本發(fā)明涉及一種新型的絕對式自同步條形碼位移傳感器及其測量方法，屬于儀器儀表技術(shù)領(lǐng)域中的非接觸式位移傳感器及其新型測量方法。

背景技術(shù)：

在現(xiàn)代水利工程中，測量閘門開度的位移傳感器裝置有很多種形式，大致可分如下三種：鋼絲繩旋轉(zhuǎn)編碼器、黑色陶瓷活塞桿加cms行程檢測、剛性無接觸位移傳感器。

鋼絲繩旋轉(zhuǎn)編碼器位移傳感器裝置是水利工程上最早成熟的產(chǎn)品，它利用鋼絲繩滾輪周長來測量物體的長度和距離，其主要組成部件為旋轉(zhuǎn)編碼器、恒力彈簧、鋼絲繩及卷筒。鋼絲繩傳感器在閘門油缸上的安裝分為內(nèi)置式與外置式。內(nèi)置式工作原理是采用鋼絲繩作為傳動件，一端與油缸活塞桿相連，另一端纏繞在卷筒上，卷筒上裝有發(fā)條式恒力彈簧，控制鋼絲繩隨活塞桿的活塞運動來回伸縮，在卷筒連軸的旋轉(zhuǎn)編碼器上輸出閘門開度數(shù)據(jù)。該方式缺點是維修麻煩，一旦出現(xiàn)彈簧回卷力不足，鋼絲繩被拉斷就可能拉傷油缸內(nèi)壁，不僅需更換傳感器本身，尤其需拆卸維修油缸，代價巨大。外置式鋼絲繩傳感器雖然維修方便，但其受環(huán)境影響較大，尤其是鋼絲繩侵入水中時，水流沖擊、水面漂浮物、水冰凍等因素導(dǎo)致測量受阻。

黑色陶瓷cms行程檢測裝置體積小，安裝在油缸外部前端與黑色陶瓷活塞桿結(jié)合部。他的工作原理是，活塞桿在噴涂陶瓷前做了刻環(huán)刻槽預(yù)處理，cms行程檢測裝置通過采集這些環(huán)槽移動的脈沖信號來確定行程。黑色陶瓷cms行程檢測裝置缺點在于它是增量型編碼，斷電后需重新從零位開始檢測，這在工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中是個重要缺陷。

剛性無接觸位移傳感器常見的為磁致伸縮技術(shù)，該類傳感器大多采用內(nèi)置式，其原理是波導(dǎo)管在磁場中運動發(fā)出電信號來確定位移量。這類傳感器缺點有：檢測長度越長，誤差越大，目前行程檢測大多在5米內(nèi)，行程過長對油缸工作狀態(tài)也有限制，油缸過于水平會導(dǎo)致波導(dǎo)管因撓度而磨損，縮短傳感器的使用壽命，后期維護(hù)不方便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)的上述使用缺陷，提出一種新型的無接觸式自同步條形碼位移傳感器，實現(xiàn)絕對位置讀取，不怕掉電；同時理論編碼長度無限制，可以用于剛性測量也可以用于柔性測量，讀取精度高，可以實現(xiàn)大行程和微距的讀??；適用性廣。

在此基礎(chǔ)上，本發(fā)明進(jìn)一步的是提供一種測量方法，基于智能圖像處理技術(shù)和條紋差分原理，將含有絕對位置信息的編碼，利用特定一維條形碼表達(dá)出來，并通過讀數(shù)盒讀取，可精確測量物體的位移量和絕對位置值，其量程幾乎不受限制，且讀取精度高。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用如下技術(shù)方案：

一種自同步條形碼位移傳感器，包括尺帶、和可移動的讀數(shù)頭；讀數(shù)頭與尺帶相隔設(shè)置且包含有攝像裝置，其特征在于：尺帶朝向攝像裝置的表面設(shè)置成攝像裝置能夠識別的特定一維條形碼；所述特定一維條形碼，為在尺帶長度范圍內(nèi)連續(xù)分布的多條黑白相間、寬窄不一的多根條形碼相互平行排列構(gòu)成的定數(shù)位、非重復(fù)滾動絕對編碼，每根條形碼長度與攝像裝置取景框尺寸匹配。

進(jìn)一步的，讀數(shù)頭上還設(shè)置顯示屏、功能按鈕、microusb數(shù)據(jù)接口、信號指示燈，讀數(shù)頭下端面設(shè)置所述攝像裝置，讀數(shù)頭固定在與待測裝置位移同步的移動裝置上或直接固定在待測裝置上；尺帶設(shè)置于被測位移機器的固定部件上，長度方向與機器活動部件運動方向一致。

進(jìn)一步的，攝像裝置沿尺帶表面長度所在方向與尺帶始終保持平行，攝像裝置讀碼時移動方向與尺帶長度方向一致。

進(jìn)一步的，所述特定一維條形碼，編碼最小異動間隔為任意相鄰兩根條形碼中心軸線間距，編碼理論位移分辨率與此間距對應(yīng)；所述滾動絕對編碼，即攝像裝置取景框在移出編碼首位同時移入末尾形成新編碼或者相反的這一運動過程。

進(jìn)一步的，所述特定一維條形碼中，每根條形碼包括至少一個單位白條碼或單位黑條碼，單位白條碼或單位黑條碼的寬度相等，均為編碼元值數(shù)，該編碼元值數(shù)與編碼理論位移分辨率相關(guān)，且由攝像裝置識別精度確定。

進(jìn)一步的，所述尺帶采用pc材質(zhì)的薄膜制成，適用于平面或曲面安裝，且能夠定距離拼接而成；所述特定一維條形碼通過uv打印在尺帶上，將尺帶貼附于被測機器的固定部件上，長度方向與機器活動部件運動方向一致。

進(jìn)一步的，攝像裝置為ccd攝像機。

一種基于上述自同步條形碼位移傳感器的位移檢測方法,其特征在于：

工作時，被測位移機器或與被測位移機器同步的裝置帶動讀數(shù)頭運動，讀數(shù)頭的攝像裝置讀取尺帶上的特定一維條形碼，獲得當(dāng)前讀數(shù)頭所處的絕對位置，即被測位移機器的當(dāng)前位置，當(dāng)前位置與起始位置間差值即為檢測位移結(jié)果。

進(jìn)一步的，讀數(shù)過程中，讀數(shù)頭在設(shè)定時間內(nèi)先后進(jìn)行整數(shù)讀取和小數(shù)讀取，讀取完畢后繼續(xù)移動并實時更新；讀數(shù)頭或攝像裝置在移動過程中將所拍攝到的特定一維條形碼直接進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)編碼后進(jìn)行整數(shù)讀取；小數(shù)讀取過程基于智能圖像處理技術(shù)和條紋差分原理，將含有絕對位置信息的模擬轉(zhuǎn)換編碼后，在移動過程中利用條紋差分原理移動讀取。

進(jìn)一步的，整數(shù)讀取過程為：起始位置特維條碼的與讀取條紋區(qū)域長度相當(dāng)位數(shù)的二進(jìn)制的編碼信息，進(jìn)入攝像裝置的取景框也即讀取條紋區(qū)域后，讀數(shù)頭輸出該位置的絕對位置值；攝像裝置獲取特定一維條碼時，同時也將其轉(zhuǎn)化并生成黑白相間、寬度相等均為a毫米的模擬條紋，然后通過模擬條紋計算出所獲取位置的絕對位置值；當(dāng)讀數(shù)頭向右移動設(shè)定距離后到達(dá)新位置時，得到與讀取條紋區(qū)域長度相當(dāng)位數(shù)的二進(jìn)制的新編碼信息，該新編碼信息便對應(yīng)此時設(shè)定距離后的絕對位置；該設(shè)定距離即為編碼精度；通過起始位置和新位置的絕對位置差值計算絕對移動距離；

小數(shù)讀取過程為：

首先在起始位置讀數(shù)頭或攝像裝置中將取景框或讀取條紋區(qū)域所拍攝到的特定一維條形碼進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，形成黑白條紋寬度均為a毫米的等寬度模擬條紋；

再模擬一長串總寬度與模擬條紋總寬度相當(dāng)、由左至右排列的包括黑條紋和白條紋的差分條紋，該差分條紋中黑條紋寬度為a毫米，白條紋寬度為b毫米，b＜a；

最后，由左至右，將差分條紋的第一條黑條紋與模擬條紋中的第一條黑條紋對齊，使差分條紋的黑條紋與模擬條紋第n條白條紋對齊，則此時可得差分條紋的白條紋寬度b和條紋差分精度為

將差分條紋隨讀數(shù)頭移動并最終與模擬條紋重合，在此過程中開始小數(shù)部分的絕對位置識別和計算。

進(jìn)一步的，本發(fā)明中的有些技術(shù)術(shù)語釋義如下：

“自同步”釋義如下：

因為讀數(shù)頭始終是從讀取框中從左到右讀取與取景框尺寸相符位數(shù)的二進(jìn)制，所以只要在讀數(shù)頭的攝像頭自動調(diào)焦范圍內(nèi)能拍到清晰的圖片，縱向也即垂直于尺帶表面的的抖動是不影響讀數(shù)的準(zhǔn)確度的，所以稱為自同步。

“特定一維條形碼”釋義如下：

通用一維條形碼以黑白相間，寬窄不一的條紋編碼表達(dá)數(shù)字，遵從標(biāo)準(zhǔn)多樣。但無論遵從哪種標(biāo)準(zhǔn)，均采用“起始碼”-“數(shù)據(jù)碼”-“結(jié)束碼”格式。用于位移檢測的特定一維條形碼，為在有效量程范圍內(nèi)分布安裝的多條紋極長條形碼，其長度范圍優(yōu)選在40至60毫米之間，受ccd攝像機視窗尺寸限制，采用特定一維條形碼解讀位移更為有利。

特定一維條形碼為連續(xù)多條黑白相間、寬窄不一的條形碼長陣列相互平行排列構(gòu)成，每根條形碼包括至少一個單位白條碼或單位黑條碼，單位白條碼的寬度或單位黑條碼的寬度相等；單位白條碼的寬度或單位黑條碼的寬度均為編碼元值，編碼元值可初始定義為2～9中間的任意數(shù)，表明參加編碼的基元個數(shù)，此個數(shù)，受ccd攝像機分辨率限制。例如，當(dāng)編碼元值取3時，參加編碼的基元數(shù)為3，自同步條形碼相應(yīng)有3種不同線寬；如當(dāng)編碼元值取5時，參加編碼的基元數(shù)為5，自同步條形碼相應(yīng)有5種不同線寬；

自同步條形碼位移傳感器以絕對位置條形碼定位加差分解析機制共同工作。在ccd攝像機視窗限制長扁形取景框中，隨著智能調(diào)焦系統(tǒng)的快速有效跟蹤，攝取的編碼條數(shù)可以自行定義，保證攝像機與尺帶之間的間隙大幅度波動時，能采集到圖像清晰，條數(shù)相等且居中的有效編碼條紋。

編碼條紋的原始印刷編碼，采用高速計算機通過特定試算程序取得，其為一長串定數(shù)位、非重復(fù)、滾動絕對編碼，編碼最小異動間隔為任意相鄰兩根條形碼中心軸線間距，編碼理論位移分辨率與此間距對應(yīng)。

所謂滾動編碼，意即ccd取景框在移出首位同時移入末尾形成新編碼或者相反的這一運動過程。

綜上所述，本發(fā)明公開了一種新型的絕對式自同步條形碼位移傳感器，包括一條尺帶，一個讀數(shù)盒。所述尺帶基材為pc薄膜，采用uv打印機將特定一維條形碼印刷在其面上，所述讀數(shù)盒為特定一維條形碼讀取和處理系統(tǒng)，上面有顯示屏等，下面有ccd攝像機。尺帶采用膠黏方式貼于被測位移機器的固定部件上，特定一維條形碼始終朝向讀數(shù)盒的攝像機。工作時，被測位移機器帶動讀數(shù)盒運動，ccd攝像機讀取尺帶上的特定一維條形碼，獲得當(dāng)前ccd攝像機所處的絕對位置，即被測位移機器的當(dāng)前位置。

該尺帶為柔性尺帶，可跟隨直線或曲線軌跡安裝，相對運動無接觸摩擦，讀取間隙自適應(yīng)，編碼長度幾乎無限制，可廣泛應(yīng)用于水利水電、工礦企業(yè)、交通運輸、綠色環(huán)保、軍工裝備等領(lǐng)域。

如可將尺帶安裝在水利水電閘門邊緣，直接測量閘門平面或弧形面的升降位移，能很好地解決現(xiàn)有位移傳感器的各種缺陷。

相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明利用特定一維條形碼讀取原理，研制出一種新型自同步條形碼位移傳感器，該自同步條形碼位移傳感器基于智能圖像處理技術(shù)和條紋差分原理，將含有絕對位置信息的編碼，利用特定一維條形碼表達(dá)出來，并通過讀數(shù)盒讀取，可精確測量物體的位移量和絕對位置值，其量程幾乎不受限制。它比現(xiàn)有的位移傳感器有著明顯的優(yōu)勢和有益效果：

1、絕對讀碼，掉電后不影響讀數(shù)；

2、安裝方便，只需外置固定讀數(shù)盒與尺帶便可完成安裝；

3、后期維護(hù)方便，尺帶可定距離拼接而成，一處破損無需整條尺帶拆下，只需更換對應(yīng)區(qū)域尺帶即可；

4、應(yīng)用范圍廣，柔性尺帶可曲面貼附，適用于多種運動軌跡場合；

5、在某些特定應(yīng)用領(lǐng)域，如水利水電閘門豎直升降時，閘門左右方向抖動很厲害，目前市面上的多種位移檢測產(chǎn)品不能很好解決抖動帶來的較大的讀數(shù)誤差與跳動。因為本發(fā)明的讀數(shù)頭始終是從讀取框中從左到右讀取與取景框尺寸相符位數(shù)的二進(jìn)制，所以只要在讀數(shù)頭的攝像頭自動調(diào)焦范圍內(nèi)能拍到清晰的圖片，縱向也即垂直于尺帶表面的的抖動是不影響讀數(shù)的準(zhǔn)確度的。

附圖說明

圖1是本發(fā)明自同步條形碼位移傳感器的立體視圖。

圖2是本發(fā)明自同步條形碼位移傳感器的讀數(shù)原理圖。

圖3為本發(fā)明自同步條形碼位移傳感器條紋差分原理圖中的模擬條紋12形成圖。

圖4是本發(fā)明自同步條形碼位移傳感器條紋差分原理圖中的模擬條紋12和差分條紋13的結(jié)合圖。

圖5是本發(fā)明自同步條形碼位移傳感器在讀取過程中的差分條紋移動過程圖。

圖1-5中，各附圖標(biāo)記對應(yīng)如下：1、尺帶；2、特定一維條形碼；3、讀數(shù)盒；4、顯示屏；5、條碼讀取裝置；6、功能按鈕；7、microusb數(shù)據(jù)接口；8、信號指示燈；9、安裝固定孔；10、讀取條紋區(qū)域；11、編碼信息；12、模擬條紋；13、差分條紋。

具體實施方式

本發(fā)明的自同步條形碼位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，本發(fā)明自同步條形碼位移傳感器，包括有讀數(shù)盒3、尺帶1、印在尺帶上的特定一維條形碼2。所述讀數(shù)盒3與尺帶1相隔一定距離，且始終保持平行，讀數(shù)盒3運動方向與尺帶1長度方向一致。其中，讀數(shù)盒3上面包含有顯示屏4、功能按鈕6、microusb數(shù)據(jù)接口7、信號指示燈8，下面安裝有條碼讀取裝置5(本實施例中為ccd攝像機)，左右兩邊分別有2個安裝固定孔9。

本實施例中，所述尺帶1采用pc材質(zhì)的薄膜，具有良好的柔韌性，適用于平面或曲面安裝，且可定距離拼接而成。其基材耐候性良好，可長期處于戶外惡劣環(huán)境中使用。特定一維條形碼2采用黑白相間，寬窄不一的特定一維條形碼編碼方式，經(jīng)條紋差分智能處理后，其測量分辨率可達(dá)0.1毫米，編碼長度理論上無限制。特定一維條形碼2通過uv打印機打印在尺帶1上。將尺帶1用膠黏方式貼附于被測機器的固定部件上，長度方向與機器活動部件運動方向一致。

讀數(shù)盒3為本傳感器核心智能解讀裝置。圖1的實施例中，讀數(shù)盒3通過4個安裝固定孔9固定在被測機器的活動部件上，有條碼讀取裝置5的一面朝向尺帶1，并保持一定距離，使機器運轉(zhuǎn)過程中讀數(shù)盒3始終平行于尺帶1并讀取特定一維條形碼2。

本實施例中，讀數(shù)盒3上的三個功能按鈕6分別為“開關(guān)”、“復(fù)位/清零”、“設(shè)置/記憶”，“開關(guān)”按鈕控制條碼讀取裝置開關(guān)，(是否應(yīng)該是條碼讀取裝置，還是其他什么傳感器的話請明示)“復(fù)位/清零”按鈕用于控制位置清零，“設(shè)置/記憶”按鈕用于存儲記憶測量數(shù)據(jù)以及其他功能選擇等操作，三個信號指示燈8可用于顯示傳感器條碼讀取裝置5是否正常工作、功能模式提示、按鈕提示等，顯示屏4則更加直觀地顯示當(dāng)前位置值、電池電量、單位切換、工作模式等各項功能操作顯示。

本發(fā)明的工作原理為：

特定一維條形碼2為連續(xù)不重復(fù)的條碼編碼，定義條碼讀取裝置5讀取m個單位條碼，每個單位條碼或黑或白且寬度為a毫米，單位白條碼為二進(jìn)制0，單位黑條碼為二進(jìn)制1，讀數(shù)盒3移動過程中，m個單位條碼中，首位移出一個單位條碼的同時，末尾移入一個單位條碼，從而形成新的編碼，如此連續(xù)不重復(fù)的編碼容量n＝2^m個。

如圖2所示，在本實施例中，條碼讀取裝置5的讀取條紋區(qū)域10用于實時讀取特定一維條形碼2，讀取條紋區(qū)域10的讀取長度為16個單位條碼，即讀取16位二進(jìn)制的編碼信息11，該編碼信息11便對應(yīng)算法中的位置信息，當(dāng)讀取了圖2左圖該位置的16位二進(jìn)制的編碼信息11后，讀數(shù)盒3即輸出圖2左圖該位置的絕對位置值，當(dāng)讀數(shù)頭3向右移動a毫米后，到達(dá)圖2右圖時，得到了新的16位二進(jìn)制編碼對應(yīng)的編碼信息11，該新的編碼信息11便對應(yīng)了此時移動a毫米后的絕對位置。以此類推，當(dāng)讀數(shù)盒3每到一個位置，都可以對應(yīng)到一個不重復(fù)的二進(jìn)制編碼，即輸出該位置的絕對位置，同時也可知該編碼精度為a毫米。

讀數(shù)過程中，讀數(shù)盒3在極短時間內(nèi)先后進(jìn)行整數(shù)讀取和小數(shù)讀取，且在移動過程中不斷進(jìn)行整數(shù)讀取和小數(shù)讀取過程，實時更新檢測到的移動距離。

整數(shù)讀取過程中，ccd獲取特定一維條碼2時，同時也將其轉(zhuǎn)化并生成黑白相間，寬度均為a的模擬條紋12(如圖3)，然后通過模擬條紋信息計算該位置的絕對位置信息，再通過起始位置和新位置的差值，計算絕對移動距離。

整數(shù)部分讀取分辨率只有a，為獲得更高的精度，在上述獲取一定精度的整數(shù)讀數(shù)過程的基礎(chǔ)上對非重復(fù)連續(xù)編碼狀態(tài)的特定一維條形碼2的條紋進(jìn)行智能差分處理，以便進(jìn)行小數(shù)部分的讀取。

如圖3所示為本發(fā)明的讀取原理介紹，首先在讀數(shù)盒3中將其所拍攝到的特定一維條形碼2(圖3上部分)進(jìn)行模擬轉(zhuǎn)換，形成黑白條紋寬度均為a毫米的等寬度模擬條紋12(圖3下部分)，然后如圖4所示的放大圖中，再模擬一長串差分條紋13，該差分條紋13中黑條紋寬度為a毫米，白條紋寬度為b毫米，b＜a；最后，由左至右，將差分條紋13的第一條黑條紋與模擬條紋12中的第一條黑條紋對齊，使差分條紋13的黑條紋與模擬條紋12第n條白條紋對齊，則此時可得差分條紋13的白條紋寬度b：

則此時條紋差分精度為：

在本實施例中，n為自然數(shù)，取n＝10，a＝1mm，(a的范圍理論上可以為0-10mm，本實施例取1mm)則差分條紋13白條紋寬度為0.9mm，此時差分精度為0.1mm。圖2的整數(shù)部分讀取后，差分條紋13隨讀數(shù)盒3移動并與模擬條紋12重合，開始小數(shù)部分的識別。如圖5，由(a)到(c)三個圖為1mm范圍內(nèi)差分條紋13移動的開始到結(jié)束，差分條紋13的黑條紋分別逐漸與模擬條紋12中的白條紋重合，例如圖5中第二張圖，差分條紋13的黑條紋與模擬條紋12中的第4根白條紋相重合，則此時絕對位置小數(shù)部分讀數(shù)為0.4mm。由于ccd獲取特定一維條碼2時，同時也將其轉(zhuǎn)化并生成黑白相間，寬度均為a的模擬條紋12(如圖3)，差分條紋13由計算機生成，且始終與讀數(shù)盒相對靜止，讀取小數(shù)部分時，相當(dāng)于“有限長度的”差分條紋13與“無限長度的”模擬條紋12重合，對每a毫米進(jìn)行差分讀數(shù)。

由此，本發(fā)明通過上述連續(xù)不重復(fù)的條碼編碼進(jìn)行整數(shù)精度的讀取實施例，以及整數(shù)精度和小數(shù)精度結(jié)合的實施例，將智能差分處理在非重復(fù)連續(xù)編碼位移辨識分辨率基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化，其本質(zhì)為機械式游標(biāo)卡尺差分測微機制的智能電子化處理。

本發(fā)明與其他現(xiàn)有技術(shù)相比，其優(yōu)點如下：

1、條碼讀取裝置移動的同時，將非接觸式的尺帶以特定一維條形碼的形式設(shè)置在條碼讀取裝置的移動行程中，特定一維條形碼連續(xù)不重復(fù)，實現(xiàn)了大行程和微小行程的兼容，適應(yīng)性廣。

2、采用連續(xù)不重復(fù)的條碼編碼進(jìn)行整數(shù)精度的讀取，并在在非重復(fù)碼位移辨識分辨率基礎(chǔ)上進(jìn)行條碼智能差分處理進(jìn)行小數(shù)精度識別，實現(xiàn)了基于機械式游標(biāo)卡尺差分測微原理的的智能電子化處理方式，讀取精度高。

3、采用絕對編碼方式，掉電后不影響讀數(shù)。條碼讀取裝置的讀取條紋區(qū)域的讀取長度與條碼的絕對位置信息對應(yīng)；當(dāng)讀取了起始位置的二進(jìn)制的編碼信息后，讀數(shù)盒即輸出該位置的絕對位置值，當(dāng)讀數(shù)頭移動一個條紋寬度后到達(dá)新的條碼位置時，得到了新的二進(jìn)制編碼對應(yīng)的編碼信息，該新的編碼信息便對應(yīng)此時移動后的絕對位置。

4、理論編碼長度無限制，只要尺帶載體支持，可用于超長距離的位移測量。

5、結(jié)構(gòu)簡單，讀取裝置通過ccd攝像機配置小型處理器即可實現(xiàn)，尺帶載體易于制造獲取，設(shè)置時對場地環(huán)境的要求不高，應(yīng)用面廣，安裝簡便。

6、易于制造和組裝，制備維護(hù)成本低廉。