一种新型对称式小量程位移传感器的制作方法

本实用新型涉及一种精密测量技术及仪器领域，特别涉及一种新型对称式小量程位移传感器。

背景技术：

位移传感器是一种常用的几何量传感器，在航空航天、工业生产、机械制造以及军事科学等很多领域中都有广泛的使用。位移的测量方式有很多种，较小位移(如小于1cm)通常用应变式、电感式、差动变压器式、涡流式、霍尔传感器来检测，较大的位移(如大于1cm)常用感应同步器、光栅、容栅、磁栅等传感技术来测量。其中光栅传感器因具有易实现数字化、精度高(目前分辨率最高的可达到纳米级)、抗干扰能力强、没有人为读数误差、安装方便、使用可靠等优点，在机床加工、检测仪表等行业中得到日益广泛的应用。

光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃尺或金属尺上密集等间距平行的刻线，刻线密度为10～100线/毫米。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

光栅传感器由于光刻工艺的物理结构限制，造成其测量精度很难再有提升，无法满足越来越高的测量精度的需求，迫切需要开发一种结构简单，精度更高的传感器。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术中所存在的现有光栅传感器由于光刻工艺的物理结构限制，造成其测量精度很难再有提升，无法满足越来越高的测量精度的需求上述不足，提供一种新型对称式小量程位移传感器，该传感器结构简单，适用于被测物体位移连续变化的测量，测量可靠，精度较高，易于实现批量制造。

为了实现上述实用新型目的，本实用新型提供了以下技术方案：

一种新型对称式小量程位移传感器，包括平行设置且间距可调的固定反射镜和移动反射镜以及处理系统，所述固定反射镜和移动反射镜两端对称设置两个光电探测器，所述固定反射镜和移动反射镜之间设有双反射镜，所述固定反射镜上设有通孔，穿过所述通孔的一束激光束入射到所述双反射镜，被所述双反射镜反射后分离为两束所述激光束，两束所述激光束入射到所述固定反射镜上，经过所述固定反射镜和移动反射镜交替反射后，分别出射到对应一侧所述光电探测器上被感应，所述处理系统用于处理每个所述光电探测器接收到对应的所述激光束的位置信息。

其中，所述双反射镜采用现有结构，即有两个反射镜(主镜、次镜)组成。

采用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器，所述激光束被所述双反射镜反射后分为两束激光束并分别反射到对应一侧的所述光电探测器上一个位置，改变所述固定反射镜和移动反射镜的间距，即会改变所述激光束的反射路径，最终照射到对应的所述光电探测器上另一个位置，所述处理系统根据这两组不同的两个位置计算得到两组探测距离值，这两组探测距离值远远大于所述固定反射镜和移动反射镜间距的真实改变值，所述处理系统能够通过这两组探测距离值计算出所述移动反射镜的两组位移值并取平均值，并以此平均值作为所述被测物体的位移值，该传感器结构简单，适用于被测物体位移连续变化的测量，测量可靠，精度较高，易于实现批量制造。

优选地，所述位移传感器的量程为0-1um。

优选地，所述移动反射镜连接被测物体，移动所述被测物体，带动所述移动反射镜，改变了两束所述激光束的反射路径，所述处理系统根据所述移动反射镜位移前后每束所述激光束分别在对应的所述光电探测器上的两个感应位置的间距，计算出所述移动反射镜的两组位移值并取平均值，并以此平均值作为所述被测物体的位移值。

优选地，所述光电探测器采用的是一种对光点位置敏感的光电器件，可以测出光点的一维坐标的长方形器件。比如，光电探测器可选择一维线性光电探测器(简称一维PSD)，也可选择成二维平面光电探测器(简称二维PSD)。

优选地，所述位移传感器还包括用于发射所述激光束的激光源，所述激光源位于所述固定反射镜一侧。

作为进一步优选地，还包括壳体，所述激光源、固定反射镜、移动反射镜、双反射镜和两个光电探测器均位于所述壳体内，形成读数头，所述读数头设有安装孔或粘贴件。

采用这种结构设置，所述读数头便于与所述被测物体或者相对静止的部件适配、卡接或粘贴，方便拆装。

优选地，所述移动反射镜连接至少一个连接件，所述连接件为刚性件，所述连接件伸出所述读数头外部。

优选地，所述激光源、固定反射镜、移动反射镜、双反射镜和两个光电探测器的位置均可调。

优选地，所述激光束路径垂直于所述固定反射镜并穿过所述通孔入射到所述双反射镜上。

本实用新型还提供了一种新型对称式小量程位移传感器的测量方法，包括如以上任一所述的新型位移传感器，其特征在于，其测量方法包括以下步骤：

a、将所述移动反射镜连接在被测物体上；

b、所述激光束穿过所述通孔入射到所述双反射镜上，形成两束相离的所述激光束，每束所述激光束分别入射到所述固定反射镜上，假设两束所述激光束的入射角分别为θ和γ，每束所述激光束经过所述固定反射镜和移动反射镜的连续反射后照射到对应的所述光电探测器上位置一；

c、移动所述被测物体，带动所述移动反射镜，位移量值为X，同时对应的所述激光束的反射路径变化，所述被测物体停止移动时，对应的所述激光束入射到对应的所述光电探测器上位置二；

d、所述处理系统根据两组所述位置一和位置二的间距值Y和Y′的值，计算出所述移动反射镜的两组对应的位移量值X和X′的值并取平均值，即得到所述被测物体的位移量值X的值。

采用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器的测量方法，所述移动反射镜连接所述被测物体，其余部件的位置关系保持不变，一束所述激光束入射在所述双反射镜上被分为两束所述激光束，然后两束所述激光束通过多次反射分别照射到对应的所述光电探测器上位置一，移动所述被测物体得到所述位移量值X，每束所述激光束的反射路径变化，所述被测物体停止移动时，每束所述激光束照射到对应的所述光电探测器上位置二，所述处理系统根据两组不同的两个所述位置一和位置二的所述间距值Y和Y′的值，计算得到所述被测物体的两组所述位移量值X的值并取平均值，并以此平均值作为所述被测物体的位移值，同时在所述步骤c中，所述激光束的反射路径在所述光电探测器上连续来回扫动，所述光电探测器探测到扫动区间，所述被测物体停止移动时，即便位移前后所述激光束照射到所述光电探测器上的出射光束平行，所述处理系统依旧能够根据所述光电探测器探测到的所述扫动区间，计算出所述移动反射镜的所述位移量值X的值，即所述被测物体的所述位移量值X的值，该测量方法简单、可靠，操作方便，并且能够提高位移测量精度，可用于对所述被测物体位移一次性变化或连续增量式位移变化的测量。

优选地，在所述步骤b或者步骤c中，每个所述光电探测器的位置与长度可以通过对应的所述激光束的入射角θ(γ)计算获得，使得每束所述激光束在所述固定反射镜边缘点的反射光入射在对应的所述光电探测器测量范围内，得到所述位置一或者所述位置二，直射光入射在所述光电探测器测量范围外，假设所述固定反射镜与对称设置的两个所述光电探测器的距离均为L，则所述光电探测器的长度等于2×L/tanθ(2×L/tanγ)，为保证所述固定反射镜边缘点的反射光入射在对应的所述光电探测器测量范围内，直射光入射在对应的所述光电探测器测量范围外，即以所述固定反射镜为对称的所述光电探测器向入射光反射方向进行微位移。

优选地，在所述步骤b中，使用反射角度一致的所述双反射镜，将入射到其的一束所述激光束反射到所述固定反射镜上的两束所述激光束的两个所述入射角θ和γ的值相等。

优选地，当所述步骤c中的每个所述移动反射镜位移量值X保持固定值时，如果需要对应的所述位置一和位置二的间距值Y(Y′)越大，将所述步骤b中的每个所述激光束的入射角度θ(γ)调小或者增加所有所述固定反射镜与移动反射镜的长度。

采用这种方法，所述入射角θ(γ)的值越小或者反射镜(包括所述固定反射镜与移动反射镜)长度越长，得到的所述位移量值X的探测值，即所述间距值Y(Y′)的放大程度越大，所述处理系统根据所述间距值Y(Y′)的值计算得到的所述位移量值X的值的精度更高。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1、运用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器，所述激光束被所述双反射镜反射后分为两束激光束并分别反射到对应一侧的所述光电探测器上一个位置，改变所述固定反射镜和移动反射镜的间距，即会改变所述激光束的反射路径，最终照射到对应的所述光电探测器上另一个位置，所述处理系统根据这两组不同的两个位置计算得到两组探测距离值，这两组探测距离值远远大于所述固定反射镜和移动反射镜间距的真实改变值，所述处理系统能够通过这两组探测距离值计算出所述移动反射镜的两组位移值并取平均值，并以此平均值作为所述被测物体的位移值，该传感器结构简单，适用于被测物体位移连续变化的测量，测量可靠，精度较高，易于实现批量制造；

2、运用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器，还包括壳体，所述激光源、固定反射镜、移动反射镜、双反射镜和两个光电探测器均位于所述壳体内，形成读数头，所述读数头设有安装孔或粘贴件，采用这种结构设置，所述读数头便于与所述被测物体或者相对静止的部件适配、卡接或粘贴，方便拆装；

3、运用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器的测量方法，所述移动反射镜连接所述被测物体，其余部件的位置关系保持不变，一束所述激光束入射在所述双反射镜上被分为两束所述激光束，然后两束所述激光束通过多次反射分别照射到对应的所述光电探测器上位置一，移动所述被测物体得到所述位移量值X，每束所述激光束的反射路径变化，所述被测物体停止移动时，每束所述激光束照射到对应的所述光电探测器上位置二，所述处理系统根据两组不同的两个所述位置一和位置二的所述间距值Y和Y′的值，计算得到所述被测物体的两组所述位移量值X的值并取平均值，并以此平均值作为所述被测物体的位移值，同时在所述步骤c中，所述激光束的反射路径在所述光电探测器上连续来回扫动，所述光电探测器探测到扫动区间，所述被测物体停止移动时，即便位移前后所述激光束照射到所述光电探测器上的出射光束平行，所述处理系统依旧能够根据所述光电探测器探测到的所述扫动区间，计算出所述移动反射镜的所述位移量值X的值，即所述被测物体的所述位移量值X的值，该测量方法简单、可靠，操作方便，并且能够提高位移测量精度，可用于对所述被测物体位移一次性变化或连续增量式位移变化的测量；

4、运用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器的测量方法，在所述步骤b中所述入射角θ(γ)的值越小或者反射镜(包括所述固定反射镜与移动反射镜)长度越长，得到的所述位移量值X的探测值，即所述间距值Y(Y′)的放大程度越大，所述处理系统根据所述间距值Y(Y′)的值计算得到的所述位移量值X的值的精度更高。

附图说明

图1为本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器的原理示意图；

图2为图1的局部放大图；

图3为本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器的结构示意图；

图4为本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器测量时的示意图；

图5为本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器光电探测器位置与长度的示意图。

图中标记：1-激光源，11-激光束，111-位置一，112-位置二，2-固定反射镜，21-通孔，3-移动反射镜，31-连接件，4-光电探测器，5-读数头，6-被测物体，7-双反射镜。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本实用新型作进一步的详细描述。但不应将此理解为本实用新型上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本实用新型内容所实现的技术均属于本实用新型的范围。

实施例1

如图1-5所示，本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器，包括平行设置且间距可调的固定反射镜2和移动反射镜3以及处理系统。

所述固定反射镜2和移动反射镜3两端对称设置两个光电探测器4，所述固定反射镜2和移动反射镜3之间设有双反射镜7，所述固定反射镜2上设有通孔21，穿过所述通孔21的一束激光束11入射到所述双反射镜7，被所述双反射镜7反射后分离为两束所述激光束11，两束所述激光束11入射到所述固定反射镜2上，经过所述固定反射镜2和移动反射镜3交替反射后，分别出射到对应一侧所述光电探测器4上被感应，所述处理系统用于处理每个所述光电探测器4接收到对应的所述激光束11的位置信息。

其中，所述双反射镜7采用现有结构，即有两个反射镜(主镜、次镜)组成。

运用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器，所述激光束11被所述双反射镜7反射后分为两束激光束11并分别反射到对应一侧的所述光电探测器4上一个位置，改变所述固定反射镜2和移动反射镜3的间距，即会改变所述激光束11的反射路径，最终照射到对应的所述光电探测器4上另一个位置，所述处理系统根据这两组不同的两个位置计算得到两组探测距离值，这两组探测距离值远远大于所述固定反射镜2和移动反射镜3间距的真实改变值，所述处理系统能够通过这两组探测距离值计算出所述移动反射镜2的两组位移值并取平均值，并以此平均值作为所述被测物体的位移值，该传感器结构简单，适用于被测物体位移连续变化的测量，测量可靠，精度较高，易于实现批量制造。

实施例2

如图1-5所示，本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器以及被测物体6，所述传感器包括平行设置且间距可调的固定反射镜2和移动反射镜3、处理系统和壳体。

本实施例所述位移传感器还包括用于发射所述激光束11的激光源1，所述固定反射镜2和移动反射镜3两端对称设置两个光电探测器4，所述固定反射镜2和移动反射镜3之间设有双反射镜7，所述激光源1位于所述固定反射镜2一侧，所述固定反射镜2上设有通孔21，穿过所述通孔21的一束激光束11入射到所述双反射镜7，所述双反射镜7采用现有结构，即有两个反射镜(主镜、次镜)组成，被所述双反射镜7反射后分离为两束所述激光束11，两束所述激光束11入射到所述固定反射镜2上，经过所述固定反射镜2和移动反射镜3交替反射后，分别出射到对应一侧所述光电探测器4上被感应，所述处理系统用于处理每个所述光电探测器4接收到对应的所述激光束11的位置信息，所述激光源1、固定反射镜2、移动反射镜3、双反射镜7和两个光电探测器4均位于所述壳体内，形成读数头5，所述读数头5设有安装孔或粘贴件，所述移动反射镜3连接一个连接件31，所述连接件31为刚性件，所述连接件31伸出所述读数头5外部并连接所述被测物体6，移动所述被测物体6，带动所述移动反射镜3，改变了对应的每个所述激光束11的反射路径，所述处理系统根据所述移动反射镜3位移前后每束所述激光束11分别在对应的所述光电探测器4上的两个感应位置的间距，计算出所述移动反射镜3的两组位移值并取平均值，并以此平均值作为所述被测物体6的位移值。

每个所述光电探测器4的位置与长度可以通过所述激光束11的入射角θ(γ)计算获得，使得所述激光束11在所述固定反射镜2边缘点的反射光入射在所述光电探测器4测量范围内，得到所述位置一111或者所述位置二112，直射光入射在所述光电探测器4测量范围外，如图4所示，其中入射角θ等于入射角γ，所述固定反射镜2与所述光电探测器4的距离为L，则所述光电探测器4的长度等于2×L/tanθ，为保证所述固定反射镜2边缘点的反射光入射在所述光电探测器4测量范围内，直射光入射在所述光电探测器4测量范围外，即以所述固定反射镜2为对称的所述光电探测器4向入射光反射方向进行微位移。

运用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器，还包括壳体，所述激光源1、固定反射镜2、移动反射镜3、双反射镜7和两个光电探测器4均位于所述壳体内，形成读数头5，所述读数头5设有安装孔或粘贴件，采用这种结构设置，所述读数头5便于与所述被测物体6或者相对静止的部件适配、卡接或粘贴，方便拆装。

实施例3

如图1-5所示，本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器，包括平行设置且间距可调的固定反射镜2和移动反射镜3以及处理系统。

与实施例1的不同之处在于，所述固定反射镜2的中心位置上设有通孔21，即：

所述固定反射镜2和移动反射镜3两端对称设置两个光电探测器4，所述固定反射镜2和移动反射镜3之间设有双反射镜7，所述固定反射镜2与移动反射镜3平行对称设计,所述固定反射镜2的中心位置上设有通孔21，穿过所述通孔21的一束激光束11入射到所述双反射镜7，被所述双反射镜7反射后分离为两束所述激光束11，两束所述激光束11入射到所述固定反射镜2上，经过所述固定反射镜2和移动反射镜3交替反射后，分别出射到对应一侧所述光电探测器4上被感应，所述处理系统用于处理每个所述光电探测器4接收到对应的所述激光束11的位置信息。

其中，所述双反射镜7采用现有结构，即有两个反射镜(主镜、次镜)组成。

运用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器，所述激光束11被所述双反射镜7反射后分为两束激光束11并分别反射到对应一侧的所述光电探测器4上一个位置，改变所述固定反射镜2和移动反射镜3的间距，即会改变所述激光束11的反射路径，最终照射到对应的所述光电探测器4上另一个位置，所述处理系统根据这两组不同的两个位置计算得到两组探测距离值，这两组探测距离值远远大于所述固定反射镜2和移动反射镜3间距的真实改变值，所述处理系统能够通过这两组探测距离值计算出所述移动反射镜2的两组位移值并取平均值，并以此平均值作为所述被测物体的位移值，该传感器结构简单，适用于被测物体位移连续变化的测量，测量可靠，精度较高，易于实现批量制造。

实施例4

如图1-5所示，本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器的测量方法，包括如实施例2或3任一所述的新型对称式小量程位移传感器，其测量方法包括以下步骤：

a、将所述移动反射镜3连接在被测物体6上；

b、所述激光束11穿过所述通孔21入射到所述双反射镜7上，形成两束相离的所述激光束11，每束所述激光束11分别入射到所述固定反射镜2上，假设两束所述激光束11的入射角分别为θ和γ，每束所述激光束11经过所述固定反射镜2和移动反射镜3的连续反射后照射到对应的所述光电探测器4上位置一111；

c、移动所述被测物体6，带动所述移动反射镜3，位移量值为X，同时对应的所述激光束11的反射路径变化，所述被测物体6停止移动时，对应的所述激光束11入射到对应的所述光电探测器4上位置二112；

d、所述处理系统根据两组所述位置一111和位置二112的间距值Y和Y′的值，计算出所述移动反射镜3的两组对应的位移量值X和X′的值并取平均值，即得到所述被测物体6的位移量值X的值。

作为本实施例的一个优选方案，在所述步骤b或者步骤c中，每个所述光电探测器4的位置与长度可以通过对应的所述激光束11的入射角θ(γ)计算获得，使得每束所述激光束11在所述固定反射镜2边缘点的反射光入射在对应的所述光电探测器4测量范围内，得到所述位置一或者所述位置二，直射光入射在所述光电探测器4测量范围外，假设所述固定反射镜2与对称设置的两个所述光电探测器4的距离均为L，则所述光电探测器4的长度等于2×L/tanθ(2×L/tanγ)，为保证所述固定反射镜2边缘点的反射光入射在对应的所述光电探测器4测量范围内，直射光入射在对应的所述光电探测器4测量范围外，即以所述固定反射镜2为对称的所述光电探测器4向入射光反射方向进行微位移。

作为本实施例的一个优选方案，在所述步骤b中，使用反射角度一致的所述双反射镜7，将入射到其的一束所述激光束11反射到所述固定反射镜2上的两束所述激光束11的两个所述入射角θ和γ的值相等。

作为本实施例的一个优选方案，当所述步骤c中的每个所述移动反射镜3位移量值X保持固定值时，如果需要对应的所述位置一111和位置二112的间距值Y(Y′)越大，将所述步骤b中的每个所述激光束11的入射角度θ(γ)调小或者增加所有所述固定反射镜2与移动反射镜3的长度，采用这种方法，所述入射角θ(γ)的值越小或者反射镜(包括所述固定反射镜2与移动反射镜3)长度越长，得到的所述位移量值X的探测值，即所述间距值Y(Y′)的放大程度越大，所述处理系统根据所述间距值Y(Y′)的值计算得到的所述位移量值X的值的精度更高。

运用本实用新型所述的一种新型对称式小量程位移传感器的测量方法，所述移动反射镜3连接所述被测物体6，其余部件的位置关系保持不变，一束所述激光束11入射在所述双反射镜7上被分为两束所述激光束11，然后两束所述激光束11通过多次反射分别照射到对应的所述光电探测器4上位置一111，移动所述被测物体6得到所述位移量值X，每束所述激光束11的反射路径变化，所述被测物体6停止移动时，每束所述激光束11照射到对应的所述光电探测器4上位置二112，所述处理系统根据两组不同的两个所述位置一111和位置二112的所述间距值Y和Y′的值，计算得到所述被测物体6的两组所述位移量值X的值并取平均值，并以此平均值作为所述被测物体6的位移值，同时在所述步骤c中，所述激光束11的反射路径在所述光电探测器4上连续来回扫动，所述光电探测器4探测到扫动区间，所述被测物体6停止移动时，即便位移前后所述激光束11照射到所述光电探测器4上的出射光束平行，所述处理系统依旧能够根据所述光电探测器4探测到的所述扫动区间，计算出所述移动反射镜3的所述位移量值X的值，即所述被测物体6的所述位移量值X的值，该测量方法简单、可靠，操作方便，并且能够提高位移测量精度，可用于对所述被测物体6位移一次性变化或连续增量式位移变化的测量。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。