CN109974627B - 一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统，属于光电位移精密测量技术领域，其中标定光栅安装在线阵图像式角位移测量装置的主轴上，并由主轴带动标定光栅转动；线阵图像传感器安装在处理电路模块上，处理电路模块固定在支架上，平行光源发出的平行光照射并透过标定光栅上的基准标线，并投影在线阵图像传感器上；线阵图像传感器采集标定光栅的基准标线图像，处理电路模块对基准标线图像进行处理后输出至示波器，示波器显示合成波形。调试人员根据该合成波形就能够简单、便捷的判定当前标定光栅是否存在偏心误差和判断标定光栅是否存在污渍，为调试人员提供了一种简单、便捷的标定光栅安装调试工具，提高了标定光栅的调试效率。

Description

一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统

技术领域

本发明涉及光电位移精密测量技术领域，特别是涉及一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统。

背景技术

传统光电角位移测量装置采用标定光栅与指示光栅的相对运动，进而产生莫尔条纹光电信号。通过对莫尔条纹光电信号相位值的计算，得到标定光栅当前的角位移。为提高角位移测量性能，采用图像传感器实现角位移测量装置是目前的研究热门。不同于莫尔条纹测量方式，图像式角位移测量装置以像素灰度信息代替莫尔条纹相位信息，更容易实现高分辨率和高精度的角位移测量。

在安装调试图像式角位移测量装置时，标定光栅的偏心将严重影响测量的精度。传统的做法是在标定光栅转动时，采用显微镜观测同一半径内基准标线的位置变化；通过调节，尽量使各基准标线的旋转半径相同。这种方法只能完成对标定光栅偏心的粗略调节，其调节精度一般。因此，迫切需要研制一种简单、直观、便捷的针对标定光栅偏心的判别系统。

发明内容

基于此，有必要针对现有技术中存在的问题，提供一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统，利用该系统能够简单、便捷的判定当前标定光栅是否存在偏心误差，同时，该系统也能够直观的观测到标定光栅是否存在污渍。本发明能够为调试人员提供极大的便捷。

为实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：

一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统，该系统包括线阵图像传感器、处理电路模块、支架和示波器；

标定光栅安装在线阵图像式角位移测量装置的主轴上，并由所述主轴带动所述标定光栅转动；

所述线阵图像传感器安装在所述处理电路模块上，所述处理电路模块固定在所述支架上，所述线阵图像式角位移测量装置中的平行光源发出的平行光照射并透过所述标定光栅上的基准标线，并投影在所述线阵图像传感器上；

所述线阵图像传感器采集所述标定光栅的基准标线图像，所述处理电路模块对所述基准标线图像进行处理后输出至所述示波器，所述示波器显示合成波形，所述合成波形用于判断所述标定光栅是否存在偏心误差；

所述处理电路模块包括图像采集模块、微处理器、D/A转换模块和测试点；

所述图像采集模块采集来自所述线阵图像传感器的基准标线图像数据，并将所述基准标线图像数据传输至所述微处理器；

所述微处理器在所述基准标线图像中设置两个基准点，分别为基准点B1和基准点B2，所述基准点B1与所述基准点B2之间的距离为c/2，其中c为所述基准标线图像中任意两条相邻的基准标线之间的距离；

所述微处理器计算所述基准点B1与距离所述基准点B1最近的基准标线的质心之间的距离A1，以及计算所述基准点B2与距离所述基准点B2最近的基准标线的质心之间的距离A2，并根据所述距离A1和所述距离A2输出两路调试信号至所述D/A转换模块；当所述标定光栅转动时，所述距离A1和所述距离A2的值为等周期的三角波；

所述D/A转换模块对两路调试信号分别进行数模转换后，将得到的两路模拟信号分别传输至所述测试点中的第一测试点和第二测试点；

所述示波器测量并合成所述第一测试点和所述第二测试点的输出波形，并显示所述合成波形。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统，该系统包括线阵图像传感器、处理电路模块、支架和示波器，线阵图像传感器用于采集标定光栅的基准标线图像，处理电路模块对基准标线图像进行处理后输出至示波器，示波器用于显示合成波形，调试人员根据该合成波形就能够简单、便捷的判定当前标定光栅是否存在偏心误差和判断标定光栅是否存在污渍。本发明为线阵图像式角位移测量装置提供了一种良好的安装调试工具，为调试人员提供了一种简单、便捷的标定光栅安装调试工具，极大地提高了标定光栅的调试效率和线阵图像式角位移测量装置的安装效率。

附图说明

图1为本发明公开的一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统的结构示意图；

图2为本发明中标定光栅示意图；

图3为本发明中处理电路模块的结构示意图；

图4为本发明中线阵图像传感器采集的基准标线图像的一种情况示意图；

图5为本发明中线阵图像传感器采集的基准标线图像的另一种情况示意图；

图6为本发明中合成波形示意图；

图7为本发明公开的一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统的另一个示意图；

图8为本发明中第一线阵图像传感器采集的第一基准标线图像的一种情况示意图；

图9为图8对应的第二线阵图像传感器采集的第二基准标线图像的示意图；

图10为本发明中第一线阵图像传感器采集的第一基准标线图像的另一种情况示意图；

图11为图10对应的第二线阵图像传感器采集的第二基准标线图像的示意图。

具体实施方式

下面将结合附图及较佳实施例对本发明的技术方案进行详细描述。

本发明公开一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统，该系统用于实现对图像式角位移测量装置的调试。在其中一个实施例中，如图1所示，。线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统包括线阵图像传感器1、处理电路模块2、支架3和示波器4，线阵图像式角位移测量装置包括主轴6和平行光源7等。

具体地，标定光栅5安装在主轴6上，并由主轴6带动标定光栅5转动，用于角位移测量。

线阵图像传感器1安装在处理电路模块2上，处理电路模块2固定在支架3上，并使线阵图像传感器1贴近于标定光栅5，优选地，线阵图像传感器1与标定光栅5之间的距离小于或者等于0.5mm，以保证线阵图像传感器1采集图像的效果。线阵图像传感器1与平行光源7分列于标定光栅5的两侧，平行光源7发出的平行光照射并透过标定光栅5上的基准标线，并投影在线阵图像传感器1上。

如图2所示为本实施例中标定光栅5的示意图，标定光栅5上包含有2ⁿ条基准标线。线阵图像传感器1采集标定光栅5的基准标线图像，在该基准标线图像中，任意两条相邻的基准标线之间的距离为c；处理电路模块2对基准标线图像进行处理后输出至示波器4，示波器4显示合成波形，调试人员根据该合成波形就能够简单、便捷的判定当前标定光栅是否存在偏心误差和判断标定光栅是否存在污渍。本实施例为线阵图像式角位移测量装置提供了一种良好的安装调试工具，为调试人员提供了一种简单、便捷的标定光栅安装调试工具，极大地提高了标定光栅的调试效率和线阵图像式角位移测量装置的安装效率。

参照图3，本实施例中的处理电路模块2包括图像采集模块2-1、微处理器2-2、D/A转换模块2-3和测试点2-4，图像采集模块2-1、微处理器2-2、D/A转换模块2-3和测试点2-4依次连接。

图像采集模块2-1负责采集来自线阵图像传感器1的基准标线图像数据，并将基准标线图像数据传输到微处理器2-2中；微处理器2-2对基准标线图像数据进行计算，得到调试信号，并将调试信号发送至D/A转换模块2-3；D/A转换模块2-3将调试信号进行数模转换后，将得到的模拟信号传输至测试点2-4。

示波器4测量并合成测试点2-4的输出波形，并显示合成波形。调试人员根据示波器4所显示的合成波形的形状判断标定光栅5是否存在偏心误差以及标定光栅5上是否存在污渍。

参照图4-6，其中图4为线阵图像传感器1采集的基准标线图像的一种情况示意图，图5为线阵图像传感器1采集的基准标线图像的另一种情况示意图，图4和图5的横坐标x代表像素点，纵坐标P_x代表第x个像素点的灰度值。微处理器2-2对基准标线图像数据进行计算的步骤至示波器4显示合成波形的步骤包括以下过程：

微处理器2-2在线阵图像传感器1采集的基准标线图像中设置两个基准点，分别为基准点B1(对应的横坐标为x1)和基准点B2(对应的横坐标为x2)，并且保证基准点B1与基准点B2之间沿x轴的距离为c/2，即|x1-x2|＝c/2，其中c为基准标线图像中任意两条相邻的基准标线之间沿x轴的距离。

基准标线具有质心(即灰度质心)，其质心x_jz的计算公式如下：

式中，N表示基准标线所在的位置，P_x表示第x个像素点的灰度值。

微处理器2-2计算基准点B1与距离基准点B1最近的基准标线的质心之间沿x轴的距离A1，以及计算基准点B2与距离基准点B2最近的基准标线的质心之间沿x轴的距离A2，当标定光栅5转动时，距离A1和距离A2的值为等周期的三角波，微处理器2-2根据计算得到的距离A1和距离A2输出两路调试信号至D/A转换模块2-3。进一步地，微处理器2-2对距离A1和距离A2进行归一化处理后，再输出两路归一化后的调试信号至D/A转换模块2-3，以提高D/A转换模块2-3的转换效率。

D/A转换模块2-3对两路调试信号分别进行数模转换后，将得到的两路模拟信号分别传输至测试点2-4中的第一测试点2-4-1和第二测试点2-4-2。

示波器4测量并合成第一测试点2-4-1和第二测试点2-4-2的输出波形，并显示合成波形，合成波形的形状如图6所示，图6中横坐标为距离A2，纵坐标为距离A1。示波器4在测量和合成时，示波器4的两个探头分别连接第一测试点2-4-1和第二测试点2-4-2，以示波器4的CH1通道输入距离A1，CH2通道输入距离A2，然后转动标定光栅5，随着标定光栅5的转动，距离A1和距离A2的值呈等周期的三角波，同时示波器4采用X-Y显示档位，就可以显示出合成波形。

当标定光栅5转动时，若标定光栅5不存在偏心误差，合成波形的形状应保持不变，如图4所示；若标定光栅5存在偏心误差，由于距离A1和距离A2产生的波形的相位差将发生变化，因此合成波形的形状将发生变化，此时调试人员根据合成波形的变化可判断标定光栅5存在偏心误差，应对标定光栅5的偏心进行调整。

当标定光栅5转动时，若标定光栅5上存在污渍，线阵图像传感器1采集的基准标线图像会发生畸变，导致距离A1与距离A2的计算数值发生变化，进而使合成波形发生畸变，亦即合成波形的形状也将发生变化。

在另一个实施例中，线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统包括两个线阵图像传感器1、处理电路模块2、支架3和示波器4，两个线阵图像传感器1均安装在处理电路模块2上，标定光栅5安装在主轴6上，并由主轴6带动标定光栅5转动，用于角位移测量，处理电路模块2固定在支架3上，并使两个线阵图像传感器1贴近于标定光栅5。当线阵图像传感器1设置为两个时，线阵图像式角位移测量装置中的平行光源7也设置为两个，并且两个平行光源7分别与两个线阵图像传感器1相对应，两个平行光源7发出的平行光照射并透过标定光栅5上的基准标线后，分别投影在对应的两个线阵图像传感器1上。

如图7所示，当线阵图像传感器1设置为两个时，两个线阵图像传感器1分别为第一线阵图像传感器1-1和第二线阵图像传感器1-2，并且第一线阵图像传感器1-1和第二线阵图像传感器1-2位于标定光栅5的对径位置，第一线阵图像传感器1-1和第二线阵图像传感器1-2的中心线夹角为180°。

第一线阵图像传感器1-1采集标定光栅5的第一基准标线图像，第二线阵图像传感器1-2采集标定光栅5的第二基准标线图像，并且第一基准标线图像和第二基准标线图像关于第一线阵图像传感器1-1与第二线阵图像传感器1-2中心点连线的中心点旋转对称，即以第一线阵图像传感器1-1与第二线阵图像传感器1-2中心点连线的中心点为圆心，将第一基准标线图像进行180°的旋转对称，即可得到第二基准标线图像。

图像采集模块2-1采集分别来自第一线阵图像传感器1-1与第二线阵图像传感器1-2的第一基准标线图像数据和第二基准标线图像数据，并将第一基准标线图像数据和第二基准标线图像数据传输至微处理器2-2。

参照图8-11，其中图8为第一线阵图像传感器1-1采集的第一基准标线图像的一种情况示意图，图9为图8所对应的第二线阵图像传感器1-2采集的第二基准标线图像的示意图，图10为第一线阵图像传感器1-1采集的第一基准标线图像的另一种示意图，图11为图10所对应的第二线阵图像传感器1-2采集的第二基准标线图像的示意图。由于第一线阵图像传感器1-1和第二线阵图像传感器1-2是完全相同的，二者位于标定光栅5的对径位置，因此第一线阵图像传感器1-1和第二线阵图像传感器1-2所采集的当前的基准标线图像也是完全相同的，故图8和图10可以是第一线阵图像传感器1-1采集的第一基准标线图像，也可以是第二线阵图像传感器1-2采集的第二基准标线图像。微处理器2-2在第一基准标线图像和第二基准标线图像中分别设置基准点B1(对应的横坐标为x1)和基准点B2(对应的横坐标为x2)，并且保证基准点B1与基准点B2之间沿x轴的距离为c/2，即|x1-x2|＝c/2，其中c为第一基准标线图像或者第二基准标线图像中任意两条相邻的基准标线之间沿x轴的距离。微处理器2-2设置基准点完毕后，计算距离A1和距离A2的过程以及D/A转换模块2-3对两路调试信号的转换、示波器4测量并合成合成波形的过程均与前述实施例中的计算过程相同，此处不再赘述。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (4)

1.一种线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统，其特征在于，包括线阵图像传感器(1)、处理电路模块(2)、支架(3)和示波器(4)；

标定光栅(5)安装在线阵图像式角位移测量装置的主轴(6)上，并由所述主轴(6)带动所述标定光栅(5)转动；

所述线阵图像传感器(1)安装在所述处理电路模块(2)上，所述处理电路模块(2)固定在所述支架(3)上，所述线阵图像式角位移测量装置中的平行光源(7)发出的平行光照射并透过所述标定光栅(5)上的基准标线，并投影在所述线阵图像传感器(1)上；

所述线阵图像传感器(1)采集所述标定光栅(5)的基准标线图像，所述处理电路模块(2)对所述基准标线图像进行处理后输出至所述示波器(4)，所述示波器(4)显示合成波形，所述合成波形用于判断所述标定光栅(5)是否存在偏心误差；

所述处理电路模块(2)包括图像采集模块(2-1)、微处理器(2-2)、D/A转换模块(2-3)和测试点(2-4)；

所述图像采集模块(2-1)采集来自所述线阵图像传感器(1)的基准标线图像数据，并将所述基准标线图像数据传输至所述微处理器(2-2)；

所述微处理器(2-2)在所述基准标线图像中设置两个基准点，分别为基准点B1和基准点B2，所述基准点B1与所述基准点B2之间的距离为c/2，其中c为所述基准标线图像中任意两条相邻的基准标线之间的距离；

所述微处理器(2-2)计算所述基准点B1与距离所述基准点B1最近的基准标线的质心之间的距离A1，以及计算所述基准点B2与距离所述基准点B2最近的基准标线的质心之间的距离A2，并根据所述距离A1和所述距离A2输出两路调试信号至所述D/A转换模块(2-3)；当所述标定光栅(5)转动时，所述距离A1和所述距离A2的值为等周期的三角波；

所述D/A转换模块(2-3)对两路调试信号分别进行数模转换后，将得到的两路模拟信号分别传输至所述测试点(2-4)中的第一测试点(2-4-1)和第二测试点(2-4-2)；

所述示波器(4)测量并合成所述第一测试点(2-4-1)和所述第二测试点(2-4-2)的输出波形，并显示所述合成波形。

2.根据权利要求1所述的线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统，其特征在于，

所述线阵图像传感器(1)设置为两个，分别为第一线阵图像传感器(1-1)和第二线阵图像传感器(1-2)，且所述第一线阵图像传感器(1-1)和所述第二线阵图像传感器(1-2)的中心线夹角为180°；

所述平行光源(7)设置为两个，且两个所述平行光源(7)分别与所述第一线阵图像传感器(1-1)和所述第二线阵图像传感器(1-2)相对应；

所述第一线阵图像传感器(1-1)采集所述标定光栅(5)的第一基准标线图像，所述第二线阵图像传感器(1-2)采集所述标定光栅(5)的第二基准标线图像，且所述第一基准标线图像和所述第二基准标线图像关于所述第一线阵图像传感器(1-1)与所述第二线阵图像传感器(1-2)中心点连线的中心点旋转对称；

所述微处理器(2-2)在所述第一基准标线图像和所述第二基准标线图像中分别设置基准点B1和基准点B2，所述基准点B1与所述基准点B2之间的距离为c/2，其中c为所述基准标线图像中任意两条相邻的基准标线之间的距离。

3.根据权利要求1或2所述的线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统，其特征在于，

所述微处理器(2-2)对所述距离A1和所述距离A2进行归一化处理后，输出两路归一化后的调试信号至所述D/A转换模块(2-3)。

4.根据权利要求1所述的线阵图像式角位移测量装置的标定光栅监测系统，其特征在于，

所述线阵图像传感器(1)与所述标定光栅(5)之间的距离小于或者等于0.5mm。

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