光栅调制解调装置，用于对衍射光栅引入周期性的振动，以及对探测器探测到的干涉强度信息进行解调。

上述方案中，所述干涉仪还包括：

反射光收集装置，用于收集经待测物体反射的光，使得所探测第二衍射光与第一衍射光中预设相同级次的衍射光的强度相当。

上述方案中，所述半导体激光器为长相干距离半导体激光器。

本发明还提供一种位移传感器的使用方法，该方法包括：

半导体激光器产生激光光束；

衍射光栅将所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，产生第一衍射光；同时衍射光栅将所述激光光束中穿过自身、到达待测物体，并经待测物体反射后再次穿过自身的一部分光，衍射为第二衍射光；

探测器测量第一衍射光与第二衍射光中预设相同级次的衍射光之间的干涉强度信息的变化；

信息处理器读取干涉强度信号，根据探测器探测的干涉强度变化信息，反演出待测物体的位移信息。

本发明还提供一种位移传感器的制作方法，该方法包括：

使用微光机电系统MOEMS工艺生产半导体激光器、衍射光栅、探测器、信息处理器，以及光栅调制装置、反射光收集装置的MOEMS元件；

将分离的半导体激光器、衍射光栅、光电探测器、信息处理器，以及光栅调制装置、反射光收集装置的MOEMS元件按照根据上述任意一种位移传感器结构组装；或者

将半导体激光器、衍射光栅、光电探测器、信息处理器，以及光栅调制装置、反射光收集装置的MOEMS元件中的全部或部分元件集成于一个单片中。

上述的技术方案的特点是：本发明提供的位移传感器的探测光可由长相干距离半导体激光器提供，并不像现有的双光束位移测量系统，探测光由He-Ne激光器等提供。这样所发明的位移传感器具有微型化、易集成等特点。传感器所测量的最大量程是半导体激光器相干距离的一半，随着长相干距离半导体激光器技术的不断进步，所发明的位移传感器的量程可以达到数米甚至更远。

上述技术方案的另外一个特点是：产生相干双光束的方法并不是像迈克尔逊干涉仪那样利用不同的光路来实现，而是利用衍射光栅的半反半透性质来实现分光的。光栅的直接反射和待测物体的表面反射提供了两束相干光，它们的光程差包含了待测物体的位移信息。相互干涉的两束光可以是第一衍射光与第二衍射光中任何一级的衍射光，如0级，±1级，±2级等，它们的空间方向不同，因此利用不同级别衍射光相干信息测量时，相应探测器的空间位置也不同。

上述的技术方案的另外一个特点是：可以对衍射光栅引入调制系统。对衍射光栅引入周期性的振动，而后对探测器探测到的干涉强度信息进行解调；这样可以有效地抑制和降低噪声，提高测量精度。

此外，本发明提供的位移传感器和干涉仪的各个组件都可利用MOEMS工 艺生产，因此，使得本发明提供的位移传感器和干涉仪具有微型化、易集成的特点。

附图说明

图1为本发明实施例提供的位移传感器的组成结构示意图；

图2为本发明实施例提供的位移传感器的使用方法的流程示意图；

图3为本发明实施例提供的位移传感器工作过程中光线传播的示意图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例和技术方案，下面将结合附图及实施例对本发明的技术方案进行更详细的说明，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1为本发明实施例提供的位移传感器的结构示意图，如图1所示，该位移传感器包括：

半导体激光器101，用于产生激光光束；

衍射光栅102，用于将所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，产生第一衍射光；同时用于将所述激光光束中穿过自身、到达待测物体，并经待测物体反射后再次穿过自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

探测器103，位于待测第一衍射光和第二衍射光中预设相同级次的衍射光交汇处，用于测量第一衍射光与第二衍射光中预设相同级次的衍射光之间的干涉强度信息的变化；

信息处理器104，与所述探测器相连，用于读取干涉强度信号，根据探测器探测的干涉强度变化信息，反演出待测物体的位移信息；

所述衍射光栅位于半导体激光器与待测物体之间。

具体的，上述位移传感器中，所述半导体激光器101可以是长相干距离半导体激光器，使得所述位移传感器可以测量较大的位移，该位移传感器的量程是半导体激光器相干距离的一半，随着长相干距离半导体激光器技术的不断进步，所发明的位移传感器的量程可以达到数米甚至更远。

此外，上述位移传感器中，衍射光栅102可以是对激光半反半透的光栅来实现。

进一步的，上述位移传感器中，所述探测器103可以是光电探测器；该探测器103的位置是与半导体激光器101发射的激光波长、衍射光栅102的周期，以及要测量发生干涉的衍射光的级次有关的，当衍射光栅的周期和激光波长确定后，衍射光中各衍射级次的方向就确定，探测器的位置由待测衍射级次的方向和探测面与衍射光栅的距离来确定。因而，需预先设定具体测量哪一级衍射光，在实际应用中，可根据具体情况设定为测定0级，±1级，±2级等，即上述预设相同级次的衍射光可以是0级，±1级，±2级等级次的衍射光。

此外，上述位移传感器中，信息处理器104在实际应用中，可由位于位移传感器中的中央处理器(CPU)、微处理器(MPU)、数字信号处理器(DSP)、或现场可编程门阵列(FPGA)实现。

进一步的，上述位移传感器还可包括：

衍射光栅调制解调装置105，用于对衍射光栅引入周期性的振动，以及对探测器探测到的干涉强度信息进行解调。

具体的，衍射光栅调制解调装置105可以通过压电调制等方法实现，衍射光栅调制解调装置的目的在于抑制测量过程中的噪声，它可以借助于微小信号处理中的锁相放大等方法来提高探测信号的信噪比，从而提高位移测量精度。

进一步的，上述位移传感器还可包括：

反射光收集装置106，用于收集经待测物体反射的光，使得所探测第二衍射光与第一衍射光中预设相同级次的衍射光的强度相当。

具体的，反射光收集装置106可以通过透镜等方法实现，反射光收集装置106的目的在于使更多的待测物体反射的光参与相干，理想的情况是参与相干的两束光的强度等同。

本发明提供的上述位移传感器，若除去信息处理器104，剩下的部分本身是一种干涉仪，因此，本发明还提供一种干涉仪，其包括：

半导体激光器，用于产生激光光束；

衍射光栅，用于将所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，产生第一衍射光；同时用于将所述激光光束中穿过自身、到达待测物体，并经待测物体反射后再次穿过自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

探测器，位于待测第一衍射光和第二衍射光中预设相同级次的衍射光交汇处，用于测量第一衍射光与第二衍射光中预设相同级次的衍射光之间的干涉强度信息的变化。

进一步的，上述干涉仪还包括：

衍射光栅调制解调装置，用于对衍射光栅引入周期性的振动，以及对探测器探测到的干涉强度信息进行解调。

进一步的，上述干涉仪还包括：

反射光收集装置，用于收集经待测物体反射的光，使得所探测第二衍射光与第一衍射光中预设相同级次的衍射光的强度相当。

进一步的，上述干涉仪中，所述半导体激光器为长相干距离半导体激光器。

图2为本发明提供的上述位移传感器的使用方法的流程示意图，如图2所示，该方法包括：

步骤201，半导体激光器产生激光光束；

步骤202，衍射光栅将所述激光光束中的一部分光直接衍射再反射，产生第一衍射光；同时衍射光栅将所述激光光束中穿过自身、到达待测物体，并经待测物体反射后再次穿过自身的一部分光衍射，形成第二衍射光；

具体的，如图3所示，半导体激光器发出的激光光束入射到衍射光栅表面时，一部分激光光束直接被衍射光栅衍射再反射产生第一衍射光，第一衍射光中包含一系列衍射级次，如0级，±1级，±2级等；同时一部分激光光束穿过衍射光栅到达待测物体，被待测物体反射后经反射光收集装置后再次穿过衍射光栅衍射为第二衍射光，第二衍射光中也包含一系列衍射级次，如0级，±1级，±2级等。

步骤203，探测器测量第一衍射光与第二衍射光中预设相同级次的衍射光之间的干涉强度信息的变化；

具体的，调节衍射光栅使待测物体的反射面与光栅的反射面平行，如图3所示，这时第一衍射光与第二衍射光中预设的相同衍射级次的衍射光的空间方向一致，它们将发生干涉。调节探测器使探测器位于第一衍射光和第二衍射光中预设的相同衍射级次交汇处，如图3所示。这样，探测器就能测量到第一衍射光与第二衍射光干涉强度的变化信息。

这里，所述的预设的相同衍射级次，是指预设第一衍射光与第二衍射光的级次同为0级，同为±1级，同为±2级等。

进一步的，可以通过衍射光栅调制解调装置对衍射光栅引入周期性的振动，并对探测器探测到的干涉强度变化信息进行解调，抑制测量过程中的噪声。

步骤204，信息处理器读取干涉强度信号，根据探测器探测的干涉强度变化信息，反演出待测物体的位移信息；

具体的，如图3所示，此时发生干涉的第一衍射光与第二衍射光的光程差是由衍射光栅反射面与待测物体反射面之间的距离决定的，这样和传统的迈克尔逊干涉仪测量位移信息的方法一样，信息处理器根据所述干涉强度变化信息，经过已有的处理电路和执行已有的处理算法后就可以反演出运动物体的位移信息。

本发明还提供上述位移传感器的制作方法，该方法包括：

使用微光机电系统MOEMS工艺生产半导体激光器、衍射光栅、探测器、信息处理器，以及光栅调制装置、反射光收集装置的MOEMS元件；

将分离的半导体激光器、衍射光栅、光电探测器、信息处理器，以及光栅调制装置、反射光收集装置的MOEMS元件按照根据上述任意一种位移传感器结构组装；或者

将半导体激光器、衍射光栅、光电探测器、信息处理器，以及光栅调制装置、反射光收集装置的MOEMS元件中的全部或部分元件集成于一个单片中。

具体的，将分离的半导体激光器、衍射光栅、光栅调制装置、反射光收集装置、光电探测器、信息处理器等参考图1组装起来，构成所发明的位移传感器；或者

利用现有的MOEMS工艺将半导体激光器、衍射光栅、光电探测器、信息处理器，以及光栅调制装置、反射光收集装置的MOEMS元件中的全部或部分元件集成于一个单片中，制作出全集成或半集成的MOEMS位移传感器。

上述的技术方案的特点是：本发明提供的位移传感器的探测光可以是由长相干距离半导体激光器提供，并不像现有的双光束位移测量系统，探测光由He-Ne激光器等提供。这样所发明的位移传感器具有微型化、易集成等特点。 传感器所测量的最大量程是半导体激光器相干距离的一半，随着长相干距离半导体激光器技术的不断进步，所发明的位移传感器的量程可以达到数米甚至更远。

上述技术方案的另外一个特点是：产生相干双光束的方法并不是像迈克尔逊干涉仪那样利用不同的光路来实现，而是利用衍射光栅的半反半透性质来实现分光的。光栅的直接反射和待测物体的表面反射提供了两束相干光，它们的光程差包含了待测物体的位移信息。相互干涉的两束光可以是第一衍射光与第二衍射光中任何一级的衍射光，如0级，±1级，±2级等，它们的空间方向不同，因此利用不同级别衍射光相干信息测量时，相应探测器的空间位置也不同。

上述的技术方案的另外一个特点是：可以对衍射光栅引入调制系统。对衍射光栅引入周期性的振动，而后对探测器探测到的干涉强度信息进行解调；这样可以有效地抑制和降低噪声，提高测量精度。

在制造方式上，可以通过分离的元件贴片搭建而成，也可以是集成的。通过分离的元件贴片搭建时，将分离的半导体激光器、衍射光栅、光栅调制装置、反射光收集装置、光电探测器、信息处理器等参考图1组装起来，构成所发明的位移传感器。由于所发明的位移传感器中各个元件的制作都与现有的MOEMS工艺兼容，因此也可以利用所有的MOEMS工艺制作出单片集成的位移传感器。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。