专利名称：一种密封式超长标尺光栅传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，尤其是涉及一种密封式超长钢带光栅传感器。
背景技术：
光栅传感器是一种由光、机、电一体化形式组成的传感器，它与数字显示仪，或与计算机，或与数字控制单元一起均可以组成系统用于长度量、线位移的测量或控制，尤其适用于大型和超大型的机床、机械、电子、航天、航空、交通等领域的先进制造装备和先进的长度计量、检测装备，以及用于传统落后的制造、检测装备的技术改造升级之中，它作为整机加工测量用的基准器和在数控伺服系统中为电机提供位置检测、速度、电子换向的反馈信号，用其实现装备的数字显示与数字控制，保证装备的加工、定位、检测的精度，提高整机的可靠性、工作效率，智能化等性能。
目前，国内生产的用于长度量、线位移测量或控制用的密封式光栅传感器中的测量基准元件，采用的均是透射式玻璃光栅尺，而密封式钢带光栅传感器产品，在国内是一项空白；在国外只有德国、西班牙、意大利三个国家能够生产。但是，目前国外生产的密封式钢带光栅尺(国内称之为密封式钢带光栅传感器)普遍存在以下缺点1、钢带标尺光栅(也称之为光栅尺)与指示光栅(也称之为付光栅)二者之间的工作间隙很小，其带来的问题是A、传感器在使用中容易将两光栅的刻线划伤，而不能正常工作，缩短传感器的使用寿命；B、传感器在使用中，有诸多因素均可造成两光栅之间的工作间隙量产生微弱的变化，此时都会引起传感器中的光电信号发生较大的变化，轻者使传感器的测量精度降低，重者不能正常工作丧失可靠性；C、难于使用高密度刻线数的高档光栅，如1000对线/毫米，或更高密度的光栅。D要求与两光栅相关联的零部件的加工、组装，必须有较高的精度，因而增高了产品的制造成本。
2、当光栅尺的尺壳长度需要相互对接，制造成超大量程的传感器时，其各尺壳端面之间的相互对接的接缝，从外观看呈“1”字形，如图1所示，此种从外观看呈“1”字形接缝的缺点是当光栅读数头(也称之为光栅扫瞄器)中的水平导向轴承，通过该接缝处，如果其接缝不十分严密，轴承易产生跳动，引起传感器的测量误差，乃至不能正常工作，影响到传感器的可靠性，欲克服此缺点就必须提高相关零部件的加工、组装精度或增多附加零部件的数量，因而便加大了传感器的制造难度和成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种寿命长、光电信号稳定、制造难度小、成本低密封式超长钢带光栅传感器。
为解决上述技术问题，本发明采用下述技术方案它是由尺壳组件、光栅读数头构件组、光栅光学系统、电路系统四个部分组成；其特征在于所述光栅光学系统是由光源、透镜组、半反半透镜、指示光栅、标尺光栅、光电接收器组成；所述光源的发光靶面位置被设置在透镜组的后焦点上；所述透镜组将光源发出的细光束扩束成宽光束并变成为平行光，照射在半反半透镜上；所述半反半透镜将来自光源、透镜组方向的光线的1/2反射到指示光栅和标尺光栅上，并将来自标尺光栅方向的光线的1/2或全部透射到光电接收器上。
为更好解决上述问题，所述光源是半导体激光器；所述透镜组是单个球面透镜、两片球面透镜、两片以上球面透镜或是一个非球面透镜；所述光电接收器是光电三极管、二极管或光电池；所述标尺光栅是钢带光栅尺或玻璃光栅尺。
为更好解决上述问题，所述尺壳组件是由两个端头、尺壳、横梁、四条密封胶条、两个固定块、两支压簧、两个动块、两个调整螺杆、两个拉紧块组成；所述两个端头通过螺钉与尺壳刚性连接，为了外接气源，以及防止尘埃、油污进入尺壳内部，所述端头上带有进、出气孔；所述四条密封胶条分上、下二层穿入尺壳的密封槽内，所述密封胶条的两端使用粘胶固定；所述尺壳之间接缝的横缝中心通过竖销来固定，在与竖销相垂直的方向又采用了横销来固定，还采用横梁和竖销牵固地将两条尺壳刚性地连接在一起；所述两个固定块装在尺壳底部，通过横销刚性的连接在一起；所述两条压簧的一端装在固定块的导向杆内，另一端装在两个动块的导向杆内，所述动块的一端带有螺孔，螺孔分别与两支调整螺杆连接，所述调整螺杆的另一端拧入两个拉紧块的螺孔内，拉紧块通过螺钉刚性地固定在尺壳上，所述螺钉还起到固定反射式钢带光栅尺的作用，所述反射式钢带光栅尺43的松紧选择通过调整螺杆来实现。
为更好解决上述问题，当尺壳之间需要连接延长制成超大量程传感器时，各尺壳的端面相互对接的各接缝处的侧面外观呈“”形或呈“”形状。
为更好解决上述问题，所述光栅读数头构件组是由金属软管、固定头、电路盒、盖板、双向弹簧、钢球、镜筒、压圈、镜架、指示光栅架、两个水平导向轴承、三个垂直导向轴承组成；所述电路盒的一端拧有固定头，所述固定头通过螺纹固定金属软管；所述电路盒的盖板通过螺钉固定在电路盒上并起密封作用；所述电路盒内的螺钉将电器板固定在电路盒的内部，所述电路盒的底部通过螺钉固定有一条双向弹簧，所述双向弹簧的另一端焊有一个钢球，所述钢球是起连接作用，以满足传感器在安装、使用中的需要；所述钢球压在指示光栅架的球槽之内，当电路盒移动时就带动指示光栅架同步移动；所述双向弹簧的作用是向指示光栅架提供水平和垂直方向的两个压紧力；所述指示光栅架上装有镜筒，二者之间的固定通过紧配合完成；所述镜筒内装有半导体激光器，二者之间通过螺纹连接，所述镜筒内还装有透镜组，通过压圈来固定；所述指示光栅架上还装有镜架，二者之间通过螺纹来固定，所述镜架内装有半反半透镜，所述半反半透镜是通过粘胶粘接在镜架内部；所述镜架通过螺钉固定电器板；所述指示光栅通过粘胶粘接在指示光栅架的底部上，所述指示光栅架上还装有三个垂直导向轴承和两个水平导向轴承，所述三个垂直导向轴承和两个水平导向轴承之间通过螺钉固定；所述两个水平导向轴承在尺壳内壁平面上的运动轨迹必须从各尺壳之间的横向接缝处通过，且接缝的宽度小于水平导向轴承的宽度。
为更好解决上述问题，所述电路系统由电器板、电器板、输出信号线组成；该电路系统将光学测量的信息转换成电的测量信息，经处理后，以电信号的形式输出。
参见图1、图4所示，目前的一种密封式钢带光栅尺(或称之为光学尺)，其光栅光学系统是由发光二极管51；指示光栅52；反射式钢带光栅尺53；光电接收器54组成，该系统的主要缺点是无光学准直镜；光源有一定的发散角(即非平等光照明)；光源的强度较弱，原始光电信号的幅值小；为了使系统能够正常的工作，它就必须缩小两光栅之间的间隙量(t)，间隙量(t)的确定依据光栅理论中的费涅尔公式(参见哈尔滨工业大学张善锺等编著《计量光栅技术》中P145，公式4-13)t＝nd2/λ..............................(1)，式中，n＝0，1，2......整数；d光栅栅距(光栅亮线与暗线宽度之和等于栅距)；
λ入射光波长；t费涅尔焦面离标尺光栅的距离(即两光栅刻线面之间的距离)；本领域的普通技术人员都知道光栅光学系统中当采用非平行光照明时，是不能够完全采用(1)式费涅尔公式确定间隙量的，一般均采用小间隙的经验公式t＝1/8d2/λ..............................(2)光栅栅距以常用的d＝0.02mm，发光二极管的波长取常用的λ＝0.00088mm，将上述的d、λ值代入(2)式，t＝1/8d2/λ＝0.057mm，也就是说现有的密封式钢带光栅尺中，两光栅之间的工作间隙量最大也超不过0.057mm。
参见图5所示，目前另一种密封式钢带光栅尺中的光栅光学系统，该光学系统用于高密度光栅中，其原理为干涉扫描，光栅工作采用第1费涅尔焦面，即(1)式t＝nd2/λ中的n＝1。
该光栅光学系统的主要缺点(A)光源采用的是发光二极管61，这是一种光栅光学系统中普遍采用的传统式光源，其最大的缺点是发光强度较弱，导致原始光电信号的幅值较小，不利于拉大光栅的工作间隙量；(B)发光二极管放于光学系统的主光轴上，使得光电接收器62只能放于照明视场较边缘的位置上，本领域的普通技术人员都知道光强在照明视场中的分布依据(cosγ)4的规律衰减，可见其光电接收器所安放的位置并不是较理想的位置。从上述二缺点来看，该系统的光栅工作间隙也不会大。
参见图2或图3所示，本发明较现有的钢带光栅尺而言，光源发光强度高、单色性好，方向性好，组合而成的光学系统具有很强的消除高次谐波的能力，且光电接收器放于照明视场中心位置，该系统可以将光栅工作间隙拉大，还特别适于高密度、高精度光栅尺的应用；为了便于比较，仍以光栅栅距d＝0.02mm为例，将已知参数t＝nd2/λ，式中d＝0.02mm，n＝5(本系统采用第五费涅尔焦面)，λ＝0.00065mm代入费涅尔公式(1)t≈3.0mm，本发明的光栅光学系统经实际使用证明当光栅工作间隙量采用t＝2.5mm时，传感器可以正常工作；本发明专利的光栅工作间隙量是目前光栅工作间隙量的5～50倍。
本发明具有如下优点1、标尺光栅与指示光栅之间的工作间隙量大，比目前国外现有的密封式钢带光栅尺的光栅工作间隙量增加5～50倍，从而提高了传感器的使用寿命和可靠性；特别对采用反射式高密度光栅尺或透射式高密度光栅尺的高档密封式传感器的制造，大幅度地降低了其难度和成本。
2、当光栅尺的尺壳长度需要相互对接，被制造成超大量程的传感器时，只要接缝的宽度小于导向轴承的宽度，就仍然会正常工作，大幅度地降低了其各尺壳端面之间的相互对接的难度，既简便、可靠、经济，又不降低传感器的测量精度。
图1是目前钢带光栅传感器的尺壳相互对接制成超大量程的传感器时其各尺壳端面之间的相互对接关系示意图；图2是本发明钢带光栅传感器采用的一种光栅光学系统的示意图；图3是本发明钢带光栅传感器采用的另一种光栅光学系统的示意图；图4是目前钢带光栅传感器采用的一种光栅光学系统的示意图；图5是目前钢带光栅传感器采用的另一种光栅光学系统的示意图；图6是本发明钢带光栅传感器的尺壳相互对接制成超大量程的传感器时其各尺壳端面之间的相互对接关系示意图；图7是本发明钢带光栅传感器的电路工作原理方框图；图8是本发明钢带光栅传感器的结构示意图；图9是沿图8的A-A面的剖视图。
具体实施例方式
参见图9、图2、图3所示，本发明是由尺壳组件、光栅读数头构件组、光栅光学系统、电路系统四个部分组成；所述光栅光学系统是由半导体激光器42、透镜组40、半反半透镜38，指示光栅39、反射式钢带光栅尺43、光电接收器12、组成；所述半导体激光器42作为光源，其发光靶面位置被设置在透镜组40的后焦点上；所述透镜组40将激光发出的细光束扩束成宽光束并变成为平行光，照射在半反半透镜38上；所述透镜组40可以被设计成单个球面透镜，或两片球面透镜，或两片以上球面透镜，也可以是一个非球面透镜；所述半反半透镜38将来自半导体激光器42、透镜组40方向的光线的1/2反射到指示光栅39和反射式钢带光栅尺43上，并将来自反射式钢带光栅尺43方向的光线的1/2或全部透射到光电接收器12上。
参见附图8、图9、图6所示，所述尺壳组件是由两个端头45、尺壳2、尺壳33、横梁35、四条密封胶条25、两个固定块16、两支压簧17、两个动块18、两个调整螺杆19、两个拉紧块20组成；所述两个端头45通过八个螺钉44分别与尺壳2和尺壳33刚性连接；为了外接气源，以及防止尘埃、油污进入尺壳内部，所述端头45上带有进、出气孔；所述四条密封胶条25分上、下二层穿入尺壳2、尺壳33的密封槽内，所述密封胶条25的两端使用胶固定；所述尺壳2与尺壳33尺壳的接缝的横缝中心采用了两支竖销14来固定，在与竖销14相垂直的方向又采用了四条横销26、31来固定，还采用横梁35和两条竖销15牵固地将两条尺壳刚性地连接在一起；所述两个固定块16装在尺壳底部，通过两条横销34刚性的连接在一起；所述两条压簧17的一端装在固定块16的导向杆内，另一端装在两个动块18的导向杆内，所述动块18的一端带有螺孔，螺孔分别与两支调整螺杆19连接，所述调整螺杆19的另一端拧入两个拉紧块20的螺孔内，拉紧块20通过四个螺钉29被刚性地固定在尺壳上，所述四个螺钉29还起到固定反射式钢带光栅尺43的作用。所述反射式钢带光栅尺43的松紧选择通过调整螺杆来实现。
参见图6所示，当尺壳之间需要连接延长制成超大量程传感器时，各尺壳的端面相互对接的各接缝处的侧面外观呈“”形或呈“”形状。
参见附图8、图9所示，所述光栅读数头构件组是由金属软管4、固定头5、电路盒6、盖板22、双向弹簧8、钢球9、镜筒41、压圈10、镜架37、指示光栅架1、两个水平导向轴承28、三个垂直导向轴承30组成；所述电路盒6的一端拧有固定头5，所述固定头5通过螺纹固定金属软管4；所述电路盒6的盖板22通过四个螺钉21固定在电路盒6上并起密封作用；所述电路盒6内的四个螺钉24将电器板23固定在电路盒6的内部，所述电路盒的底部通过螺钉7固定有一条双向弹簧8，所述双向弹簧8的另一端焊有一个钢球9，所述钢球9是起连接作用，以满足传感器在安装、使用中的需要；所述钢球9压在指示光栅架1的球槽之内，当电路盒6移动时就带动指示光栅架1同步移动；所述双向弹簧8的作用是向指示光栅架1提供水平和垂直方向的两个压紧力；所述指示光栅架1上装有镜筒41，二者之间的固定通过紧配合完成；所述镜筒41内装有半导体激光器42，二者之间通过螺纹连接，所述镜筒41内还装有透镜组40，通过压圈10来固定；所述指示光栅架1上还装有镜架37，二者之间通过螺纹36来固定，所述镜架37内装有半反半透镜38，所述半反半透镜38是通过粘胶粘接在镜架37内部；所述镜架37通过四个螺钉11固定电器板13；所述指示光栅39通过粘胶粘接在指示光栅架1的底部上，所述指示光栅架1上还装有三个垂直导向轴承30和两个水平导向轴承28，所述三个垂直导向轴承30和两个水平导向轴承28之间通过三个螺钉32和两个螺钉27固定，所述两个水平导向轴承28在尺壳内壁平面上的运动轨迹必须从各尺壳之间的横向接缝处通过，且接缝的宽度小于水平导向轴承28的宽度。
参见图7、图8、图9所示，所述电路系统由电器板13、电器板23、输出信号线03组成；该电路系统将光学测量的信息转换成电的测量信息，经处理后，以电信号的形式输出；电路系统的具体步骤如下(1)光电转换光栅光学系统最终由光电接收器产生四路正弦电信号和一路尖脉冲信号(其中四路电信号相位互差90°，另一路为零位信号)；(2)信号差分放大主要是将0°与180°信号差接合消放大和将90°与270°信号差接合成放大，如此处理的目的是消除直流电平飘移；(3)整形电路是将经差分放大的2路正弦信号整形为相位相差90°的两路方波信号(A、B)；(4)长线驱动目的是使输出的信号能够抗干扰，尤其是当输出线的长度大于10M以上时，更为必要。本传感器最终输出的信号主要有两种形式，其一输出A、B、Z，(Z为钟形零位信号)三路信号；其二差动输出AA′、BB′、ZZ′、六路信号，输出三路信号进入；(5)信号接收处理指的主要是与外接的光栅数显表或带有电子卡的计算机相连成为光栅数字显示系统或由计算机显示控制系统，输出六路信号主要是与外接控制单元相连，成为光栅数控系统。
权利要求
1.一种密封式超长钢带光栅传感器，它是由尺壳组件、光栅读数头构件组、光栅光学系统、电路系统四个部分组成；其特征在于所述光栅光学系统是由光源、透镜组、半反半透镜、指示光栅、标尺光栅、光电接收器组成；所述光源的发光靶面位置被设置在透镜组的后焦点上；所述透镜组将光源发出的细光束扩束成宽光束并变成为平行光，照射在半反半透镜上；所述半反半透镜将来自光源、透镜组方向的光线的1/2反射到指示光栅和标尺光栅上，并将来自标尺光栅方向的光线的1/2或全部透射到光电接收器上。
2.根据权利要求1所述的一种密封式超长钢带光栅传感器，其特征在于所述光源是半导体激光器；所述透镜组是单个球面透镜、两片球面透镜、两片以上球面透镜或是一个非球面透镜；所述光电接收器是光电三极管、二极管或光电池；所述标尺光栅是钢带光栅尺或玻璃光栅尺。
3.根据权利要求1或2所述的一种密封式超长钢带光栅传感器，其特征在于所述尺壳组件是由两个端头、尺壳、横梁、四条密封胶条、两个固定块、两支压簧、两个动块、两个调整螺杆、两个拉紧块组成；所述两个端头通过螺钉与尺壳刚性连接；为了外接气源，以及防止尘埃、油污进入尺壳内部，所述端头上带有进、出气孔；所述四条密封胶条分上、下二层穿入尺壳的密封槽内，所述密封胶条的两端使用粘胶固定；所述尺壳之间接缝的横缝中心通过竖销来固定，在与竖销相垂直的方向又采用了横销来固定，还采用横梁和竖销牵固地将两条尺壳刚性地连接在一起；所述两个固定块装在尺壳底部，通过横销刚性的连接在一起；所述两条压簧的一端装在固定块的导向杆内，另一端装在两个动块的导向杆内；所述动块的一端带有螺孔，螺孔分别与两支调整螺杆连接；所述调整螺杆的另一端拧入两个拉紧块的螺孔内，拉紧块通过螺钉刚性地固定在尺壳上。
4.根据权利要求3所述的一种密封式超长钢带光栅传感器，其特征在于当尺壳之间需要连接延长制成超大量程传感器时，各尺壳的端面相互对接的各接缝处的侧面外观呈“”形或呈“”形状。
5.根据权利要求1所述的一种密封式超长钢带光栅传感器，其特征在于所述光栅读数头构件组是由金属软管、固定头、电路盒、盖板、双向弹簧、钢球、镜筒、压圈、镜架、指示光栅架、两个水平导向轴承、三个垂直导向轴承组成；所述电路盒的一端拧有固定头，所述固定头通过螺纹固定金属软管；所述电路盒的盖板通过螺钉固定在电路盒上并起密封作用；所述电路盒内的螺钉将电器板固定在电路盒的内部，所述电路盒的底部通过螺钉固定有一条双向弹簧，所述双向弹簧的另一端焊有一个钢球；所述钢球压在指示光栅架的球槽之内，当电路盒移动时就带动指示光栅架同步移动；所述指示光栅架上装有镜筒，指示光栅架与镜筒通过紧配合固定；所述镜筒内装有光源，镜筒和光源通过螺纹连接；所述镜筒内还装有透镜组，通过压圈来固定；所述指示光栅架上还装有镜架，指示光栅架与镜架通过螺纹来固定；所述镜架内装有半反半透镜，所述半反半透镜是通过粘胶粘接在镜架内部；所述镜架通过螺钉固定电器板；所述指示光栅通过粘胶粘接在指示光栅架的底部上；所述指示光栅架上还装有三个垂直导向轴承和两个水平导向轴承，所述三个垂直导向轴承和两个水平导向轴承之间通过螺钉固定；所述两个水平导向轴承在尺壳内壁平面上的运动轨迹必须从各尺壳之间的横向接缝处通过，且接缝的宽度小于水平导向轴承的宽度。
6.根据权利要求1所述的一种密封式超长钢带光栅传感器，其特征在于所述电路系统由电器板、电器板、输出信号线组成；该电路系统将光学测量的信息转换成电的测量信息，经处理后，以电信号的形式输出。
全文摘要
一种密封式超长钢带光栅传感器，它是由尺壳组件、光栅读数头构件组、光栅光学系统、电路系统四个部分组成；其特征在于所述光栅光学系统是由光源、透镜组、半反半透镜、指示光栅、标尺光栅、光电接收器组成；所述光源的发光靶面位置被设置在透镜组的后焦点上；所述透镜组将光源发出的细光束扩束成宽光束并变成为平行光，照射在半反半透镜上；所述半反半透镜将来自光源、透镜组方向的光线的1/2反射到指示光栅和标尺光栅上，并将来自标尺光栅方向的光线的1/2或全部透射到光电接收器上；本发明具有寿命长、光电信号稳定、制造难度小、成本低等优点。
文档编号G01D5/26GK101046397SQ20061006584
公开日2007年10月3日 申请日期2006年3月27日 优先权日2006年3月27日
发明者许兴智, 雷孔成, 张一钢, 史淑华, 刘丽 申请人:廊坊开发区莱格光电仪器有限公司