技术领域
[0001] 本
发明涉及一种图像式角位移测量装置，涉及光电位移精密测量领域。
背景技术
[0002] 传统光电角位移测量装置采用标定光栅与指示光栅的相对运动，进而产生莫尔条纹光电
信号，通过对莫尔条纹光
电信号相位值的计算，得到标定光栅当前的角位移。但这种方式的角位移测量性能难以满足实际需求。
发明内容
[0003] 本发明所要解决的技术问题是克服
现有技术的
缺陷，提供一种图像式角位移测量装置，它可以方便地输出光栅盘的位移识别图像，以
像素灰度信息代替莫尔条纹相位信息，更容易实现高
分辨率和高
精度的角位移测量。
[0004] 为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种图像式角位移测量装置，它包括：
[0005]
支架，所述支架上分别安装有平行
光源和线阵图像
传感器，平行光源与线阵图像传感器形成对射；
[0006] 与待测物连接并随待测物绕其圆心转动的光栅盘，所述光栅盘的识别区域位于平行光源和线阵图像传感器之间；
[0007] 处理
电路，所述处理电路与所述线阵图像传感器信号连接；其中，
[0008] 所述平行光源发出的平行光照射到识别区域，进而将识别区域的图案映射到线阵图像传感器上；
[0009] 所述线阵图像传感器适于采集映射在其上的图案的图像数据并反馈至处理电路；
[0010] 所述处理电路适于输出其接收的图像数据，或根据图像数据计算角位移量并输出。
[0011] 进一步提供了一种平行光源的具体结构，所述平行光源包括点光源和凸透镜，所述点光源和凸透镜分别安装在支架上，所述点光源位于凸透镜的焦点处，进而通过凸透镜将点光源发出的光变为平行光。
[0012] 进一步为了方便为点光源供电，所述处理电路与点光源电性连接，所述处理电路还适于为点光源供电。
[0013] 进一步为了方便调节线阵图像传感器与光栅盘之间的距离，进而方便成像，所述支架包括上托盘、下托盘和
支撑臂，所述平行光源安装在下托盘上，所述线阵图像传感器安装在上托盘上，所述下托盘与所述支撑臂的下端部固定连接，所述上托盘可升降地套装在支撑臂的上端部，所述上托盘和支撑臂之间设置有在线阵图像传感器相对光栅盘升降到合适
位置后用于
锁定上托盘的锁定机构。
[0014] 进一步提供了一种锁定机构的具体结构，所述锁定机构包括锁定
螺栓，所述上托盘上设置有滑槽，所述支撑臂上设置有螺栓孔，所述锁定螺栓穿过滑槽后旋进螺栓孔内，以便通过旋紧螺栓使得螺栓与滑槽抵接来锁定上托盘。
[0015] 进一步为了方便知晓线阵图像传感器采集的图像数据是否为光栅盘的识别区域图案的图像数据，图像式角位移测量装置还包括与所述处理电路信号连接、且用于指示线阵图像传感器采集的图像数据是否为光栅盘的识别区域图案的图像数据的指示灯。
[0016] 进一步为了方便图像式角位移测量装置与外部设备的连接，图像式角位移测量装置还包括与所述处理电路相连接的连接器。
[0017] 进一步，所述连接器通过传输
电缆与所述处理电路相连接。
[0018] 进一步，所述处理电路适于输出其接收的图像数据，所述连接器包括计算电路和插头，所述计算电路与所述处理电路信号连接，所述插头与所述计算电路相连；其中，[0019] 所述计算电路适于接收处理电路传输的图像数据，及根据图像数据计算角位移量；
[0020] 所述插头适于与外部设备连接，进而方便计算电路向外部设备输出角位移量。
[0021] 进一步，所述连接器具有空腔，所述计算电路安装在空腔内，所述插头的至少一部分露出空腔。
[0022] 采用了上述技术方案后，平行光照射光栅盘的识别区域，并将识别区域的图案映射到线阵图像传感器上，进而实现对光栅盘上识别区域的成像，处理电路接
收线阵图像传感器所采集的图像数据，并将图像数据传输出去，用户再根据传输的图像数据进行角位移的识别计算，或者处理电路直接根据图像数据计算出角位移量并输出，本发明可以方便地获取光栅盘的位移识别图像，以像素灰度信息代替莫尔条纹相位信息，更容易实现高分辨率和高精度的角位移测量，方便工业自动化及其设备获取高精度的角位移信息；本发明的图像式角位移测量装置为集成化装置，在使用时，不需要额外设计系统支架或安置元件，具有体积小、测量精度高、安装简单、使用便捷等优点；本发明还具有指示灯，方便测量人员及时知晓线阵图像传感器采集的图像数据是否为光栅盘的识别区域图案的图像数据，从而可以指示本装置的安装是否到位，简洁明了。
附图说明
[0023] 图1为发明的图像式角位移测量装置的结构示意图；
[0024] 图2为本发明的光栅盘的原理图；
[0025] 图3为本发明的指示灯状态判断原理图；
[0026] 图4为本发明根据图像数据计算G[x]的质心g的
流程图；
[0027] 图5为本发明根据图像数据计算H[x]的质心h的流程图。
具体实施方式
[0028] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体
实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。
[0029] 如图1、2所示，一种图像式角位移测量装置，它包括：
[0030] 支架，所述支架上分别安装有平行光源和线阵图像传感器2，平行光源与线阵图像传感器2形成对射；
[0031] 与待测物连接并随待测物绕其圆心转动的光栅盘8，所述光栅盘8的识别区域82位于平行光源和线阵图像传感器2之间；
[0032] 处理电路6，所述处理电路6与所述线阵图像传感器2信号连接；其中，
[0033] 所述平行光源发出的平行光照射到识别区域82，进而将识别区域82的图案映射到线阵图像传感器2上；
[0034] 所述线阵图像传感器2适于采集映射在其上的图案的图像数据并反馈至处理电路6；
[0035] 所述处理电路6适于输出其接收的图像数据，或根据图像数据计算角位移量并输出。
[0036] 如图1所示，所述平行光源包括点光源3和凸透镜4，所述点光源3和凸透镜4分别安装在支架上，所述点光源3位于凸透镜4的焦点处，进而通过凸透镜4将点光源3发出的光变为平行光。在本实施例中，所述线阵图像传感器2与所述凸透镜4之间的距离应该大于所述标定光栅盘8的厚度。当与所述标定光栅盘8配合安装后，所述线阵图像传感器2与所述标定光栅盘8的高度距离应小于1mm。
[0037] 如图1所示，为了方便为点光源3供电，所述处理电路6与点光源3电性连接，所述处理电路6还适于为点光源3供电。
[0038] 如图1所示，为了方便调节线阵图像传感器2与光栅盘8之间的距离，进而方便成像，所述支架包括上托盘11、下托盘12和支撑臂13，所述平行光源安装在下托盘12上，所述线阵图像传感器2安装在上托盘11上，所述下托盘12与所述支撑臂13的下端部固定连接，所述上托盘11可升降地套装在支撑臂13的上端部，所述上托盘11和支撑臂13之间设置有在线阵图像传感器2相对光栅盘8升降到合适位置后用于锁定上托盘11的锁定机构。
[0039] 如图1所示，所述锁定机构包括锁定螺栓，所述上托盘11上设置有滑槽5，所述支撑臂13上设置有螺栓孔，所述锁定螺栓穿过滑槽5后旋进螺栓孔内，以便通过旋紧螺栓使得螺栓与滑槽5抵接来锁定上托盘11。
[0040] 如图1所示，为了方便知晓线阵图像传感器2采集的图像数据是否为光栅盘8的识别区域图案的图像数据，图像式角位移测量装置还包括与所述处理电路6信号连接、且用于指示线阵图像传感器2采集的图像数据是否为光栅盘8的识别区域82图案的图像数据的指示灯7。
[0041] 如图1所示，为了方便图像式角位移测量装置与外部设备的连接，图像式角位移测量装置还包括与所述处理电路6相连接的连接器。在本实施例中，所述连接器通过传输电缆9与所述处理电路6相连接。
[0042] 如图1所示，所述处理电路6适于输出其接收的图像数据，所述连接器包括计算电路101和插头102，所述计算电路101与所述处理电路6信号连接，所述插头102与所述计算电路101相连；其中，
[0043] 所述计算电路101适于接收处理电路传输的图像数据，及根据图像数据计算角位移量；
[0044] 所述插头102适于与外部设备连接，进而方便计算电路101向外部设备输出角位移量。在本实施例中，所述连接器具有空腔，所述计算电路101安装在空腔内，所述插头102的至少一部分露出空腔。
[0045] 在本实施例中，如图2所示，本发明提供了光栅盘8的原理图，所述光栅盘8包括，标线81，识别区域82，光栅托盘83，所述标线81为2n条位于同一半径位置的径向透
光刻线，光栅托盘83不透光。识别区域82中至少应该包含有n条标线81，并且识别区域82的横向长度，即垂直于径向的方向，应该小于所述线阵图像传感器2的感光区域长度。当所述光栅盘2转动时，所述识别区域82中的标线81也随着转动而变化。
[0046] 具体地，所述光栅盘8上可以包括有2n条等间隔的单圈透光刻线，即标线81，标线81以外为不透光区域，形成n位标定光栅码盘，n为正整数；所述线阵图像传感器2具体可以用于接收至少n+2条刻线的光学投影。另外，每条所述刻线与所述光栅盘8的圆心之间的距离均可以设置为相同。
[0047] 具体地，设线阵图像传感器2的长度为L，光栅盘8上每条刻线与光栅盘8的圆心之间的距离为R，应该使L≥R。
[0048] 所述光栅盘8上包含有2n条等间隔的单圈透光刻线，每一条刻线所代表的码元可n以是“粗线”(代表数值“1”)或“细线”(代表数值“0”)。2条刻线中的第i条刻线所表示的码元将按照式(1)进行计算：
[0049]
[0050] 其中， 表示异或运算，Xi-n，Xi-n+1，…，Xi-1分别是所述码元Xi的之前的前1，2，…，n位码元。令初始的n个码元为{X1，X2，…，Xn-1，Xn}＝{0，0，…，1}；同时令X0＝0，那么经过式(1)的计算共可以得到{X0，X1，X2，…，X2n-1}2n个码元。每个码元Xi与其后的n-1个相邻码元组成一组编码，即{Xi，Xi+1，…，Xi+n-1}。此时的对应的数值i就是{Xi，Xi+1，…，Xi+n-1}编码值对应的译码值；每一组编码值与只对应1个译码值i。标定光栅码盘将按照顺序在同一半径位置，一次刻划所有的码元的刻线。
[0051] 其中，当n＝8时，可以取{a1，a2，…，a8}＝{0,1,1,1,0,0,0,1}；当n＝9时，可以取{a1，a2，…，a9}＝{0,0,0,1,0,0,0,0,1}；当n＝10时，可以取{a1，a2，…，a10}＝{0,0,1,0,0,0,0,0,0,1}。
[0052] 图3为本发明的指示灯8状态判断原理图，所述指示灯7与所述处理电路6连接，并位于所述上托盘11的外表面，用来指示当前所述线阵图像传感器2所采集到的图像是否在允许的范围内。如图3所示，所述处理电路6接收所述线阵图像传感器2所采集的一
帧图像数据，判断所采集到的“标线”的数量是否大于预设值，预设值可以为标定光栅码盘的位数n，然后再判断每一条标线的灰度值是否大于预设值，如果条件满足将使所述指示灯“亮”，否则为“灭”。
[0053] 一种计算电路101计算角位移的方法，方法步骤中包含：
[0054] 根据图像数据计算角位移细分值，角位移细分值表示为A；
[0055] 根据图像数据实现译码，并获取相应的译码值，译码值表示为B；
[0056] 由A+B·2m，得到角位移量，其中，2m的数值为预设的细分倍数，2m取值越大，细分分辨率越高；
[0057] 根据图像数据计算角位移细分值的步骤具体如下：
[0058] 设线阵图像传感器2的分辨率为1×N，第x个像素点的灰度值为Px。
[0059] 步骤一、寻找N/2附近的第一个刻线图案，设
阈值为α(预设值)，按照图4所示的流程图将第N/2个像素附近的第一个刻线保存在G[x]数组中；
[0060] G[x]的质心g将按照式(2)进行计算。
[0061]
[0062] 步骤二、判断g的值与N/2值的大小关系。若g≥N/2，如图5所示的流程图，将继续向x＝x-1方向寻找下一个刻线图案，并计算它的质心；若g
[0063] H[x]的质心h将按照式(3)进行计算。
[0064]
[0065] 设细分值为A，那么细分值计算将按照式(4)进行。
[0066]
[0067] 式(4)中，2m的数值为预设的细分倍数。2m取值越大，细分分辨率越高。
[0068] 根据图像数据实现译码，并查表获取相应的译码值的具体步骤如下：
[0069] 步骤一、在G[x]左侧(x＝x-1方向)和右侧(x＝x+1方向)，分别继续寻找N/2个刻线，并分别存储到J1[x]，J2[x]，J3[x]，…，Jn[x]数组中；
[0070] 步骤二、判断J1[x]数组中刻线所代表的译码值；
[0071] 设J1[x]数组内存储的像素值的个数为k，预设阈值β。判断当k≥β时，J1[x]数组内的刻线代表“1”；当k<β时，G[x]数组内的刻线代表“0”。
[0072] 同理，分别将n个数组J1[x]，J2[x]，J3[x]，…，Jn[x]所代表的数值计算出来，组成n位的编码值{Xi，Xi+1，…，Xi+n-1}，根据预设，与编码值对应的i值就是n位编码值的译码值，对于每一组编码值{Xi，Xi+1，…，Xi+n-1}只对应一个译码值i。根据n位的编码值{Xi，Xi+1，…，Xi+n-1}可以获取相应唯一的译码值，表示为B；其中，i是预设值，可根据式(1)推算。
[0073] 到此，细分和译码完成，角度位移测量的最终结果为A+B·2m。
[0074] 本发明的工作原理如下：
[0075] 平行光照射光栅盘8的识别区域82，并将识别区域82的图案映射到线阵图像传感器2上，进而实现对光栅盘8上识别区域82的成像，处理电路6接收线阵图像传感器2所采集的图像数据，并将图像数据传输出去，用户再根据传输的图像数据进行角位移的识别计算，或者处理电路6直接根据图像数据计算出角位移量并输出，本发明可以方便地获取光栅盘8的位移识别图像，以像素灰度信息代替莫尔条纹相位信息，更容易实现高分辨率和高精度的角位移测量，方便工业自动化及其设备获取高精度的角位移信息；本发明的图像式角位移测量装置为集成化装置，在使用时，不需要额外设计系统支架或安置元件，具有体积小、测量精度高、安装简单、使用便捷等优点；本发明还具有指示灯7，方便测量人员及时知晓线阵图像传感器2采集的图像数据是否为光栅盘8的识别区域82图案的图像数据，从而可以指示本装置的安装是否到位，简洁明了。
[0076] 以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
