一種采用雙線陣圖像探測器的角位移測量系統(tǒng)的制作方法

本發(fā)明涉及光電位移精密測量技術(shù)領(lǐng)域，更具體的說，涉及一種采用雙圖像探測器的角位移測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光電編碼器是一種集光、機、電于一體的數(shù)字角度位置傳感器，它以高精度、高分辨力，測量范圍廣，易于維護，使用可靠等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于光電經(jīng)緯儀，雷達，航空航天，機器人，數(shù)控機床，指揮儀和高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。在航天、軍事、工業(yè)這些對器件的體積、重量有著嚴格要求的領(lǐng)域，對光電編碼器的要求不僅要減小外徑尺寸和重量，更要提高光電編碼器的分辨力和精度。在縮小碼盤的同時，提高光電編碼器的分辨力和測角精度是目前的研究熱門。

傳統(tǒng)光電編碼器采用光敏元件將角度位移轉(zhuǎn)換成莫爾條紋信號，并通過數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片將莫爾條紋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進行處理。編碼器碼盤尺寸大小是限制光電編碼器測角分辨力的主要因素。為提高測角分辨力，傳統(tǒng)光電編碼器是通過加大碼盤尺寸、增加編碼器體積來實現(xiàn)的。為提高小尺寸碼盤的測角分辨力，傳統(tǒng)編碼方式會在碼盤單圈內(nèi)刻劃更多的刻線。過多的刻線會產(chǎn)生兩方面的影響：一方面過于細小的碼盤刻線會使光通量不足，造成編碼器不能正常譯碼；另一方面碼盤刻線過于密集會使相鄰碼道之間互相干擾，產(chǎn)生串碼，并且不利于高分辨力角度細分。同時，碼盤尺寸較小時，碼盤偏心誤差極大的影響了光電編碼器的測角誤差。在提高小尺寸光電編碼器分辨力的同時，還需要研究基于圖像式編碼器的誤差補償方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有的小尺寸光電編碼器不能實現(xiàn)較高分辨力且存在較大的測角誤差的問題，而提供了一種采用雙陣線圖像探測器的角位移測量系統(tǒng)。

本發(fā)明提供一種采用雙線陣圖像探測器的角位移測量系統(tǒng)，包括：主軸、發(fā)光模塊、光柵碼盤、成像模塊、數(shù)據(jù)處理及輸出模塊，其中，所述發(fā)光模塊包含第一面光源和第二面光源，分別位于光柵碼盤的對徑位置，所述第一面光源和第二面光源位于同一縱向平面內(nèi)；所述成像模塊包含第一光學透鏡、第二光學透鏡、第一線陣圖像探測器和第二線陣圖像探測器，分別位于光柵碼盤的對徑位置；所示數(shù)據(jù)處理及輸出模塊包含角度細分電路、譯碼電路和誤差補償電路；

所述的光柵碼盤與主軸頂端相連接，主軸轉(zhuǎn)動時帶動光柵碼盤轉(zhuǎn)動，所述第一面光源、第一光學透鏡和第一線陣圖像探測器處于同一軸線上,第二面光源、第二光學透鏡和第二線陣圖像探測器處于同一軸線上；第一光學透鏡與第一線陣圖像探測器相連接,第二光學透鏡與第二線陣圖像探測器相連接；第一線陣圖像探測器和第二線陣圖像探測器分別與數(shù)據(jù)處理及輸出模塊相連接；

所述發(fā)光模塊發(fā)出紅外光線照射到所述光柵碼盤，透過所述光柵碼盤的光線經(jīng)過所述第一光學透鏡和第二光學透鏡放大后在所述第一線陣圖像探測器和第二線陣圖像探測器上成像；所述數(shù)據(jù)處理及輸出模塊采用所述第一線陣圖像探測器輸出的像素數(shù)據(jù)，計算得到譯碼數(shù)據(jù)和角度細分數(shù)據(jù)，并通過算法完成譯碼數(shù)據(jù)與細分數(shù)據(jù)的銜接，并采用所述的第一線陣圖像探測器和第二線陣圖像探測器實現(xiàn)角度誤差補償計算，并輸出角度測量數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述光柵碼盤采用的絕對式低密度單圈編碼方式如下：

所述絕對式低密度單圈編碼方式中包含{X_i,X_i+1,…,X_i+n-1}的n位編碼(每位碼元只取0或1)，當碼盤轉(zhuǎn)動一個碼元位置時，n位二元碼經(jīng)過移位形成新的碼值，碼盤讀出的數(shù)值由{X_i,X_i+1,…,X_i+n-1}變?yōu)閧X_i+1,X_i+2,…,X_i+n}；每一位所述碼元，由公式(1)計算得到：

式中，表示異或運算，X_i-1，X_i-2，X_i-n分別是所述碼元X_i的前1，2,和n位碼元；a₁～a_n分別是所述各位碼元的系數(shù)，所述系數(shù)a₁～a_n不全為0；選取所述系統(tǒng)a₁～a_n，并取{X₁,X₂,…,X_n}的初始值為{0,0,…,0,1}可以使所述碼元X_i達到最大2^n-1個，并在第一位所述碼元X_i前面增加一位碼元X₀＝0；同時，依次對所有n位碼元進行編號，編寫所述譯碼數(shù)據(jù)表；

根據(jù)所述的所有X_i的集合依次在所述光柵碼盤的外圈刻劃碼元，當X_i為1時刻劃透光，當X_i為0時不刻劃，并在第一位所述碼元前面多添加一位0，使所述光柵碼盤刻劃有2ⁿ個所述碼元；同時，為在相鄰所述碼元之間進一步實現(xiàn)所述角度細分算法，在相鄰的所述碼元之間額外刻劃透光的基準刻線，所述光柵碼盤的圓周內(nèi)共刻劃2ⁿ個所述基準刻線；所有碼元刻線和基準刻線處于同一圓心的同一半徑位置；所有所述基準刻線的寬度相同，所有所述碼元刻線的寬度相同，所述基準刻線與所述碼元刻線的寬度不相同。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理及輸出模塊采用所述第一線陣圖像探測器的像素數(shù)據(jù)計算得到譯碼數(shù)據(jù)和角度細分數(shù)據(jù)的過程如下：

所述角度細分電路接收所述第一線陣圖像探測器的像素數(shù)據(jù)，并對所述的像素數(shù)據(jù)進行二值化處理；所述譯碼電路根據(jù)所述二值化數(shù)據(jù)對碼盤圖案中的“不同亮度刻線進行識別，得到基準刻線數(shù)據(jù)和編碼刻線數(shù)據(jù)，設(shè)線陣圖像探測器像素點位置值從左至右依次按照從小到大順序排列，設(shè)定所述基準刻線的寬度為k，根據(jù)公式(2)計算所述像素數(shù)據(jù)中心點Y₀左側(cè)第一條所述基準刻線數(shù)據(jù)的質(zhì)心Y₁；

式中，P_i為第i個像素點的像素值，G_i為第i個像素點的位置值，k為窗口大小。對比所述Y₁與所述Y₀的大小，若Y₁≤Y₀，那么按照公式(2)繼續(xù)計算所述Y₀右側(cè)第一條所述基準刻線數(shù)據(jù)的質(zhì)心Y₂，并令左側(cè)基準質(zhì)心為Y_a＝Y(jié)₁,右側(cè)基準質(zhì)心為Y_b＝Y(jié)₂；若Y₁>Y₀，那么按照公式(2)繼續(xù)計算所述Y₁左側(cè)相鄰的所述基準刻線數(shù)據(jù)的質(zhì)心Y₃，并令所述Y_a＝Y(jié)₃,所述Y_b＝Y(jié)₁.利用所述Y_a和Y_b進行譯碼數(shù)據(jù)計算和角度細分數(shù)據(jù)計算可以實現(xiàn)二者的銜接，避免出現(xiàn)誤碼。

所述角度細分算法電路根據(jù)公式(3)對Y_a和Y_b進行計算，得到角度細分數(shù)據(jù)B：

式中，m為角度細分倍數(shù)，Y_a為左側(cè)基準質(zhì)心,Y_b為右側(cè)基準質(zhì)心，Y₀為像素數(shù)據(jù)中心點；

所述譯碼電路以所述Y_a的位置為起點，分別向像素數(shù)據(jù)的左右方向按照刻線寬度分別識別一定數(shù)量的所述編碼刻線，得到n位的編碼數(shù)據(jù)并查找所述譯碼數(shù)據(jù)表得到譯碼值A(chǔ)；最終得到所述角度測量數(shù)據(jù)為θ＝2^m·A+B.其中，m為角度細分倍數(shù)，A為譯碼值，B為角度細分數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述數(shù)據(jù)處理及輸出模塊采用所述第二線陣圖像探測器的像素數(shù)據(jù)實現(xiàn)對所述角度細分數(shù)據(jù)B的誤差補償算法如下：

所述誤差補償電路接收所述角度細分電路的所述Y_a、Y_b和所述第二線陣圖像探測器的像素數(shù)據(jù)，根據(jù)所述Y_a、Y_b的計算方法，計算所述第二線陣圖像探測器的左側(cè)基準質(zhì)心Y_a'、右側(cè)基準質(zhì)心Y_b'和中心點Y₀'；并根據(jù)公式(4)計算補償后的左側(cè)基準質(zhì)心Z_a、補償后的右側(cè)基準質(zhì)心Z_b以及補償后的中心質(zhì)心Z_o.

為實現(xiàn)誤差修正，以Z_a為左側(cè)基準質(zhì)心，以Z_b為右側(cè)基準質(zhì)心，重新計算所述譯碼值A(chǔ)，按照式(5)重新計算角度細分數(shù)據(jù)B'.

補償后的所述角度測量數(shù)據(jù)為θ'＝2^m·A+B'.其中，m為角度細分倍數(shù)，A為譯碼值，B'為補償后的角度細分數(shù)據(jù)。

優(yōu)選的，所述的第一線陣圖像探測器和第二線陣圖像探測器與數(shù)據(jù)處理與輸出模塊通過導線連接。

本發(fā)明的有益效果

本發(fā)明提供一種采用雙線陣圖像探測器的角位移測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用圖像探測器實現(xiàn)角位移測量，由于采用亞像素角度細分方法，較傳統(tǒng)采用莫爾條紋信號實現(xiàn)角度測量的方法能夠?qū)崿F(xiàn)更高的測角分辨力；本發(fā)明采用線陣圖像探測器進行角度測量，能夠極大地減少圖像處理時的數(shù)據(jù)處理時間，提高角位移測量的頻率響應(yīng)。同時，本發(fā)明采用雙圖像探測器實現(xiàn)對測角誤差的補償，能夠的減少來自光柵碼盤裝調(diào)產(chǎn)生的測角誤差，在使用較小尺寸光柵碼盤實現(xiàn)角度測量時，實現(xiàn)更高的測角精度。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)提供的附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明一種采用雙線陣圖像探測器的角位移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明一種面光源結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明另一種面光源結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明一種低密度單圈絕對式編碼方式示意圖；

圖5為本發(fā)明一種線陣圖像探測器采集數(shù)據(jù)示意圖；

圖6為本發(fā)明一種數(shù)據(jù)處理及輸出模塊的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖7為本發(fā)明另一種采用雙線陣圖像探測器的角位移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

本發(fā)明實施例公開了一種采用雙線陣圖像探測器實現(xiàn)高精度角位移測量的方法，以實現(xiàn)高分辨力光電角位移精確測量。

參照圖1，本發(fā)明實施例公開了一種采用雙線陣圖像探測器的角位移測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，包括：主軸11、發(fā)光模塊12、光柵碼盤13、成像模塊14、數(shù)據(jù)處理與輸出模塊15、法蘭盤16、外殼17，其中，所述發(fā)光模塊12包含第一面光源121和第二面光源122，分別位于光柵碼盤13的對徑位置，所述第一面光源121和第二面光源122位于同一縱向平面內(nèi)；所述成像模塊14包含第一光學透鏡141、第二光學透鏡142、第一線陣圖像探測器143和第二線陣圖像探測器144，分別位于光柵碼盤13的對徑位置；所示數(shù)據(jù)處理及輸出模塊15包含角度細分電路151、譯碼電路152和誤差補償電路153；所述法蘭盤16支撐所述主軸11和所述發(fā)光模塊12，所述外殼17套在所述法蘭盤的外圈；

光柵碼盤13與主軸11頂端相連接，主軸11轉(zhuǎn)動時帶動光柵碼盤13轉(zhuǎn)動；所述發(fā)光模塊12和所述成像模塊14與所述法蘭盤連接16分別固定在所述光柵碼盤13的兩側(cè)，所述成像模塊14與所述數(shù)據(jù)處理模塊15連接在一起；所述第一面光源121、第一光學透鏡141和第一線陣圖像探測器143處于同一軸線上，第二面光源122、第二光學透鏡142和第二線陣圖像探測器144處于同一軸線上；第一光學透鏡141與第一線陣圖像探測器143相連接，第二光學透鏡142與第二線陣圖像探測器144相連接；第一線陣圖像探測器與第二線陣圖像探測器分別位于光柵碼盤13的對徑位置；第一線陣圖像探測器143和第二線陣圖像探測器144分別與數(shù)據(jù)處理及輸出模塊15相連接；所述發(fā)光模塊12發(fā)出紅外光線照射到所述光柵碼盤13，透過所述光柵碼盤13的光線經(jīng)過所述第一光學透鏡141和第二光學透鏡142放大后在所述第一線陣圖像探測器143和第二線陣圖像探測器144上成像；所述數(shù)據(jù)處理及輸出模塊15采用所述第一線陣圖像探測器143輸出的像素數(shù)據(jù)，計算得到譯碼數(shù)據(jù)和角度細分數(shù)據(jù)，并通過算法完成譯碼數(shù)據(jù)與細分數(shù)據(jù)的銜接，并采用所述的第二線陣圖像探測器144的像素數(shù)據(jù)實現(xiàn)對所述角度細分數(shù)據(jù)的誤差修正，實現(xiàn)角度誤差補償計算，輸出角度測量數(shù)據(jù)。

本實施方式所述發(fā)光模塊12采用的面光源121其中一種結(jié)構(gòu)的示意圖，參見圖2：

點光源位于凸透鏡的焦距f位置，點光源發(fā)出的光經(jīng)過凸透鏡的折射變?yōu)槠叫忻婀庠础?/p>

本實施方式提供的另一種面光源結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，其中，點光源放置在具有極高反射率的光學亞克力材料的側(cè)面，點光源由側(cè)面進行導光板，在導光板內(nèi)部實現(xiàn)多次反射。在導光板的發(fā)光面均勻的刻有發(fā)光點，當多次反射的光到達發(fā)光點時，將發(fā)出均勻的光線。

本實施方式所述光柵碼盤13采用的絕對式低密度單圈編碼方式優(yōu)選如下：

所述絕對式低密度單圈編碼方式中包含{X_i,X_i+1,…,X_i+n-1}的n位編碼(每位碼元只取0”或“1”)，當碼盤轉(zhuǎn)動一個碼元位置時，n位二元碼經(jīng)過移位形成新的碼值，碼盤讀出的數(shù)值由{X_i,X_i+1,…,X_i+n-1}變?yōu)閧X_i+1,X_i+2,…,X_i+n}；每一位所述碼元，可以由公式(1)計算得到：

式中，表示異或運算，X_i-1，X_i-2，X_i-n分別是所述碼元X_i的前1，2,和n位碼元；a₁～a_n分別是所述各位碼元的系數(shù)，所述系數(shù)a₁～a_n不全為“0”；適當?shù)倪x取所述系統(tǒng)a₁～a_n，并取{X₁,X₂,…,X_n}的初始值為{0,0,…,0,1}可以使所述碼元X_i達到最大2^n-1個，并在第一位所述碼元X_i前面增加一位碼元“X₀＝0”；同時，依次對所有n位碼元的組合進行編號，編寫所述譯碼數(shù)據(jù)表(參照圖4)。

本實施方式所述的當n＝8時的8位譯碼表，參見表1，每位碼元的計算公式為：

根據(jù)所述的所有X_i的集合依次在所述光柵碼盤13的外圈刻劃碼元，當X_i為“1”時刻劃透光，當X_i為“0”時不刻劃，并在第一位所述碼元前面多刻劃一位“0”，使所述光柵碼盤13刻劃有2ⁿ個所述碼元；同時，為在相鄰所述碼元之間進一步實現(xiàn)所述角度細分算法，在相鄰的所述碼元之間額外刻劃透光的基準刻線，所述光柵碼盤13的圓周內(nèi)共刻劃2ⁿ個所述基準刻線；所有碼元刻線和基準刻線處于同一圓心的同一半徑位置；所有所述基準刻線的寬度相同，所有所述碼元刻線的寬度相同，所述基準刻線與所述碼元刻線的寬度不相同。

表1

結(jié)合圖5和圖6說明本實施方式，本實施方式所述數(shù)據(jù)處理及輸出模塊15所計算得到譯碼數(shù)據(jù)和角度細分數(shù)據(jù)的過程如下：

所述角度細分電路151接收所述第一線陣圖像探測器143的像素數(shù)據(jù)。并對所述的像素數(shù)據(jù)進行二值化處理；所述譯碼電路151根據(jù)所述二值化數(shù)據(jù)對碼盤圖案中的“亮”、“暗”刻線進行識別，得到基準刻線數(shù)據(jù)和編碼刻線數(shù)據(jù)，參見圖5。設(shè)線陣圖像探測器像素點位置值從左至右依次按照從小到大順序排列，設(shè)定所述基準刻線的寬度為k，根據(jù)公式(3)計算所述像素數(shù)據(jù)中心點Y₀左側(cè)第一條所述基準刻線數(shù)據(jù)的質(zhì)心Y₁；

式中，P_i為第i個像素點的像素值，G_i為第i個像素點的位置值，k為窗口大小。對比所述Y₁與所述Y₀的大小，若Y₁≤Y₀，那么按照公式(3)繼續(xù)計算所述Y₀右側(cè)第一條所述基準刻線數(shù)據(jù)的質(zhì)心Y₂，并令左側(cè)基準質(zhì)心為Y_a＝Y(jié)₁,右側(cè)基準質(zhì)心為Y_b＝Y(jié)₂；若Y₁>Y₀，那么按照公式(3)繼續(xù)計算所述Y₁左側(cè)相鄰的所述基準刻線數(shù)據(jù)的質(zhì)心Y₃，并令所述Y_a＝Y(jié)₃,所述Y_b＝Y(jié)₁。利用所述Y_a和Y_b進行譯碼數(shù)據(jù)計算和角度細分數(shù)據(jù)計算可以實現(xiàn)二者的銜接，避免出現(xiàn)誤碼。

所述角度細分算法電路151根據(jù)公式(4)對Y_a和Y_b進行計算，得到角度細分數(shù)據(jù)B：

式中，m為角度細分倍數(shù)。

所述譯碼電路152以所述Y_a的位置為起點，分別向像素數(shù)據(jù)的左右方向按照刻線寬度分別識別一定數(shù)量的所述編碼數(shù)據(jù)，組成n位的編碼數(shù)據(jù)并查找所述譯碼數(shù)據(jù)表得到譯碼值A(chǔ)；最終得到所述角度測量數(shù)據(jù)為θ＝2^m·A+B.其中，m為角度細分倍數(shù)，A為譯碼值，B為角度細分數(shù)據(jù)。

本實施方式所述誤差補償電路153采用第二線陣圖像探測器144的像素數(shù)據(jù)實現(xiàn)對角度細分數(shù)據(jù)的誤差補償算法如下：

所述誤差補償電路153接收所述角度細分電路151的所述Y_a、Y_b和所述第二線陣圖像探測器144的像素數(shù)據(jù)。根據(jù)所述Y_a、Y_b的計算方法，計算所述線陣圖像探測器144的所述左側(cè)基準質(zhì)心Y_a'、右側(cè)基準質(zhì)心Y_b'和中心點Y₀'；并根據(jù)公式(5)計算補償后的左側(cè)基準質(zhì)心Z_a和補償后的右側(cè)基準質(zhì)心Z_b.

為實現(xiàn)誤差修正，以Z_a為左側(cè)基準質(zhì)心，以Z_b為右側(cè)基準質(zhì)心，重新計算所述譯碼值A(chǔ)，按照式(6)重新計算角度細分數(shù)據(jù)B'.

補償后的所述角度測量數(shù)據(jù)為θ'＝2^m·A+B'.其中，m為角度細分倍數(shù)，A為譯碼值，B'為補償后的角度細分數(shù)據(jù)。

結(jié)合圖7說明本實施方式，本實施方式提供的一種采用雙線陣圖像探測器的角位移測量系統(tǒng)另一種結(jié)構(gòu)示意圖如圖7，其中，成像模塊14設(shè)置在光柵碼盤13的左側(cè)，發(fā)光模塊12設(shè)置在了光柵碼盤的右側(cè)；數(shù)據(jù)處理與輸出模塊15設(shè)置在測量系統(tǒng)之外，第一線陣圖像探測器143和第二線陣圖像探測器144與數(shù)據(jù)處理與輸出模塊15通過導線連接。

最后，還需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句“包括一個……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。

本說明書中各個實施例采用遞進的方式描述，每個實施例重點說明的都是與其他實施例的不同之處，各個實施例之間相同相似部分互相參見即可。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。