專利名稱：偽隨機(jī)碼軸角測定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種偽隨機(jī)碼軸角測定裝置，主要用于自動(dòng)化、工業(yè)測量、測繪等領(lǐng)域測量絕對(duì)旋轉(zhuǎn)空間位置。
背景技術(shù)：
目前光電軸角測定裝置有兩種類型一種是絕對(duì)測定裝置，一種是增量式測定裝置。絕對(duì)式測定裝置主要采用多碼道，多光源，多光電傳感器構(gòu)成，其角度值由多個(gè)光電傳感器的結(jié)果合成。其典型的產(chǎn)品有每一碼道輸出一位二進(jìn)制代碼的US-4687928，EP-0187875等；每一碼道輸出兩位二進(jìn)制代碼的ZL 90107279；兩個(gè)位數(shù)較低的粗碼盤，通過變速裝置把兩個(gè)碼盤等效為一個(gè)位數(shù)較高的碼盤的ZL 96221093.5。這些測定裝置的缺點(diǎn)是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)整困難，難以實(shí)現(xiàn)小尺寸和高分辨。增量式測定裝置主要采用在確定了零點(diǎn)位置(碼盤上的特殊標(biāo)記)后，利用主光柵和指示光柵產(chǎn)生的莫爾條紋，經(jīng)光電傳感器轉(zhuǎn)換為電信號(hào)、處理電路的處理后，條紋的變化被轉(zhuǎn)換為角度的變化。經(jīng)過變化方向的測定和處理后，可獲得相對(duì)于零點(diǎn)的軸角變化，即角度值。該方法由于至少需要兩個(gè)光柵，兩個(gè)光柵的間距需要仔細(xì)地調(diào)整，而且要增設(shè)變化方向測量的裝置。該類測定裝置需要兩個(gè)光柵盤，兩組光源，兩組光電傳感器，故結(jié)構(gòu)復(fù)雜。而且該類測定裝置，必須經(jīng)過確定零位置的操作，才可進(jìn)行角度的測量，造成使用上的不便。其典型的產(chǎn)品有日本拓普康公司的DJD2電子經(jīng)緯儀采用的增量式數(shù)字角度測量系統(tǒng)、日本測機(jī)舍的DT4、DT5、DT20等電子經(jīng)緯儀采用的光柵編碼的增量式角度測量系統(tǒng)。
申請(qǐng)?zhí)枮?1273463.2的中國專利公開了一種偽隨機(jī)碼軸角編碼器，由于其偽隨機(jī)編碼設(shè)在碼盤盤面的編碼環(huán)帶上，要想在編碼環(huán)帶上制作一定數(shù)量的偽隨機(jī)編碼，必須采用相應(yīng)直徑的碼盤，從而使得該裝置的體積較大。
實(shí)用新型內(nèi)容 本實(shí)用新型就是為解決上述問題，提供一種偽隨機(jī)碼軸角測定裝置，這種測定裝置不僅結(jié)構(gòu)簡單、編碼效率高、調(diào)整容易、兼有絕對(duì)測定裝置與增量測定裝置的優(yōu)點(diǎn)而且體積較小。
本實(shí)用新型提供的技術(shù)方案是一種偽隨機(jī)碼軸角測定裝置，該軸角測定裝置有一個(gè)制有偽隨機(jī)編碼的碼盤，在碼盤的軸向一側(cè)，依次放置照明光源和準(zhǔn)直透鏡，在碼盤的徑向的一側(cè)，依次放置帶狀透光板和線陣CCD，線陣CCD的窗口覆蓋當(dāng)前編碼區(qū)中的偽隨機(jī)編碼，并配有A/D轉(zhuǎn)換電路及線陣CCD和A/D轉(zhuǎn)換電路的控制和處理電路，偽隨機(jī)編碼設(shè)在碼盤外周側(cè)壁上。
本實(shí)用新型相對(duì)照明光源和準(zhǔn)直透鏡，碼盤軸向另一側(cè)的碼盤盤面設(shè)有將透過碼盤的光線反射后穿過碼盤外周側(cè)壁進(jìn)入帶狀透光板和線陣CCD的反射膜。
上述線陣CCD和A/D轉(zhuǎn)換電路的控制和處理電路為數(shù)字信號(hào)處理器，通過線陣CCD獲取當(dāng)前編碼區(qū)中的偽隨機(jī)編碼的圖像，數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行圖像的相關(guān)處理，確定當(dāng)前編碼區(qū)中的偽隨機(jī)編碼段相對(duì)于偽隨機(jī)編碼的某一起點(diǎn)的相位差。
本實(shí)用新型僅用一個(gè)碼盤、一個(gè)光源、一個(gè)CCD、一個(gè)碼道，就組成了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、高編碼效率的絕對(duì)軸角測定裝置，并克服了背景技術(shù)所述的絕對(duì)測定裝置和相對(duì)測定裝置的弱點(diǎn)，兼有絕對(duì)測定裝置和相對(duì)測定裝置的優(yōu)點(diǎn)。由于本實(shí)用新型的偽隨機(jī)編碼設(shè)在碼盤外周側(cè)壁上，對(duì)于同樣數(shù)量的偽隨機(jī)編碼，與制作在碼盤盤面的編碼環(huán)帶上相比，本實(shí)用新型可以采用較小直徑的碼盤，從而使得本軸角測定裝置的體積較小。


圖1為本實(shí)用新型偽隨機(jī)碼軸角測定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為圖1的俯視圖；圖3本實(shí)用新型的偽隨機(jī)編碼電路示意圖。
具體實(shí)施方式
參見圖1、圖2和圖3，本實(shí)用新型包括一個(gè)制有偽隨機(jī)編碼的碼盤3、轉(zhuǎn)軸12、支撐碼盤3的軸承13，碼盤3的偽隨機(jī)編碼環(huán)帶7設(shè)在碼盤3的外周側(cè)壁上，在碼盤3的軸向一側(cè)依次放置照明光源(發(fā)光二極管KSx470)1和準(zhǔn)直透鏡2，在碼盤3的徑向的一側(cè)依次放置帶狀透光板6和線陣CCD(ILX521A)5，線陣CCD 5的軸線與碼盤半徑垂直，并使帶狀平行光覆蓋線陣CCD5的全部窗口；本實(shí)用新型還設(shè)有A/D轉(zhuǎn)換電路(MAX1101)11及控制線陣CCD5和A/D轉(zhuǎn)換電路11的數(shù)字信號(hào)處理器DSP(ADSP-2181)10(也可采用申請(qǐng)?zhí)枮?1273463.2的專利申請(qǐng)中的單片機(jī))，通過線陣CCD5獲取當(dāng)前編碼區(qū)中的偽隨機(jī)編碼的圖像，DSP10進(jìn)行圖像的相關(guān)處理，確定當(dāng)前編碼區(qū)中的偽隨機(jī)編碼段相對(duì)于偽隨機(jī)編碼的某一起點(diǎn)的相位差。
在上述方案中，線陣CCD5集合了光柵與光電傳感器的功能。線陣CCD5由一系列微小(約14μm×14μm)的CCD單元，沿直線緊密排列成一行，其結(jié)構(gòu)實(shí)際上構(gòu)成了一個(gè)光柵。CCD單元輸出的模擬電壓是照射光的波長、光強(qiáng)、光照時(shí)間和受光面積的函數(shù)。在波長、光強(qiáng)、光照時(shí)間不變時(shí)，CCD單元輸出的模擬電壓僅與受光面積有關(guān)，CCD單元輸出的模擬電壓代表著偽隨機(jī)編碼8的條紋與CCD單元的空間相位關(guān)系。本實(shí)用新型中的線陣CCD也可用面陣CCD替代。
DSP10采用改進(jìn)型哈夫結(jié)構(gòu)，片內(nèi)集成了大量的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器可分為兩塊(RAM A和RAM B)，當(dāng)RAM A(或RAM B)在進(jìn)行采樣數(shù)據(jù)輸入時(shí)，DSP10對(duì)RAMB(或RAM A)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。DSP10的大容量數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、功能完善的I/O接口和快速靈活的運(yùn)算能力使其能夠快速進(jìn)行圖像的相關(guān)處理。DSP10控制線陣CCD5和A/D電路11，順序地將線陣CCD5中全部單元的輸出電壓數(shù)字化并讀入，即得到當(dāng)前編碼區(qū)9的偽隨機(jī)編碼的圖像的采樣值序列，并將采樣值序列存放于DSP10中的RAM A(或RAM B)。角度測量的最高速度取決于所采用的CCD、A/D、DSP的速度和相關(guān)計(jì)算的方法。利用偽隨機(jī)編碼的自相關(guān)特性，就可以根據(jù)采樣值序列，準(zhǔn)確地確定最佳匹配點(diǎn)，即準(zhǔn)確地確定當(dāng)前編碼區(qū)9采樣值序列與偽隨機(jī)編碼8生成的參考值序列之間的相位差一角度值。
本實(shí)用新型以發(fā)光二極管KSx470作為光源1，其峰值波長為470nm，高亮度，外直徑為5.9mm，其參數(shù)與CCD ILX521A的參數(shù)相匹配(ILX521A的光靈敏度峰值波長為460-475nm，CCD窗口尺寸6.2mm)。在發(fā)光二極管KSx470的前面放置一個(gè)準(zhǔn)直透鏡2，光源1放置在準(zhǔn)直透鏡2的焦平面上，使經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡2的光線成為平行光。從準(zhǔn)直透鏡2射出的光線，一部分直接穿過碼盤3，一部分經(jīng)反射膜4反射后穿過碼盤3。在線陣CCD5的前方放置帶狀透光板6，使得透過碼盤3的照明光形狀為與線陣CCD5(256像素)的窗口相近，面積略大于線陣CCD5的窗口的面積。
在碼盤3上的偽隨機(jī)編碼環(huán)帶7上制有偽隨機(jī)編碼8。照明光透過碼盤3，使當(dāng)前編碼區(qū)9中的偽隨機(jī)編碼的影像經(jīng)過帶狀透光板6投射到線陣CCD5上。在需要采樣時(shí)，線陣CCD5在DSP10的控制下進(jìn)行采樣，經(jīng)過光積分時(shí)間Tsh后，DSP10使得線陣CCD5的輸出門打開，其中的有效像素(256像素)和附加像素(17像素)，在DSP的時(shí)鐘脈沖的控制下被順序地讀出。
專用線陣CCD和A/D電路11在DSP10的控制下，將CCD5輸出的每一像素信號(hào)數(shù)字化，并存放在DSP10的RAM A(或RAM B)中，以供相關(guān)處理用。
在A/D電路11進(jìn)行全部像素信號(hào)數(shù)字化時(shí)，DSP10調(diào)用其內(nèi)部程序存儲(chǔ)器中的處理程序，以存放于DSP10的RAM B(或RAM A)中的已采集的當(dāng)前編碼區(qū)9中的偽隨機(jī)編碼的圖像作為采樣圖像，以根據(jù)偽隨機(jī)編碼環(huán)帶7中的偽隨機(jī)編碼8，按CCD的光電調(diào)制函數(shù)生成的參考圖像，進(jìn)行一維的圖像相關(guān)處理。圖像相關(guān)處理可以很靈敏地確定主峰的峰頂位置，該位置表示當(dāng)前編碼區(qū)9中的偽隨機(jī)編碼段，相對(duì)于偽隨機(jī)編碼環(huán)帶7中的偽隨機(jī)編碼8的某一起點(diǎn)的相位差。在這里線陣CCD5相當(dāng)于轉(zhuǎn)軸12的指標(biāo)，該相位差表示轉(zhuǎn)軸12的指標(biāo)相對(duì)于偽隨機(jī)編碼環(huán)帶7中的偽隨機(jī)編碼8某一起點(diǎn)的角度。
本實(shí)用新型通過在碼盤3上的偽隨機(jī)編碼環(huán)帶7(整個(gè)圓周)中，制成一個(gè)完整周期的偽隨機(jī)編碼8。光源1發(fā)出的光線，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡2后形成平行光。該平行光透過制有偽隨機(jī)編碼的碼盤3，使當(dāng)前編碼區(qū)9的編碼條紋經(jīng)過帶狀透光板6成像在線陣CCD5上。DSP10控制A/D電路11，獲取當(dāng)前編碼區(qū)9的圖像數(shù)據(jù)。DSP10以從A/D電路11獲取的線陣CCD5的圖像數(shù)據(jù)為測量序列，以根據(jù)偽隨機(jī)編碼8生成的數(shù)據(jù)為參考序列，進(jìn)行兩個(gè)序列的相關(guān)計(jì)算處理，根據(jù)主峰的位置確定當(dāng)前編碼9的圖像在偽隨機(jī)編碼8中的精確位置，該位置即代表了相對(duì)于轉(zhuǎn)軸12的空間位置。
本實(shí)用新型若采用DSP進(jìn)行控制和處理，其速度大大提高，體積進(jìn)一步減小。而且，由于參加確定角度的是上百個(gè)編碼條紋，從而有效地削弱了單個(gè)條紋誤差對(duì)角度測量的影響。采用相同直徑的碼盤，可獲得更高的分辨率，比較結(jié)果見下表。
權(quán)利要求1.一種偽隨機(jī)碼軸角測定裝置，該軸角測定裝置有一個(gè)制有偽隨機(jī)編碼的碼盤，在碼盤的軸向一側(cè)依次放置照明光源和準(zhǔn)直透鏡，在碼盤的徑向的一側(cè)，依次放置帶狀透光板和線陣CCD，線陣CCD的窗口覆蓋當(dāng)前編碼區(qū)中的偽隨機(jī)編碼，并配有A/D轉(zhuǎn)換電路及線陣CCD和A/D轉(zhuǎn)換電路的控制和處理電路，其特征是偽隨機(jī)編碼設(shè)在碼盤外周側(cè)壁上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其特征是相對(duì)照明光源和準(zhǔn)直透鏡，碼盤軸向另一側(cè)的碼盤盤面設(shè)有將透過碼盤的光線反射后穿過碼盤外周側(cè)壁進(jìn)入帶狀透光板和線陣CCD的反射膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的裝置，其特征是線陣CCD和A/D轉(zhuǎn)換電路的控制和處理電路為數(shù)字信號(hào)處理器，通過線陣CCD獲取當(dāng)前編碼區(qū)中的偽隨機(jī)編碼的圖像，數(shù)字信號(hào)處理器進(jìn)行圖像的相關(guān)處理，確定當(dāng)前編碼區(qū)中的偽隨機(jī)編碼段相對(duì)于偽隨機(jī)編碼的某一起點(diǎn)的相位差。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是數(shù)字信號(hào)處理器為ADSP-2181。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是帶狀平行光覆蓋線陣CCD的全部窗口。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的裝置，其特征是光源采用發(fā)光二極管KSx470。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種偽隨機(jī)碼軸角測定裝置，該軸角測定裝置有一個(gè)制有偽隨機(jī)編碼的碼盤，在碼盤的軸向一側(cè)，依次放置照明光源和準(zhǔn)直透鏡，在碼盤的徑向的一側(cè)，依次放置帶狀透光板和線陣CCD，線陣CCD的窗口覆蓋當(dāng)前編碼區(qū)中的偽隨機(jī)編碼，并配有A/D轉(zhuǎn)換電路及線陣CCD和A/D轉(zhuǎn)換電路的控制和處理電路，偽隨機(jī)編碼設(shè)在碼盤外周側(cè)壁上。本實(shí)用新型僅用一個(gè)碼盤、一個(gè)光源、一個(gè)CCD、一個(gè)碼道，就組成了一個(gè)結(jié)構(gòu)簡單、高編碼效率的絕對(duì)軸角測定裝置，并克服了背景技術(shù)所述的絕對(duì)測定裝置和相對(duì)測定裝置的弱點(diǎn)，兼有絕對(duì)測定裝置和相對(duì)測定裝置的優(yōu)點(diǎn)。由于本實(shí)用新型的偽隨機(jī)編碼設(shè)在碼盤外周側(cè)壁上，對(duì)于同樣數(shù)量的偽隨機(jī)編碼，與制作在碼盤盤面的編碼環(huán)帶上相比，本實(shí)用新型可以采用較小直徑的碼盤，從而使得本軸角測定裝置的體積較小。
文檔編號(hào)G01D5/26GK2596325SQ0228447
公開日2003年12月31日 申請(qǐng)日期2002年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月5日
發(fā)明者趙珞成, 趙晨 申請(qǐng)人:武漢大學(xué)