一种自同步条形码位移传感器及其测量方法与流程

本发明涉及一种新型的绝对式自同步条形码位移传感器及其测量方法，属于仪器仪表技术领域中的非接触式位移传感器及其新型测量方法。

背景技术：

在现代水利工程中，测量闸门开度的位移传感器装置有很多种形式，大致可分如下三种：钢丝绳旋转编码器、黑色陶瓷活塞杆加cms行程检测、刚性无接触位移传感器。

钢丝绳旋转编码器位移传感器装置是水利工程上最早成熟的产品，它利用钢丝绳滚轮周长来测量物体的长度和距离，其主要组成部件为旋转编码器、恒力弹簧、钢丝绳及卷筒。钢丝绳传感器在闸门油缸上的安装分为内置式与外置式。内置式工作原理是采用钢丝绳作为传动件，一端与油缸活塞杆相连，另一端缠绕在卷筒上，卷筒上装有发条式恒力弹簧，控制钢丝绳随活塞杆的活塞运动来回伸缩，在卷筒连轴的旋转编码器上输出闸门开度数据。该方式缺点是维修麻烦，一旦出现弹簧回卷力不足，钢丝绳被拉断就可能拉伤油缸内壁，不仅需更换传感器本身，尤其需拆卸维修油缸，代价巨大。外置式钢丝绳传感器虽然维修方便，但其受环境影响较大，尤其是钢丝绳侵入水中时，水流冲击、水面漂浮物、水冰冻等因素导致测量受阻。

黑色陶瓷cms行程检测装置体积小，安装在油缸外部前端与黑色陶瓷活塞杆结合部。他的工作原理是，活塞杆在喷涂陶瓷前做了刻环刻槽预处理，cms行程检测装置通过采集这些环槽移动的脉冲信号来确定行程。黑色陶瓷cms行程检测装置缺点在于它是增量型编码，断电后需重新从零位开始检测，这在工业应用环境中是个重要缺陷。

刚性无接触位移传感器常见的为磁致伸缩技术，该类传感器大多采用内置式，其原理是波导管在磁场中运动发出电信号来确定位移量。这类传感器缺点有：检测长度越长，误差越大，目前行程检测大多在5米内，行程过长对油缸工作状态也有限制，油缸过于水平会导致波导管因挠度而磨损，缩短传感器的使用寿命，后期维护不方便。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是，针对现有技术的上述使用缺陷，提出一种新型的无接触式自同步条形码位移传感器，实现绝对位置读取，不怕掉电；同时理论编码长度无限制，可以用于刚性测量也可以用于柔性测量，读取精度高，可以实现大行程和微距的读取；适用性广。

在此基础上，本发明进一步的是提供一种测量方法，基于智能图像处理技术和条纹差分原理，将含有绝对位置信息的编码，利用特定一维条形码表达出来，并通过读数盒读取，可精确测量物体的位移量和绝对位置值，其量程几乎不受限制，且读取精度高。

本发明为解决上述技术问题，采用如下技术方案：

一种自同步条形码位移传感器，包括尺带、和可移动的读数头；读数头与尺带相隔设置且包含有摄像装置，其特征在于：尺带朝向摄像装置的表面设置成摄像装置能够识别的特定一维条形码；所述特定一维条形码，为在尺带长度范围内连续分布的多条黑白相间、宽窄不一的多根条形码相互平行排列构成的定数位、非重复滚动绝对编码，每根条形码长度与摄像装置取景框尺寸匹配。

进一步的，读数头上还设置显示屏、功能按钮、microusb数据接口、信号指示灯，读数头下端面设置所述摄像装置，读数头固定在与待测装置位移同步的移动装置上或直接固定在待测装置上；尺带设置于被测位移机器的固定部件上，长度方向与机器活动部件运动方向一致。

进一步的，摄像装置沿尺带表面长度所在方向与尺带始终保持平行，摄像装置读码时移动方向与尺带长度方向一致。

进一步的，所述特定一维条形码，编码最小异动间隔为任意相邻两根条形码中心轴线间距，编码理论位移分辨率与此间距对应；所述滚动绝对编码，即摄像装置取景框在移出编码首位同时移入末尾形成新编码或者相反的这一运动过程。

进一步的，所述特定一维条形码中，每根条形码包括至少一个单位白条码或单位黑条码，单位白条码或单位黑条码的宽度相等，均为编码元值数，该编码元值数与编码理论位移分辨率相关，且由摄像装置识别精度确定。

进一步的，所述尺带采用pc材质的薄膜制成，适用于平面或曲面安装，且能够定距离拼接而成；所述特定一维条形码通过uv打印在尺带上，将尺带贴附于被测机器的固定部件上，长度方向与机器活动部件运动方向一致。

进一步的，摄像装置为ccd摄像机。

一种基于上述自同步条形码位移传感器的位移检测方法,其特征在于：

工作时，被测位移机器或与被测位移机器同步的装置带动读数头运动，读数头的摄像装置读取尺带上的特定一维条形码，获得当前读数头所处的绝对位置，即被测位移机器的当前位置，当前位置与起始位置间差值即为检测位移结果。

进一步的，读数过程中，读数头在设定时间内先后进行整数读取和小数读取，读取完毕后继续移动并实时更新；读数头或摄像装置在移动过程中将所拍摄到的特定一维条形码直接进行模拟转编码后进行整数读取；小数读取过程基于智能图像处理技术和条纹差分原理，将含有绝对位置信息的模拟转换编码后，在移动过程中利用条纹差分原理移动读取。

进一步的，整数读取过程为：起始位置特维条码的与读取条纹区域长度相当位数的二进制的编码信息，进入摄像装置的取景框也即读取条纹区域后，读数头输出该位置的绝对位置值；摄像装置获取特定一维条码时，同时也将其转化并生成黑白相间、宽度相等均为a毫米的模拟条纹，然后通过模拟条纹计算出所获取位置的绝对位置值；当读数头向右移动设定距离后到达新位置时，得到与读取条纹区域长度相当位数的二进制的新编码信息，该新编码信息便对应此时设定距离后的绝对位置；该设定距离即为编码精度；通过起始位置和新位置的绝对位置差值计算绝对移动距离；

小数读取过程为：

首先在起始位置读数头或摄像装置中将取景框或读取条纹区域所拍摄到的特定一维条形码进行模拟转换，形成黑白条纹宽度均为a毫米的等宽度模拟条纹；

再模拟一长串总宽度与模拟条纹总宽度相当、由左至右排列的包括黑条纹和白条纹的差分条纹，该差分条纹中黑条纹宽度为a毫米，白条纹宽度为b毫米，b＜a；

最后，由左至右，将差分条纹的第一条黑条纹与模拟条纹中的第一条黑条纹对齐，使差分条纹的黑条纹与模拟条纹第n条白条纹对齐，则此时可得差分条纹的白条纹宽度b和条纹差分精度为

将差分条纹随读数头移动并最终与模拟条纹重合，在此过程中开始小数部分的绝对位置识别和计算。

进一步的，本发明中的有些技术术语释义如下：

“自同步”释义如下：

因为读数头始终是从读取框中从左到右读取与取景框尺寸相符位数的二进制，所以只要在读数头的摄像头自动调焦范围内能拍到清晰的图片，纵向也即垂直于尺带表面的的抖动是不影响读数的准确度的，所以称为自同步。

“特定一维条形码”释义如下：

通用一维条形码以黑白相间，宽窄不一的条纹编码表达数字，遵从标准多样。但无论遵从哪种标准，均采用“起始码”-“数据码”-“结束码”格式。用于位移检测的特定一维条形码，为在有效量程范围内分布安装的多条纹极长条形码，其长度范围优选在40至60毫米之间，受ccd摄像机视窗尺寸限制，采用特定一维条形码解读位移更为有利。

特定一维条形码为连续多条黑白相间、宽窄不一的条形码长阵列相互平行排列构成，每根条形码包括至少一个单位白条码或单位黑条码，单位白条码的宽度或单位黑条码的宽度相等；单位白条码的宽度或单位黑条码的宽度均为编码元值，编码元值可初始定义为2～9中间的任意数，表明参加编码的基元个数，此个数，受ccd摄像机分辨率限制。例如，当编码元值取3时，参加编码的基元数为3，自同步条形码相应有3种不同线宽；如当编码元值取5时，参加编码的基元数为5，自同步条形码相应有5种不同线宽；

自同步条形码位移传感器以绝对位置条形码定位加差分解析机制共同工作。在ccd摄像机视窗限制长扁形取景框中，随着智能调焦系统的快速有效跟踪，摄取的编码条数可以自行定义，保证摄像机与尺带之间的间隙大幅度波动时，能采集到图像清晰，条数相等且居中的有效编码条纹。

编码条纹的原始印刷编码，采用高速计算机通过特定试算程序取得，其为一长串定数位、非重复、滚动绝对编码，编码最小异动间隔为任意相邻两根条形码中心轴线间距，编码理论位移分辨率与此间距对应。

所谓滚动编码，意即ccd取景框在移出首位同时移入末尾形成新编码或者相反的这一运动过程。

综上所述，本发明公开了一种新型的绝对式自同步条形码位移传感器，包括一条尺带，一个读数盒。所述尺带基材为pc薄膜，采用uv打印机将特定一维条形码印刷在其面上，所述读数盒为特定一维条形码读取和处理系统，上面有显示屏等，下面有ccd摄像机。尺带采用胶黏方式贴于被测位移机器的固定部件上，特定一维条形码始终朝向读数盒的摄像机。工作时，被测位移机器带动读数盒运动，ccd摄像机读取尺带上的特定一维条形码，获得当前ccd摄像机所处的绝对位置，即被测位移机器的当前位置。

该尺带为柔性尺带，可跟随直线或曲线轨迹安装，相对运动无接触摩擦，读取间隙自适应，编码长度几乎无限制，可广泛应用于水利水电、工矿企业、交通运输、绿色环保、军工装备等领域。

如可将尺带安装在水利水电闸门边缘，直接测量闸门平面或弧形面的升降位移，能很好地解决现有位移传感器的各种缺陷。

相对于现有技术，本发明利用特定一维条形码读取原理，研制出一种新型自同步条形码位移传感器，该自同步条形码位移传感器基于智能图像处理技术和条纹差分原理，将含有绝对位置信息的编码，利用特定一维条形码表达出来，并通过读数盒读取，可精确测量物体的位移量和绝对位置值，其量程几乎不受限制。它比现有的位移传感器有着明显的优势和有益效果：

1、绝对读码，掉电后不影响读数；

2、安装方便，只需外置固定读数盒与尺带便可完成安装；

3、后期维护方便，尺带可定距离拼接而成，一处破损无需整条尺带拆下，只需更换对应区域尺带即可；

4、应用范围广，柔性尺带可曲面贴附，适用于多种运动轨迹场合；

5、在某些特定应用领域，如水利水电闸门竖直升降时，闸门左右方向抖动很厉害，目前市面上的多种位移检测产品不能很好解决抖动带来的较大的读数误差与跳动。因为本发明的读数头始终是从读取框中从左到右读取与取景框尺寸相符位数的二进制，所以只要在读数头的摄像头自动调焦范围内能拍到清晰的图片，纵向也即垂直于尺带表面的的抖动是不影响读数的准确度的。

附图说明

图1是本发明自同步条形码位移传感器的立体视图。

图2是本发明自同步条形码位移传感器的读数原理图。

图3为本发明自同步条形码位移传感器条纹差分原理图中的模拟条纹12形成图。

图4是本发明自同步条形码位移传感器条纹差分原理图中的模拟条纹12和差分条纹13的结合图。

图5是本发明自同步条形码位移传感器在读取过程中的差分条纹移动过程图。

图1-5中，各附图标记对应如下：1、尺带；2、特定一维条形码；3、读数盒；4、显示屏；5、条码读取装置；6、功能按钮；7、microusb数据接口；8、信号指示灯；9、安装固定孔；10、读取条纹区域；11、编码信息；12、模拟条纹；13、差分条纹。

具体实施方式

本发明的自同步条形码位移传感器结构示意图如图1所示，本发明自同步条形码位移传感器，包括有读数盒3、尺带1、印在尺带上的特定一维条形码2。所述读数盒3与尺带1相隔一定距离，且始终保持平行，读数盒3运动方向与尺带1长度方向一致。其中，读数盒3上面包含有显示屏4、功能按钮6、microusb数据接口7、信号指示灯8，下面安装有条码读取装置5(本实施例中为ccd摄像机)，左右两边分别有2个安装固定孔9。

本实施例中，所述尺带1采用pc材质的薄膜，具有良好的柔韧性，适用于平面或曲面安装，且可定距离拼接而成。其基材耐候性良好，可长期处于户外恶劣环境中使用。特定一维条形码2采用黑白相间，宽窄不一的特定一维条形码编码方式，经条纹差分智能处理后，其测量分辨率可达0.1毫米，编码长度理论上无限制。特定一维条形码2通过uv打印机打印在尺带1上。将尺带1用胶黏方式贴附于被测机器的固定部件上，长度方向与机器活动部件运动方向一致。

读数盒3为本传感器核心智能解读装置。图1的实施例中，读数盒3通过4个安装固定孔9固定在被测机器的活动部件上，有条码读取装置5的一面朝向尺带1，并保持一定距离，使机器运转过程中读数盒3始终平行于尺带1并读取特定一维条形码2。

本实施例中，读数盒3上的三个功能按钮6分别为“开关”、“复位/清零”、“设置/记忆”，“开关”按钮控制条码读取装置开关，(是否应该是条码读取装置，还是其他什么传感器的话请明示)“复位/清零”按钮用于控制位置清零，“设置/记忆”按钮用于存储记忆测量数据以及其他功能选择等操作，三个信号指示灯8可用于显示传感器条码读取装置5是否正常工作、功能模式提示、按钮提示等，显示屏4则更加直观地显示当前位置值、电池电量、单位切换、工作模式等各项功能操作显示。

本发明的工作原理为：

特定一维条形码2为连续不重复的条码编码，定义条码读取装置5读取m个单位条码，每个单位条码或黑或白且宽度为a毫米，单位白条码为二进制0，单位黑条码为二进制1，读数盒3移动过程中，m个单位条码中，首位移出一个单位条码的同时，末尾移入一个单位条码，从而形成新的编码，如此连续不重复的编码容量n＝2^m个。

如图2所示，在本实施例中，条码读取装置5的读取条纹区域10用于实时读取特定一维条形码2，读取条纹区域10的读取长度为16个单位条码，即读取16位二进制的编码信息11，该编码信息11便对应算法中的位置信息，当读取了图2左图该位置的16位二进制的编码信息11后，读数盒3即输出图2左图该位置的绝对位置值，当读数头3向右移动a毫米后，到达图2右图时，得到了新的16位二进制编码对应的编码信息11，该新的编码信息11便对应了此时移动a毫米后的绝对位置。以此类推，当读数盒3每到一个位置，都可以对应到一个不重复的二进制编码，即输出该位置的绝对位置，同时也可知该编码精度为a毫米。

读数过程中，读数盒3在极短时间内先后进行整数读取和小数读取，且在移动过程中不断进行整数读取和小数读取过程，实时更新检测到的移动距离。

整数读取过程中，ccd获取特定一维条码2时，同时也将其转化并生成黑白相间，宽度均为a的模拟条纹12(如图3)，然后通过模拟条纹信息计算该位置的绝对位置信息，再通过起始位置和新位置的差值，计算绝对移动距离。

整数部分读取分辨率只有a，为获得更高的精度，在上述获取一定精度的整数读数过程的基础上对非重复连续编码状态的特定一维条形码2的条纹进行智能差分处理，以便进行小数部分的读取。

如图3所示为本发明的读取原理介绍，首先在读数盒3中将其所拍摄到的特定一维条形码2(图3上部分)进行模拟转换，形成黑白条纹宽度均为a毫米的等宽度模拟条纹12(图3下部分)，然后如图4所示的放大图中，再模拟一长串差分条纹13，该差分条纹13中黑条纹宽度为a毫米，白条纹宽度为b毫米，b＜a；最后，由左至右，将差分条纹13的第一条黑条纹与模拟条纹12中的第一条黑条纹对齐，使差分条纹13的黑条纹与模拟条纹12第n条白条纹对齐，则此时可得差分条纹13的白条纹宽度b：

则此时条纹差分精度为：

在本实施例中，n为自然数，取n＝10，a＝1mm，(a的范围理论上可以为0-10mm，本实施例取1mm)则差分条纹13白条纹宽度为0.9mm，此时差分精度为0.1mm。图2的整数部分读取后，差分条纹13随读数盒3移动并与模拟条纹12重合，开始小数部分的识别。如图5，由(a)到(c)三个图为1mm范围内差分条纹13移动的开始到结束，差分条纹13的黑条纹分别逐渐与模拟条纹12中的白条纹重合，例如图5中第二张图，差分条纹13的黑条纹与模拟条纹12中的第4根白条纹相重合，则此时绝对位置小数部分读数为0.4mm。由于ccd获取特定一维条码2时，同时也将其转化并生成黑白相间，宽度均为a的模拟条纹12(如图3)，差分条纹13由计算机生成，且始终与读数盒相对静止，读取小数部分时，相当于“有限长度的”差分条纹13与“无限长度的”模拟条纹12重合，对每a毫米进行差分读数。

由此，本发明通过上述连续不重复的条码编码进行整数精度的读取实施例，以及整数精度和小数精度结合的实施例，将智能差分处理在非重复连续编码位移辨识分辨率基础上进一步细化，其本质为机械式游标卡尺差分测微机制的智能电子化处理。

本发明与其他现有技术相比，其优点如下：

1、条码读取装置移动的同时，将非接触式的尺带以特定一维条形码的形式设置在条码读取装置的移动行程中，特定一维条形码连续不重复，实现了大行程和微小行程的兼容，适应性广。

2、采用连续不重复的条码编码进行整数精度的读取，并在在非重复码位移辨识分辨率基础上进行条码智能差分处理进行小数精度识别，实现了基于机械式游标卡尺差分测微原理的的智能电子化处理方式，读取精度高。

3、采用绝对编码方式，掉电后不影响读数。条码读取装置的读取条纹区域的读取长度与条码的绝对位置信息对应；当读取了起始位置的二进制的编码信息后，读数盒即输出该位置的绝对位置值，当读数头移动一个条纹宽度后到达新的条码位置时，得到了新的二进制编码对应的编码信息，该新的编码信息便对应此时移动后的绝对位置。

4、理论编码长度无限制，只要尺带载体支持，可用于超长距离的位移测量。

5、结构简单，读取装置通过ccd摄像机配置小型处理器即可实现，尺带载体易于制造获取，设置时对场地环境的要求不高，应用面广，安装简便。

6、易于制造和组装，制备维护成本低廉。