CN112484668B - 高精度角位移测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高精度角位移测量装置，包括：主轴、法兰盘、发光电路、标定光栅、接收电路、处理电路；标定光栅安装在主轴上，随主轴同步转动；法兰盘用于安装固定发光电路、接收电路；接收电路包括三个互相成120°夹角的图像传感器；发光电路包括三个分别位于图像传感器的对射位置的平行光源；工作时，主轴带动标定光栅转动，三个图像传感器同时采集标定光栅三个位置处的图案信息，通过信号线束将图像信息发送给处理电路；处理电路上的信号采集模块将接收到的图案信息发送给微处理器模块，微处理器模块进行角位移识别和运算，将当前主轴的转角信息发送给数据出处模块，实现对主轴转角的测量。

Description

高精度角位移测量装置
技术领域
本发明涉及光电位移精密测量领域，特别涉及一种采用三个图像传感器实现高精度角位移测量的装置。
背景技术
基于图像识别算法实现角位移测量(图像式角位移测量)是一种新型的角位移测量技术。由于采用图像识别算法，使其具有较高的灵活性、鲁棒性、容错性。图像式角位移测量技术不受传统莫尔条纹测量技术的幅度不等、相位偏移、周期校正等因素的影响，因此能够较传统莫尔条纹技术更易于实现高分辨力和高精度测量。同时，由于采用“全数字信号”的处理方法，在信号获取的过程中能够加入数字化运算，进而实现对测量性能的提升。为此，图像式角位移测量技术，是未来新型角位移测量技术的一个重要研究内容。
根据前期研究，角位移测量的误差中包含有多次级数谐波的误差。在现有技术中，角位移测量技术大都双读数头对径读数法来实现测量精度的提高。在图像式角位移测量中，当采用双图像传感器设计双读数头角位移测量时，只能消除来自标定光栅安装偏心带来的误差(一次谐波误差分量)和2整数倍以外级数的谐波误差(奇次谐波误差分量)，对于偶次级数的谐波误差分量难以消除。为此，本发明提供了一种采用三个图像传感器实现高精度角位移测量的装置。该装置采用三个图像传感器设计了三个角位移测量读数头，通过三图像传感器的测量算法，能够实现对3整数倍级数以外的谐波误差分量进行消除。从而使误差补偿后所包含的谐波误差分量的级数更少，实现了对角位移测量精度的提升。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种高精度角位移测量装置，能够极大减小图像式角位移测量中的误差，实现高精度角位移测量。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
一种高精度角位移测量装置，其特征在于，包括：平行设置的发光电路、标定光栅和接收电路；
发光电路上周向均匀分布有n个平行光源，接收电路上设置与平行光源一一对应并形成对射的n个所述图像传感器，n为大于或等于3的奇数；
标定光栅位于发光电路和接收电路之间，与待测物连接并随待测物绕其圆心转动；
角位移测量值为：
其中，2m为细分倍数；
θc为n个图像传感器所得n个编码图案获取的译码值的平均值；
θs’为n个图像传感器所得n个编码图像信息融合后的细分值。
优选地，还包括主轴、法兰盘和处理电路；
主轴为待测物，或者与待测物连接；
接收电路固定于法兰盘顶端，发光电路固定在法兰盘内，发光电路的中心和法兰盘的底面中心设置有大于主轴直径的通孔；
主轴垂直插入发光电路和法兰盘通孔中；
处理电路通过信号线束与接收电路连接。
优选地，发光电路包括：第一平行光源、第二平行光源、第三平行光源，三个平行光源在圆周内互相夹角为120度。
优选地，三个图像传感器融合后的译码值为：θc＝(θc1+θc2+θc3)/3；
其中：微处理器模块采集到第一图像传感器、第二图像传感器和第三图像传感器的图像信息分别为第一图像信息、第二图像信息、第三图像信息；根据第一图像信息中的编码图案获取的译码值为θc1，根据第二图像信息中的编码图案获取的译码值为θc2，根据第三图像信息中的编码图案获取的译码值为θc3；
融合后的细分运算式为：
Figure GDA0003306533670000021
其中，图像信息一获取的用于细分运算的变量分别为BC1和AB1；根据图像信息二获取的用于细分运算的变量分别为BC2和AB2；根据图像信息三获取的用于细分运算的变量分别为BC3和AB3。
优选地，标定光栅编码元采用M序列伪随机码的编码方式，编码图案包括代表编码“1”的“宽”编码标线和代表“0”的“窄”编码标线。
优选地，处理电路还包括：信号采集模块、数据输出模块；信号采集模块采集由信号线束发送来的图像信息，并将其传输给微处理器模块；微处理器模块将计算得到的角位移数值θ发送到所述数据输出模块，并通过数据输出模块发送出去。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种高精度角位移测量装置图；
图2为本发明实施例提供的发光电路原理图；
图3为本发明实施例提供的接收电路原理图；
图4为本发明实施例提供的处理电路原理图；
图5为本发明实施例提供的图像传感器采集的图案示意图；
图6为本发明实施例提供的细分算法原理图。
其中的附图标记包括：
主轴1、法兰盘2、发光电路3、标定光栅4、接收电路5、处理电路6；
发光电路3，包括：
第一平行光源31、第二平行光源32、第三平行光源33；
接收电路5，包括：
第一图像传感器51、第二图像传感器52、第三图像传感器53、信号线束54；
处理电路6，包括：信号采集模块61、微处理器模块62、数据输出模块63。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
本发明中，采用多个图像传感器设计了多个角位移测量读数头，通过多个图像传感器的测量算法，能够实现对3整数倍级数以外的谐波误差分量进行消除，从而使误差补偿后所包含的谐波误差分量的级数更少，实现了对角位移测量精度的提升。
下面将以三图像传感器实现高精度角位移测量为例，对本发明进行详细说明。
图1示出了采用三图像传感器实现高精度角位移测量装置的结构，包括主轴1、法兰盘2、发光电路3、标定光栅4、接收电路5和处理电路6；
其中，标定光栅4与主轴1的顶端连接，发光电路3固定在U型法兰盘2中间，且U型法兰盘2与发光电路3的中心位置都设有与主轴1直径像适配的通孔，使得主轴1可以垂直插入发光电路3和U型法兰盘2；U型法兰盘2顶端与接收电路5固定连接，接收电路5与标定光栅4、发光电路3以及U型法兰盘2底面两两平行；使得在主轴1自转时，只有标定光栅4随主轴同步转动。接收电路5与处理电路6相连，用来接收电路5采集到的图像信息。
图2示出了本发明装置中发光电路3的原理，包括：第一平行光源31、第二平行光源32、第三平行光源33；第一平行光源31、第二平行光源32、第三平行光源33，在圆周内互相夹角为120度。
图3示出了本发明装置中接收电路5的原理，包括：第一图像传感器51、第二图像传感器52、第三图像传感器53，三个图像传感器在圆周内互相夹角为120度。
在本发明的一个实施例中，发光电路3与所述接收电路5分别位于所述标定光栅4的两侧，实现对射关系；即第一平行光源31位于第一图像传感器51的对射面，并且发出平行光将当前视野范围内标定光栅4上的图案映射到第一图像传感器51上。同样的，第二平行光源32位于第二图像传感器52的对射面，第三平行光源33位于第三图像传感器53的对面；并且都能够将当前标定光栅4的图案映射到相应的图像传感器上。
第一图像传感器51、第二图像传感器52、第三图像传感器53分别采集当前各自视野范围内标定光栅4的图案，并通过信号线束54向外发送各自的图像信息到处理电路6中。
图4示出了本发明装置处理电路6的原理，包括：信号采集模块61、微处理器模块62、数据输出模块63；信号采集模块61采集由信号线束54发送来的图像信息，并将其传输给微处理器模块62；在微处理器模块62中，三个图像传感器采集到的图像信息分别为第一图像信息、第二图像信息、第三图像信息。
图5示出了本发明一个实施例中第一图像传感器51采集到的标定光栅4映射的一个图案；包括：代表编码“1”的“宽”编码标线和代表“0”的“窄”编码标线。微处理器模块62将根据“宽”“窄”编码标线实现对当前视野内编码的识别，然后通过译码得到译码值。
根据第一图像信息中的编码图案获取的译码值为θc1，同理，根据第二图像信息中的编码图案获取的译码值为θc2，根据第三图像信息中的编码图案获取的译码值为θc3，那么基于三个图像传感器融合后的译码值为：
θc＝(θc1+θc2+θc3)/3 (1)
图6示出了本实施例采用的细分算法模型，包括：线阵图像传感器C、L1编码标线、L2编码标线；
其中，O为线阵图像传感器D采集到的当前标定光栅4上的图案的中点；y轴为图像传感器D的中心线，与图像传感器D平面相交的点为C；L1和L2分别是与图像探测器D中心线相邻的两个编码标线；由于标定光栅4中的编码标线具有一定的宽度，要采用质心算法来求取L1、L2的质心。以L1、L2的质心来获取L1、L2与图像传感器D平面相交的点，分别为A和B；设标定光栅4中L1和L2标线之间的夹角为η＝2m，那么细分运算如式(2)所示：
Figure GDA0003306533670000051
式(2)中，BC和AB是图像传感器D能够获取的变量，2m是细分倍数。
设根据第一图像信息获取的用于细分运算的变量分别为BC1和AB1；根据第二图像信息获取的用于细分运算的变量分别为BC2和AB2；根据第三图像信息获取的用于细分运算的变量分别为BC3和AB3；那么经过融合后的细分运算如式(3)所示：
Figure GDA0003306533670000061
微处理器模块62对融合后的译码值和细分值进行衔接。最终，三图像传感器获取的高精度角位移测量值如公式(4)所示：
θ＝2mθc+θ′s (4)
其中，2m为细分倍数；
最后将计算得到的角位移数值θ发送到数据输出模块63，并通过数据输出模块63发送出去。
在本发明的一个较佳实施例中，以三图像传感器实现高精度角位移测量为例进行具体方案再现：
在发光电路3上周向布置3个相互成120°夹角的平行光源，并且在接收电路5上设置与平行光源一一对应并形成对射的3个图像传感器，标定光栅4位于发光电路3和接收电路5之间，与主轴1绕其圆心转动，发光电路3固定在法兰盘2内，接收电路5固定在法兰盘2顶端，不随竖直穿过其中心的主轴1旋转；
工作时，主轴1带动标定光栅4转动，三个图像传感器同时采集标定光栅4三个位置处的图案信息，并通过信号线束54将图像信息发送给处理电路6；处理电路6上的信号采集模块61将接收到的图案信息发送给微处理器模块62，在微处理器模块62中进行角位移识别和运算，并将当前主轴1的转角信息发送给数据输出模块63，实现对主轴1转角的测量。由于采用三个图像传感器的融合运算，实现了对角位移测量的高精度自修正误差补偿。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种高精度角位移测量装置，其特征在于，包括：平行设置的发光电路(3)、标定光栅(4)和接收电路(5)；
所述发光电路(3)上周向均匀分布有n个平行光源，所述接收电路(5)上设置有与所述平行光源一一对应并形成对射的n个图像传感器，n为大于或等于3的奇数；
所述标定光栅(4)位于所述发光电路(3)和所述接收电路(5)之间，与待测物连接并随待测物绕其圆心转动；
角位移测量值为：θ＝2mθc+θ′s；
其中，2m为细分倍数；
θc为n个图像传感器所得n个编码图案获取的译码值的平均值；
θs’为n个图像传感器所得n个编码图像信息融合后的细分值；
θc＝(θc1+θc2+θc3)/3；
其中：θc1为第一图像信息中的编码图案获取的译码值；
θc2为第二图像信息中的编码图案获取的译码值；
θc3为第三图像信息中的编码图案获取的译码值；
所述融合后的细分值的运算式为：
Figure FDA0003357825210000011
其中，根据所述第一图像信息获取的用于细分运算的变量分别为BC1和AB1；根据所述第二图像信息获取的用于细分运算的变量分别为BC2和AB2；根据所述第三图像信息获取的用于细分运算的变量分别为BC3和AB3。
2.如权利要求1所述的高精度角位移测量装置，其特征在于，还包括主轴(1)、法兰盘(2)和处理电路(6)；
所述主轴(1)为待测物，或者与待测物连接；
所述接收电路(5)固定于所述法兰盘(2)顶端，所述发光电路(3)固定在所述法兰盘(2)内，所述发光电路(3)的中心和所述法兰盘(2)的底面中心设置有大于所述主轴(1)直径的通孔；
所述主轴(1)垂直插入所述发光电路(3)和所述法兰盘(2)的通孔中；
所述接收电路(5)包括信号线束(54)；所述处理电路(6)通过所述信号线束(54)与所述接收电路(5)连接。
3.如权利要求1所述的高精度角位移测量装置，其特征在于，所述发光电路(3)包括：第一平行光源(31)、第二平行光源(32)、第三平行光源(33)，三个平行光源在圆周内互相夹角为120度。
4.如权利要求2所述的高精度角位移测量装置，其特征在于，所述接收电路(5)还包括第一图像传感器(51)、第二图像传感器(52)和第三图像传感器(53)；
所述处理电路(6)包括微处理器模块(62)；
所述微处理器模块(62)采集到所述第一图像传感器(51)、所述第二图像传感器(52)和所述第三图像传感器(53)的图像信息分别为所述第一图像信息、所述第二图像信息和所述第三图像信息。
5.如权利要求1所述的高精度角位移测量装置，其特征在于，所述标定光栅(4)编码元采用M序列伪随机码的编码方式，编码图案包括代表编码“1”的“宽”编码标线和代表“0”的“窄”编码标线。
6.如权利要求4所述的高精度角位移测量装置，其特征在于，所述处理电路(6)还包括：信号采集模块(61)、数据输出模块(63)；所述信号采集模块(61)采集由所述信号线束(54)发送来的图像信息，并将其传输给所述微处理器模块(62)；所述微处理器模块(62)将计算得到的角位移数值θ发送到所述数据输出模块(63)，并通过所述数据输出模块(63)发送出去。
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