本发明属于光场传感技术领域，尤其是线阵CCD的静态光场式时栅传感装置。
背景技术：
随着科学技术的发展和经济建设的需要，角位移测量传感器在工业、科技、航空航天等诸多领域得到了极为广泛的应用。在众多角位移测量传感器中，光电传感器一直是各个领域倍受青睐的一种测量装置。在测量精度要求较高，且所测的角位移为转轴角位移的地方，人们通常采用光电编码器进行测量；光电编码器具有稳定性好、测量精度高、动态性好等优点，但是光电编码器最大的缺点是随着编码器输出位数的提高，编码盘的体积相应增大，其机械加工难度及加工成本也随着增加，同时其数据处理难度也随着大幅提高。
技术实现要素：
本发明提供的线阵CCD的静态光场式时栅传感装置，解决了CCD时序和像元空间位置不对应的问题，以及CCD输出信号延迟影响实时性的问题。
本发明具体采用如下技术方案实现：
一种线阵CCD的静态光场式时栅传感装置，包括侧光光纤固定板、透光挡板、CCD固定板，所述侧光光纤固定板上开一个圆环形嵌线槽，所述嵌线槽内嵌入侧光光纤，所述侧光光纤上设有透光镜片，用红色半导体激光器提供光源，在空间形成一个分布均匀的圆环形光斑，所述透光挡板开设有10个透光缝隙，所述圆环形光斑通过所述的透光缝隙沿圆周均布成10条透光光线，所述CCD固定板均匀布置有5个线阵CCD，5个所述线阵CCD电连接电路板，其中一个所述线阵CCD的有效起始位置设有绝对零点光敏二极管，绝对零点光敏二极管与电路板连接，所述电路板包括CCD驱动模块、信号采集及处理模块、角度换算及显示模块和上位机通信模块。
本发明提供的线阵CCD的静态光场式时栅传感装置，其有益效果在于，加工难度低，同时成本也较低，解决了CCD时序和像元空间位置不对应的问题，以及CCD输出信号延迟影响实时性的问题，且测量精度高。
附图说明
图1是CCD时栅装配图；
图2是CCD固定板与透光缝隙的关系图；
图3是单个CCD模块驱动电路；
图4是线阵CCD输出模拟信号合成原理图；
图5是AD9844驱动和配置电路；
图6是角度换算及显示模块的组成框图；
图7是驱动时序和输出信号的关系示意图；
图8是相对匀速运动双坐标系测量原理图；
图9是相同角位移对应弧长与直线位移的关系示意图。
具体实施方式
为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1、2所示，本实施例提供的线阵CCD的静态光场式时栅传感装置，包括侧光光纤固定板1、透光挡板2、CCD固定板3，侧光光纤固定板1上开一个圆环形嵌线槽，嵌线槽内嵌入侧光光纤4，侧光光纤4上设有透光镜片5，用红色半导体激光器提供光源，在空间形成一个分布均匀的圆环形光斑6，透光挡板2开设有10个透光缝隙7，圆环形光斑6通过透光缝隙7沿圆周均布成10条透光光线，CCD固定板3均匀布置有5个线阵CCD 8，5个线阵CCD 8电连接电路板9，其中一个线阵CCD 8的有效起始位置设有绝对零点光敏二极管10，绝对零点光敏二极管10与电路板9连接。透光挡板2连接在转轴11的一端，并与转轴11一同转动，转轴11穿过光纤固定板1和电路板9，光纤固定板1和电路板9固定在外壳12上。
电路板包括CCD驱动模块、信号采集及处理模块、角度换算及显示模块和上位机通信模块。
其中，本实施例的线阵CCD选用东芝公司的TCD1501D，CCD驱动模块主要功能就是提供精确的驱动脉冲信号，本实施例的CCD阵列由5个同类型的线阵CCD组成，由于彼此驱动时序不同，需要设计5个独立的CCD驱动电路，算上每个CCD的信号输出端口，共需要5*8＝40个I/O口，故选用Altera公司的飓风2系列芯片中EP2C8Q208型芯片作为CCD阵列、AD转换以及信号处理的核心元件。采用FPGA对TCD1501D进行驱动时，FPGA的端口供电电压为3.3V，而TCD1501D需要的驱动电压为5V，而且FPGA输出端口的驱动能力有限，容易出现大的上冲下冲和信号振铃等现象，所以采用5个6非门器件74HC14芯片对FPGA输出的脉冲信号进行整形和放大，既满足电平需求，也改善驱动信号的质量。其中一个CCD模块的驱动电路如图3所示。
在信号采集及处理模块中，CCD时栅输出信号由5个同类型的线阵CCD提供，由于CCD的驱动时序是按严格的1/5积分周期驱动的，所以5个CCD的输出信号在时序上有对应的先后关系，将5个输出信号消除直流分量后再用加法器求和合成一路模拟信号输出。具体实现方法如图4所示。再对合成的模拟电信号进行A/D采样，将模拟量转换为数字量，继而在FPGA中进行信号处理，本实施例选择AD9844对CCD信号进行采集，具体驱动和配置电路如图5所示。
角度换算及显示模块组成如图6所示。CCD时栅输出信号经A/D转换和FPGA相应处理后，输出反应透光缝隙位置变化的方波信号，同时由FPGA输出一路与5个线阵CCD驱动脉冲同步的周期为TSH/5的参考信号，由DSP对输入的两路方波信号进行后续角度运算和显示工作。用DSP自带计数器对两路方波信号周期进行计数，每个计数器计完一个周期后将计数值保存，同时计数器清零开始下一次计数，其中参考信号计数值按时间先后保存最近的两次计数值，测量信号仅保存当前值，每次测量信号周期计数结束时，得到计数值与最近的一个参考周期计数值求差得到周期差△T，同时将线阵CCD扫描速度V＝W0/T0定义为一常量，结合公式实现角度换算工作。
将获得的角度值与光栅通信端口读取的角度值进行误差比较，得到测量误差值，最后将CCD时栅测量值、光栅测量值和误差值，用串口与上位机之间进行通信，由上位机完成后续的测量值显示、误差分析和误差补偿等工作。
本实施例的具体工作原理如下：
为了克服线阵CCD应用于位移测量中存在的问题，同时实现光敏单元匀速扫描的测量方法，将所设计的CCD时栅中的5个线阵CCD在驱动时序上按编号顺序依次错开1/5个积分周期Tsh，则相邻两个线阵CCD的驱动时序和输出信号的关系如图7所示。按此方法驱动的5个线阵CCD，展开成一条直线，便相当于一个以速度V＝W0/T0匀速运动的光电单元，在W0的空间里从始点到终点不断循环的运动，并在此空间每隔W0/5设置观测点，以检测被测对象经过观测点的时刻。将匀速运动的光电单元视为匀速坐标系S'，被测对象在匀速坐标系上方以任意速度运动，W0空间为静止坐标系S。由前面分析可知，匀速坐标系S'上被测对象的位移，可以转换为静止坐标系S上的时间差，如图8所示。
这样在5个线阵CCD上，将沿时间先后交替获取反应透光缝隙位置的电信号OS1～OS5。按时间先后顺序测量当前输出信号OSi与前一输出信号OSi-1之间的时间差△T，当时间差等于Tsh/5时，表示被测对象没有发生相对位移；当时间差大于Tsh/5时，表示被测对象的运动方向与光电扫描方向一致；当时间差小于Tsh/5时，表示被测对象的运动方向与光电扫描方向相反。因此，通过测量相邻
两个输出信号时间差大小，用以上匀速扫描的方法，便可以获得被测信号在CCD上的直线位移大小为：
式中V＝W0/T0，W0为CCD固定有效像元长度，T0为CCD行扫描周期，∑Pt为插补的高频时钟脉冲数目，△Ti为相邻两个CCD输出信号时间差的变化量△Ti的符号表示转轴的转动方向。这种空间均匀分布、时序相互错开的测量方法，解决了线阵CCD位移测量中的两个主要问题：①以CCD为单元匀速扫描，构建匀速运动坐标系，解决线阵CCD光敏单元实时匀速扫描的问题；②在一个CCD积分周期内等时间间隔设置5个时间参考点，解决线阵CCD内部光敏单元空间分布与时间序列不一致的问题。
用以上方法获得的是光信号在CCD表面的直线位移，而转轴转动的为角位移，所以需将获得的直线位移转换成相应的角位移大小。转轴转动相同角位移对应于CCD上不同位置的直线位移不同，其对应直线位移在CCD始末两端最大，在CCD中心位置最小，但其对应的弧长在任何时刻是相等的。考虑相同角位移大小情况下，对应的直线位移与弧长之间的关系，如图9所示。
尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。