CN104567742A - 一种新型位移测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型位移测量装置,属于测量装置领域,该装置包括转轴、激光光源、光敏阵列元件组、及数据处理模块,所述激光光源固定安装于所述转轴上,所述光敏阵列元件组环状布置在转轴周围,所述数据处理模块与该光敏阵列元件组相连接,同时本发明还公开了该装置的测量方法,本装置工作时,转轴与被测轴作同步旋转运动,激光光束随转轴旋转,在光敏阵列元件组上形成光斑,受到光斑的光敏单元产生电信号传输给数据处理模块,数据处理模块根据光敏单元的地址信息,从而计算出光斑对应的被测轴的绝对旋转位置,进而解决了现有技术编码器测量精度受光电码盘的限制的技术性难题。
Description
技术领域
本发明涉及测量装置,具体地涉及一种新型位移测量装置及其测量方法。
背景技术
位移传感器在工业领域如机床、机器人、生产线、电梯等拥有广泛的应用,这些机床设备的使用精度很大程度上取决于位移传感器的精度,而位移传感器以编码器最为广泛使用,可测量角位移或直线位移。目前大多的编码器是基于光栅处理以光电码盘为核心的器件,光电码盘的刻划精度决定了编码器的使用精度,而光电码盘的精度越高,其加工难度也越高,加工周期越长,制作成本巨大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型位移测量装置以解决现有技术编码器测量精度受光电码盘限制的技术问题。
为了达到上述目的,本发明采用如下的技术方案:
一种新型位移测量装置,包括转轴、激光光源、光敏阵列元件组及数据处理模块,所述激光光源固定安装于所述转轴上,所述光敏阵列元件组环状布置在转轴周围,所述数据处理模块与该光敏阵列元件组相连接,本装置工作时,转轴与被测轴作同步旋转运动,激光光束随转轴旋转,在光敏阵列元件组上形成光斑,受到光斑的光敏单元产生电信号传输给数据处理模块,数据处理模块根据光敏单元的地址信息,计算出光斑对应的被测轴的绝对旋转位置。
作为本技术方案的一种改进,所述光敏阵列元件组由不低于三片数量的光敏阵列元件构成,也可以是定制而成的呈闭合环状的光敏阵列元件,该光敏阵列元件组呈环状布置在转轴周围即可;该光敏阵列元件可以是CMOS图像传感器,CCD图像传感器等由光敏单元集成的阵列元件。
作为本技术方案的另一种改进,所述数据处理模块用于驱动所述光敏阵列元件组。
作为本技术方案的再一种改进,所述数据处理模块包括信号筛选单元、位置运算处理单元,该信号筛选单元用于对来自光敏阵列元件组的信号进行筛选,该位置运算处理单元用于对该信号筛选单元筛选出的信号进行计算,计算出光斑对应的被测轴的绝对旋转位置。
同时,本发明还提供了该新型位移测量装置的测量方法,具体包括以下步骤:
S1、通过联轴器将本装置的转轴与被测轴相连,使与被测轴做同步旋转运动,同时激光光源通电,发出激光;
S2、光敏阵列元件组接收到激光,光敏阵列元件组上形成光斑,受到光斑的图像传感器元件单元将光信号转换为电信号;
S3、数据处理模块中的信号筛选单元对步骤S2中的电信号进行筛选,并输出筛选该被筛选出的电信号的列地址i;
S4、数据处理模块中的位置运算处理单元对步骤S3中输出的列地址i进行识别计算,计算出被测轴的的角度;
S5、将步骤S4得出的被测轴的的角度位置信息输出。
进一步,所述步骤S4中的计算方法具体由下式构成:
其中:k为o点的列地址;o点为转轴轴线中心在光敏阵列元件上的投影点;
d为光敏元件单元的列间距;
h为转轴轴线中心到o点的距离。
本发明与现有技术相比,具有如下的技术优势:
本发明以转轴、激光光源、光敏阵列元件组、及数据处理模块组成一种新型的位移测量装置,本装置工作时,转轴与被测轴作同步旋转运动,激光光束随转轴旋转,在光敏阵列元件组上形成光斑,受到光斑的光敏单元产生电信号传输给数据处理模块,数据处理模块根据光敏单元的地址信息,从而计算出光斑对应的被测轴的绝对旋转位置,本发明装置的精度取决于光敏阵列元件光敏单位的尺寸规格和转轴轴线中心到o点的距离h,阵列单元尺寸越小,距离h越大,装置的测量精度越高。当光敏单元尺寸为2.2um×2.2um、h=20mm时,测量精度可达到±3.6″,分辨率经过软硬件细分可达到更高于精度的测量水平。
附图说明
图1为实施例一中新型的位移测量装置的结构示意图;
图2为实施例一中的光敏单元阵列与光斑形状示意图
图3为实施例一中数据处理模块的示意图;
图4为实施例二中新型的位移测量装置的测量方法流程图;
图5为实施例二中的位置计算示意图;
图中:1转轴,2激光光源,3光敏阵列元件组,4数据处理模块,2a点状激光,2b一字激光,41信号筛选单元,42位置运算处理单元。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明,不能理解为对本专利的限制。
对于本领域技术人员来说,附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例,对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示,为本实施例中新型位移测量装置的结构示意图,本装置包括转轴1,激光光源2固定安装于所述转轴1上,如图2所示,激光光源2可为点状激光2a,也可为一字激光2b,一字激光2b的光幕面与纸面垂直,即转轴1轴心时时平行于或在发射的光幕面上,本实施例中激光光源2采用一字激光2b,光敏阵列元件组环状布置在转轴周围,本实施例中,光敏阵列元件组3由四个光敏阵列元件构成,安装时光敏面在转轴1轴向视角上闭合成环状布置在转轴周围,该光敏阵列元件是CMOS图像传感器,该光敏单元阵列分布如图2所示,此阵列是线阵的,也可是面阵的,本实施例中采用线阵的方式;数据处理模块4与该光敏阵列元件组3相连接(未图示),该数据处理模块4用于驱动所述光敏阵列元件组3,同时该数据处理模块4如图3所示,包括信号筛选单元41、位置运算处理单元42,该信号筛选单元41用于对来自光敏阵列元件组3的信号进行筛选,该位置运算处理单元42用于对该该信号筛选单元41筛选出的信号进行计算,计算出光斑对应的被测轴的绝对旋转位置,本实施例中用FPGA执行信号筛选功能,用DSP执行位置运算处理单元功能。
实施例二
本实施例为新型的位移测量装置的测量方法,如图4所示,具体包括以下步骤:
S1、通过联轴器将本装置的转轴与被测轴相连,与与被测轴做同步旋转运动,同时激光光源通电,发出激光;
S2、光敏阵列元件组接收到激光,光敏阵列元件组上形成光斑,受到光斑的图像传感器元件单元将光信号转换为电信号;
S3、数据处理模块中的信号筛选单元对步骤S2中的电信号进行筛选,并输出筛选该被筛选出的电信号的列地址i;
S4、数据处理模块中的位置运算处理单元对步骤S3中输出的列地址i进行识别计算,计算出被测轴的的角度;
S5、将步骤S4得出的被测轴的的角度位置信息输出。
其中,对于光敏阵列元件组中的每片独立光敏阵列元件,如图5所示,为步骤S4中的计算方法,有以下数学关系,,o为转轴轴线中心在光敏阵列元件上的投影点,x为激光光束在光敏阵列元件上的位置,h为转轴轴线中心到o点的距离,ox即为激光光点在光敏阵列元件上的坐标位置,坐标位置由数据处理模块识别并计算出来;设o点的列地址为k,光敏单元的列间距为d,则;对于测量轴的旋转角度,都有唯一的光敏阵列元件角度对应起来,,即这种装置的测量是绝对的。
实施例三
本实施例将结合实施例一中的新型位移测量装置及实施例二中测量方法;
以转轴为中心,四片线阵CMOS图像传感器两两垂直安装围绕在转轴周围,顺时针方向分别为第一、二、三、四线阵,光敏面围成一个正方形,规定正方形边长中心点位置分别对应转轴角度的0˚、90˚、180˚、360˚。
测量运算时,对于线阵编号j,从而运算公式有
,结果数值范围为-45˚< θ < 315˚,进一步数值转换,有,此θ值即为测量结果。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明,但本发明创造并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换,这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (6)
1.一种新型位移测量装置,其特征在于,包括转轴、激光光源、光敏阵列元件组、及数据处理模块,所述激光光源固定安装于所述转轴上,所述光敏阵列元件组环状布置在转轴周围,所述数据处理模块与该光敏阵列元件组相连接。
2.如权利要求1所述的一种新型位移测量装置,其特征在于,所述光敏阵列元件组由数量不低于三片的光敏阵列元件或定制而成的呈闭合环状的光敏阵列元件构成。
3.如权利要求1所述的一种新型位移测量装置,其特征在于,所述数据处理模块用于驱动所述光敏阵列元件组。
4.如权利要求1所述的一种新型位移测量装置,其特征在于,所述数据处理模块包括信号筛选单元、位置运算处理单元,该信号筛选单元用于对来自光敏阵列元件组的信号进行筛选,该位置运算处理单元用于对该信号筛选单元筛选出的信号进行计算,计算出光斑对应的被测轴的绝对旋转位置。
5.一种如权利要求1所述的一种新型位移测量装置的测量方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1、通过联轴器将本装置的转轴与被测轴相连,使与被测轴做同步旋转运动,同时激光光源通电,发出激光;
S2、光敏阵列元件组接收到激光,光敏阵列元件组上形成光斑,受到光斑的图像传感器元件单元将光信号转换为电信号;
S3、数据处理模块中的信号筛选单元对步骤S2中的电信号进行筛选,并输出筛选该被筛选出的电信号的列地址i;
S4、数据处理模块中的位置运算处理单元对步骤S3中输出的列地址i进行识别计算,计算出被测轴的的角度;
S5、将步骤S4得出的被测轴的的角度位置信息输出。
6.如权利要求5所述的一种新型位移测量装置的测量方法,其特征在于,所述步骤S4中的计算方法具体由下式构成:
其中:k为o点的列地址;o点为转轴轴线中心在光敏阵列元件上的投影点
d为光敏元件单元的列间距;
h为转轴轴线中心到o点的距离。
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