CN102506718A

CN102506718A - 一种具有真实刻度的精密位移测量装置

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Publication number: CN102506718A
Application number: CN2011103331731A
Authority: CN
Inventors: 黄继祥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2012-06-20

Abstract

一种具有真实刻度的精密位移测量装置，包括主尺（101）、副尺（201）、光源（301），还包括光路（401）、信号处理电路（203）。由于刻度编码采用图形特征编码，不存在增量编码，因此不会产生由增量编码带来的一系列问题。本装置特别是涉及一种刻度直接读取的方法，用于替代光栅、磁栅等以栅格为特征的位移测量装置。用本装置制作的电子尺具有真实的刻度，名副其实，可以完全取代传统电子尺。

Description

一种具有真实刻度的精密位移测量装置

技术领域

本发明涉及一种机械位移与机械长度物理量的精密测量方法和装置，属于机械设备制造中的精密测量领域。特别是涉及一种刻度直接读取的方法，用于替代光栅、磁栅等以栅格为特征的位移测量装置。

背景技术

目前，以栅格为特征的位移测量装置被广泛应用在机械设备上，其特点是：测量精度高，测量距离长，特别是其在主尺上采用直接读取数字信号的方式进行测量比其他采用模拟信号方式进行测量的装置表现出更高的可靠性。具有代表性的装置如：光栅、磁栅等。

这类装置在机械结构上采用栅格作为测量技术手段和方法。其特征是：栅距相等和栅形的一致。因此，在其后的信号处理上，必然导致将位移测量的距离数据化分为两个距离数据段分别处理：一段是采用增量编码的方法对栅格的数目进行累计，用于对整数倍于栅距的那部分距离进行计算；另一段是对不足一个栅距的那部分距离进一步的细分确定精确的位置。然后将两段数据相加，得到完整的测量结果。

就增量编码而言，其特征是在累计的历史数值上进行加1或减1操作。这就使得历史数据上不仅有真实数据的累计结果，也存在着各种误差的累计。累计误差主要来源于换向误差，微震动产生的抖动误差，和产品的传动机构产生的回差。另外，如何能够保证历史数据无损的保存也是一个头疼的问题。历史数据的无限累计，最怕受到干扰。通常，数据是采用电子器件存放，不论是硬件方式还是软件方式，都怕电磁干扰。所谓智能化的位移装置都带有微处理器，通过适当的软件设计，可以使程序流程的不确定性不至于影响程序的正确运行。但是程序流程的不确定性对存储器中的数据的影响概率是存在的。

上述问题在机械设备的使用中的主要表现是：

1、怕失电：为了保证数据的存在，电子器件上不能断电。断电不仅会导致数据的丢失，更主要的是断电时的位移数据无法累计，使之前的累计结果丧失了存在的意义。电源电压的不稳定和附加在电源上的干扰也会导致累计结果误差。备用电池的寿命也制约了设备的可靠性。

2、怕电磁干扰，怕机械振动；在机加工现场，电磁干扰和振动是很大的。解决这些问题迫使测量装置电子和机械部分都变得很复杂，复杂性必然会牺牲可靠性。

3、回零操作：以栅格为特征的位移测量装置没有固定的原点即零点。需要用一些手段在特定的位置产生一个零信号，制造出一个虚拟的零点。回零操作是在数据不能确定的时候，将工作给进行程回到零点的位置，用以清除旧的累计数据，从新开始计数。每次当设备启动时，都会将设备的进给行程移动到零点的位置校对零值，进行一次回零操作。在设备的使用中，通常要求尽量采用相对位移测量，相对位移测量就是在行程中临时的将累计数据清零，设置一个临时的起点，从这个起点开始测量计算相对位移。这样做的目的是避开原点，减少累计带来的误差。回零操作也存在回零误差。回零操作使设备表现不够完美，限制了设备的使用条件。

4、在设备的终端显示结果中常会出现距离的刻度值，像一把尺子，有起始零点也有从零点开始的距离刻度。不过，这个尺子上的刻度不是从真实的位置读出来的，而是从零点开始累计换算出来的。也就是说这个尺子是虚拟出来的，它的刻度和真实的位置存在不确定的误差。

5、像光栅，磁栅这样的装置判读栅格时，读出部分需要和主尺保持尽量小的微距离，克服摩擦问题是免不了的。

6、由于上述原因的存在，使机械设备的自动化和网络化受到了限制。首先，如果使用数据库对加工的过程进行备份，就不能使用相对位移测量数据，必须有真实刻度值支持。因此现有设备很难建立一个大的数据库，用于存储各个不同零件的加工数据。因为在现有条件下，这样的数据库是不确定、不可靠的。再有，物联网技术的兴起，需要对多处的设备进行实时的监控，要知道设备进给行程的运行位置，现有设备是做不到的。一方面，相对测量的数据没有刻度值。另一方面，各种因素造成的累积误差不能够得到实时的修正。这些问题限制了现有设备的物联网应用。此外，数据库的建立也是机械设备物联网应用的基础。

发明内容

本发明提供一种直接采集数字信号的装置。该装置不采用栅格设计，因此没有增量编码，进而不存在增量累计的问题。该装置采用真实刻度直接读取的方法获得刻度值和刻度位置信号，因此，不存在虚拟刻度带来的一系列问题。本发明要解决的关键技术问题是：在主尺上设置刻度并能够识别和读取，还要对刻度之间部分进行刻度细分。

本发明在技术方案中提出一种真实刻度的精密位移测量装置，包括主尺、副尺、光源，还包括光路、信号处理电路。其中主尺也叫定尺，副尺叫动尺。

在主尺上有用于刻度识别的图形，每个图形表示一个刻度的两个基本要素，即刻度的值和刻度的位置。其特征是图形间的距离确定，图形具有可识别性和唯一性。可识别性是指图形在光源的照射下，可以被位于副尺上的图像传感器接收并可以用软件或硬件确认刻度值和刻度位置。唯一性是指主尺上没有两个图形的特征是完全一样的，每个图形只能确定一个刻度值和刻度位置。图形的特征包括形状、大小、排列位置、明暗、间距、色彩等，图形的特征是刻度编码的依据。主尺材料可以是透明的，用于光源从主尺的背面（无图形一侧）透过主尺，将图形投影到副尺的图形传感器上（图1）。主尺材料也可以是不透明的，用于光源照在主尺的正面（有图形一侧，对着副尺）将主尺上的图形反射到副尺的图像传感器上。（图2）

当光线从主尺的背面透过主尺时，光源的光路采用远光源设计。当光线从主尺的正面反射到副尺时，成像系统光路则采用远心光路。不论采用哪种方案其目的都是使成像受主、副尺间的距离变化影响最小化。

在副尺上装有图像传感器，用于采集主尺上的图形数据。用于信号处理的电路也装在副尺上。图像传感器的受光面朝向主尺的正面。图像传感器可以是线阵也可以是面阵图像传感器，可以是黑白图像传感器也可以是彩色图像传感器。既可以是CCD图像传感器也可以是CMOS图像传感器。图像传感器采用的是工业测量专用器件。

光源的作用是保证主尺上的图形影像信号在图像传感器的有效接收信号范围内。且要求光源稳定，采用恒压或恒流源供电。

主尺的刻度识读和刻度细分采用如下方法表达：

通过对主尺图形的识别，得到主尺刻度的图形特征信息。图形特征信息（包括形状、大小、排列位置、明暗、间距、色彩的不同）确定刻度的唯一标识。依据图形的特征信息进行刻度编码，比如用条码编码、莫尔斯编码等都可以找到刻度所在位置的刻度值。刻度的位置是一个点，在主尺上，图形的任意特定点都可以作为刻度的真实定位标识，一般采用起点、终点或图形的中点。刻度细分是通过图像传感器采集到的两个图形间距中的像素个数统计得到的，因为图像传感器的像素间距是已知的。另外，对不足一个像素间距的距离做进一步细分可以得到更精确的位置。

本发明的有益效果是：用具有真实刻度的精密位移测量装置，取代传统位移装置，可以使机械设备最大限度的发挥作用，使机械设备表现完美。可以有效的提高自动化机械设备的可靠性，放宽设备的使用条件，扩大设备的使用范围。不论是机械设备的制造者还是使用者，都获得了更大的自由发挥和想象的空间。用具有真实刻度的精密位移测量装置制作的电子尺具有真实的刻度，名副其实，可以完全取代传统电子尺。

附图说明

图1为光源从主尺的背面透过主尺方案。

图2为光源从主尺的正面照射主尺方案。

图3为本实例的刻度图形方案。

图中标识：101为主尺；102为主尺上的刻度图形；201为副尺；202为图像传感器；203为信号处理电路；301为光源和亮度调整模块；302为荧光管；401为远心光路和放大倍数调整模块。

具体实施方式

下面结合附图提供一个本发明的具体实施例：

本方案采用不透明的反光设计。如图2，主尺的正面采用照相制版工艺制作出如图3所示的图形。其特征是在黑色的衬底上做出刻度图形，且图形是由4条相同宽度并与主尺长度方向垂直的带状图案组成，带边之间的边距是带宽的两倍。每条带的宽度为7个像素，带的边距是14个像素，两条带的中心距是21个像素。4条带状图案的形状相同，通过位置顺序决定了各自的不同定义，又通过灰度的变化，在图像传感器上反应出各自亮度的大小。

刻度图形之间的中心距离是10毫米，也就是刻度的间距是10毫米。

刻度图形中的4条带状图案的定义如下：从左到右第一条的灰度是50％，是灰度值的参考基准，用于对光源进行校准和误差修正。其后面的3条用于编码。编码采用位置加灰度的编码方案，按从左到右位置顺序分别为百位、十位、个位。每条带状图案有10种灰度选择，灰度变化从黑到白分为10级，这样一来可以产生1000个刻度值编码，可以满足10米以内主尺长度的刻度编码要求。

举例说明：测得百位的灰度是30％，十位上的灰度是50％，个位上的灰度是80％。这个刻度的值就是358乘以10毫米等于3580毫米。

副尺上的图像传感器采用单色线阵工业测量器件。像素的大小为7乘7微米，信号处理电路采用8位AD转换，每个像素从最暗到最亮的信号采样范围是0到255，可以产生256种明暗数据，也就是说可以测得256级灰度信号。这样精度的信号可以满足两方面的需要，一方面满足10级灰度编码的要求，另一方面满足对不足一个像素的距离进行精确的细分的要求。位于副尺上的图像传感器的像素排列方向的中心线对准主尺刻度排列方向的中心线。且像素的排列顺序和主尺的刻度排列顺序一致，即接收一帧信号的像素顺序和主尺的刻度顺序一致。

取图像传感器的中心点附近的一个像素的中点为副尺的零点，本实例取第2000个像素的中点为副尺的零点。

关于刻度所在的位置，本实例取刻度图形的第一条带状图案的中点为刻度值的位置。也就是说如果主尺的某一个刻度图形的第一条带状图案的中点刚好和副尺上的图像传感器的第2000个像素的中点对齐，那就说明副尺刚好对准了刻度值整数的位置。得到的是以10毫米为刻度单位的整数值。副尺的零点到前一个主尺刻度的位置的距离细分是通过这一距离内的像素个数统计得到的。

本方案的照明光源采用荧光灯管，用以保证光线的均匀，因为图像传感器的受光范围是沿像素排列的一条细长光带。另外还配有调光模块，不论是采取什么样的光源，光的照射强度都有一个寿命曲线。光的照度会随着使用时间产生变化，这个变化都会在图像传感器上得到反映，会影响到图像传感器接收的信号数值。本方案的刻度图形中50％灰度的那条参考基准带就是为了解决这个问题设置的。

影响亮度的因素还有主副尺之间的距离变化，本方案采用调光法。具体的方法是检测50％灰度参考基准的亮度信号值，理论上是255乘以50％，本方案取127。如果大于这个数就利用调光模块降低光源的亮度，如果小于这个值就增加光源的亮度。利用调光模块建立光源的负反馈系统，自动的调节光源强度，使参考值始终保持127这个值。如果调节不过来，说明出现了光源故障，系统发出故障报警。

对于不足一个像素的距离，本方案采用比值法细分。取样部位选择50％灰度参考基准带的前沿。理论上讲，如果这个前沿刚好和像素的前沿吻合。这个像素的值应该是127，如果这个前沿与像素的前沿距离是像素宽度的一半，那么只有50％的光照被采集到，因此像素的值是127乘以50％。以此类推就得到了不足一个像素的距离的细分值。理论上可以得到一个像素宽度7微米的1／127距离。本方案取像素宽度的1／20，得到0.35微米的测量精度。

虽然远心光路可以满足图像的清晰度要求，但是由于副尺在移动的过程中和主尺的距离会有变化，加上镜片的放大倍数存在固有差异，这些因素会导致放大倍数的不准确。解决这个问题有两种手段，一种是采用硬件自动调节模块调整放大倍数，另一种是将放大倍数误差通过程序计算抵消掉。由于图像传感器本身就是长度测量装置，可以对其像素测量范围内的目标进行精确测量。因此，可以对主尺的刻度间距进行精确测量。本方案采用的放大倍数为1:1的光路设计，如果测量结果不等于10毫米就是出现了放大倍数误差。在本例子中，采用自动调节模块对放大倍数进行粗调，再经过软件计算抵消微小的误差，使放大倍数不受环境影响。

本例中采用的调光法和调放大倍数法都是动态自适应系统，是保证系统精度的关键。

本方案的软件处理安排如下：

1、首先启动动态自适应系统的调光流程，在帧数据缓冲区的存储寄存器中，根据刻度图形的特征，找到50％灰度参考带的数据。与127比较，然后调整一次光源亮度。再重新扫描下一帧的影像数据，直到灰度参考值等于127为止。退出调光流程。

2、进入放大倍数自适应调整流程，检测图像传感器参考零点之前最近的刻度值和刻度位置。然后再检测像传感器参考零点之后的最近的刻度值和位置，精确到0.35微米。接下来，计算两个刻度之间的距离是否等于10毫米，如果不等输出调整信号。重新扫描下一帧影像数据，直到调整到最小误差为止。保留不足一个像素的距离细分结果。将剩下的放大倍数微小误差换算成放大倍数调整比例，作为对刻度细分后，对结果进行放大倍数调整的调整系数。退出放大倍数调整流程。

3、对副尺图像传感器的参考零点到其之前最近的刻度位置之间不足10毫米的距离进行细分，统计它们之间的像素数量，实际上，用零点所在的寄存器地址编号减去在它前面且离它最近的刻度位置所在的寄存器地址编号即可。再加上不足一个像素的距离细分值，最后还要乘上放大倍数调整系数，得到最后的刻度结果，输出数据。

Claims

1.一种具有真实刻度的精密位移测量装置，包括主尺（101）、副尺（201）、光源（301），还包括光路（401）、信号处理电路（203），其特征是：在主尺（101）上包括刻度图形（102），在副尺（201）上包括图像传感器（202），在光源（301）中包括亮度调整模块，在光路（401）中包括放大倍数调整模块。

2.根据权利要求1所述的一种具有真实刻度的精密位移测量装置，其特征是：主尺的材料可以是透明的也可以是不透明的。

3.根据权利要求1所述的刻度图形，其特征是：每个刻度图形具有用于刻度识别的唯一图形特征，只能确定一个刻度值和刻度位置；所述图形特征包括形状、大小、间距、排列位置、明暗与色彩。

4.根据权利要求1所述的图像传感器，其特征是：图像传感器可以是线阵也可以是面阵图像传感器，可以是黑白图像传感器也可以是彩色图像传感器；既可以是CCD图像传感器也可以是CMOS图像传感器。

5.根据权利要求1所述的一种具有真实刻度的精密位移测量装置，其特征是：刻度编码采用图形特征编码；刻度之间的距离细分是通过图像传感器采集到的两个图形间距中的像素个数统计，加上对不足一个像素间距的距离的进一步细分得到的。

6.根据权利要求1所述的一种具有真实刻度的精密位移测量装置，其特征是：当光线从主尺的背面透过主尺时，光源的光路采用远光源设计；当光线从主尺的正面反射到副尺时，成像系统光路则采用远心光路。

7.根据权利要求1所述的一种具有真实刻度的精密位移测量装置，其特征是：采用动态自适应系统对图像的放大倍数和光源的亮度进行控制。

8.根据权利要求1所述的一种具有真实刻度的精密位移测量装置，其特征是：本装置可以是一个主尺与一个副尺组合，也可以是一个主尺和复数个副尺组合。

9.根据权利要求1所述的光源，其特征是：光的颜色与图像传感器的接收光谱特性相适应；光的强度不超过图像传感器要求的范围；光的照射范围大于图像传感器像素的接收范围。