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一种基于相位光栅干涉微位移传感器的研制 [2011/9/4]

表面计量技术是近年来国内外摩擦学和表面计量学领域的一个重要研究方向，而研究与开发高精度、大量程的微位移传感器是其关键技术之一。基于迈克尔逊干涉原理的位移传感器##8943;，计量标准为激光波长，传感器的动态测量范围广，但其干涉光路较长，测量精度受空气成分、压强、湿度的影响，使用时必须对空间位置及工件的温度进行实时测量及补偿。其测量精度取决于稳频的精度和环境条件。相位光栅干涉(phase grating interference，PGI)是接触测量表面轮廓的技术趋势，英国 Taylor Hobson公司的轮廓仪Form Talysurf PGI 1250A采用柱面光栅干涉，利用反射型柱面全息衍射光栅作为标准器，可获得较宽的动态范围和较高的分辨率。]。但是柱面光栅加工困难，机构加工、安装精度要求高，实现大量程、高精度十分困难，传感器造价高。文中介绍了一种基于直线相位衍射光栅干涉原理的微位移传感器，该传感器利用平行簧片实现精密直线运动，单根直线相位透射型正弦衍射光栅作为计量光栅。

　　1测量原理

　　该液位计传感器主要由透射型全息衍射正弦相位光栅、平行簧片机构、触针及测杆、半导体激光器、光电探测器及信号处理电路组成。传感器结构如图1所示。平行簧片机构由一对带夹板的片簧、平移架和固定架组成，衍射光栅安装在平行簧片机构的平移架上。在测量过程中，触针随工件轮廓起伏运动，使杠杆绕其支点转动并通过刀口带动安装在平移架上的光栅上下平移运动。激光器发出的激光束入射到全息衍射光栅上，产生±1级衍射光，它们经过反射镜和分光棱镜后产生干涉，形成明暗相间的干涉条纹。当光栅上下移动时，干涉条纹跟随移动，条纹移动量由光电探测器件测出。

　　1.1光学原理

　　在激光照射下，由于光栅衍射作用，在光栅后面必定产生0 级和较高级次的干涉条纹，原则上，每束光与所有别的级次都可以相干涉，但由于较高衍射级次被全息光栅所抑制，故仅仅产生0级与正、负1级衍射的干涉。直线型正弦相位光栅，其厚度h随轴向以正弦形变化 ]，如图2所示。

　　式中：b为正弦波幅值;d为光栅栅距。忽略光线通过光栅的吸收效应及常数因子的影响，只考虑其相位关系，则此正弦型相位光栅的透射函数可表示为