CN2519238Y - 伪随机码轴角编码器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于工业测量等领域测量旋转角度的伪随机码轴角编码器,光源1发出的光线经过准直透镜2及其下放置的带状透光板9形成带状平行光,透过位于线阵CCD 4上方的码盘3,使码盘3上的伪随机编码11的条纹成像在线阵CCD 4上,单片计算机6控制A/D转换和数据采集电路5,将光信号转换为模拟电信号及数字信号,根据相关处理确定的主峰位置确定当前编码区12在伪随机编码11的图像中的精确位置,即转轴7的空间位置。本实用新型结构简单,编码效率高,有效地削弱了单个条纹误差对角度测量的影响。

Description

伪随机码轴角编码器

(一)技术领域：

本实用新型涉及一种轴角编码器，主要用于自动化、工业测量、测绘等领域测量绝对旋转空间位置。

(二)背景技术：

目前光电轴角编码器有两种类型：一种是绝对编码器，一种是增量式编码器。绝对式编码器主要采用多码道，多光源，多光电传感器构成，其角度值由多个光电传感器的结果合成。其典型的产品有每一码道输出一位二进制代码的US-4687928，EP-0187875等；每一码道输出两位二进制代码的ZL 90107279；两个位数较低的粗码盘，通过变速装置把两个码盘等效为一个位数较高的码盘的ZL 96221093.5。这些编码器的缺点是结构复杂，调整困难，难以实现小尺寸和高分辨率。增量式编码器主要采用在确定了零点位置(码盘上的特殊标记)后，利用主光栅和指示光栅产生的莫尔条纹，经光电传感器转换为电信号、处理电路的处理后，条纹的变化被转换为角度的变化。经过变化方向的测定和处理后，可获得相对于零点的轴角变化，即角度值。该方法由于至少需要两个光栅，两个光栅的间距需要仔细地调整，而且要增设变化方向测量的装置。增量式编码器需要两个光栅盘，两组光源，两组光电传感器，故结构复杂。而且增量式编码器必须经过确定零位置的操作，才可进行角度的测量，造成使用上的不便。其典型的产品有日本拓普康公司的DJD2电子经纬仪采用的增量式数字角度测量系统  日本测机舍的DT4、DT5、DT20等电子经纬仪采用的光栅编码的增量式角度测量系统。

(三)发明创造内容：

本实用新型的目的就是提供一种结构简单，编码效率高，调整容易，兼有绝对编码器与增量编码器优点的伪随机码轴角编码器。

为解决上述任务，本实用新型采用的解决方案是：采用伪随机编码作为码盘刻划，通过线阵CCD获取位于线阵CCD上的当前码盘部分的伪随机编码条纹的图像，经过与伪随机编码条纹的参考样本图像进行图像的相关计算处理，从而获得轴角当前的空间位置。

码盘上的伪随机编码环带中，制成一个完整周期的伪随机编码。光源发出的光线经准直透镜及其下的带状透光板形成带状平行光，透过制有伪随机编码的码盘，使当前编码区的编码条纹成像在线阵CCD上。单片计算机控制A/D转换和数据采集电路，获取当前编码区的图像数据。单片计算机以从线阵CCD获取的图像数据为测量序列，以根据伪随机编码生成的数据为参考序列，进行两个序列的相关计算处理，根据主峰的位置确定当前编码的图像在伪随机编码中的精确位置，该位置即代表了相对于转轴的空间位置。

在上述方案中，线阵CCD集合了光栅与光电传感器的功能。线阵CCD由一系列微小的(约14μm×14μm)的CCD单元，沿直线紧密排列成一行，其结构实际上构成了一个光栅。CCD单元输出的模拟电压是照射光的波长、光强、光照时间和受光面积的函数。在波长、光强、光照时间不变时，CCD单元输出的模拟电压仅与受光面积有关，CCD单元输出的模拟电压代表着伪随机编码的条纹与CCD单元的空间相位关系。

单片计算机控制CCD芯片和A/D芯片，顺序地将线阵CCD中全部单元的输出电压读入并数字化，即得到当前编码区的伪随机编码的图像的采样值序列。

在获取了当前编码区的伪随机编码的图像的采样值序列后，单片计算机即可进行采样值序列与参考值序列的相关计算处理。伪随机编码的自相关函数为：

Ca(t)＝∑η(ai)*η(ai+t)

η(0)＝1，η(1)＝-1；

由于Ca(t)≤Ca(0)，t≠0(mod周期v)，通常把Ca(O)叫做主峰高度，函数值最大；而当t≠0(mod周期v)时，把|Ca(t)|叫做副峰高度。而且主峰曲线是很窄、很陡的类似三角形的曲线，其顶点就是最佳匹配点。

利用伪随机编码的自相关特性，就可以根据采样值序列，准确地确定最佳匹配点，即准确地确定当前编码区采样值序列与伪随机编码生成的参考值序列之间的相位差一角度值。

本实用新型运用全新的方法，仅用一个码盘、一个光源、一个CCD，一个码道，就组成了一个结构简单，高编码效率的轴角编码器，并克服了背景技术所述的绝对编码器和增量式编码器的弱点，兼有绝对编码器和增量式编码器的优点。而且，由于参加确定角度的是上百个编码条纹，从而有效地削弱了单个条纹误差对角度测量的影响。采用相同直径的码盘，本实用新型可获得更高的分辨率，比较结果见下表。

国家	直径(mm)	位数	分辨率(″)
				美国	41	15	40
日本	65	14	80
				中国长光机	65	14/15	80/40
中国长光机	40	14/15	80/40
				本实用新型	40	16.3	15

(四)图面说明：

图1是根据本实用新型提出的伪随机码轴角编码器结构示意图；

图2是根据本实用新型提出的伪随机编码器码盘及伪随机编码示意图；

图3是根据本实用新型提出的伪随机编码器电路连接图；

(五)具体实施方式：

本实用新型由光源1、准直透镜2、码盘3、线阵CCD 4、数据采集电路5、单片计算机6、转轴7以及支撑码盘3的轴承8组成。光源1放置在准直透镜2的焦平面上，在准直透镜2的下方放置带状透光板9，并且在码盘3上的伪随机编码环带10中，制有一个完整周期的伪随机编码11。位于线阵CCD 4上方的当前一段编码为当前编码区12。码盘3可采用光学玻璃材料。光源1发出的光线经准直透镜2及其下的带状透光板9形成带状平行光，透过制有伪随机编码11的码盘3，使当前编码区12的编码条纹成像在线阵CCD 4上。线阵CCD 4位于码盘3轴向一侧，其轴线与码盘3半径垂直，并使带状平行光覆盖线阵CCD 4的全部窗口。单片计算机6控制A/D转换和数据采集电路5，获取当前编码区12的图像数据。单片计算机6以从线阵CCD 4获取的图像数据为测量序列，以根据伪随机编码11生成的数据为参考序列，进行两个序列的相关计算处理，根据主峰的位置确定伪随机编码11的图像在当前编码区12中的精确位置，该位置即代表了相对于转轴7的空间位置。

光源1采用发光二极管KSx470，其峰值波长为470nm，高亮度，外直径为5.9mm，其参数与CCD ILX521A的参数相匹配(ILX521A的光灵敏度峰值波长为460-475nm，CCD窗口尺寸6.2mm)。光源1发出的光线经过准直透镜2形成平行光，准直透镜2下方放置的带状透光板9使透过码盘3的带状平行光形状与线阵CCD4(256像素)的窗口相近，面积大于线阵CCD 4的窗口。

带状平行光透过码盘3，使当前编码区12中的伪随机编码11的影像投射到线阵CCD 4上。在需要采样时，线阵CCD 4的CLK控制信号的正脉冲，ROG控制信号的负脉冲，使得线阵CCD 4的输出门打开，其中的有效像素(256像素)和附加像素(17像素)，在线阵CCD 4的CLK的时钟脉冲控制下被顺序地读出。

单片计算机6控制线阵CCD 4的专用A/D电路，将线阵CCD 4输出的每一像素信号数字化，并存放在单片计算机6中，以供相关处理用。

在完成了全部信号的采集后，单片计算机6调用EPROM处理程序，以采集的当前编码区12中的伪随机编码11的图像作为采样图像，以根据伪随机编码环带10中的伪随机编码11，按线阵CCD 4的光电调制函数生成的参考图像，进行一维的图像相关处理。图像相关处理可以很灵敏地确定主峰的峰顶位置，该位置表示当前编码区12中的伪随机编码段，相对于伪随机编码环带10中的伪随机编码11的某一起点的相位差。在这里线阵CCD 4相当于转轴7的指标，该相位差表示转轴7的指标相对于伪随机编码环带10中的伪随机编码11某一起点的角度。

Claims (5)

1.一种测量旋转角度的伪随机码轴角编码器，它包括光源(1)、准直透镜(2)，码盘(3)、线阵CCD(4)、数据采集电路(5)、单片计算机(6)、转轴(7)及支撑码盘(3)的轴承(8)、带状透光板(9)，光源(1)放置在准直透镜(2)的焦平面上，其特征在于：码盘(3)的伪随机编码环带(10)中制有伪随机编码(11)，线阵CCD(4)完成位于其上的当前编码区(12)图像的采集功能。

2.根据权利要求1所述的伪随机码轴角编码器，其特征在于：线阵CCD(4)位于码盘(3)轴向一侧，轴线与码盘(3)半径垂直。

3.根据权利要求1所述的伪随机码轴角编码器，其特征在于：光源(1)发出的光线经准直透镜(2)及其下的带状透光板(9)形成带状平行光。

4.根据权利要求3所述的伪随机码轴角编码器，其特征在于：带状平行光覆盖线阵CCD(4)的全部窗口。

5.根据权利要求1所述的伪随机码轴角编码器，其特征在于：光源(1)采用发光二极管KSx470。

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