CN109238176B - 一种角度位移测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种角度位移测量装置及其测量方法，该装置包括：点光源，用于提供球面光线；标定光栅，位于所述点光源上方，用于接收所述球面光线的照射，形成放大的光学投影；图像传感器，位于所述标定光栅上方，用于接收来自所述标定光栅的光学投影，获取所述光学投影的图案数据；数据处理电路，与所述图像传感器连接，用于识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅的角度位移值。本申请采用图像处理算法实现对标定光栅图案的识别，能够大大地提高角位移的测量分辨率，能够较传统角位移测量技术更容易实现高分辨率角位移测量，尤其是在小尺寸的装置中更易实现。

Description

一种角度位移测量装置及其测量方法

技术领域

本发明涉及光电位移精密测量领域，特别是涉及一种角度位移测量装置及其测量方法。

背景技术

光电编码器，是一种集光、机、电为一体的精密数字测角装置。它以高精度计量圆光栅为检测元件，通过光电转换，将角位置信息转换成数字代码，具有精度高、测量范围广、体积小、重量轻、使用可靠、易于维护等优点，被广泛应用于雷达、机器人、光电经纬仪、数控机床等诸多领域。

目前，传统的光电编码器采用光敏元件将角度位移转换成莫尔条纹信号，并通过数模转换芯片将莫尔条纹信号转换为数字量进行处理。编码器的码盘尺寸大小是限制光电编码器测角分辨力的主要因素。为了提高测角分辨力，传统的光电编码器是通过加大码盘尺寸、增加编码器体积来实现的。为提高小尺寸码盘的测角分辨力，传统编码方式会在码盘单圈内刻划更多的刻线。过多的刻线会产生两方面的影响：一方面过于细小的码盘刻线会使光通量不足，造成编码器不能正常译码；另一方面码盘刻线过于密集会使相邻码道之间互相干扰，产生串码，并且不利于高分辨力角度细分。传统的光电编码器所使用的角位移测量技术，依然达到极限，更高分辨率的角位移测量技术有待研究。

因此，如何在小尺寸的装置中实现更高分辨率的角度位移测量，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种角度位移测量装置及其测量方法，可以大大地提高角位移的测量分辨率，且在小尺寸内更易实现。其具体方案如下：

一种角度位移测量装置，包括：

点光源，用于提供球面光线；

标定光栅，位于所述点光源上方，用于接收所述球面光线的照射，形成放大的光学投影；

图像传感器，位于所述标定光栅上方，用于接收来自所述标定光栅的光学投影，获取所述光学投影的图案数据；

数据处理电路，与所述图像传感器连接，用于识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅的角度位移值。

优选地，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，所述图像传感器的放置方向与所述标定光栅的某一直径相互垂直。

优选地，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，所述标定光栅上包括有2ⁿ条等间隔的单圈透光刻线，刻线以外为不透光区域，形成n位标定光栅码盘，n为正整数；

所述图像传感器具体用于接收至少n+2条刻线的光学投影。

优选地，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，每条所述刻线与所述标定光栅的圆心之间的距离均相同。

优选地，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，还包括：

遮光罩，用于防止杂光进入，干扰光线的投影。

优选地，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，还包括：

旋转轴，位于所述标定光栅下方且与所述标定光栅连接，用于带动所述标定光栅转动。

优选地，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，还包括：

传输电缆，与所述数据处理电路连接，用于输出所述标定光栅的角度位移值。

优选地，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，还包括：

支架，用于固定所述数据处理电路。

优选地，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，还包括：

法兰托盘，位于所述旋转轴的周边，用于托起所述遮光罩、所述点光源和所述支架。

本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述角度位移测量装置的测量方法，包括：

点光源照射在标定光栅上；

所述标定光栅上的图案形成放大的光学投影并投影至图像传感器上；

通过所述图像传感器获取所述光学投影的图案数据；

通过数据处理电路识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅的角度位移量。

本发明所提供的一种角度位移测量装置及其测量方法，该装置包括：点光源，用于提供球面光线；标定光栅，位于所述点光源上方，用于接收所述球面光线的照射，形成放大的光学投影；图像传感器，位于所述标定光栅上方，用于接收来自所述标定光栅的光学投影，获取所述光学投影的图案数据；数据处理电路，与所述图像传感器连接，用于识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅的角度位移值。本发明采用图像处理算法实现对标定光栅图案的识别，能够大大地提高角位移的测量分辨率，能够较传统角位移测量技术更容易实现高分辨率角位移测量，尤其是在小尺寸的装置中更易实现。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的角度位移测量装置的剖面结构示意图；

图2为本发明实施例提供的点光源、标定光栅和图像传感器的结构侧视图；

图3为本发明实施例提供的标定光栅和图像传感器的结构俯视图；

图4为本发明实施例提供的标定光栅码盘的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的角度位移测量装置的测量方法流程图；

图6为本发明实施例提供的数据处理电路对识别出的图案数据进行细分的流程图之一；

图7为本发明实施例提供的数据处理电路对识别出的图案数据进行细分的流程图之二。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提供一种角度位移测量装置，如图1所示，包括：

点光源1，用于提供球面光线；

标定光栅2，位于所述点光源1上方，用于接收所述球面光线的照射，形成放大的光学投影；

图像传感器3，位于所述标定光栅2上方，用于接收来自所述标定光栅2的光学投影，获取所述光学投影的图案数据；

数据处理电路4，与所述图像传感器3连接，用于识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅2的角度位移值。

在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，包括：点光源，用于提供球面光线；标定光栅(类似于光电编码器中的码盘)，位于所述点光源上方，用于接收所述球面光线的照射，形成放大的光学投影；图像传感器，位于所述标定光栅上方，用于接收来自所述标定光栅的光学投影，获取所述光学投影的图案数据(如亮暗信息)；数据处理电路，与所述图像传感器连接，用于识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅的角度位移值。这样点光源照射标定光栅，发出的光线穿过标定光栅并将光栅上的图案投影至图像传感器上，数据处理电路通过识别光栅的图像数据完成细分和译码，进而实现角位移测量的计算，并且采用图像处理算法能够大大地提高角位移的测量分辨率，相较于传统角位移测量技术更容易实现高分辨率角位移测量，尤其是在小尺寸的装置中更易实现。

需要说明的是，为了提高角度位移测量响应，图像传感器可以采用线阵图像传感器。另外，为了使光学投影具有放大效应，效果更佳，光源采用了点光源。如图2所示，点光源1和图像传感器3分别安装在标定光栅2的两侧，可以形成对射投影。设点光源1与标定光栅2的距离是z₂，标定光栅2与图像传感器3的距离是z₁，那么经过放大投影的放大倍数是M＝(z₁+z₂)/z₂。令z₁＝5mm，z₂＝5mm，那么放大投影倍数为M＝2。较佳地，受衍射影响，点光源波长应越小越好。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，如图1所示，还可以包括：旋转轴5，位于所述标定光栅2下方且与所述标定光栅2连接，用于带动所述标定光栅2转动，即在测量装置工作时旋转轴转动以带动标定光栅转动；传输电缆6，与所述数据处理电路4连接，用于输出所述标定光栅2的角度位移值；支架7，用于固定所述数据处理电路4；法兰托盘8，位于所述旋转轴5的周边，用于托起所有元器件，包括所述点光源1和所述支架7，还有遮光罩9；遮光罩9，用于防止杂光进入，干扰光线的投影。

进一步地，在具体实施时，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，如图3所示，标定光栅2的上表面可以为圆形，图像传感器3的上表面可以为长方形。较佳地，所述图像传感器3的放置方向与所述标定光栅2的某一直径相互垂直；也可以认为，所述图像传感器3的放置方向与所述标定光栅2的某一切线相互平行，这样便于图像传感器很好地接收到来自所述标定光栅的光学投影。

在具体实施时，在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置中，所述标定光栅2上具体可以包括有2ⁿ条等间隔的单圈透光刻线，刻线以外为不透光区域，形成n位标定光栅码盘，n为正整数；所述图像传感器具体可以用于接收至少n+2条刻线的光学投影。另外，每条所述刻线与所述标定光栅的圆心之间的距离均可以设置为相同。

具体地，设线阵图像传感器的长度为L1，标定光栅上每条刻线与标定光栅的圆心之间的距离为R，那么n+2条刻线的长度近似为

应该使L1≥L2。

所述标定光栅2上包含有2ⁿ条等间隔的单圈透光刻线，每一条刻线所代表的码元可以是“粗线”(代表数值“1”)或“细线”(代表数值“0”)。2ⁿ条刻线中的第i条刻线所表示的码元将按照式(2)所示公式进行计算：

其中，

表示异或运算，X_i-n，X_i-n+1，…，X_i-1分别是所述码元X_i的之前的前1，2，…，n位码元。令初始的n个码元为{X₁，X₂，…，X_n-1，X_n}＝{0，0，…，1}；同时令X₀＝0，那么经过式(2)的计算共可以得到{X₀，X₁，X₂，…，X₂ ⁿ _-1}2ⁿ个码元。每个码元X_i与其后的n-1个相邻码元组成一组编码，即{X_i，X_i+1，…，X_i+n-1}。此时的对应的数值i就是{X_i，X_i+1，…，X_i+n-1}编码值对应的译码值；每一组编码值与只对应1个译码值i。标定光栅码盘将按照顺序在同一半径位置，一次刻划所有的码元的刻线。

优选的，当n＝8时，可以取{a₁，a₂，…，a₈}＝{0,1,1,1,0,0,0,1}；优选的，当n＝9时，可以取{a₁，a₂，…，a₉}＝{0,0,0,1,0,0,0,0,1}；优选的，当n＝10时，可以取{a₁，a₂，…，a₁₀}＝{0,0,1,0,0,0,0,0,0,1}。

下面以图4为例对标定光栅上的刻线进行说明。图4中的标定光栅码盘圆周内包含2⁸条透光的刻线A，刻线A以外为不透光区域B。其中，刻线A中包含有“粗线”和“细线”，即图4中当前编码值为00100100。经过投影后，线阵图像传感器上应该获取10条基准刻线的图案。表1(a)和表1(b)中提供了8位标定光栅的编码器和译码值。

表1(a)

表1(b)

所述线阵图像传感器接收到标定光栅的图案后，将其送往数据处理电路完成“细分”和“译码”功能。所述数据处理电路可以包括：电源芯片，微处理器和传输芯片；其中，所述电源芯片用于提供工作所需电源；所述微处理器用于负责接收像素数据、细分计算、译码计算；所述传输芯片用于将所述微处理器计算得到的高分辨率角度位移值传输到传输电缆中。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种本发明实施例提供的上述角度位移测量装置的测量方法，由于该方法解决问题的原理与前述一种角度位移测量装置相似，因此该方法的实施可以参见角度位移测量装置的实施，同理角度位移测量装置的实施可以参见该方法的实施，参见重复之处不再赘述。

在具体实施时，本发明实施例提供的角度位移测量装置的测量方法，如图5所示，具体包括以下步骤：

S501、点光源照射在标定光栅上；

S502、所述标定光栅上的图案形成放大的光学投影并投影至图像传感器上；

S503、通过所述图像传感器获取所述光学投影的图案数据；

S504、通过数据处理电路识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅的角度位移量。

在本发明实施例提供的上述角度位移测量装置的测量方法中，可以采用图像处理算法实现对标定光栅图案的识别，能够大大地提高角位移的测量分辨率，能够较传统角位移测量技术更容易实现高分辨率角位移测量，尤其是在小尺寸的装置中更易实现。

以下针对步骤S504中细分的步骤进行具体说明：

设线阵图像传感器的分辨率为1×N，第x个像素点的灰度值为Px。

步骤一、寻找N/2附近的第一个刻线图案，设阈值为α(预设值)，其流程图如图6所示，图6中的流程图将第N/2个像素附近的第一个刻线保存在G[x]数组中；

G[x]的质心将按照式(3)进行计算。

步骤二、判断g的值与N/2值的大小关系。若g≥N/2，如图7所示，将继续向x＝x-1方向寻找下一个刻线图案，并计算它的质心；若g<N/2，将继续向x＝x+1方向寻找下一个刻线图案，将下一个刻线的灰度值保存在数组H[x]中，并计算它的质心。

H[x]的质心将按照式(4)进行计算。

设细分值为A，那么细分计算将按照式(5)进行计算。

式(5)中，2^m的数值为预设的细分倍数。2^m取值越大，细分分辨率越高。

以下针对步骤S504中译码的步骤进行具体说明：

步骤一、在G[x]左侧(x＝x-1方向)和右侧(x＝x+1方向)，分别继续寻找N/2个刻线，并分别存储到J1[x]，J2[x]，J3[x]，…，Jn[x]数组中；

步骤二、判断J1[x]数组中刻线所代表的译码值；

设J1[x]数组内存储的像素值的个数为k，预设阈值β。判断当k≥β时，J1[x]数组内的刻线代表“1”；当k<β时，G[x]数组内的刻线代表“0”。

同理，分别将n个数组J1[x]，J2[x]，J3[x]，…，Jn[x]所代表的数值计算出来，组成n位的编码值{X_i，X_i+1，…，X_i+n-1}。然后查表获取相应的译码值，表示为B。

到此，细分和译码完成，角度位移测量的最终结果为A+B·2^m。

综上，本发明实施例提供的一种角度位移测量装置及其测量方法，该装置包括：点光源，用于提供球面光线；标定光栅，位于所述点光源上方，用于接收所述球面光线的照射，形成放大的光学投影；图像传感器，位于所述标定光栅上方，用于接收来自所述标定光栅的光学投影，获取所述光学投影的图案数据；数据处理电路，与所述图像传感器连接，用于识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅的角度位移值。本发明采用图像处理算法实现对标定光栅图案的识别，能够大大地提高角位移的测量分辨率，能够较传统角位移测量技术更容易实现高分辨率角位移测量，尤其是在小尺寸的装置中更易实现。

最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的角度位移测量装置及其测量方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (7)

1.一种角度位移测量装置，其特征在于，包括：

点光源，用于提供球面光线；

标定光栅，位于所述点光源上方，用于接收所述球面光线的照射，形成放大的光学投影；所述标定光栅上包括有2ⁿ条等间隔的单圈透光刻线，刻线以外为不透光区域，形成n位标定光栅码盘，n为正整数；2ⁿ条刻线中的第i条刻线所表示的码元将按照下述公式进行计算：

其中，i＝1,2，…，2ⁿ-1，

表示异或运算，X_i-n，X_i-n+1，…，X_i-1分别是码元X_i之前的前1，2，…，n位码元；令初始的n个码元为{X₁，X₂，…，X_n-1，X_n}＝{0，0，…，1}；同时令X₀＝0，经过上述公式的计算共得到

个码元；每个码元X_i与其后的n-1个相邻码元组成一组编码，即{X_i，X_i+1，…，X_i+n-1}；此时对应的数值i是{X_i，X_i+1，…，X_i+n-1}编码值对应的译码值；每一组编码值只对应1个译码值i；所述标定光栅码盘将按照顺序在同一半径位置，一次刻划所有的码元的刻线；

图像传感器，位于所述标定光栅上方，用于接收来自所述标定光栅上至少n+2条刻线的光学投影，获取所述光学投影的图案数据；

数据处理电路，与所述图像传感器连接，用于识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅的角度位移值；

旋转轴，位于所述标定光栅下方且与所述标定光栅连接，用于带动所述标定光栅转动；

遮光罩，用于防止杂光进入，干扰光线的投影。

2.根据权利要求1所述的角度位移测量装置，其特征在于，所述图像传感器的放置方向与所述标定光栅的某一直径相互垂直。

3.根据权利要求2所述的角度位移测量装置，其特征在于，每条所述刻线与所述标定光栅的圆心之间的距离均相同。

4.根据权利要求1所述的角度位移测量装置，其特征在于，还包括：

传输电缆，与所述数据处理电路连接，用于输出所述标定光栅的角度位移值。

5.根据权利要求4所述的角度位移测量装置，其特征在于，还包括：

支架，用于固定所述数据处理电路。

6.根据权利要求5所述的角度位移测量装置，其特征在于，还包括：

法兰托盘，位于所述旋转轴的周边，用于托起所述遮光罩、所述点光源和所述支架。

7.一种如权利要求1至6任一项所述角度位移测量装置的测量方法，其特征在于，包括：

点光源照射在标定光栅上；

所述标定光栅上的图案形成放大的光学投影并投影至图像传感器上；

通过所述图像传感器获取所述光学投影的图案数据；

通过数据处理电路识别所述图案数据并进行细分和译码，计算出所述标定光栅的角度位移量；其中，细分的步骤包括：

设线阵图像传感器的分辨率为1×N，第x个像素点的灰度值为Px；寻找N/2附近的第一个刻线图案，设阈值为α，将第N/2个像素附近的第一个刻线保存在G[x]数组中；

G[x]的质心g将按照下述公式进行计算：

判断g的值与N/2值的大小关系；若g≥N/2，将继续向x＝x-1方向寻找下一个刻线图案，并计算它的质心；若g<N/2，将继续向x＝x+1方向寻找下一个刻线图案，将下一个刻线的灰度值保存在数组H[x]中，并计算H[x]的质心；

H[x]的质心h将按照下述公式进行计算：

设细分值为A，细分计算将按照下述公式进行计算：

其中，2^m的数值为预设的细分倍数；

译码的步骤包括：

在G[x]左侧和右侧，分别继续寻找N/2个刻线，并分别存储到J1[x]，J2[x]，J3[x]，…，Jn[x]数组中；

判断J1[x]数组中刻线所代表的译码值；

设J1[x]数组内存储的像素值的个数为k，预设阈值β；判断当k≥β时，J1[x]数组内的刻线代表1；当k<β时，G[x]数组内的刻线代表0；

同理，分别将n个数组J1[x]，J2[x]，J3[x]，…，Jn[x]所代表的数值计算出来，组成n位的编码值{X_i，X_i+1，…，X_i+n-1}；查表获取相应的译码值，表示为B；

到此，细分和译码完成，角度位移测量的最终结果为A+B·2^m。

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