CN112129230B - 一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅 - Google Patents

Abstract

一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅，包括：盘体和编码标线。其中，盘体为镀有不透光镀膜的玻璃材质，或者不透光的金属材质构成；编码标线是一组透光的标线，按照特定的编码排列。以x代表横向维度的编码元，y代表纵向维度的编码元，那么编码标线包括分别代表{x＝0,y＝0}，{x＝1,y＝0}，{x＝1,y＝1}，{x＝0,y＝1}的四种编码标线，所有编码标线的横向间距相同，纵向间距也相等。当采用图像传感器对码盘进行成像，便可以实现对编码值的识别，进而通过译码表获取横向和纵向的位移信息。同时，由于所有编码标线的间距相同，可以方便的通过质心运算实现位移的细分运算。本发明通过与图像识别相配合，可以实现高分辨力、高精度的二维位移测量。

Description

一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅

技术领域

本发明涉及光电位移精密测量领域，具体涉及一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅。

背景技术

数字化光电位移测量是集光机电于一体化的高精密测量技术，以其高精度、高分辨力、测量范围广、易于与数字化设备对接等优点成为是工业制造、航空航天、军事装备等领域的关键技术。同时，随着生产制造业的日趋发展，对数字化位移测量技术提出了更高的要求，主要包括：高测量精度和高分辨能力。研究高分辨力和高精度平面位移测量是基础制造研究领域的热门，具有重要的意义。

对于现有发展成熟的超精密位移传感器，如果应用于二维或多维位移测量领域则需采用多套传感器配合相应的测量系统。对于二维位移测量，单用一个位移传感器往往无法实现，除非采用两套传感器组合完成测量。许多领域都需要进行二维位移测量，而一般的位移传感器只能解决一维位移测量问题。目前测量平面二维位移主要分为两种形式。一种是在x、y方向上分别安装一维位移传感器，通过分别测量x方向和y方向上的位移，实现平面二维位移测量；另一种是采用一体化的二维位移传感器，采用一套位移传感器完成二维位移测量。

根据分析，采用两套一维位移传感器的方式时，安装精度难以保证，且会引入较大的测量误差。而采用一体化的二维测量方式是目前的优先方案。为实现二维平面测量，研究二维光栅码盘是关键。传统技术中心，莫尔条纹方法、磁栅等方法都无法较好的解决绝对式平面位移测量。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅，通过图像传感器的配合，可以简单便捷的实现对标度尺上编码标线的图像识别，进而实现高分辨力和高精度的二维平面位移测量。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅，该二维光栅包括：盘体和设置在盘体上的编码标线；所述盘体为镀不透光膜的金属或玻璃材料的方形盘体；所述编码标线包括四种透光的矩形，其中设横向编码值为x，纵向编码值为y，即四种矩形的编码值为{x＝0,y＝0}，{x＝1,y＝0}，{x＝1,y＝1}和{x＝0,y＝1}。

优选的，所述四种矩形中，有长方形和正方形；所述长方形的长边的长度是短边长度的2倍。

优选的，所述盘体的横纵方向的量程为L，量程范围内有N个编码标线，相邻编码标线中心点之间的距离为L/N，设编码标线的两个长度分别为：A和B，其中L/4N<A<L/2N，B＝A/2。

优选的，所述四种矩形的结构为：

所述形状一的长度为B，高度为B；

所述形状二的长度为A，高度为B；

所述形状三的长度为A，高度为A；

所述形状四的长度为B，高度为A。

优选的，所述编码标线按照横向编码值和纵向编码值的排列顺序，采用相应的形状进行编码；横向编码和纵向编码将分别按照移位编码方式进行编码；

设横向编码的位数为n，初始第0个编码到第n个编码的初始码值为{0,0,0,…,1}，那么第i个编码可以表示为X_i，即

式中，

表示异或运算，a₁～a_n分别运算系数，其值为“1”或者为“0”，且不全为“0”；依次计算每一位编码的码值，并且恰当的选取系数a₁～a_n的值，计算得到2ⁿ个编码值。

当n＝3时，a₁～a₃＝{1,0,1}；

当n＝4时，a₁～a₄＝{1,0,0,1}；

当n＝5时，a₁～a₅＝{1,0,0,1,0}；

当n＝6时，a₁～a₆＝{1,0,0,0,0,1}；

当n＝7时，a₁～a₇＝{1,0,0,0,0,0,1}；

当n＝8时，a₁～a₈＝{1,0,0,0,1,1,1,0}；

当n＝9时，a₁～a₉＝{1,0,0,0,0,1,0,0,0}；

当n＝10时，a₁～a₁₀＝{1,0,0,0,0,0,0,1,0,0}；

根据公式计算得到的这些码值中，每组相邻的n个码值组成一组编码，共有n组不同的编码，对应的i值就是译码值；相应的，纵向编码的数值也将按照公式进行计算。

优选的，所述横向编码值的起始位置位于所述盘体的最左侧或最右侧，然后依次根据编码顺序进行排列；所述纵向编码值的起始位置位于所述盘体的最上侧或下侧，然后依次根据编码顺序进行排列。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅，通过图像传感器的配合，可以简单便捷的实现对标度尺上编码标线的图像识别，进而实现高分辨力和高精度的二维平面位移测量。

附图说明

图1本发明一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅的盘体结构示意图。

图2本发明一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅的编码标线结构示意图。

图3二维平面位移测量装置原理图。

图4本发明实施例公开的(16×16)二维光栅二维位移计算原理图。

图中：1、盘体，2、编码标线，21、形状一，22、形状二，23、形状三，24、形状四，3、图像传感器，4、处理电路，5、成像透镜，6、照明光源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

参照图1，本发明实施例公开的一种(16×16)位编码的二维光栅，包括：盘体1、编码标线2。所述编码标线2刻划于所述盘体1上。所述盘体1是一个不透光的方形盘，由镀有不透光膜的玻璃材质或金属材质组成。

参照图2，本发明实施例公开的编码标线形状示意图，包括：形状一21、形状二22、形状三23、形状四24。设横向编码值为x，纵向编码值为y，那么形状一代表的编码值为{x＝0,y＝0}，形状二为{x＝1,y＝0}，形状三为{x＝1,y＝1}，形状四为{x＝0,y＝1}。

所述形状一21、形状二22、形状三23、形状四24，分别是四种长宽不同的矩形。设横轴方向的量程长度为L，量程范围内共有N个编码区间，横轴内相邻的编码标线的间距为L/N。在x横轴方向的宽度包含两种宽度：宽度一表示为A和宽度二，表示为B。A是B的二倍宽度。同理于纵轴。

优选的，L/4N<A<L/2N，B＝A/2。

所述形状一21的长度为B，高度为B；

所述形状二22的长度为A，高度为B；

所述形状三23的长度为A，高度为A；

所述形状四24的长度为B，高度为A。

所述编码标线2按照横向编码和纵向编码数值的排列顺序，采用相应的形状进行编码。横向编码和纵向编码将分别按照移位编码方式进行编码。

设横向编码的位数为n，初始第0个编码到第n个编码的码值为(初始码值){0,0,0,…,1}，那么第i个编码可以表示为X_i，即

式中，

表示异或运算，a₁～a_n分别运算系数，其值为“1”或者为“0”，且不全为“0”。依次计算每一位编码的码值，并且恰当的选取系数a₁～a_n的值，可以计算得到2ⁿ个编码值。

优选的，当n＝3时，a₁～a₃＝{1,0,1}；

优选的，当n＝4时，a₁～a₄＝{1,0,0,1}；

优选的，当n＝5时，a₁～a₅＝{1,0,0,1,0}；

优选的，当n＝6时，a₁～a₆＝{1,0,0,0,0,1}；

优选的，当n＝7时，a₁～a₇＝{1,0,0,0,0,0,1}；

优选的，当n＝8时，a₁～a₈＝{1,0,0,0,1,1,1,0}；

优选的，当n＝9时，a₁～a₉＝{1,0,0,0,0,1,0,0,0}；

优选的，当n＝10时，a₁～a₁₀＝{1,0,0,0,0,0,0,1,0,0}.

根据公式(1)计算得到的这些码值中，每组相邻的n个码值组成一组编码，共有n组不同的编码，对应的i值就是译码值。

相应的，纵向编码的数值也将按照式(1)进行计算。

所述编码值的起始位置位于所述盘体1的最左侧(或右侧)，然后依次根据编码顺序进行排列。

如图3所示，本发明实施例公开的二维平面位移测量装置，包括：盘体1、编码标线2、图像传感器3、处理电路4、成像透镜5、照明光源6、支架。所述支架带动图像传感器3在平面上进行二维移动。

所述照明光源6发出的光线被所述盘体1反射，并将编码标线2的图案通过所述成像透镜5映射到图像传感器3中，实现对编码标线2的成像。

所述图像传感3将接收到的图像发送到所述处理电路4中，根据图像中编码标线，实现译码和细分计算，进而实现高分辨力和高精度的平面二维位移测量。

参照图4，本发明实施例公开的(16×16)二维位移计算原理图。为实现准确的译码，所述图像传感器3的视野应至少包含4×4个所述编码标线2。以图像视野的横向中心轴为x轴，纵向中心轴为y轴，设置坐标系。

在获取横向位移时，读取横向编码的宽度，并根据各个标线的宽度判断当前标线在横向方向锁代表的数值，并查询译码表得到译码值A_x。图4中，横向编码为“1101”。然后，计算y轴两侧相邻的所述编码标线2的质心，质心分别为x1和x2，那么横向细分的数值可以表示为：

式中，η_x表示细分倍数，η_x越大所能实现的纵向分辨率越大。通过对译码值A_x和细分值B_x的衔接，可以得到最终的横向测量数值C_x＝A_x’η_x+B_x。

同样的，在获取纵向位移时，读取纵向编码的宽度，并根据各个标线的宽度判断当前标线在横向方向锁代表的数值，并查询译码表得到译码值A_x。图4中，纵向编码为“0000”。然后，计算x轴两侧相邻的所述编码标线2的质心，质心分别为y1和y2，那么纵向细分的数值可以表示为：

式中，式中，η_y表示细分倍数，η_y越大所能实现的纵向分辨率越大。通过对译码值A_y和细分值B_y的衔接，可以得到最终的横向测量数值C_y＝A_y’η_y+B_y。

那么，二维合成的位移表示为

本发明具有易于实现绝对式的高分辨力、高精度位移测量，由于平面光栅中，所有标线的横向/纵向间距相同，因此易于实现高分辨力的位移细分算法。

Claims (5)

1.一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅，其特征在于，该二维光栅包括：盘体和设置在盘体上的编码标线；所述盘体为镀不透光膜的金属或玻璃材料的方形盘体；所述编码标线包括四种透光的矩形，其中设横向编码值为x，纵向编码值为y，即四种矩形的编码值为{x＝0,y＝0}，{x＝1,y＝0}，{x＝1,y＝1}和{x＝0,y＝1}；所述编码标线按照横向编码值和纵向编码值的排列顺序，采用相应的形状进行编码；横向编码和纵向编码将分别按照移位编码方式进行编码；

设横向编码的位数为n，初始第0个编码到第n个编码的初始码值为{0,0,0,…,1}，那么第i个编码可以表示为X_i，即

式中，“⊕”表示异或运算，a₁～a_n分别是运算系数，其值为“1”或者为“0”，且不全为“0”；依次计算每一位编码的码值，并且恰当的选取系数a₁～a_n的值，可以最多计算得到2ⁿ个编码值X_i；

当n＝3时，a₁～a₃＝{1,0,1}；

当n＝4时，a₁～a₄＝{1,0,0,1}；

当n＝5时，a₁～a₅＝{1,0,0,1,0}；

当n＝6时，a₁～a₆＝{1,0,0,0,0,1}；

当n＝7时，a₁～a₇＝{1,0,0,0,0,0,1}；

当n＝8时，a₁～a₈＝{1,0,0,0,1,1,1,0}；

当n＝9时，a₁～a₉＝{1,0,0,0,0,1,0,0,0}；

当n＝10时，a₁～a₁₀＝{1,0,0,0,0,0,0,1,0,0}；

根据公式计算得到的这些码值中，每组相邻的n个码值{X_i,X_i+1,…,X_i+n-1}组成一组编码，共有n组不同的编码，对应的i值就是译码值；相应的，纵向编码的数值也将按照公式进行计算。

2.根据权利要求1所述的一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅，其特征在于，所述四种矩形中，有长方形和正方形；所述长方形的长边的长度是短边长度的2倍。

3.根据权利要求1所述的一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅，其特征在于，所述盘体的横纵方向的量程为L，量程范围内有N个编码标线，相邻编码标线中心点之间的距离为L/N，设编码标线的两个长度分别为：A和B，其中L/4N<A<L/2N，B＝A/2。

4.根据权利要求1或3所述的一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅，其特征在于，所述四种矩形的结构为：

所述形状一的长度为B，高度为B；

所述形状二的长度为A，高度为B；

所述形状三的长度为A，高度为A；

所述形状四的长度为B，高度为A。

5.根据权利要求1所述的一种用于高分辨力和高精度平面位移测量的二维光栅，其特征在于，所述横向编码值的起始位置位于所述盘体的最左侧或最右侧，然后依次根据编码顺序进行排列；所述纵向编码值的起始位置位于所述盘体的最上侧或下侧，然后依次根据编码顺序进行排列。

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