基于cmos圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺及其測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光柵尺測(cè)量領(lǐng)域，特別是涉及基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺及其測(cè)量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]絕對(duì)式光柵尺用于檢測(cè)直線位移的絕對(duì)位置，目前技術(shù)中，一般采用的是垂直編碼的物理刻度，然后利用長(zhǎng)度與柵距相等的集成式光電池來(lái)檢測(cè)絕對(duì)位置，同時(shí)為了提高位置分辨率，此類(lèi)光柵尺往往附加有正余弦增量檢測(cè)通道，通過(guò)增量輸出信號(hào)的細(xì)分，位置分辨率最高可達(dá)0.005微米。但是目前的絕對(duì)式光柵尺，光柵碼道都刻畫(huà)在玻璃或鋼帶等材料上，而電機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的徑向跳動(dòng)，從而可能造成碼道出現(xiàn)微小位移，當(dāng)振動(dòng)造成的徑向位移達(dá)到一定幅值時(shí)，甚至可能出現(xiàn)讀數(shù)錯(cuò)誤。而且，傳統(tǒng)的絕對(duì)式光柵尺均采用光柵編碼，對(duì)光柵刻畫(huà)技術(shù)的要求很高，例如二進(jìn)制編碼盤(pán)，η位二進(jìn)制碼盤(pán)具有2η種不同編碼，若要提高絕對(duì)式光柵尺分辨力，必須增加η值。而隨著η值的增大，光柵尺碼道越來(lái)越多，導(dǎo)致光柵尺寸也越來(lái)越大，制作成本大大提高，而且這種方式存在編碼范圍的限制，給測(cè)量范圍的擴(kuò)大帶來(lái)限制。另外，二進(jìn)制光柵碼道微小的制作誤差，將會(huì)使個(gè)別碼道提前或延后，這會(huì)造成輸出信號(hào)的誤差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺，本發(fā)明的另一目的是提供及基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺的測(cè)量方法。
[0004]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是:
基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺，包括光柵尺主體、光學(xué)放大系統(tǒng)、CMOS圖像傳感器、信號(hào)處理模塊和主控模塊，所述光柵尺主體上設(shè)有測(cè)量碼道和細(xì)分碼道，所述光學(xué)放大系統(tǒng)用于收集經(jīng)測(cè)量碼道和細(xì)分碼道反射或透射的光線并會(huì)聚入射到CMOS圖像傳感器上，所述CMOS圖像傳感器用于采集到達(dá)的光信號(hào)后獲得當(dāng)前測(cè)量位置的模擬圖像并發(fā)送到信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊用于將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像后發(fā)送到主控模塊，所述主控模塊用于對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理后分別獲得粗測(cè)位置值及細(xì)分位置值進(jìn)而組合獲得絕對(duì)位置測(cè)量值。
[0005]進(jìn)一步，所述測(cè)量碼道包括多個(gè)在水平方向上緊密排列的長(zhǎng)度相同且高度依次遞增的光柵條紋，所述細(xì)分碼道設(shè)有多個(gè)二進(jìn)制碼道且每個(gè)二進(jìn)制碼道與一光柵條紋相對(duì)應(yīng)。
[0006]進(jìn)一步，所述CMOS圖像傳感器被配置為設(shè)有一與高度最高的光柵條紋相匹配的第一開(kāi)窗以及一與二進(jìn)制碼道相匹配的第二開(kāi)窗。
[0007]進(jìn)一步，所述主控模塊具體用于:將數(shù)字圖像分割獲得測(cè)量碼道圖像塊和細(xì)分碼道圖像塊后，進(jìn)行二值化處理，進(jìn)而分別將二值化后的測(cè)量碼道圖像塊和細(xì)分碼道圖像塊與預(yù)設(shè)的編碼數(shù)據(jù)庫(kù)比對(duì)后，對(duì)應(yīng)獲得粗測(cè)位置值和細(xì)分位置值，進(jìn)而將兩者組合獲得絕對(duì)式光柵尺的絕對(duì)位置測(cè)量值。
[0008]進(jìn)一步，還包括用于對(duì)CMOS圖像傳感器進(jìn)行運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)男Ｕa(bǔ)償單元。
[0009]進(jìn)一步，所述校正補(bǔ)償單元包括陀螺儀傳感器、微處理器和壓電陶瓷片組，所述微處理器分別與陀螺儀傳感器和壓電陶瓷片組連接。
[0010]本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的另一技術(shù)方案是:
所述的基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺的測(cè)量方法，包括步驟:
51、將光柵尺主體安裝在待測(cè)物體上，并驅(qū)動(dòng)待測(cè)物體進(jìn)行移動(dòng)；
52、光學(xué)放大系統(tǒng)收集經(jīng)測(cè)量碼道和細(xì)分碼道反射或透射的光線并會(huì)聚入射到CMOS圖像傳感器上；
53、CM0S圖像傳感器采集到達(dá)的光信號(hào)后獲得當(dāng)前測(cè)量位置的模擬圖像并發(fā)送到信號(hào)處理模塊；
54、信號(hào)處理模塊將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像后發(fā)送到主控模塊；
55、主控模塊對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理后分別獲得粗測(cè)位置值及細(xì)分位置值進(jìn)而組合獲得絕對(duì)位置測(cè)量值。
[0011]進(jìn)一步，所述步驟S5，具體包括:
551、將數(shù)字圖像分割獲得測(cè)量碼道圖像塊和細(xì)分碼道圖像塊后，進(jìn)行二值化處理；
552、分別將二值化后的測(cè)量碼道圖像塊和細(xì)分碼道圖像塊與預(yù)設(shè)的編碼數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)后，對(duì)應(yīng)獲得粗測(cè)位置值和細(xì)分位置值；
553、將兩者組合獲得絕對(duì)式光柵尺的絕對(duì)位置測(cè)量值。
[0012]進(jìn)一步，所述S52，其具體為:
獲取二值化后的測(cè)量碼道圖像塊中的直線的高度，進(jìn)而將該高度與預(yù)設(shè)的編碼數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)后，獲得粗測(cè)位置值，同時(shí)獲取二值化后的細(xì)分碼道圖像塊中的二進(jìn)制編碼信息，并將二進(jìn)制編碼信息與預(yù)設(shè)的編碼數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行比對(duì)后，獲得細(xì)分位置值。
[0013]本發(fā)明的有益效果是:基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺，包括光柵尺主體、光學(xué)放大系統(tǒng)、CMOS圖像傳感器、信號(hào)處理模塊和主控模塊，光柵尺主體上設(shè)有測(cè)量碼道和細(xì)分碼道，光學(xué)放大系統(tǒng)用于收集經(jīng)測(cè)量碼道和細(xì)分碼道反射或透射的光線并會(huì)聚入射到CMOS圖像傳感器上，CMOS圖像傳感器用于采集到達(dá)的光信號(hào)后獲得當(dāng)前測(cè)量位置的模擬圖像并發(fā)送到信號(hào)處理模塊，信號(hào)處理模塊用于將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像后發(fā)送到主控模塊，主控模塊用于對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理后分別獲得粗測(cè)位置值及細(xì)分位置值進(jìn)而組合獲得絕對(duì)位置測(cè)量值。本絕對(duì)式光柵尺降低了光柵刻蝕難度，能有效降低光柵出錯(cuò)率，降低了制造成本，而且測(cè)量精度高、大大提高了測(cè)量分辨率。
[0014]本發(fā)明的另一有益效果是:基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺的測(cè)量方法，包括步驟:S1、將光柵尺主體安裝在待測(cè)物體上，并驅(qū)動(dòng)待測(cè)物體進(jìn)行移動(dòng);S2、光學(xué)放大系統(tǒng)收集經(jīng)測(cè)量碼道和細(xì)分碼道反射或透射的光線并會(huì)聚入射到CMOS圖像傳感器上;S3、CM0S圖像傳感器采集到達(dá)的光信號(hào)后獲得當(dāng)前測(cè)量位置的模擬圖像并發(fā)送到信號(hào)處理模塊；
S4、信號(hào)處理模塊將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像后發(fā)送到主控模塊;S5、主控模塊對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理后分別獲得粗測(cè)位置值及細(xì)分位置值進(jìn)而組合獲得絕對(duì)位置測(cè)量值。本測(cè)量方法操作簡(jiǎn)單，可以快速地獲得測(cè)量結(jié)果，而且測(cè)量精度高、大大提高了測(cè)量分辨率。
【附圖說(shuō)明】
[0015]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0016]圖1是本發(fā)明的基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明的基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺的光柵尺主體的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]參照?qǐng)D1，本發(fā)明提供了基于CMOS圖像傳感器的絕對(duì)式光柵尺，包括光柵尺主體1、光學(xué)放大系統(tǒng)2、CM0S圖像傳感器3、信號(hào)處理模塊4和主控模塊5，所述光柵尺主體I上設(shè)有測(cè)量碼道11和細(xì)分碼道12，所述光學(xué)放大系統(tǒng)2用于收集經(jīng)測(cè)量碼道11和細(xì)分碼道12反射或透射的光線并會(huì)聚入射到CMOS圖像傳感器3上，所述CMOS圖像傳感器3用于采集到達(dá)的光信號(hào)后獲得當(dāng)前測(cè)量位置的模擬圖像并發(fā)送到信號(hào)處理模塊4，所述信號(hào)處理模塊4用于將模擬圖像轉(zhuǎn)化為數(shù)字圖像后發(fā)送到主控模塊5，所述主控模塊5用于對(duì)數(shù)字圖像進(jìn)行處理后分別獲得粗測(cè)位置值及細(xì)分位置值進(jìn)而組合獲得絕對(duì)位置測(cè)量值。