1、附 录 附录 1 一 种基于带有特别的过滤和偏移调制的光栅投影的 位移 传感器 胡建明，曾爱军，王向朝 ， 中国 摘要 由美国 A-B公司生产的 ControlLogix系列可编程序逻辑控制器 (PLC)提供了多种接口类型：如以太网、 ControlNet、 DeviceNet、 RS-232 等等。 ControlLogix以太网连接模块“ 1756-ENET”使用了 EtherNet/IP、 ControlNet 等协议，并采用了专业的服务代码封装于以太网协议包中。针对“实验性物理和工业控制系统”(EPICS)开发的驱动程序使用了 EtherNet/IP 协议，从而使得控制器可以运行vxW
2、orks RTOS、 Win32 和 Unix/Linux 的测试程序。现在来分析一下这个接口的特点和使用场合。 1 正文 一种基于 石油光栅空间滤波和偏振调制 的 位置传感器 被提出。它是一种光栅投射 到被测物体上要 通过 4 倍的空 间滤波器光学系统 。 经 被测物体反射 的光栅投影通过另一个 4 倍 光学系统成像形成莫尔条纹 。 莫尔 极化信号 获取 被测物体 的位置信息 。 在位置传感器，不同的 莫尔 正弦信号 对应不同的 对象的位置 。 测量是 用独立的光栅投影强度和对象的反射率来衡量 。 在实验中，位置传感器的效力 得到证明， 并且 均方根（ RMS）的每个测量位置误差小于 13
3、纳米。 位置的测量已在许多领域发挥了重要作用，例如制造，生物物理学，和自动控制 领域。 在位置的测量方法，光 学方法 让人 更 有 兴趣，因为它具有高度的准确性 并且是 非接触 式 测量 。在普通光学方法， 诸如图像测量，干涉仪，使用位置灵敏探测器（ PDS）的直 线 位 移 测 量 ，测量光束方向 是 垂直于 被测 物体表面 的。当有物体阻挡在对象的垂直方向时，普通光学方法就不在适用。要解决这个问题 ,本文提出一种新的基于 临界入射 的位移光栅传感器。 这种位置传感器是如图 -1 所示。一个投射光栅被平行激光束照亮 ,投置到 0001 , 2x x k dE x I r e c t r e
4、c tBd 前面的焦面镜 L1。 焦距透镜组 L1和 L2组成 4 倍焦系统 1。在这个 4 倍焦系统中，频率平面有一个孔径。投影光栅被投射到被测物体投影光栅通过这个 临界入射 的4 倍焦系统 1 被检测。由镜头 L3和 L4组成的 4 倍焦系统 2 同系统 1 有相同的光学参数。这个传感光栅呈现在 L4 的背面焦点平面。经物体反射后 ,这个投影光栅的影像通过 4 倍焦系统 2 投影到传感光栅上。由于检测光栅和投影光栅的影像重叠产生莫尔条纹。莫尔条纹输出信号随物体的方位变化由一个探测器通过 透镜L5 探测到。一个 起偏镜和镀板 在 L4 和 检测光栅 之间。形成投影光栅图像的光线通过偏光系统成
5、为线性偏振光。通过镀板，线性偏振光被分成两个垂直极化相互交叉的光线。一个分析仪安置在检测光栅和 L5之间。 当分析仪是围绕 在 4 倍焦系统 2 的光轴 线周围 ，偏光器板和分析形成偏振调制器 。 随着极化调制， 莫尔 信号 对在 光栅投影 上 光的强度 的变化是 不敏感 的。 因此，该 被测物体的位置 ，通过检测调制 能够准确的测量。 图 -1 位置传感器示意图 在图 -1中，位 于 4倍焦 系统 中的 光轴定义为 z轴 。投影光栅平面上 ,垂直、平行于投影光栅槽的方向分别被定义为 x0和 y0轴。 同样 ，定义 x2， y2轴 和 x3，y3轴 。 在 4 倍焦 系统 1 的频平面上 的
6、x1， y1轴 分别 平行 于 光栅投影 平面 x0， y0轴。光栅投影中心放置在 x0轴的起 点。 该光栅投影空间的比例为 1:1。光栅投影的周期和宽度分别为 D 和 B。 通过光栅投影振幅分布表示为 ： （ -1） 公式 （ -1） 中 I1是在光栅投影强度 。 随着透镜 L1傅立叶变换，在 4 焦距系统的频平面上的频率分布情况为 ： 1 11 1 1 1 1E s i n s i n s i n ,2u B I c B u c B u c B u xddu f （ -2） 式 中 是激光波长和 f 是 L1的焦距 。 在频平面上， 孔径 作为空间滤波器，其过滤 的 功能 如下所示： x1
7、u f4ut u r e c td ，（ -3） 因此，只有 0， 1 衍射 角的光能 通过 孔径，通过孔径的 频率分布写为 ： 1 1 1 1 1 1u s i n s i n s i n ,2E E u t u B I c B u c B u c B udd （ -4） 经 L2傅里叶变换， 在 L2的 回焦平面 上 振幅 E(x2)分布 如 下式 ： 22 1 21 2 2c o s ,2xE x I r e c t xBd （ -5） 因此，在光栅投影图像的光强分布表示为 ： 2 22 2 1 2 2221 2 2 2 2 4c o s c o s ,4xi x E x I r e c
8、 t x xB d d （ -6） 被测物放在靠近 L2 的背焦点的地方。 L3 的前焦点与 L2 的背焦点是重叠， 4倍焦系统的 1 和 2 在纵向是对称的。 经过对象反 射， 投影 通过 4 倍焦系统成像与检测光栅上。 L3的前焦点所在水平面被定义为位移传感器的零平面。 如果 在被测物与 传感器的零平面 之间存在 一 距离 x，检测光栅投影 光栅在检测光栅上的 图像将 随着 位 置的改变而变化： 3 2 sin ,xx （ -7） 式中 是入射光角度。 关于检测光栅投影 光栅在检测光栅上的 图像的光强分布表示为 ： 333 1 3 3 3 3221 2 2 2 2 4I c o s c o s ,4xxi x R r e c t x x x xB d d （ -8） 式中 R 表示被测物的反射率。起 偏器 的传播轴线与 检测光栅槽 间的夹角 为45 。镀板包括两块相互正交的双折射板。 它 将形成投影 光栅 的 图像 光线分成正交极化 、 相互 交叉的两条线 ，即 常规的 和特殊 的 光射线 。因此，投影光栅的被称作常和特殊的两个图像在检测光栅上成像。两图像间的距离是 d/2。常规 和特殊的图像强度分布表示为 ： 10 3 3 3221 2 2 2 2 4c o s 2 s i n c o s 2 s i n ,24RIi x x x x xdd （ -9）
