基于差极结构的绝对式直线时栅位移传感器研究及测量误差特性分析.docx

基于差极结构的绝对式直线时栅位移传感器研究及测量误差特性分析
摘要：
本文以基于差极结构的绝对式直线时栅位移传感器为研究对象，主要探讨了该传感器的原理、构造、测量误差及其特性。文章首先介绍了传感器的基本原理及工作模式，并详细描述了其构造，包括光栅片、微透镜阵列等部件。随后，本文详细分析了传感器的测量误差，包括光栅位错误、衍射误差、透镜非线性误差等方面，并提出相关的误差补偿方法。最后，文章总结了传感器的优势和局限，以及未来的发展方向。关键词：差极结构、绝对式直线时栅、位移传感器、测量误差、误差补偿。
1.引言
随着现代工业自动化程度的提高，精密位移检测技术的需求越来越迫切。直线位移传感器作为一种最基本的位移测量元器件，广泛应用于各种工业领域。绝对式直线时栅是其中一种常用的传感器，其具有测量精度高、分辨率高等优点。本文以基于差极结构的绝对式直线时栅位移传感器为研究对象，旨在探讨其原理、构造、测量误差及其特性。
2.基本原理及工作模式
绝对式直线时栅是利用光通过光栅和微透镜阵列等部件的衍射效应来实现位移测量的，其基本原理如图1所示。
图1基本原理示意图
如图1所示，光线先通过反射镜1聚焦到光栅片上，经过衍射后被微透镜阵列聚焦在CCD芯片上，由此得到了一组位移测量值。光栅片和微透镜阵列由透明截止片隔开，避免了互相衍射干扰。由于光线在光阑和透镜中的传播路径是固定的，因此测量结果是不受反射镜的运动影响的，具有很高的抗干扰能力。
3.传感器构造
基于差极结构的绝对式直线时栅由多个部分组成，包括光栅片、微透镜阵列、反射镜、透明截止片等，其构造如图2所示。
图2传感器构造示意图
光栅片是传感器的核心部件，一般采用二维光栅结构。微透镜阵列一般采用折叠结构，以降低传感器体积。反射镜和透明截止片用于将光线聚焦到CCD像素上，并隔开光栅片和微透镜阵列，避免干扰。
4.传感器测量误差及特性
4.1光栅位错误
光栅位错误是由于光栅与基板或光栅片结构本身不同步等因素引起的，会直接影响传感器的测量精度和分辨率。由于位错误差为整个光栅周期的分数倍，因此一般采用2倍相位解调补偿技术来消除该误差。
4.2衍射误差
衍射误差是由于光栅难以做到无限细致，会发生衍射而产生误差的效应。一般采用光栅周期的1/4分辨率来解决该问题，同时根据实际应用情况选择合适的光栅周期。
4.3透镜非线性误差
透镜在场曲率和球差方面存在一些非线性误差，也会影响传感器的测量精度。一般采用高级数字补偿技术来解决该问题。
5.误差补偿方法
根据上述误差特性，可以采用相位解调、解码电路、数字滤波等方法对测量误差进行补偿。例如，对于光栅位错误，采用2倍相位解调法；对于透镜非线性误差，采用高级数字补偿技术等。
6.传感器的优势和局限
绝对式直线时栅位移传感器具有测量精度高、分辨率高等优点，但其也存在一些局限，如灵敏度不足、非线性误差等问题。未来的发展方向是提高传感器的灵敏度和精度，同时结合智能计算和机器学习等技术，实现更高效率的位移测量。
7.结论
本文研究了基于差极结构的绝对式直线时栅位移传感器的原理、构造、测量误差及其特性。同时提出了误差补偿方法，并分析了传感器的优势和局限。未来的发展方向是提高传感器的灵敏度和精度，实现更高效率的位移测量。
参考文献：
[1]陈勇,关国藩,冷非.光栅条纹调制和解调技术[M].电子工业出版社,2001.
[2]郑云,广爱国,汤智.直线位移传感器光栅位错误差分析及补偿研究[J].机械设计与制造,2021(02):29-31.
[3]吕积民,王超.基于CCD的绝对式直线时栅位移测量系统设计[J].激光与光电子学进展,2015,52(10):101701-101708.
[4]林耀权,高福利,吴贵荣,等.双光栅光栅位错误差测量及补偿技术研究[J].光通信与网络,2015,4(1):28-34.