CN110006366B - 一种图像反射式的角位移测量装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电位移精密测量领域，特别涉及一种图像反射式的角位移测量装置及其方法；本发明包括作为导光媒介的标定光栅、旋转机构、信息采集测量机构、固定机构及传输机构；在本发明中，通过旋转机构带动作为导光媒介的标定光栅进行旋转，信息采集测量机构向标定光栅内发出光线，光线在标定光栅内进行全反射，信息采集测量机构将标定光栅内反射出的光线进行采集从而形成图像信息，同时计算出所述标定光栅当前的角度信息，通过传输机构将该角度信息传输出去；本发明以标定光栅为导光媒介，并配合信息采集测量机构的图像识别，能够极大地缩小角位移测量所需体积，并实现高分辨率、高精度的角位移测量。

Description

一种图像反射式的角位移测量装置及其方法

技术领域

本发明涉及光电位移精密测量领域，特别涉及一种图像反射式的角位移测量装置及其方法。

背景技术

传统角位移测量方法采用标定光栅与指示光栅相配合产生莫尔条纹信号，进而被光电转换元件转化为电信号，并进行位移计算。传统方法受A/D采用精度、光电信号噪声等因素的影响不易在小体积内实现更高的测量分辨率和测角精度。

近年来，随着数字图像处理技术的发展，采用图像识别的方式对标定光栅进行角位移识别已经成为一项研究热门，该方法采用数字图像处理技术代替传统莫尔条纹细分技术，更容易在小体积的应用范围内实现高分辨率和高精度的角位移测量。光电角位移测量技术是一种采用光电技术对轴角位移进行精密测量的方法，以其高分辨率、高精度、可靠性高且易于与数字化产品对接而被广泛应用于各行各业中。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种图像反射式的角位移测量装置，其通过旋转机构带动作为导光媒介的标定光栅进行旋转，信息采集测量机构向标定光栅内发出光线，光线在标定光栅内进行全反射，信息采集测量机构将标定光栅内反射出的光线进行采集从而形成图像信息，同时计算出所述标定光栅当前的角度信息，通过传输机构将该角度信息传输出去；还提供一种图像反射式的角位移测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种图像反射式的角位移测量装置，其中，包括作为导光媒介的标定光栅、用于带动所述标定光栅进行旋转的旋转机构、贴近对准所述标定光栅发出光线同时用于采集所述标定光栅内反射的图像信息且计算出所述标定光栅当前的角度信息的信息采集测量机构、用于固定所述信息采集测量机构的固定机构及用于将所述信息采集测量机构计算出的所述标定光栅当前的角度信息传输出去的传输机构。

作为本发明的一种改进，所述标定光栅内包括入射区、反射区和出射区，所述入射区和出射区均为一圈透光区域，所述反射区为镀有反射涂层的区域，所述入射区和出射区均设置在所述标定光栅的正面，所述标定光栅的背面均设置有所述反射区；在所述标定光栅的正面内，所述入射区设置在所述标定光栅的内圈，所述出射区设置在所述标定光栅的外圈，所述标定光栅的正面内除了所述入射区和出射区的均为所述反射区；所述出射区内设置有编码标线。

作为本发明的进一步改进，所述编码标线包括不透光宽编码标线和不透光细编码标线，所述的不透光宽编码标线和不透光细编码标线均位于同一半径的圆圈内。

作为本发明的更进一步改进，所述信息采集测量机构包括处理电路板及连接在所述处理电路板上的用于发出光线至所述标定光栅内的发光区和用于采集所述标定光栅内图像信息的线阵图像传感器，所述线阵图像传感器将采集到的图像信息进行计算获得所述标定光栅当前的角度信息。

作为本发明的更进一步改进，所述传输机构包括通过电缆与所述信息采集测量机构进行电性连接的连接器。

作为本发明的更进一步改进，所述不透光细编码标线的宽度为所述不透光宽编码标线的宽度的一半。

作为本发明的更进一步改进，所述固定机构包括用于支撑所述处理电路板的支架。

一种图像反射式的角位移测量方法，其中，包括如下步骤：

步骤S1、通过固定机构固定住信息采集测量机构，且使所述信息采集测量机构对准所述标定光栅；

步骤S2、旋转机构带动所述标定光栅旋转；

步骤S3、所述信息采集测量机构向所述标定光栅内发出光线且将所述标定光栅内反射出的光线进行采集从而形成图像信息，同时计算出所述标定光栅当前的角度信息；

步骤S4、传输机构将所述信息采集测量机构计算出的所述标定光栅当前的角度信息传输出去。

作为本发明的一种改进，步骤S3包括：

步骤S31、所述信息采集测量机构内的发光区向所述标定光栅内的入射区发出光线，在所述标定光栅内，光线从所述入射区内进入，在反射区内进行全反射，从而在出射区处照亮其上的编码标线；

步骤S32、所述信息采集测量机构内的线阵图像传感器采集所述出射区的编码标线的图像，进行译码和细分计算，得到所述标定光栅当前的角度信息。

作为本发明的更进一步改进，在步骤S32内，所述线阵图像传感器将采集到的图像进行二值化处理，得到包含编码值的数组，从而查到当前数组对应的译码值；所述线阵图像传感器再对采集到的图像进行细分运算，从而得到细分数值，通过译码值和细分数值计算得到角度位移值。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明通过旋转机构带动作为导光媒介的标定光栅进行旋转，信息采集测量机构向标定光栅内发出光线，光线在标定光栅内进行全反射，信息采集测量机构将标定光栅内反射出的光线进行采集从而形成图像信息，同时计算出所述标定光栅当前的角度信息，通过传输机构将该角度信息传输出去；本发明以标定光栅为导光媒介，并配合信息采集测量机构的图像识别，能够极大地缩小角位移测量所需体积，并实现高分辨率、高精度的角位移测量。

附图说明

图1为本发明的实施例一的结构连接及局部放大的示意图；

图2为本发明的实施例一的结构示意图；

图3为本发明的实施例一的标定光栅的正反面及出射区部分放大的示意图；

图4为本发明的实施例一的线阵图像传感器与发光区贴近标定光栅的结构示意图；

图5为本发明的实施例一的线阵图像传感器采集到的图像的区域化分的分布图；

图6为本发明的实施例二的结构示意图；

图7为本发明的实施例一的方法的步骤框图；

图8为本发明的实施例一的方法中步骤S3的内部框图。

附图标记：1-旋转轴，2-标定光栅，21-反射区，22-出射区，221-不透光宽编码标线，222-不透光细编码标线，23-入射区，3-支架，4-线阵图像传感器，5-发光区，6-处理电路板，7-电缆，8-连接器，9-遮光罩。

具体实施方式

如图1至图8所示，本发明提供的一种图像反射式的角位移测量装置，包括作为导光媒介的标定光栅2、用于带动标定光栅2进行旋转的旋转机构、贴近对准标定光栅2发出光线同时用于采集标定光栅2内反射的图像信息且计算出标定光栅2当前的角度信息的信息采集测量机构、用于固定信息采集测量机构的固定机构及用于将信息采集测量机构计算出的标定光栅2当前的角度信息传输出去的传输机构。

在本发明中，通过旋转机构带动作为导光媒介的标定光栅进行旋转，信息采集测量机构向标定光栅内发出光线，光线在标定光栅内进行全反射，信息采集测量机构将标定光栅内反射出的光线进行采集从而形成图像信息，同时计算出所述标定光栅当前的角度信息，通过传输机构将该角度信息传输出去；本发明以标定光栅为导光媒介，并配合信息采集测量机构的图像识别，能够极大地缩小角位移测量所需体积，并实现高分辨率、高精度的角位移测量。

在本发明中，信息采集测量机构包括处理电路板6及连接在处理电路板6上的用于发出光线至标定光栅2内的发光区5和用于采集标定光栅2内图像信息的线阵图像传感器4，线阵图像传感器4将采集到的图像信息进行计算获得标定光栅2当前的角度信息；标定光栅2内包括入射区23、反射区21和出射区22，入射区23和出射区22均为一圈透光区域，反射区21为镀有反射涂层的区域，入射区23和出射区22均设置在标定光栅2的正面，标定光栅2的背面均设置有反射区21；在标定光栅2的正面内，入射区23设置在标定光栅2的内圈，出射区22设置在标定光栅2的外圈，标定光栅2的正面内除了入射区23和出射区22的均为反射区21；出射区22内设置有编码标线。

在本发明中，传输机构包括通过电缆7与信息采集测量机构进行电性连接的连接器8。固定机构包括用于支撑处理电路板6的支架3。

在本发明中，采用发光区5发出的光线，透过标定光栅2上的入射区23，通过反射传导照亮出射区22的编码标线；采用图像传感器采集编码标线的图案信息，进而计算得到当前的角度位移数据。由于采用线阵图像传感器，大大的减少的数据处理数量，提高了频响。所使用的发光和接收元件都位于标定光栅的一侧，极大的减小了测量所需要的空间体积。因此，本发明具有较高的角位移测量性能和较小的体积。

如图1至图5所示，本发明提供一种图像反射式的角位移测量装置的实施例一，该实施例一包括：旋转轴1、标定光栅2、支架3、线阵图像传感器4、发光区5、处理电路反6、电缆7和连接器8。标定光栅2安装在旋转轴1上；线阵图像传感器4和发光区5安装在处理电路板6上，电缆7与处理电路板6相连接，连接器8与电缆7连接。标定光栅2包含有反射区21、出射区22和入射区23，出射区22位于标定光栅2正面的外圈，入射区23位于其内圈，标定光栅2的其他区域全部为反射区23，同时，标定光栅2的反面全部为反射区21；反射区21为镀有反射涂层的区域，能够反射光线；出射区22和入射区23分别为一圈透光区域，且只位于标定光栅2的正面；为保证测量精度，安装标定光栅2时，应尽量减小标定光栅2的偏心。编码标线包括不透光宽编码标线和不透光细编码标线，不透光宽编码标线和不透光细编码标线均位于同一半径的圆圈内；不透光细编码标线的宽度为所述不透光宽编码标线的宽度的一半。发光区5对准且贴近入射区23，线阵图像传感器4对准且贴近出射区22。线阵图像传感器4与标定光栅2的距离为0.1mm；发光区5内设定有若干个发光元件。线阵图像传感器4采集的图像信息包括细分区域和译码区域，细分区域包括第一编码标线和第二编码标线。

如图7和图8所示，本发明提供实施例一的一种图像反射式的角位移测量方法，包括如下步骤：

步骤S1、通过固定机构固定住信息采集测量机构，且使信息采集测量机构对准所述标定光栅；

步骤S2、旋转机构带动标定光栅2旋转；

步骤S3、信息采集测量机构向标定光栅2内发出光线且将标定光栅内反射出的光线进行采集从而形成图像信息，同时计算出标定光栅当前的角度信息。

步骤S4、传输机构将信息采集测量机构计算出的标定光栅2当前的角度信息传输出去。

其中，步骤S3包括：

步骤S31、信息采集测量机构内的发光区5向标定光栅2内的入射区23发出光线，在标定光栅2内，光线从入射区23内进入，在反射区21内进行全反射，从而在出射区22处照亮其上的编码标线；

步骤S32、信息采集测量机构内的线阵图像传感器4采集出射区22的编码标线的图像，进行译码和细分计算，得到标定光栅2当前的角度信息。

在该实施例一中，如图3所示，标定光栅2的出射区22包含有代表“1”编码的不透光宽编码标线221和代表“0”编码的不透光细编码标线222。圆周内共包含有2ⁿ条不透光宽编码标线221和不透光细编码标线222，所有编码标线位于同一半径的圆圈内，n代表标定光栅的位数。设编码标线所处半径为r，将圆周内分为2ⁿ个区域，每个区域的长度为2πr/2ⁿ；不透光宽编码标线221的宽度应该小于2πr/2ⁿ，不透光细编码标线222的宽度应为不透光宽编码标线221的宽度的一半；设n位的标定光栅2中，初始第0个编码到第n个编码的码值为初始码值{0,0,0,…,1}，那么第n+1个编码可以表示为X_n+1，即：

其中，式中，

表示异或运算，a₁～a_n分别运算系数，其值为“1”或者为“0”，且不全为“0”；依次计算每一位编码的码值，并且恰当的选取系数a₁～a_n的值，可以计算得到2ⁿ个编码值。当n＝7时，a₁～a₇＝{1,0,1,0,1,1,1}；当n＝8时，a₁～a₈＝{1,0,0,0,1,1,1,0,1}；当n＝9时，a₁～a₉＝{1,0,0,0,0,1,0,0,0,1}；当n＝10时，a₁～a₁₀＝{1,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1}。这些码值中，每组相邻的n个码值组成一组编码的数组，共有n组不同的编码的数组，对应不同的译码值。译码值为预设，译码值取0～2ⁿ。

如图4所示，在该实施一，图像传感器4对准且贴近于出射区22，发光区5对准且贴近入射区23；图像传感器4与标定光栅2之间的距离为0.1mm.发光区5包含有若干个发光元件，发光区5发出的光线进入所述入射区23，在标定光栅2的正面和反面的反射区21之间不断的反射，并传导到所述出射区22，照亮不透光宽编码标线221和不透光细编码标线222。

如图5所示，在该实施例一中，线阵图像传感器4采集到的图像中，包含细分区域41和译码区域42；细分区域41是位于图像中心处的相邻的两个编码标线之间，用于细分运算；译码区域42包含有n个编码标线的图像，用于译码运算；线阵图像传感器4采集被照亮的编码标线的图案，并将图像数据传输到处理电路板6进行译码计算；线阵图像传感器4的译码区域42中应该包含有至少n个不透光宽编码标线221或细编码标线222的图案。

在步骤S32内，线阵图像传感器4将采集到的图像进行二值化处理，得到包含编码值的数组，从而查到当前数组对应的译码值；线阵图像传感器4再对采集到的图像进行细分运算，从而得到细分数值，通过译码值和细分数值计算得到角度位移值；具体地，设定阈值Y，线阵图像传感器4的像素数量为1×N，每个像素的灰度值为P_ii＝1,2,…,N，处理电路板6将对采集的图像上的编码标线的宽、细进行判断识别；首先，将采集到的图案二值化处理，如式2所示：

然后，设定判定宽度值Z；处理电路板6识别连续的A_i＝1的个数得到某一个编码标线的宽度；当该宽度大于Z时，当前的编码值为“1”；当该宽度小于Z时，判定当前的编码值为“0”。根据标定光栅2的位数，每帧图像中共需判断n个编码值，这样就得到了一组包含n个编码值的数组。根据前面的译码值叙述，处理电路板6通过查表运算，求得当前编码数组对应的译码值C。处理电路板6对细分区域41进行m倍的细分运算，细分区域41包含有第一编码标线和第二编码标线，分别分布于细分区域41的左右两侧，采用质心算法对编码标线的质心进行计算，如式3和式4所示：

式中，i表示像素P_i的位置，Y为阈值，x₁和x₂分别是所述第一、第二编码标线的质心位置。

然后，再采用式5进行细分运算：

式中，m为细分倍数，x₀为图像中心点位置；优选的x₀＝N/2。

在该实施例一中，处理电路板6将译码值与细分数值组合成角位移测量数据，并通过电缆7传输出去；其中，译码值为C,细分数值为D，那么角度位移计算结果为C﹒2ⁿ+D。

如图6所示，一种图像反射式的角位移测量装置的实施例二，该实施例二包括：旋转轴1、标定光栅2、支架3、线阵图像传感器4、发光区5、处理电路板6、电缆7、连接器8和遮光罩9；标定光栅2安装在旋转轴1上；线阵图像传感器4和发光区5安装在处理电路板6上；电缆7与处理电路板6相连接；连接器8与电缆7连接；遮光罩9用于防止杂光进入。

以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种图像反射式的角位移测量装置，其特征在于，包括作为导光媒介的标定光栅、用于带动所述标定光栅进行旋转的旋转机构、贴近对准所述标定光栅发出光线同时用于采集所述标定光栅内反射的图像信息且计算出所述标定光栅当前的角度信息的信息采集测量机构、用于固定所述信息采集测量机构的固定机构及用于将所述信息采集测量机构计算出的所述标定光栅当前的角度信息传输出去的传输机构；

所述标定光栅内包括入射区、反射区和出射区，所述入射区和出射区均为一圈透光区域，所述反射区为镀有反射涂层的区域，所述入射区和出射区均设置在所述标定光栅的正面，所述标定光栅的背面均设置有所述反射区；在所述标定光栅的正面内，所述入射区设置在所述标定光栅的内圈，所述出射区设置在所述标定光栅的外圈，所述标定光栅的正面内除了所述入射区和出射区的均为所述反射区；所述出射区内设置有编码标线。

2.根据权利要求1所述的一种图像反射式的角位移测量装置，其特征在于，所述编码标线包括不透光宽编码标线和不透光细编码标线，所述的不透光宽编码标线和不透光细编码标线均位于同一半径的圆圈内。

3.根据权利要求1所述的一种图像反射式的角位移测量装置，其特征在于，所述信息采集测量机构包括处理电路板及连接在所述处理电路板上的用于发出光线至所述标定光栅内的发光区和用于采集所述标定光栅内图像信息的线阵图像传感器，所述线阵图像传感器将采集到的图像信息进行计算获得所述标定光栅当前的角度信息。

4.根据权利要求1所述的一种图像反射式的角位移测量装置，其特征在于，所述传输机构包括通过电缆与所述信息采集测量机构进行电性连接的连接器。

5.根据权利要求2所述的一种图像反射式的角位移测量装置，其特征在于，所述不透光细编码标线的宽度为所述不透光宽编码标线的宽度的一半。

6.根据权利要求3所述的一种图像反射式的角位移测量装置，其特征在于，所述固定机构包括用于支撑所述处理电路板的支架。

7.一种图像反射式的角位移测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1、通过固定机构固定住信息采集测量机构，且使所述信息采集测量机构对准标定光栅；

步骤S2、旋转机构带动所述标定光栅旋转；

步骤S3、所述信息采集测量机构向所述标定光栅内发出光线且将所述标定光栅内反射出的光线进行采集从而形成图像信息，同时计算出所述标定光栅当前的角度信息；

步骤S4、传输机构将所述信息采集测量机构计算出的所述标定光栅当前的角度信息传输出去；

步骤S3包括：

步骤S31、所述信息采集测量机构内的发光区向所述标定光栅内的入射区发出光线，在所述标定光栅内，光线从所述入射区内进入，在反射区内进行全反射，从而在出射区处照亮其上的编码标线；

步骤S32、所述信息采集测量机构内的线阵图像传感器采集所述出射区的编码标线的图像，进行译码和细分计算，得到所述标定光栅当前的角度信息。

8.根据权利要求7所述的一种图像反射式的角位移测量方法，其特征在于，在步骤S32内，所述线阵图像传感器将采集到的图像进行二值化处理，得到包含编码值的数组，从而查到当前数组对应的译码值；所述线阵图像传感器再对采集到的图像进行细分运算，从而得到细分数值，通过译码值和细分数值计算得到角度位移值。

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