专利名称：高性能光阀式位移传感器的制作方法
技术领域：
本发明是一种位置的电测量装置，更确切地说，是一种高分辨率，高精度，高速度的位移传感器。
关于位置的电测量已有多种成熟的方法，但这些方法匀不能在高分辨率、高精度和高速度这三个衡量位移传感器性能的重要指标上完美地结合起来，只能根据具体的测量要求在这三个指标之间进和取舍，从而在不同程度上影响了最终测量结果的准确性从已有的位置检测传感器技术来看，位置传感器要做到高的响应速度比较困难。近年来，随着半导体技术的发展，已出现了一种光电式位置传感器，这种传感器由一个光斑照在PN结的表面，按光电流在PN结的两个阳极上的分配来判断光斑的位置，从而实现位置检测尽管这种方法较好地解决了测量的响应速度，但是从它的测量原理不难看出，其光电流的分配和光斑位置的关系是非线性的，而且由于工艺上的原因，这种非线性关系没有确定的规律，因此其精度较差，典型误差为1.5%F·S·(1、卢春生 光电探测技术及应用，机械工业出版社1992，北京)。其他一些综合性能较好的位移传感器有电涡流式、电容式和光栅式等，但电涡流式和电容式传感器都存在原理上的非线性(2、陶时澍 电气测量技术，中国计量出版社，1991，北京)，而且还有载波干扰和低通滤波器引起的相位滞后;光栅传感器虽然精度很高，但由于其速度和分辨率的矛盾(3、林其骏，机床数控技术，中国科学技术出版社，1991，北京)，限制了在某些场合的应用。
本发明的目的是为了克服上述各种传感器的缺陷而研制的一种新型高性能位移传感器，它具有高的分辨率(0.1μm)，高的精高(0.05%F·S·)和高的响应速度(直流-1MHz)，而且没有载波干扰的特点
图1是本发明的结构原理2是硅光电池的结构原理3是信号处理电路图下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作详细的说明参照图1，本发明包括一可固定在工作件上的光阀2，光阀2内配置一普通光源1，普通光源1下方光阀2的开口处配置一毛玻璃;与此相对应，本发明还包括一固定在需测位置动件上的金属底座7，其上配置一硅光电池6，硅光电池6上配置两个阳极3、4，其背电极为5，背电极5由导电胶与金属底座7相连接。
当普通光源1通电发光时，光线通过光阀2上开口处的毛玻璃，在硅光电池6上产生一个光斑8。如果硅光电池6在X方向有水平位移，光斑8就改变在硅光电池6上的相对位置工作时，将金属底座7固定在需测位置的动件上，从而将X方向的位移转化为光斑8在硅光电池6上的相对移动。
参照图3，若将阳极3、4连接到图3所示信号处理电路的A和B端，背电极5或金属底座接地，则模数转换器ADC的输出便是代表位移量的数字信号。电路中运算放大器A1和A2将硅光电池的短路电流转换成电压;运算放大器A3将两者相加，作为模数转换器ADC的参考电压，这样将对光强和温度不敏感;运算放大器A4将两者相减，作为模数转换器ADC的模拟输入，实现位置的差动测量。
参照图2，为了克服光强分布的不均匀性和硅光电池表面各处转换效率的不一致所带来的误差，硅光电池表面刻有锯齿形刻槽，由此将硅光电池分成两个独立的部分，分别引出阳极3和4刻槽可由常规的集成电路工艺实现，θ可取在2°-5°之间，图中作了夸张画法。
本发明与现有技术相比具有如下优点(1)对侧向位移不敏感;(2)对各个方向的转动不敏感;(3)对光源的强度和不均匀性不敏感，(4)对光电池表面转换率的不均匀性不敏感;(5)对环境温度不敏感;(6)分辨率、精度和响应速度同时具有很好的指标。
本发明的普通光源1当然也可用其它均匀性更好的光源如激光光源、单色平行光源来代替根据本发明制作的传感器原型，用于“中凸变椭圆活塞加工用高速数控刀架”这一位置伺服场合，几个主要指标的实测结果如下1、量程2mm2、分辨率0.1μm3、非线性0.05%F·S·4、频响0-1MHz5、零点温漂0.025μm/℃
6、灵敏度温漂0.005%/℃
权利要求
1.高性能光阀式位移传感器，包括一可固定在工作件上的光阀(2)，本发明的特征是，光阀(2)内配置一普通光源(1)，普通光源(1)下方光阀(2)的开口处配置一毛玻璃，与光阀(2)相对应的下方配置一硅光电池(6)，所说的硅光电池(6)表面有锯齿形刻槽，锯齿形刻槽将硅光电池(6)分成两个独立的阳极(3)和(4)
2.根据权利要求1所述的位移传感器，其特征在于，所说的锯齿形刻槽的θ角在2°-5°之间。
全文摘要
一种高性能光阀式位移传感器，包括一光阀，光阀内配置一普通电源，普通电源下方光阀的开口处配置一毛玻璃，与此相对应配置一硅光电池，硅光电池固定在金属底座上，硅光电池的两个阳极分别和信号处理电路相连接，具有分辨率高、精度高、响应速度快和无载波干扰的特点。
文档编号G01B11/02GK1107967SQ94108390
公开日1995年9月6日 申请日期1994年7月14日 优先权日1994年7月14日
发明者李黎川 申请人:西安交通大学