CN103162624B - 一种数字式绝对位置、位移检测系统及其实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种数字式绝对位置、位移检测系统及其实现方法。所述系统包括：准点光源、编码标尺、移动导轨机构、处理装置和图像采集装置；所述准点光源发出的光照射到所述编码标尺，移动导轨机构产生一定位移，图像采集装置将采集到的图像信息发送到处理装置进行处理；处理装置分别得到位置坐标的整数部分和小数部分，再将整数部分和小数部分组合起来，得到完整的位置坐标。其能以较低的制造成本达到了较高的位移测控精度，高精度级成本少于800元，中低精度级为500元以下。同时，对坐标位置的数字测量避免了以往数字式位移测量为“增量式”的弊端，不用开机清零、核对零位等，在开机后即时读出实时坐标，对测控及遥测十分方便。

Description

一种数字式绝对位置、位移检测系统及其实现方法

1.技术领域：

高精度位置、位移测量及控制装置广泛地用于国民经济、科技及军事各个领域。例如：机器及设备制造部门、计量检测部门、现场位移监控及测量等等。它不仅能测出位置坐标及位移量，而且现在还广泛用于控制系统位移指令执行结果的闭环反馈修正，从而大大提高了控制精度。以大型石化工程和核工程所用的精密阀们为例，它们的开启和关闭程度受到多圈螺旋机构的影响，通常是人工数出旋转圈数，极易出错。对于不易到达的现场更不方便，故遥测位置、位移是很有价值的。本发明涉及位置、位移测量技术领域，尤其涉及一种低成本、高精度的数字式绝对位置检测系统及其实现方法，该系统容易实现远距离检测。

2.背景技术：

数字式位移传感系统由于输出数字信号，可方便地进入测控数据处理系统，已经得到广泛的应用，然而相当一部分都是“增量式”的。例如计量光栅，感应同步器等，使用时，开机后必须“核对零位”（或“清零”），还需要采用“可逆计数器”对正向行程及反向行程判别是增加计数还是减去计数，易受干扰。九十年代中后期开始出现了以编码计量器件为基础的绝对计量。开机后便可获得实时的位置坐标，变换到新位置时可以不顾及过程中计数脉冲的丢失，乱数等干扰因素，十分方便。

然而以较低的制造精度和较低的制造成本来实现较高的使用精度仍是为数不多的。本发明所依靠的技术基础是CCD器件，CMOS器件越来越成熟，使用更广泛，价格更低廉，使用更方便，制造编码标尺的铬版光刻技术也越来越成熟，应用越来越广泛。各种功能强大，价格低廉的微处理器也是当前的有利条件。本发明的理论基础，一是编码理论，本发明中有明确直接的码表给出，另一是图像数据的数字拟合方法，本发明给出了详细介绍，直至计算公式的举例。因而使较低的制造精度和较低的制造成本实现了较高的使用精度。

3.发明内容：

鉴于现有技术的不足，本发明目的在于提供一种数字式绝对位置、位移检测系统及其实现方法。旨在解决现有技术中数字式绝对位置、位移检测系统存在的成本高、制造难度大等问题。

本发明的技术方案如下：

一种数字式绝对位置、位移检测系统，如图1所示，包括：准点光源100、编码标尺200、移动导轨机构（图中未示）、图像探测器500a及500b、图像采集单元300、数据处理单元400、译码单元600、微处理器700、显示单元800。所述编码标尺设置在准点光源的上方，图像探测器的下方；移动导轨机构与编码标尺装于一体，图像探测器输出图像信息给图像采集单元。

所述准点光源发出的光照射到所述编码标尺，经此编码标尺后的光线携带了位置坐标编码信息，并由图像探测器接收，图像探测器将接收到的图像信息，发送到图像采集单元进行处理；处理后的信息分别送到译码单元和数据处理单元，从而得到位置坐标的整数部分和位置坐标的小数部分，再将这两部分组合起来，得到完整的位置坐标。

现分述如下：

(1)一个简捷紧凑的光电转换机构（见图1），确保能以较低成本来实现较高的使用精度。

其关键部件为：

——准点光源：高亮度贴片发光二极管（LED），其发光区约0.3x0.3毫米，越小就越接近“点光源”，从而可以省去聚光系统。发光波段，可选红色、黄色等，应和图像探测器的灵敏波长匹配。

——编码标尺及其移动导轨机构：

标尺上代表“1”的宽条码和代表“0”的窄条码之排列按下列码表：

11111001000011111000111011111000110011111000101011111000100011111000011011111000

01001111100000101111100000001111011110101111011110001111011101101111011101001111

01110010111101110000111101101110111101101100111101101010111101101000111101100110

11110110010011110110001011110110000011110101110011110101101011110101100011110101

01101111010101001111010100101111010100001111010011101111010011001111010010101111

01001000111101000110111101000100111101000010111101000000111100111010111100111000

11110011011011110011010011110011001011110011000011110010111011110010110011110010

10101111001010001111001001101111001001001111001000101111001000001111000111001111

00011010111100011000111100010110111100010100111100010010111100010000111100001110

11110000110011110000101011110000100011110000011011110000010011110000001011110000

00001110111011001110111010101110111010001110111001101110111001001110111000101110

11100000111011011100111011011010111011011000111011010110111011010100111011010010

11101101000011101100110011101100101011101100100011101100011011101100010011101100

00101110110000001110101110001110101101101110101101001110101100101110101100001110

10101100111010101010111010101000111010100110111010100100111010100010111010100000

此码表的计算是以保证取相邻12位以上的“码组”在任何区段都具有“唯一性”，故每错移一位选取的码组就可以形成一个按设计的“节距t”依次递推排列的码表：一个“码组”代表一个“位置”，相邻码组只错过一位，它们代表的位置相差一个“节距t”。在使用中，“节距t”的设计最好0.2～0.25毫米。

例如以节距t=0.2毫米为例：

111110010000代表0

111100100001代表0.2

111001000011代表0.4

此时上述码表可供制作236毫米标尺用。在选t为其它数值时，利用上述码表制作的编码标尺长度则随之不同。

编码标尺的制造：在低精度时用精密印制电路铬版及光刻胶工艺在玻璃尺坯上制成。在中高精度时用中规模IC铬版及光刻胶工艺在玻璃尺坯上制成。编码标尺的示意图如图2所示。

——图像探测器：在低精度接收时可用市售CMOS摄像头，通常100万像素以上，成像清晰即可。在中高精度可用市售传真机用线阵CCD即可（在中等批量下，一般都在100元以下）。在采用前者时应对其“垂直转移同步”信号进行定值处理，即只对某一行的行扫描转移信号进行数据采集，在采用CCD时则可直接将其置于编码标尺后面，标尺的图案面对线阵CCD表面间隙在0.5毫米左右。

（2）本发明所计算的1200位码表，列出如下：

11111001000011111000111011111000110011111000101011111000100011111000011011111000

01001111100000101111100000001111011110101111011110001111011101101111011101001111

01110010111101110000111101101110111101101100111101101010111101101000111101100110

11110110010011110110001011110110000011110101110011110101101011110101100011110101

01101111010101001111010100101111010100001111010011101111010011001111010010101111

01001000111101000110111101000100111101000010111101000000111100111010111100111000

11110011011011110011010011110011001011110011000011110010111011110010110011110010

10101111001010001111001001101111001001001111001000101111001000001111000111001111

00011010111100011000111100010110111100010100111100010010111100010000111100001110

11110000110011110000101011110000100011110000011011110000010011110000001011110000

00001110111011001110111010101110111010001110111001101110111001001110111000101110

11100000111011011100111011011010111011011000111011010110111011010100111011010010

11101101000011101100110011101100101011101100100011101100011011101100010011101100

00101110110000001110101110001110101101101110101101001110101100101110101100001110

10101100111010101010111010101000111010100110111010100100111010100010111010100000

——本码表中任意区段连续取12位以上（为具有较强纠错功能通常取用20位左右），因而它可以组成最多为1200-20=1180个坐标的代码，第一个坐标的代码由1～20位组成，第二个坐标的代码由2～21位组成，依此类推。在位移当量（t）为0.2毫米（高精度测量时）形成一个236毫米的标尺。在位移当量为0.5毫米（较低精度测量时）形成一个1180×0.5=590毫米的标尺。当然实际使用时可以小于上述标尺长度。

——将全部代码及每个代码所代表的坐标位置一一对应地储存在微处理器中，以便在“译码”时得到位置坐标值的第一部分（位移当量的某一整数倍）——“整数部分”。

——依据码表排列和“节距”的大小合理设计标尺的实际编码图形（见图4）。其设计原则是：以节距为间隔形成全部图形的中心线（相邻图形的中心距为“节距”），宽图形代表“1”，窄图形代表“0”。

a.相邻图形间隙最小时为相邻两位是“1”，此时应不少于3～4个像素；

b.单个图形宽度最窄为“0”，此时应不少于6～7个象素；

c.“1”图形与“0”图形的宽度比应大于1.5，以减少误判。

通常传真机用线阵CCD器件，象素的间隔尺寸在14微米～16微米以下，7～8微米的也不少。常用CMOS摄像芯片象素尺寸一般在几微米。

——所述编码标尺用精密印制电路铬版及光刻胶工艺在玻璃尺坯上制成；或采用IC铬版及光刻胶工艺在玻璃尺坯上制成。

——所述移动导轨机构为滚珠轴承导轨或滑动导轨等。

（3）所述的数字式绝对位移检测系统的工作步骤可由图3表示：

S1、根据用户需要选择相应的图像探测器和设计编码标尺；

S2、准点光源照明编码标尺，然后由图像探测器进行图像检测；

S3、图像探测器将检测到的图像信息发送到图像采集单元及后续单元进行处理，处理后分别得到位置坐标的整数部分和位置坐标的小数部分，再将整数部分和小数部分组合起来，得到完整的位置坐标。

其中，所述步骤S3具体包括：

S31、图像采集单元对图像信息进行前期放大处理，使其幅值及信噪比达到所需要求，并进行模数转换；

S32、处理后的数字图象信号一路经译码单元进行“译码”得出位置坐标的整数部分，另一路则经数据处理单元进行数字拟合的图形信号处理得出位置坐标的小数部分；

S33、所述位置坐标的整数部分和小数部分都发送到微处理器中，进行组合，并通过显示单元显示出来。

（4）为了实现以较低的制造精度达到较高的使用精度，本发明中专门设计了一个对接收到的信号图形进行数学处理的程序，使误差得到“双重平均化”的压缩效果。

——不论是代表“1”的宽图形或是代表“0”的窄图形，所得到光电信号都应是一个对称的信号(见图5，图11)。为了简化处理，在不影响精度的前提下，以最低阶的偶函数——二次抛物线函数来模拟所得到的采样值。

——设此抛物线方程为：Y＝aX²+bX+c，让诸采样点的实测值y_i到此曲线的距离之均方和为最小，即：Σ|y_i-Y|²→最小。见图6。则满足此条件的曲线对称轴坐标即为该图形对称中心的坐标值。

——再将此图形的后一个图形、后二个图形的中心值也按上述方法处理后得到X₊₁，X₊₂，见图6，再扣除相邻节距（t）的影响，最终得到对该图形中心的综合修正值，即最后的图形中心为：为了提高平均化效果还可以再多取几个图形进行平均。

——以此值相对CCD扫描的指定零位（将每次扫描起始脉冲SH后的某个象素做为“电子零位”—详见后面第6页③.确定“电子零位”）的偏移做为位置坐标读数的第二部分（小数部分），将其与“译码”后得到的第一部分迭加便得到全部位置坐标值。

其有益效果是：

本申请的数字式绝对位置、位移检测系统及其实现方法，能以较低的制造成本达到了较高的位移测控精度。同时，对绝对坐标位置的数字测量避免了以往数字式位移测量大多为“增量式”的弊端，不用易受干扰的“可逆计数器”，不用开机清零，核对零位等，所以在开机后即时读出实时坐标，对测控及遥测十分方便，其市场推广前景较佳。

4.附图说明：

图1a和图1b分别为本发明的数字式绝对位置、位移检测系统的实施例的示意图。

图2为本申请的数字式绝对位置、位移检测系统中编码标尺的构造示意图。

图3为本申请的数字式绝对位置、位移检测系统的实现方法的流程图。

图4为本申请的数字式绝对位置、位移检测系统中编码标尺的设计示意图。

图5为本申请的数字式绝对位置、位移检测系统的实现方法中采集的数字编码信号波形示意图。

图6为本申请的数字式绝对位置、位移检测系统的实现方法中计算波形中心位置的示意图。

图7为本申请的数字式绝对位置、位移检测系统实际测量与标准尺寸比对的误差分布图。

图8图像探测器TCD1209时序波形图。

图9图像探测器OV2715的内部结构模块框图。

图10为本发明的数字式绝对位置、位移检测系统的样机实际测量时图像探测器输出信号波形图。

图11为本发明的数字式绝对位置、位移检测系统的样机实例中单个波形数据采集示意图。

5.具体实施方式：

本发明提供一种数字式绝对位置、位移检测系统及其实现方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请参阅图1，其为本发明的数字式绝对位移检测系统的实施例的原理框图a及b。如图所示，所述数字式绝对位移检测系统包括：准点光源100、编码标尺200、移动导轨机构（图中未示出）、图像探测器500a（CMOS摄像头）或500b（线阵CCD），图像采集单元300，数据处理单元400，译码单元600，微处理器700，显示单元800.所述准点光源100发出的光照射到所述编码标尺200，移动导轨机构产生一定位移，图像采集单元300将图像探测器500a及500b发来的原始图像信号采集并进行预处理和模数转换后得到数字图形信号，一部分建立信号波形送到译码单元600以得到位置坐标的整数部分，另一部分则送到数据处理单元400，进行数字拟合处理得出信号波形的中心位置从而得到位置坐标的小数部分，再将整数部分和小数部分组合起来，得到完整的位置坐标。

实施本发明的技术路线要点如下：

（1）准（近似于）点光源照明100（也可称为“类点光源”）：可选用尺寸为0.3×0.3毫米的贴片发光二极管（LED）。为了减少同是宽图形（或同是窄图形）所得信号宽度的差异，此光源应置于距编码标尺30毫米以外的地方，否则要考虑信号宽度不一致的因素。

LED的工作波长（发光颜色）要和接收器件相匹配。如某些线阵CCD接收红光最有利，彩色CMOS摄像芯片则对多种色彩（黄、红、绿）都可接收。

实现了“准点光源”就可以省去照明聚光系统。

（2）编码标尺200：

——尺坯：根据标尺长度、精度选用平整度、透明度、均匀性、气泡含量等符合要求的玻璃。

——图形设计：基本数据应根据精度要求选定：a.CCD或CMOS器件的象素大小；b.标尺“位移当量”t，例如高精度时选用t=200微米，象素间隔在12微米以下，可达分辨率2微米左右。如图4所示：宽图形（代表“1”）、窄图形（代表“0”）的排列按本发明前述的1200位码表排列（或只用其中一部分）。

——标尺制造：按上述要求形成AutoCAD图形，送去制光刻用铬版。在高精度（分辨率2微米左右时）铬版用中精度IC铬版，在低精度（分辨率50微米左右时）可用印制电路铬版甚至胶片。即编码标尺的制造：在低精度时用精密印制电路铬版及光刻胶工艺在玻璃尺坯上制成。在中高精度时用中规模IC铬版及光刻胶工艺在玻璃尺坯上制成。编码标尺的示意图如图2所示，其中t表示节距。。

标尺上代表“1”的宽条码和代表“0”的窄条码之排列按下列码表：

11111001000011111000111011111000110011111000101011111000100011111000011011111000

01001111100000101111100000001111011110101111011110001111011101101111011101001111

01110010111101110000111101101110111101101100111101101010111101101000111101100110

11110110010011110110001011110110000011110101110011110101101011110101100011110101

01101111010101001111010100101111010100001111010011101111010011001111010010101111

01001000111101000110111101000100111101000010111101000000111100111010111100111000

11110011011011110011010011110011001011110011000011110010111011110010110011110010

10101111001010001111001001101111001001001111001000101111001000001111000111001111

00011010111100011000111100010110111100010100111100010010111100010000111100001110

11110000110011110000101011110000100011110000011011110000010011110000001011110000

00001110111011001110111010101110111010001110111001101110111001001110111000101110

11100000111011011100111011011010111011011000111011010110111011010100111011010010

11101101000011101100110011101100101011101100100011101100011011101100010011101100

00101110110000001110101110001110101101101110101101001110101100101110101100001110

10101100111010101010111010101000111010100110111010100100111010100010111010100000

此码表的计算是以保证取相邻12位以上的码组在任何区段都具有“唯一性”，故每错移一位选取的码组就可以形成一个按设计的“节距t”依次递推排列的码表：一个“码组”代表一个“位置”，相邻码组只错过一位，它们代表的位置相差一个“节距t”。在使用中，“节距t”的设计最好0.2～0.25毫米。

例如以节距t=0.2毫米为例：

111110010000代表0

111100100001代表0.2

111001000011代表0.4

此时上述码表可供制作236毫米标尺用。在选t为其它数值时，利用上述码表制作的编码标尺长度则随之不同。

本码表中任意区段连续取12位以上（为具有较强纠错功能通常取用20位左右），因而它可以组成最多为1200-20=1180个坐标的代码，第一个坐标的代码由1～20位组成，第二个坐标的代码由2～21位组成，依此类推。在位移当量（t）为0.2毫米（高精度测量时）形成一个236毫米的标尺。在位移当量为0.5毫米（较低精度测量时）形成一个1180×0.5=590毫米的标尺。当然实际使用时可以小于上述标尺长度。

——将全部代码及每个代码所代表的坐标位置一一对应地储存在微处理器中，以便在“译码”时得到位置坐标值的第一部分（位移当量的某一整数倍）——“整数部分”。

——依据码表排列和“节距”的大小合理设计标尺的实际编码图形。其设计原则是：

以节距为间隔形成全部图形的中心线（相邻图形的中心距为“节距”），宽图形代表“1”，窄图形代表“0”。

a.相邻图形间隙最小时为相邻两位是“1”，此时应不少于3～4个像素；

b.单个图形最窄为“0”时，此时应不少于6～7个象素；

c.“1”图形与“0”图形的宽度比应大于1.5，以减少误判。

通常传真机用线阵CCD器件，象素的间隔尺寸在14微米～16微米以下，7～8微米的也不少。常用CMOS摄像芯片象素尺寸一般在几微米。

——移动导轨机构：在高精度时位移导轨可用滚珠轴承导轨，而低精度时可用滑动导轨。

（3）对于图像探测器，以下两种接收器件：TCD1209、OV2715都可用于本发明所提出的测量系统。

——对于高精度测量时（分辨率在2微米左右），采用东芝线阵CCD：TCD1209等传真机用接收器。

——对于低精度测量时（分辨率在50微米左右），采用OmniVision公司OV2715摄像芯片（CMOS）的摄像头及其类似产品。实际上类似的选择是十分广泛的，尤其是各种传真机用的线阵CCD，其象素间隔十分细小，成本价格早已降至数十元，可适用于各种颜色光源，可谓物美价廉，用传真机用线阵CCD成本只增加30元左右。以上两种接受器件的性能，参数说明书可见诸于两公司的官网。

1/对CCD（或CMOS）输出信号进行前期放大处理，使其幅值及信噪比达到所需要求。

2/进行信号采集和A/D转换。由于CCD的输出都是以同步转移信号（SH信号，见图8、图9，它们分别源自TCD1209说明书的第7页和OV2715说明书的第2页）为指令而开始的（对CMOS器件则是由我们将垂直转移同步信号VSYNC设为定值，意为只采集某特定行的水平扫描信号），此处一个重要的工作是：

3/确定“电子零位”——实际是确定某个像素以其相对SH信号的序数位置做为零点（即为计算X坐标的原点），所有的X值都是以此为原点的“相对像素序数”（绝对序数则是对转移同步信号SH的）来计量的。有关像素序数的问题请参阅:王庆有编著，“CCD应用技术”,天津大学出版社2002年7月出版,第46-47页,以及本说明附图8。

4/以采集的数据建立“数字化的波形曲线”——即获得“采集波形”。见图5。

5/选定一个合适的幅值Y_阈，形成一条贯穿各“采集波形”中部的水平截线，在各波形处获得判断“1”（截距为“宽”者）或“0”（截距为“窄”者）。因而在零点后以一系列完整截距形成的“1”和“0”组成的“编码排列”。

6/在已采集的有效的“编码排列”中按规定选取20位进行“译码”形成位置坐标的“大数部分”，它应是节距t的整数倍。

7/对于位置坐标的小数部分是本发明的技术要点之一。它的主要依据是某个波形之中心位置与“零位”之距离小于一个节距t，计算此波形之中心位置，并辅以其后的若干个（一般不少于2个）波形，计算它们的波形中心位置（参见图6和图11）。这是“误差双重平均化”的关键。

首先要确认此“截距”的中心位置确实小于“t”，尤其是在小数部分接近于零和接近于“t”时，计算平均X₀，先计算X₀本身，Y_i＝aX_i ²+bX_i+c

以采集的X_i诸值计算：Σ|y_i-Y|²→达最小值时，可以用偏微分法： 或其它数值解法得出： $X_0=-\frac{b}{2a}$

方法举例，下面以6个采样点为例，介绍一种简便的方法，先以1、3、5点数据列出一组方程： $\left\{\begin{array}{c}{y}_1-(a{x_1}^2+b{x}_1+c)=0\\ y_3-(a{x_3}^2+b{x}_3+c)=0\\ y_5-(a{x_5}^2+b{x}_5+c)=0\end{array}\right.,$ 解出一组未知数a、b、c（此处x₁，x₃，x₅，y₁，y₃，y₅皆为采集所得，属已知）。再以x₂，x₄，x₆，y₂，y₄，y₆为已知数解出第二组a、b、c。两组解可得两个X₀，即X₀₁₃₅、X₀₂₄₆。将它们取平均做为最终的X₀。

再以其后的波形计算其图形拟合中心：X₊₁，X₊₂，…。

同样是对每个波形的采样X_i值计算Y_i值，再以采样y_i值计算(y_i-Y_i)值，并取此波形所有(y_i-Y_i)的均方和最小。

以3个图形平均为例，最后的综合图形中心值为：

$\stackrel{\‾}{X_0}=\frac{1}{3}[X_0+(X_{+1}-t)+(X_{+2}-2t)].$

而减去零位坐标即为最后的小数部分。将其与“译码”后的“整数部分”迭加，便得到最后的位置坐标。

本发明还提供了一种上述数字式绝对位置、位移检测系统的实现方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1、根据用户需要选择相应的图像探测器和编码标尺；具体来说，其应当根据相应的精度要求来选定，包括：CCD或CMOS器件的象素大小；标尺“位移当量”t，例如高精度时选用t=200微米，象素间隔在12微米以下，可达分辨率2微米左右。如图4所示：其中，宽图形B1（代表“1”）、窄图形B0（代表“0”）的排列按本发明前述的1200位码表排列（或只用其中一部分）；编码标尺的选取已经在前述进行了介绍，按要求形成AutoCAD图形，送去制光刻用铬版。在高精度（分辨率2微米左右时）铬版用中精度IC铬版，在低精度（分辨率50微米左右时）可用印制电路铬版。关于图像探测器，下列两种接收器件都可用于本发明所提出的测量系统：TCD1209、OV2715。对于高精度测量时（分辨率在2微米左右），采用东芝线阵CCD：TCD1209等传真机用接收器。对于低精度测量时（分辨率在50微米左右），采用OmniVision公司OV2715摄像芯片（CMOS）的摄像头及其类似产品。实际上类似的选择是十分广泛的，尤其是各种传真机用的线阵CCD，其象素间隔十分细小，成本价格早已降至数十元，可适用于各种颜色光源，可谓物美价廉，用传真机用线阵CCD成本只增加30元左右。以上两种接收器件的使用性能、参数可以参见其说明书，因属成熟的商品元器件，这里就不多做赘述了。

S2、准点光源照明编码标尺，然后由图像探测器进行图像检测；

S3、图像探测器将检测到的图像信息，发送到图像采集单元及后续单元进行处理，处理后分别得到位置坐标的整数部分和位置坐标的小数部分，再将整数部分和小数部分组合起来，得到完整的位置坐标。

其中，所述步骤S3具体包括：

S31、图像采集单元对图像信息进行前期放大处理，使其幅值及信噪比达到所需要求，及模数转换；

S32、处理后的数字图象信号一路经译码单元进行“译码”得出位置坐标的整数部分，另一路则经数据处理单元进行数字拟合的图形信号处理得出位置坐标的小数部分；

S33、所述位置坐标的整数部分和小数部分发送到微处理器中，进行组合，并通过显示单元显示出来。

其中，由于CCD的输出都是以同步转移信号（即SH信号）为指令而开始的（对CMOS器件则是由我们将垂直转移同步信号VSYNC设为定值，意为只采集某特定行的水平转移信号），如前所述，此处一个重要的工作是：确定“电子零位”——实际是确定某个像素以其相对SH信号的序数位置做为零点（即为计算X坐标的原点），所有的X值都是以此为原点的“相对像素序数”（绝对序数则是对转移同步信号SH的）来计量的。

然后，以采集的数据建立“数字化的波形曲线”——即获得“采集波形”。如图5所示。选定一个合适的幅值Y阈，形成一条贯穿各“采集波形”中部的水平截线，在各波形处获得判断“1”（截距为“宽”者）或“0”（截距为“窄”者）。因而在零点后以一系列完整截距形成的“1”和“0”组成的“编码排列”。在已采集的有效的“编码排列”中按规定选取20位进行“译码”形成位置坐标的“大数部分”，它应是节距t的整数倍。

对于位置坐标的小数部分是本发明的技术要点之一。它的主要依据是某个波形之中心位置与“零位”之距离小于一个节距t，计算此波形之中心位置，并辅以其后的若干个（一般不少于2个）波形，计算它们的波形中心位置（参加图6）。这是“误差双重平均化”的关键。首先要确认此“截距”的中心位置确实小于“t”，尤其是在小数部分接近于零和接近于“t”时，计算平均X₀，先计算X₀本身，Y_i＝aX_i ²+bX_i+c以采集的X_i诸值计算：Σ|y_i-Y|²→达最小值时，可以用偏微分法： 或其它数值解法得出：方法举例，下面以6个采样点为例，介绍一种简便的方法，先以1、3、5点数据列出一组方程： $\left\{\begin{array}{c}{y}_1-(a{x_1}^2+b{x}_1+c)=0\\ y_3-(a{x_3}^2+b{x}_3+c)=0\\ y_5-(a{x_5}^2+b{x}_5+c)=0\end{array}\right.,$ 解出一组未知数a、b、c（此处x₁，x₃，X₅，y₁，y₃，y₅皆为采集所得，属已知）。再以x₂，x₄，x₆，y₂，y₄，y₆为已知数解出第二组a、b、c。两组解可得两个X₀，即X₀₁₃₅、X₀₂₄₆。将它们取平均做为最终的X₀。再以其后的波形计算其图形拟合中心：X₊₁，X₊₂，…。同样是对每个波形的采样X_i值计算Y_i值，再以采样y_i值计算(y_i-Y_i)值，并取此波形所有(y_i-Y_i)的均方和最小。以3个图形平均为例，最后的综合图形中心值为：而减去零位坐标即为最后的小数部分。将其与“译码”后的“整数部分”迭加，便得到最后的位置坐标。

对于以上信号处理过程中，“整数部分”是经“译码”得出，故结果直接是长度单位（毫米、微米等）。而“小数部分”是利用数据采集的结果x_i→y_i所以的直接含义是“象素序数”。将其转换为长度单位时，只利用CCD制造商给出的象素尺寸可能满足不了精度要求，此时可以利用一个已知的精确尺寸来“标定”一下。

经过试验发现，本发明的数字式绝对位移检测系统（以240毫米标尺为例）与标准尺寸比对的误差曲线，如图7所示。其样机实际测量时的信号波形图如图10所示。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种数字式绝对位置、位移检测系统，其特征在于，包括：准点光源、编码标尺、移动导轨机构、图像探测器、图像采集单元、数据处理单元、译码单元、微处理器、显示单元；所述编码标尺设置在准点光源的上方，图像探测器的下方；编码标尺装于移动导轨机构上，图像探测器输出信号到图像采集单元及后续单元；所述准点光源发出的光透过所述编码标尺到达图像探测器，移动导轨机构可使编码标尺产生位移，而图像探测器将检测到的图像信息，发送到图像采集单元及后续单元进行处理，处理后分别得到位置坐标的整数部分和位置坐标的小数部分，再将这两部分组合起来，得到完整的位置坐标；

所述准点光源为贴片发光二极管，其发光区为0.3毫米×0.3毫米；

设定所述编码标尺的节距为0.2毫米；

所述小数部分的计算规则为：当某一波形的中心位置与零位的距离小于一个节距值0.2毫米时，计算所述波形的中心位置，并辅以所述波形之后的若干个波形，计算所有波形的中心位置。

2.根据权利要求1所述的数字式绝对位置、位移检测系统，其特征在于，该系统由坐标位置光电检测部分和信息处理显示部分组成，前者包括：准点光源、编码标尺、移动导轨、图像探测器；后者包括：图像采集单元、数据处理单元、译码单元、微处理器、显示单元。

3.根据权利要求1所述的数字式绝对位置、位移检测系统，其特征在于，所述图像探测器为CMOS摄像头或线阵CCD。

4.根据权利要求1所述的数字式绝对位置、位移检测系统，其特征在于，所述编码标尺的标尺上代表“1”的宽条码和代表“0”的窄条码之排列按下列码表进行排列：

。

5.根据权利要求1所述的数字式绝对位置、位移检测系统，其特征在于，所述编码标尺用精密印制电路铬版及光刻胶工艺在玻璃尺坯上制成；或采用集成电路铬版及光刻胶工艺在玻璃尺坯上制成以达到更高精度。

6.根据权利要求1所述的数字式绝对位置、位移检测系统，其特征在于，所述移动导轨机构为滚珠轴承导轨或滑动导轨，或其它位移机构。

7.一种权利要求1所述的数字式绝对位置、位移检测系统的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据用户需要选择相应的图像探测器和设计编码标尺；

S2、准点光源照明编码标尺，然后由图像探测器进行编码图形检测；

S3、图像探测器将检测到的图像信息，发送到图像采集单元及后续单元进行处理，处理后分别得到位置坐标的整数部分和位置坐标的小数部分，再将整数部分和小数部分组合起来，得到完整的位置坐标；

所述准点光源为贴片发光二极管，其发光区为0.3毫米×0.3毫米；

设定所述编码标尺的节距为0.2毫米；

所述小数部分的计算规则为：当某一波形的中心位置与零位的距离小于一个节距值0.2毫米时，计算所述波形的中心位置，并辅以所述波形之后的若干个波形，计算所有波形的中心位置。

8.根据权利要求7所述的数字式绝对位置、位移检测系统的实现方法，其特征在于，所述步骤S3具体包括：

S31、图像采集单元对图像信息进行前期放大处理，使其幅值及信噪比达到所需要求，并进行模数转换成数字信号；

S32、处理后的数字图象信号一路经译码单元进行“译码”得出位置坐标的整数部分，另一路则经数据处理单元进行“图形信号数字处理”得出位置坐标的小数部分；

S33、所述位置坐标的整数部分和小数部分都发送到微处理器中，进行组合，并通过显示单元显示出来。

9.根据权利要求7所述的数字式绝对位置、位移检测系统的实现方法，其特征在于，所述编码标尺的标尺上代表“1”的宽条码和代表“0”的窄条码之排列按下列码表进行排列：

。