專利名稱：基于陣列探測(cè)器的絕對(duì)軸角編碼系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密角度測(cè)量系統(tǒng)，尤其是涉及一種基于陣列探測(cè)器的絕對(duì)軸角編碼系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
根據(jù)編碼方式的不同，傳統(tǒng)的軸角編碼器可以分為增量式和絕對(duì)式兩種，增量式編碼器的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，尺寸小，其缺點(diǎn)是受環(huán)境影響大，掉電后容易造成數(shù)據(jù)損失，而且有誤差累積。與增量式編碼器相比，絕對(duì)式軸角編碼器具有抗干擾能力強(qiáng)， 掉電后無(wú)須重新標(biāo)定，無(wú)累積誤差等優(yōu)點(diǎn)。目前，世界上研制開發(fā)軸角編碼器的公司和研究機(jī)構(gòu)很多，主要有德國(guó) Heidenhain公司，Opton公司等；日本的Tamagawa公司、尼康公司、佳能公司等；美國(guó)的 Itek公司，Renco公司等，以及英國(guó)、瑞士和俄羅斯等國(guó)家的研究機(jī)構(gòu)和廠家。美國(guó)NASA 的Goddard宇航中心為車輛Cartesian坐標(biāo)研制的27位超高分辨率的絕對(duì)式軸角編碼器，它采用了全新的編碼方式和圖像識(shí)別技術(shù)，滿足航天技術(shù)的需要。我國(guó)的編碼器研究大概起步于上個(gè)世紀(jì)六十年代，中科院長(zhǎng)春光機(jī)所于1964年研制了第一塊編碼盤和圓光柵，并成功應(yīng)用于光電經(jīng)緯儀和測(cè)量雷達(dá)上，隨后，多家科研單位也先后進(jìn)行了光電編碼器的開發(fā)和研究，并取得了一定成果，80年代末，成都光機(jī)所研制出立絕對(duì)式軸角編碼器 < 士10" ；2001年，長(zhǎng)春光機(jī)所研制出15位超小型絕對(duì)式光電編碼器，直徑為40mm。對(duì)于目前已有的絕對(duì)式軸角編碼器而言，分辨率與系統(tǒng)尺寸之間存在著矛盾，高分辨率的編碼器往往系統(tǒng)尺寸較大，而小型化的編碼器往往角分辨率不高，另外，響應(yīng)頻率不高也是現(xiàn)有的軸角編碼器存在的一大問(wèn)題。實(shí)用新型專利“絕對(duì)位置軸角編碼器”(專利申請(qǐng)?zhí)?00620115789.6)中所述的絕對(duì)軸角編碼器，與本發(fā)明有相似之處，下面介紹其主要特點(diǎn)1、所提出的系統(tǒng)，利用線陣CCD采集碼盤局部信息，進(jìn)而利用電子細(xì)分技術(shù)，提高角分辨率，在一定程度上克服了編碼器尺寸與角分辨率之間的矛盾。2、所提出的系統(tǒng)，為了縮小碼盤的同時(shí)提高粗碼分辨率，在衍射極限范圍內(nèi)，需要縮小編碼盤刻線的尺寸，由于陣列探測(cè)器像元的大小存在極限最小尺寸，編碼盤刻線的尺寸過(guò)小不利于電子細(xì)分獲取細(xì)碼，故提高粗碼分辨率和提高細(xì)碼分辨率之間存在矛盾，也就是在縮小編碼器尺寸的同時(shí)提高分辨率這方面仍然存在一定問(wèn)題。3、所提出的編碼盤，采用的偽隨機(jī)編碼方式，為了進(jìn)行電子細(xì)分，其陣列CCD所成編碼盤局部圖像需要包含至少《)組完整編碼，其中N為碼道的等分?jǐn)?shù)，η組完整編
γ\ TVjT
碼對(duì)應(yīng)的碼道寬度為5，為了提高粗碼分辨率，需要增大N，而N越大，7越大，細(xì)分能夠提
NN
高的分辨率越小，這形成一對(duì)矛盾。4、所提出的編碼盤，采用偽隨機(jī)編碼方式編碼，從圖像信息中解碼角度信息較為復(fù)雜。
隨著國(guó)防、自動(dòng)化等行業(yè)和領(lǐng)域的發(fā)展，對(duì)軸角編碼器的小型化、智能化、集成化的要求越來(lái)越高，制約軸角編碼器發(fā)展的因素有很多，其中編碼方式和探測(cè)器是兩個(gè)關(guān)鍵因素，改變傳統(tǒng)的編碼方法，研制出有利于電子細(xì)分的小尺寸碼盤是促進(jìn)軸角編碼器發(fā)展的重要途徑，對(duì)于探測(cè)器的要求，一方面要配合編碼盤，能夠有效分辨編碼盤的局部圖像， 便于電子細(xì)分，另外一方面要求實(shí)時(shí)性好，即響應(yīng)頻率高，這樣能更有利于實(shí)時(shí)處理?？s小系統(tǒng)尺寸，提高分辨率、減小響應(yīng)時(shí)間，這是光電軸角編碼器的發(fā)展趨勢(shì)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于陣列探測(cè)器的絕對(duì)軸角編碼系統(tǒng)。本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是本發(fā)明包括光源，轉(zhuǎn)軸，編碼盤，物鏡，陣列探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理電路；轉(zhuǎn)軸中安裝編碼盤，光源置于編碼盤的一側(cè)，編碼盤的另一側(cè)依次設(shè)有成像物鏡和陣列探測(cè)器，編碼盤、 成像物鏡和陣列探測(cè)器三者安裝需要滿足物象位置關(guān)系，陣列探測(cè)器獲取放大后的編碼盤局部圖像信息后，傳到數(shù)據(jù)處理電路，數(shù)據(jù)處理電路對(duì)圖像信息分析處理后，輸出角度信肩、ο所述的編碼盤，以二進(jìn)制碼為基礎(chǔ)，用透光和遮光的窗口分別代表二進(jìn)制碼中的“1和“0”，其編碼方式采用單圈絕對(duì)式編碼，整個(gè)碼盤只有一圈碼道，沿圓周方向等分
360°
成2"個(gè)區(qū)域，即2"組編碼。每組編碼的角寬度為γ，它由η位編碼刻線和1位分隔刻
線組成。分隔刻線是角寬度為θ工的透光窗口，它作為標(biāo)志，用來(lái)區(qū)分相鄰兩組編碼，分隔刻線與左右兩邊的編碼刻線均相距角寬度為θ 2的角間隔，編碼刻線由η個(gè)窗口組成，每個(gè)窗口有兩種可能的狀態(tài)透光和遮光，分別代表二進(jìn)制“ 1，，和“0”，每個(gè)窗口的角寬度為 θ 3，整個(gè)碼道2"組編碼刻線采用η位自然二進(jìn)制碼進(jìn)行編碼。每組編碼的角度關(guān)系滿足 360°
θ,+2θ2+ηθ,=—, θ” 02和θ 3三者均不相等。所述的數(shù)據(jù)處理電路包括陣列探測(cè)器控制模塊，數(shù)據(jù)接收模塊，解粗碼模塊，解細(xì)碼模塊，獲取角度信息模塊和數(shù)據(jù)輸出模塊；用于輸出控制信號(hào)的陣列探測(cè)器控制模塊和用于接收陣列探測(cè)器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接收模塊兩者分別與陣列探測(cè)器相連接，數(shù)據(jù)接收模塊分別經(jīng)過(guò)解粗碼模塊和解細(xì)碼模塊后與獲取角度信息模塊相連接，獲取角度信息模塊與數(shù)據(jù)輸出模塊相連接。本發(fā)明具有的有益效果是1、采用一種單圈絕對(duì)式的編碼方式，它能夠達(dá)到減少碼道，縮小編碼盤尺寸的目的。2、采用陣列探測(cè)器作為接收元件，一方面，能夠?qū)λ邮盏拇执a信息進(jìn)行細(xì)分，另外一方面，其響應(yīng)頻率較高，可很好的滿足響應(yīng)頻率高的要求。3、采用硬件電路作為數(shù)據(jù)處理單元，它具有實(shí)時(shí)性好，響應(yīng)速度快，體積小等特
點(diǎn)ο4、在編碼盤與陣列探測(cè)器之間加入一個(gè)成像物鏡，用于放大編碼盤局部圖像，一方面在相同系統(tǒng)尺寸情況下，可有效提高系統(tǒng)分辨率，另外一方面，解決了提高粗碼分辨率和提高細(xì)碼分辨率之間的矛盾。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是編碼盤整體示意圖；圖3是編碼盤局部放大示意圖；圖4是編碼盤局部尺寸；圖5是細(xì)分碼的讀取原理；圖6是數(shù)據(jù)處理電路框圖。圖中1、光源，2、轉(zhuǎn)軸，3、編碼盤，31、每組編碼，32、分隔刻線，33、η位編碼刻線， 34、角間隔，35、像素標(biāo)尺，36、參考線，4、物鏡，5、陣列探測(cè)器，6、數(shù)據(jù)處理電路，61、陣列探測(cè)器控制模塊，62、數(shù)據(jù)接收模塊，63、解粗碼模塊，64、解細(xì)碼模塊，65、獲取角度信息模塊， 66、數(shù)據(jù)輸出模塊。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明如圖1所示，本發(fā)明包括光源1，轉(zhuǎn)軸2，編碼盤3，物鏡4，陣列探測(cè)器5和數(shù)據(jù)處理電路6 ；轉(zhuǎn)軸2中安裝編碼盤3，光源1置于編碼盤3的一側(cè)，編碼盤3的另一側(cè)依次設(shè)有成像物鏡4和陣列探測(cè)器5，編碼盤3、成像物鏡4和陣列探測(cè)器5三者安裝需要滿足物象位置關(guān)系，陣列探測(cè)器5獲取放大后的編碼盤局部圖像信息后，傳到數(shù)據(jù)處理電路6，數(shù)據(jù)處理電路6對(duì)圖像信息分析處理后，輸出角度信息。光源1選用LED作為照明光源，對(duì)編碼盤3的局部進(jìn)行照明，確保編碼盤3清晰成像于陣列探測(cè)器5上，編碼盤3采用單圈絕對(duì)式編碼方式進(jìn)行編碼，成像物鏡4位于陣列探測(cè)器5和編碼盤3之間，它的作用是放大編碼盤圖像，使陣列探測(cè)器5能夠接收到合適的編碼盤3圖像，保證后續(xù)譯碼的準(zhǔn)確性。數(shù)據(jù)處理電路6接收到圖像信息，然后對(duì)其進(jìn)行解碼， 最終由U S B接口輸出角度結(jié)果。下面就本系統(tǒng)中的幾個(gè)重要部分做進(jìn)一步的詳細(xì)介紹。一、編碼盤如圖2、圖3、圖4所示，整個(gè)碼盤只有一圈碼道，沿圓周方向等分成1 個(gè)區(qū)域，即 1 組編碼，每組編碼31的角寬度為168' 45〃，由7位的編碼刻線33和1位分隔刻線32 組成，分隔刻線32是角寬度為8 ’的透光窗口，它用來(lái)區(qū)分相鄰兩個(gè)編碼，分隔刻線32與左右兩邊的編碼刻線33均相距角寬度為20'的角間隔34，編碼刻線33由7個(gè)窗口組成，每個(gè)窗口有兩種可能的狀態(tài)透光和遮光，分別代表二進(jìn)制“1”和“0”，每個(gè)窗口的角寬度為 17' 15〃，1 組7位編碼刻線采用自然二進(jìn)制碼進(jìn)行編碼。二、測(cè)角原理編碼盤3通過(guò)物鏡4放大，將其局部圖像成像在陣列探測(cè)器5上，為保證至少有兩個(gè)分隔刻線出現(xiàn)在陣列探測(cè)器中，同時(shí)又有利于后續(xù)的像素細(xì)分，選定大小為兩個(gè)區(qū)域 (整個(gè)圓周被分為1 個(gè)區(qū)域)成像在探測(cè)器上。首先，從陣列探測(cè)器5所獲取的信息，進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換獲得二值化數(shù)據(jù)。
然后根據(jù)分隔線與編碼刻線的線寬不同找出兩個(gè)相鄰的分隔刻線32，然后得到兩相鄰分隔刻線之間的7位編碼數(shù)據(jù)33，即可獲得角度的絕對(duì)信息的粗碼，假設(shè)所獲得的自然二進(jìn)制碼所對(duì)應(yīng)的十進(jìn)制值為N，則粗碼讀數(shù)為
權(quán)利要求
1.一種基于陣列探測(cè)器的絕對(duì)軸角編碼系統(tǒng)，其特征在于包括光源(1)，轉(zhuǎn)軸O)，編碼盤(3)，物鏡G)，陣列探測(cè)器(5)和數(shù)據(jù)處理電路(6)；轉(zhuǎn)軸⑵中安裝編碼盤(3)，光源(1)置于編碼盤(3)的一側(cè)，編碼盤(3)的另一側(cè)依次設(shè)有成像物鏡(4)和陣列探測(cè)器 (5)，編碼盤(3)、成像物鏡(4)和陣列探測(cè)器(5)三者安裝需要滿足物象位置關(guān)系，陣列探測(cè)器(5)獲取放大后的編碼盤局部圖像信息后，傳到數(shù)據(jù)處理電路(6)，數(shù)據(jù)處理電路(6) 對(duì)圖像信息分析處理后，輸出角度信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列探測(cè)器的絕對(duì)軸角編碼系統(tǒng)，其特征在于所述的編碼盤(3)，以二進(jìn)制碼為基礎(chǔ)，用透光和遮光的窗口分別代表二進(jìn)制碼中的“1和 “0”，其編碼方式采用單圈絕對(duì)式編碼，整個(gè)碼盤只有一圈碼道，沿圓周方向等分成2n個(gè)區(qū)360°域，即2n組編碼。每組編碼(31)的角寬度為j，它由η位編碼刻線(33)和1位分隔刻線(32)組成。分隔刻線(32)是角寬度為Q1的透光窗口，它作為標(biāo)志，用來(lái)區(qū)分相鄰兩組編碼，分隔刻線(32)與左右兩邊的編碼刻線(33)均相距角寬度為92的角間隔(34)，編碼刻線(3 由η個(gè)窗口組成，每個(gè)窗口有兩種可能的狀態(tài)透光和遮光，分別代表二進(jìn)制“1” 和“0”，每個(gè)窗口的角寬度為θ 3，整個(gè)碼道2η組編碼刻線(33)采用η位自然二進(jìn)制碼進(jìn)行360°編碼。每組編碼的角度關(guān)系滿足約+2約+ 約=y，θ^ 02和θ 3三者均不相等。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于陣列探測(cè)器的絕對(duì)軸角編碼系統(tǒng)，其特征在于所述的數(shù)據(jù)處理電路(6)包括陣列探測(cè)器控制模塊(61)，數(shù)據(jù)接收模塊(62)，解粗碼模塊 (63)，解細(xì)碼模塊(64)，獲取角度信息模塊(65)和數(shù)據(jù)輸出模塊(66)；用于輸出控制信號(hào)的陣列探測(cè)器控制模塊(61)和用于接收陣列探測(cè)器數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)接收模塊(62)兩者分別與陣列探測(cè)器( 相連接，數(shù)據(jù)接收模塊(6 分別經(jīng)過(guò)解粗碼模塊(6 和解細(xì)碼模塊(64) 后與獲取角度信息模塊(6 相連接，獲取角度信息模塊(6 與數(shù)據(jù)輸出模塊(66)相連接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于陣列探測(cè)器的絕對(duì)軸角編碼系統(tǒng)。包括光源，轉(zhuǎn)軸，編碼盤，物鏡，陣列探測(cè)器和數(shù)據(jù)處理電路；轉(zhuǎn)軸中安裝編碼盤，光源置于編碼盤的一側(cè)，編碼盤的另一側(cè)依次設(shè)有成像物鏡和陣列探測(cè)器，編碼盤、成像物鏡和陣列探測(cè)器三者安裝需要滿足物象位置關(guān)系，陣列探測(cè)器獲取放大后的編碼盤局部圖像信息后，傳到數(shù)據(jù)處理電路，數(shù)據(jù)處理電路對(duì)圖像信息分析處理后，輸出角度信息。編碼盤采用單圈絕對(duì)式的編碼方式，減少碼道，縮小編碼盤尺寸；采用陣列探測(cè)器作為接收元件，滿足響應(yīng)頻率高的要求；采用硬件電路作為數(shù)據(jù)處理單元，具有實(shí)時(shí)性好，響應(yīng)速度快，體積小等特點(diǎn)。加入成像物鏡，用于放大編碼盤局部圖像，提高系統(tǒng)分辨率。
文檔編號(hào)G01D5/347GK102322882SQ20111014946
公開日2012年1月18日 申請(qǐng)日期2011年6月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月2日
發(fā)明者孟子博, 袁波, 談穎皓 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)