CN2583635Y - 一种伪随机码轴角测定装置 - Google Patents
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Abstract
一种采用伪随机码轴角测定装置，包括光源、准直透镜、制有伪随机编码的玻璃码盘、线阵CCD、A/D转换电路及数字信号处理器(DSP)，光源发出的光线经过准直透镜形成平行光，该平行光透过制有伪随机编码的码盘，使位于线阵CCD前方的码盘上的伪随机编码的条纹成像在线阵CCD上，线阵CCD将条纹图像的光信号转换为模拟电信号，DSP控制A/D转换电路，将线阵CCD输出的模拟电信号，进行数字化和采集，DSP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，该位置即代表了转轴的空间位置。本实用新型能进行轴角的测量。
Description
技术领域 本实用新型涉及一种伪随机码轴角测定装置，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。
背景技术 目前光电轴角测定装置有两种类型：一种是绝对测定装置，一种是增量式测定装置。绝对式测定装置主要采用多码道，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。这些测定装置的缺点是结构复杂，调整困难，难以实现小尺寸和高分辨。增量式测定装置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。该类测定装置需要两个光栅盘，两组光源，两组光电传感器，故结构复杂。而且该类测定装置，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。
申请号为01273463.2的中国专利公开了一种伪随机码轴角测定装置，由于其采样和处理的速度较慢，只适合用于测量速度要求不高的应用。
实用新型内容 本实用新型就是为解决上述问题，提供一种伪随机码轴角测定装置，这种测定装置不仅结构简单、编码效率高、调整容易、兼有绝对测定装置与增量测定装置的优点而且测量速度快。
本实用新型提供的技术方案是：一种伪随机码轴角测定装置，该轴角测定装置有一个制有伪随机编码的码盘，在码盘的轴向一侧，依次放置照明光源和准直透镜，在码盘的径向的一侧，依次放置带状透光板和线阵CCD，线阵CCD的窗口覆盖当前编码区中的伪随机编码，并配有A/D转换电路及控制线阵CCD和A/D转换电路的数字信号处理器(DSP)，通过线阵CCD获取当前编码区中的伪随机编码的图像，DSP进行图像的相关处理，确定当前编码区中的伪随机编码段相对于伪随机编码的某一起点的相位差。
上述码盘上的当前编码区被由照明光源、准直透镜形成的平行光照明，该平行光透过当前编码区经带状透光板覆盖线阵CCD的全部窗口。
上述数字信号处理器为ADSP-2181。
上述伪随机编码设在码盘外周侧壁上。
本实用新型相对照明光源和准直透镜，码盘轴向另一侧的码盘盘面设有将透过码盘的光线反射后穿过码盘外周侧壁进入带状透光板和线阵CCD的反射膜。
本实用新型的上述光源可光源采用发光二极管KSx470。
本实用新型仅用一个码盘、一个光源、一个CCD，一个码道，一个A/D，一个DSP就组成了一个结构简单，高编码效率的绝对轴角测定装置，并克服了背景技术所述的绝对测定装置和相对测定装置的弱点，兼有绝对测定装置和相对测定装置的优点。由于采用了DSP进行控制和处理，其速度大大提高，体积进一步减小。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，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(″) | 速度(次/秒) |
| 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 | |
| 01273463.2 | 40 | 16.3 | 15 | ＜10 |
| 本实用新型 | 40 | 16.3 | 15 | ＞200 |
附图说明
图1为本实用新型伪随机码轴角测定装置的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3本实用新型的伪随机编码电路示意图。
具体实施方式 参见图1、图2，本实用新型包括一个制有伪随机编码的码盘3、转轴12、支撑码盘3的轴承13，在码盘3的轴向一侧依次放置照明光源(发光二极管KSx4701)1和准直透镜2，在码盘3的径向的一侧依次放置带状透光板6和线阵CCD(ILX521A)5，线阵CCD 5的轴线与码盘半径垂直，并使带状平行光覆盖线阵CCD 5的全部窗口；本实用新型还设有A/D转换电路(MAX1101)11及控制线阵CCD 5和A/D转换电路11的数字信号处理器DSP(ADSP-2181)10，通过线阵CCD 5获取当前编码区中的伪随机编码的图像，DSP 10进行图像的相关处理，确定当前编码区中的伪随机编码段相对于伪随机编码的某一起点的相位差。
本实用新型的伪随机编码8可设在码盘外周侧壁上。相对照明光源1和准直透镜2，码盘轴向另一侧的码盘盘面设有将透过码盘3的光线反射后穿过码盘外周侧壁进入带状透光板6和线阵CCD5的反射膜4。
在上述方案中，线阵CCD 5集合了光栅与光电传感器的功能。线阵CCD 5由一系列微小(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8的条纹与CCD单元的空间相位关系。本实用新型中的线阵CCD也可用面阵CCD替代。
DSP 10采用改进型哈夫结构，片内集成了大量的程序存储器和数据存储器，数据存储器可分为两块(RAM A和RAM B)，当RAM A(或RAM B)在进行采样数据输入时，DSP 10对RAM B(或RAM A)中的数据进行处理。DSP 10的大容量数据缓冲区、功能完善的I/O接口和快速灵活的运算能力使其能够快速进行图像的相关处理。DSP 10控制线阵CCD 5和A/D电路11，顺序地将线阵CCD 5中全部单元的输出电压数字化并读入，即得到当前编码区9的伪随机编码的图像的采样值序列，并将采样值序列存放于DSP 10中的RAM A(或RAMB)。角度测量的最高速度取决于所采用的CCD、A/D、DSP的速度和相关计算的方法。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9采样值序列与伪随机编码8生成的参考值序列之间的相位差—角度值。
本实用新型以发光二极管KSx470作为光源1，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)。在发光二极管KSx470的前面放置一个准直透镜2，光源1放置在准直透镜2的焦平面上，使经过准直透镜2的光线成为平行光。从准直透镜2射出的光线，一部分直接穿过码盘3，一部分经反射膜4反射后穿过码盘3(对于编码环带设在码盘盘面上时不用反射膜；从准直透镜射出的光线，直接穿过码盘)。在线阵CCD 5的前方放置带状透光板6，使得透过码盘3的照明光形状为与线阵CCD 5(256像素)的窗口相近，面积略大于线阵CCD 5的窗口的面积。
在码盘3上的伪随机编码环带7上制有伪随机编码8。照明光透过码盘3，使当前编码区9中的伪随机编码的影像经过带状透光板6投射到线阵CCD 5上。在需要采样时，线阵CCD 5在DSP10的控制下进行采样，经过光积分时间Tsh后，DSP10使得线阵CCD 5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DSP的时钟脉冲的控制下被顺序地读出。
专用线阵CCD和A/D电路11在DSP 10的控制下，将CCD 5输出的每一像素信号数字化，并存放在DSP10的RAM A(或RAM B)中，以供相关处理用。
在A/D电路11进行全部像素信号数字化时，DSP 10调用其内部程序存储器中的处理程序，以存放于DSP10的RAM B(或RAM A)中的已采集的当前编码区9中的伪随机编码的图像作为采样图像，以根据伪随机编码环带7中的伪随机编码8，按CCD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9中的伪随机编码段，相对于伪随机编码环带7中的伪随机编码8的某一起点的相位差。在这里线阵CCD 5相当于转轴12的指标，该相位差表示转轴12的指标相对于伪随机编码环带7中的伪随机编码8某一起点的角度。
本实用新型通过在码盘3上的伪随机编码环带7(整个圆周)中，制成一个完整周期的伪随机编码8。光源1发出的光线，经准直透镜2后形成平行光。该平行光透过制有伪随机编码的码盘3，使当前编码区9的编码条纹经过带状透光板6成像在线阵CCD 5上。DSP10控制A/D电路11，获取当前编码区9的图像数据。DSP 10以从A/D电路11获取的线阵CCD 5的图像数据为测量序列，以根据伪随机编码8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9的图像在伪随机编码8中的精确位置，该位置即代表了相对于转轴12的空间位置。
Claims (6)
1.一种伪随机码轴角测定装置，该轴角测定装置有一个制有伪随机编码的码盘，在码盘的轴向一侧依次放置照明光源和准直透镜，在码盘的径向的一侧，依次放置带状透光板和线阵CCD，线阵CCD的窗口覆盖当前编码区中的伪随机编码，并配有A/D转换电路，其特征是：设有控制线阵CCD和A/D转换电路的数字信号处理器，通过线阵CCD获取当前编码区中的伪随机编码的图像，数字信号处理器进行图像的相关处理，确定当前编码区中的伪随机编码段相对于伪随机编码的某一起点的相位差。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征是：码盘上的当前编码区被由照明光源、准直透镜形成的平行光照明，该平行光透过当前编码区经带状透光板覆盖线阵CCD的全部窗口。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征是：数字信号处理器为ADSP-2181。
4.根据权利要求1或2或3所述的装置，其特征是：伪随机编码设在码盘外周侧壁上。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征是：相对照明光源和准直透镜，码盘轴向另一侧的码盘盘面设有将透过码盘的光线反射后穿过码盘外周侧壁进入带状透光板和线阵CCD的反射膜。
6.根据权利要求1或2或3所述的装置，其特征是：光源采用发光二极管KSx470。
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Cited By (3)
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| CN104006833A (zh) * | 2013-02-25 | 2014-08-27 | 北斗导航科技有限公司 | 码盘、旋转编码器、编码方法及带有该编码器的设备 |
| CN104528508A (zh) * | 2014-11-14 | 2015-04-22 | 重庆大学 | 一种基于光电检测器件的非接触式自动扶梯多参数测量方法 |
| CN115597638A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-01-13 | 青量科技（深圳）有限公司（Cn） | 绝对角度测量方法和光电编码器 |
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