基于位置编码的位移检测系统及检测方法与流程

本发明涉及一种位移检测系统与方法，尤其是适用于宽量程、高精度位移测量、光电转换、图像处理等精密加工工作台的非接触式位移测量设备及检测方法。

背景技术：

精密位移测量技术在精密机械制造、半导体加工等领域有着非常重要的作用，但大量程和高分辨率、高精度的要求同时满足是非常困难的。目前长光栅数显传感器是最常用的长度精密测量仪器，简单可靠，精度高。但其测量范围受光栅尺长度的限制，且随着长度的增大，仪器精度降低。位置编码器是测量位置和位移的传感器。编码器分为增量式编码器和绝对式编码器，增量式编码器把位移量变为电脉冲，响应迅速，但由于其相对测量的方式，初上电时不能获得绝对基准位置，因而一旦测量中途掉电则会丢失测量数据。绝对式编码器在任何点都有相应的码值，所以没有累计误差，具有测量精度高、抗干扰能力强、稳定性高等特点，但制造工艺复杂、不易小型化。

在精密工作台位移测量领域常用位移条码作为测量基准，位移条码根据编码规则的不同可以分成连续组合码和周期组合码两大类。连续组合码中条码的编码值位数与测量范围成正比，测量范围越大，条码编码值位数越多，要求成像系统的传感器尺寸或分辨率越高，否则影响测量精度；周期组合码是在n个编码序列集合中各取一个编码位组成一个n位编码值，各编码位宽度不同，需要准确提取各编码位宽度才能获得编码值，图像处理及解码过程较为复杂。

技术实现要素：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种非接触式基于位置编码的位移检测系统

本发明的另一目的是提供一种非接触式基于位置编码的位移检测系统的检测方法。

本发明的思想是通过运用图像传感器采集工作台上位置编码尺在移动方向上的编码图像，对编码图像进行校正、图像处理及解码，获取当前编码位置。通过对起止位置的两幅编码图像的定位分析，计算出工作台的位移。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

基于位置编码的位移检测系统由工作台、光学成像系统、面阵ccd传感器、图像采集卡、pc机和电源模块组成。其中工作台侧面固定有位置编码尺，位置编码尺平面和工作台的移动方向平行；光学成像系统由光源、透镜、棱镜等器件通过底座、套筒连接组成，固定在工作台侧方，使工作台上的位置编码尺处于光学成像系统的物平面，位置编码尺平面即工作台的移动方向垂直于光学成像系统的光轴，并通过光学成像系统成像在像平面；面阵ccd传感器安装在光学成像系统上的像平面位置，其横向与工作台移动方向平行，即位置编码尺上刻线的像尽可能平行面阵ccd传感器的纵向；面阵ccd传感器通过接口与图像采集卡连接，图像采集卡通过usb端口与pc机连接。pc机对位置编码尺当前位置的编码图像进行图像处理与解码，获得工作台的当前位置。电源模块为面阵ccd传感器和图像采集卡提供工作电压。

位置码及其编码方法：在编码尺上以位置码的起始位置表示不同的空间位置。在编码尺上以宽度l分割成连续的编码位，在每个编码位上可选两种编码——“0”或“1”。以空白即无刻线，表示编码“0”；以黑色刻线表示编码“1”，此刻线为“1”值刻线。“1”值刻线起始边与编码位的起始边对齐，宽度为b。

n个连续的编码位组成一个位置码，其码值为n个编码位对应的二进制值所组成的编码值ci，它对应的标称值xi表示该位置码与零位置码起始位置间的距离与l的比值。以t个位置码为一个周期，每个周期内的编码值序列相同，每个周期对应相同的长度lt。但不同周期内的编码刻线的宽度bj不同，其满足：

a≤b1≤l/g(1)

bj＝jb1(2)

其中：a为图像中每个像素的横向尺寸对应的物方尺寸；j为当前编码对应的周期值，j＝1、2、…、g；g为码尺上编码的周期个数。

编码值ci的定义：设初始码为c0，则任一位置码的编码值ci为：

ci＝2ci-1％2ⁿ+t(3)

其中i＝1，2，…，t(t＜2ⁿ-1)；％为取余运算符；t＝0或1，其取值要保证ci对应的n个编码位中至少有一个编码“1”，且保证一个周期内的t个编码值不重复且首尾相连，即初始码c0与终止码ct的关系为：

c0＝2ct％2ⁿ+t(4)

解码方法：根据图像处理所得的编码图像中“1”值刻线的起始边缘像素位置和宽度f，通过解码和定位计算，获得工作台的位移量。其中解码包括周期识别和码值提取，获得每幅图像对应位置编码的周期h和码值x，步骤为：

ⅰ、周期识别

计算编码图像中“1”值刻线的物方宽度w为：

w＝af(5)

其中a为图像中每个像素的横向尺寸对应的物方尺寸。将w与位置信息库中标准“1”值刻线宽度bj进行对比，确定图像对应位置所在的编码周期h＝j。2幅编码图像分别得h1和h2。

ⅱ、码值提取

根据成像系统的成像关系，按编码尺位置码的成像尺寸将图像分割出固定的有效码区域q，再按编码尺编码位的成像尺寸将其分为n个连续的小区域qk，k为序号，k＝1,2,…,n。对2幅编码图像的q内的每个小区域qk上判断是否含有“1”值刻线的起始边缘的像，以确定每个编码位的值dk；以dk作为n位二进制值的第n-k+1位值组成当前图像的编码值e，与位置信息库中的编码值ci比对，可得到当前图像编码的标称值x，2幅编码图像分别得x1和x2。

其中定位计算过程：根据编码图像中“1”值刻线起始边缘所在的像素位置，确定该刻线起始边缘所在小区域qk内的像素位置m；2幅编码图像分别得m1和m2，计算工作台位移z：

z＝((h2-h1)t+x2-x1)l-(m2-m1)a(6)

一种基于位置编码的位移检测系统的检测方法，包括以下步骤：

a、图像采集：采集工作台移动前的图像作为第一幅编码图像；工作台移动后，在工作台移动终止时，采集第二幅编码图像。采集到的编码图像应至少包含编码尺的一个完整的位置码；

b、图像处理：将采集到的两幅图像分别进行校正、滤波、灰度化、二值化、边缘提取处理，获得编码图像中“1”值刻线的起始边缘像素位置m和像素宽度值f；

c、位移计算：分别对两幅图像进行解码和定位计算，得工作台位移量z。

有益效果：本发明编码简单，编码尺载体易于制造获取，安装方便：只需将位置编码尺固定在工作台上，并保证位置编码尺沿面阵ccd传感器纵向成像即可；通过引入成像系统和面阵ccd传感器进行非接触式位移测量，避免了复杂的光路结构，结构简单，易于小型化；采用绝对式编码方式，抗干扰能力强；编码位“1”值刻线的不同宽度代表了不同的测量周期，以此扩大了位移测量范围，且仍能保证位移测量的精度。位移检测系统具有制造成本低廉，操作简单，测量精度高的特点。

附图说明

图1为基于位置编码的位移检测系统结构框图。

图2为编码尺示意图。

图3为图1中图3位置码c4(10011)结构图。

图4为位置码图像及有效码区示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

基于位置编码的位移检测系统，由工作台、光学成像系统、面阵ccd传感器、图像采集卡、pc机和电源模块组成，

工作台侧面固定有位置编码尺，位置编码尺尺面和工作台的移动方向平行，其上刻线垂直于工作台的移动方向；

光学成像系统固定在工作台侧方，光学成像系统的光轴垂直于工作台上的位置编码尺尺面，并使之处于光学成像系统的物平面，即光学成像系统将位置编码尺尺面成像在像平面；

面阵ccd传感器安装在光学成像系统的像平面位置，其横向与工作台移动方向平行，即位置编码尺上刻线的像平行面阵ccd传感器的纵向；面阵ccd传感器通过接口与图像采集卡连接；

在编码尺上以位置码的起始位置表示不同的空间位置，在编码尺上以宽度l分割成连续的编码位，在每个编码位上选“0”或“1”两种编码，以空白即无刻线，表示编码“0”；以黑色刻线表示编码“1”，此刻线为“1”值刻线，“1”值刻线起始边与编码位的起始边对齐；宽度为b。

n个连续的编码位组成一个位置码，其码值为n个编码位对应的二进制值所组成的编码值ci，它对应的标称值xi表示该位置码与零位置码起始位置间的距离与l的比值，以t个位置码为一个周期，每个周期内的编码值序列相同，每个周期对应相同测量长度0～lt，每个周期所需码位长度为lt+n-1，g个周期码尺的编码长度为glt+n-1。不同周期内的编码刻线的宽度bj不同，其满足：

a≤b1≤l/g(1)

bj＝jb1(2)

其中：a为图像中每个像素的横向尺寸对应的物方尺寸；j为当前编码对应的周期值，j＝1、2、…、g；g为码尺上编码的周期个数。

编码值ci的定义：设初始码为c0，则任一位置码的编码值ci为：

ci＝2ci-1％2ⁿ+t(3)

其中i＝1，2，…，t-1，t＜2ⁿ，t为一个周期内位置码的个数；％为取余运算符；t＝0或1，其取值要保证ci对应的n个编码位中至少有一个编码“1”，且一个周期内的t个编码值不重复并首尾相连，即初始码c0与终止码ct的关系为：

c0＝2ct％2ⁿ+t(4)

位移计算是根据图像处理所得的编码图像中“1”值刻线的起始边缘像素位置和宽度f，通过解码和定位计算，获得工作台的位移量，其中解码包括周期识别和码值提取，获得每幅图像对应位置编码的周期h和码值x，步骤为：

ⅰ、周期识别

计算编码图像中“1”值刻线的物方宽度w为：

w＝af(5)

其中a为图像中每个像素的横向尺寸对应的物方尺寸，将w与位置信息库中标准“1”值刻线宽度bj进行对比，确定图像对应位置所在的编码周期h＝j，2幅编码图像分别得h1和h2；

ⅱ、码值提取

根据成像系统的成像关系，按编码尺位置码的成像尺寸将图像分割出固定的有效码区域q，再按编码尺编码位的成像尺寸将其分为n个连续的小区域qk，k为序号，k＝1,2,…,n，对两幅编码图像q内的每个小区域qk上判断是否含有“1”值刻线的起始边缘的像，确定每个编码位的值dk；以dk作为n位二进制值的第n-k+1位值组成当前图像的编码值e，与位置信息库中的编码值ci比对，得到当前图像编码的标称值x，两幅编码图像分别得x1和x2。

其中定位计算过程：根据编码图像中“1”值刻线起始边缘所在的像素位置，确定该刻线起始边缘所在小区域qk内的像素位置m；两幅编码图像分别得m1和m2，计算工作台位移z：

z＝((h2-h1)t+x2-x1)l-(m2-m1)a(6)

一种基于位置编码的位移检测系统的检测方法，包括以下步骤：

a、图像采集：采集工作台移动前的图像作为第一幅编码图像；工作台移动后，在工作台移动终止时，采集第二幅编码图像。采集到的编码图像应至少包含编码尺的一个完整的位置码；

b、图像处理：将采集到的两幅图像分别进行校正、滤波、灰度化、二值化、边缘提取处理，获得编码图像中“1”值刻线的起始边缘像素位置和像素宽度值f；

c、位移计算：分别对两幅图像进行解码和定位计算，得工作台位移量z。

显微镜工作台位移检测采用基于位置编码的位移检测系统，该系统由显微镜工作台、光学成像系统、面阵ccd传感器、图像采集卡、pc机和电源模块组成，系统原理框图如图1所示。其中显微镜工作台侧面固定有位置编码尺，位置编码尺平面和显微镜工作台的移动方向平行；光学成像系统由光源、透镜、棱镜等器件通过底座、套筒连接组成，通过固定孔安装在显微镜工作台的机架上，使显微镜工作台上的位置编码尺处于光学成像系统的物平面来读取位置编码尺，位置编码尺平面即显微镜工作台的移动方向垂直于光学成像系统的光轴，并通过光学成像系统成像在像平面；面阵ccd传感器安装在光学成像系统上的像平面位置，其横向与显微镜工作台移动方向平行，即位置编码尺上刻线的像尽可能平行面阵ccd传感器的纵向；面阵ccd传感器通过接口与图像采集卡连接，图像采集卡通过usb端口与pc机连接。pc机为显微镜系统的上位机，其软件包含显微镜工作台位移检测的功能模块，该功能实现对位置编码尺当前位置的编码图像进行图像处理与解码，获得显微镜工作台的当前位置；电源模块为面阵ccd传感器和图像采集卡提供+12v电压。

本实施例中显微镜工作台位移范围为0～30mm，位置码及其编码方法：在编码尺上以位置码表示不同的空间位置。在编码尺上以宽度l＝1mm分割成连续的编码位，在每个编码位上可选两种编码——“0”或“1”。以空白即无刻线，表示编码“0”；以黑色刻线表示编码“1”，此刻线为“1”值刻线。

“1”值刻线起始边与编码位的起始边对齐。

本实施例中选取n＝5，以5个连续的编码位组成一个位置码，其码值为5个编码位对应的二进制值所组成的编码值ci，它对应的标称值xi表示该位置码与起始位置码间的距离，单位为mm。以10个位置码为一个周期，每个周期对应长度0～10mm。位移检测系统测量范围为0～30mm，则编码尺需要3个周期。编码尺原理结构图如图2所示，在第一个周期内编码刻线宽度b1为0.05mm，第二个周期内编码刻线宽度b2为0.1mm，第三个周期内编码刻线宽度b3为0.15mm。

本实施例中，位置编码尺上的标称值从“0”到“9”对应的10个编码值分别为“00001”、“00010”、“00100”、“01001”、“10011”、“00111”、“01110”、“11100”、“11000”、“10000”。其中第一个周期内的位置码c4(10011)结构如图3所示。

在本实施例中，编码尺使用高精度打印机打印。

本发明基于位置编码的位移检测系统及检测方法，包括以下步骤：

a、图像采集：采集工作台移动前的图像作为第一幅编码图像；工作台移动后，在工作台移动终止时，采集第二幅编码图像。采集到的编码图像应至少包含编码尺的一个完整的位置码。

b、图像处理：将采集到的两幅图像分别进行校正、滤波、灰度化、二值化、边缘提取处理，获得编码图像中“1”值刻线的起始边缘像素位置m和像素宽度值f。

c、位移计算：根据图像处理所得的编码图像中“1”值刻线的起始边缘像素位置和宽度f，通过解码和定位计算，获得工作台的位移量z。

解码包括周期识别和码值提取，获得每幅图像对应位置编码的周期h和码值x，步骤为：

ⅰ、周期识别

计算编码图像中“1”值刻线的物方宽度w为：

w＝af(5)

其中a为图像中每个像素的横向尺寸对应的物方尺寸。将w与位置信息库中标准“1”值刻线宽度bj进行对比，确定图像对应位置所在的编码周期h＝j。2幅编码图像分别得h1和h2。

ⅱ、码值提取

根据成像系统的成像关系，按编码尺位置码的成像尺寸将图像分割出固定的有效码区域q，再按编码尺编码位的成像尺寸将其分为5个连续的小区域qk，k为序号，k＝1,2,…,5，位置码图像及有效码区如图4所示。对2幅编码图像的q内的每个小区域qk上判断是否含有“1”值刻线的起始边缘的像，以确定每个编码位的值dk；以dk作为5位二进制值的第6-k位值组成当前图像的编码值e，与位置信息库中的编码值ci比对，可得到当前图像编码的标称值x，2幅编码图像分别得x1和x2。

定位计算过程：根据编码图像中“1”值刻线起始边缘所在的像素位置，确定该刻线起始边缘所在小区域qk内的像素位置m；2幅编码图像分别得m1和m2，计算工作台位移z：

z＝((h2-h1)t+x2-x1)l-(m2-m1)a(6)。