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一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置

于海 万秋华 孙莹 卢新然 贾兴丹

于海, 万秋华, 孙莹, 卢新然, 贾兴丹. 一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0107
引用本文: 于海, 万秋华, 孙莹, 卢新然, 贾兴丹. 一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0107
Yu Hai, Wan Qiuhua, Sun Ying, Lu Xinran, Jia Xingdan. A High Precision Image Angular Displacement Measurement Device with Adaptive Installation[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0107
Citation: Yu Hai, Wan Qiuhua, Sun Ying, Lu Xinran, Jia Xingdan. A High Precision Image Angular Displacement Measurement Device with Adaptive Installation[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0107

一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置

doi: 10.3788/CO.2019-0107
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(51605465),吉林省科技发展计划资助项目(20180520184JH)
详细信息
    作者简介:

    于海(1987−),男,吉林敦化人,副研究员。2009年于东北电力大学获得学士学位,2014年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所机械电子工程专业获得工学博士学位。目前主要从事光电位移精密测量技术的研究

    通讯作者: E-mail:yuhai@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TP212

A High Precision Image Angular Displacement Measurement Device with Adaptive Installation

Funds: This project is supported by National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51605465) and Science and Technology Development Programme of Jilin Province (Grant No. 20180520184JH)
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出版历程
  • 网络出版日期:  2020-04-03

一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置

doi: 10.3788/CO.2019-0107
    基金项目:  国家自然科学基金资助项目(51605465),吉林省科技发展计划资助项目(20180520184JH)
    作者简介:

    于海(1987−),男,吉林敦化人,副研究员。2009年于东北电力大学获得学士学位,2014年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所机械电子工程专业获得工学博士学位。目前主要从事光电位移精密测量技术的研究

    通讯作者: E-mail:yuhai@ciomp.ac.cn
  • 中图分类号: TP212

摘要: 采用图像探测器的角位移测量技术,是为实现高精度高分辨力角位移测量而开展的热门研究。为提高角位移测量装置的鲁棒性能,本文设计了一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置。其装调过程非常简便,且可以保证在标定光栅存在偏心时的高分辨力和高精度测量输出。首先,提出了基于双线阵图像传感器的测角装置设计原理,并设计了单圈绝对式标定光栅。然后,采用基于质心算法的高分辨力细分算法进行细分,并采用双线阵图像传感器对测角误差进行误差补偿。最后,设计实验装置,测试其自适应安装的性能。实验表明,当标定光栅的偏心度在±1 mm以内时,所设计装置可以实现高精度和高分辨力的角位移测量。本文所设计的装置可以在标定光栅存在±1 mm的安装偏心时状态下保证输出精度,为小型角位移测量装置适应性的提高奠定基础。

English Abstract

于海, 万秋华, 孙莹, 卢新然, 贾兴丹. 一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0107
引用本文: 于海, 万秋华, 孙莹, 卢新然, 贾兴丹. 一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置[J]. 中国光学. doi: 10.3788/CO.2019-0107
Yu Hai, Wan Qiuhua, Sun Ying, Lu Xinran, Jia Xingdan. A High Precision Image Angular Displacement Measurement Device with Adaptive Installation[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0107
Citation: Yu Hai, Wan Qiuhua, Sun Ying, Lu Xinran, Jia Xingdan. A High Precision Image Angular Displacement Measurement Device with Adaptive Installation[J]. Chinese Optics. doi: 10.3788/CO.2019-0107
    • 高精密角位移测量技术是一种将主轴转动角度通过光电转换、数字化处理等转换为数字角度量的技术。因其具有高分辨力、高精度、易于与计算机连接等优点,被广泛应用于各行各业中[1-3]。目前对于角位移测量技术的研究,主要集中于小型化、高分辨力和高精度等方面。传统角位移测量技术大多采用莫尔条纹光电信号进行角位移细分。该方法所能实现的测角分辨力和精度有限。并且在使用小尺寸光栅码盘时很难实现较高的测量分辨力和精度。研究新的绝对式角位移细分技术,是提高光电编码器测量分辨力和精度的重要手段。

      随着数字图像处理技术的发展,图像式角位移测量技术已经成为研究热门。图像式角位移测量是一种采用图像传感器实现对标定光栅上的基准标线进行识别,通过算法实现对转角位移进行测量的技术。由于采用像素灰度值代替传统莫尔条纹光电信号,在小体积内更容易实现高分辨力和高精度的测量。查阅相关文献,美国[4-5]、塞尔维亚[6]、日本[7]、西班牙[8]、韩国[9]、中国[10,11]等国家相继在图像式角位移测量技术的研究中取得了一定的成果。在前期研究中,本文作者提出了一种线阵图像传感器的角位移测量方法[12]。该方法直接采用图像传感器对标定光栅上的基准标线进行识别,而不需要指示光栅的配合,实现了较传统测量技术更高的测量性能。由于采用线阵图像传感器,极大的提高了图像式角位移测量的频响;同时,根据图像识别的优势,减小了传统莫尔条纹测量方法中由于光电信号偏离理想状态而带来的误差[13]

      在前期研究中,作者经过总结归纳发现以下问题:

      1、采用成像透镜放大成像虽然有利于实现高分辨力,但是受安装复杂、温度变化、振动冲击、成像离焦等因素的影响,制约着图像式角位移测量装置的生产应用;

      2、标定光栅偏心度的精确调节,直接影响着角位移测量的精度和生产速度;

      为精简装调复杂度,提高角位移测量的容错性能,本文在研制图像式角位移测量装置的基础上,设计了一种基于双图像探测器的自适应角位移测量装置。首先,提出了基于光栅投影成像的角位移测量模型,并采用M序列编码方式设计了标定光栅。然后,采用基于质心算法的高分辨力细分算法实现角位移细分,并基于双图像传感器实现自适应误差补偿。最后,设计实验装置进行测试。实验表明,该装置不需要成像透镜,可以在标定光栅偏度为±1 mm的情况下,实现高精度的角位移测量。其结构简单、测量精度高,可以满足高精度角位移测量输出,为批量生产角位移产品提供技术基础。

    • 为实现无透镜成像,本文采用光栅投影的方法实现图像采集。即采用平行光源照射标定光栅,将光栅的投影映射到图像传感器上,其光路原理如图1所示。

      图  1  测量光路原理图

      Figure 1.  Principle of measuring optical path

      图1为中包括,旋转轴、标定光栅、平行光源、#1图像传感器、#2图像传感器和处理电路。工作时,主轴带动标定光栅转动;平行光源发出的平行光透过标定光栅上的基准刻线,投影到线阵图像传感器上实现成像;处理电路接收图像传感器的图像信息,经过“译码”和“细分”计算,得出当前的绝对转角位移。

      为实现成像,需保证图像传感器与标定光栅的距离较小(本文设计为0.2 mm)。同时,为实现高精度自适应角位移测量,在#1图像传感器的对径位置加入#2图像传感器,两图像传感器以电路板中心对称夹角180°。

    • 为适应线阵图像传感器,设计了单圈绝对式标定光栅。图1中的标定光栅包含有256条基准标线。为实现编码,所刻划的基准标线分为“宽基准标线”和“窄基准标线”,分别代表编码元“0”和“1”。编码元将按照M序列伪随机码的编码方式。即每一个编码元都是由前8个编码元的之间的异或计算得到。设第i个码元为mi,那么mi可以通过式(1)进行计算。

      $$ m_{i}=m_{i-1} \oplus m_{i-2} \oplus m_{i-3} $$ (1)

      式(1)中,“⊕”表示异或运算。设初始值$\{\!m_{1}, m_{2}, \cdots, $$m_{8}\}=\{0,0, \cdots, 0,1\} $,通过式(1)的计算,共得到28个编码元。每相邻的8个码元$\left\{m_{i}, m_{i+1}, \cdots, m_{i+7}\right\}$为一组编码值,其对应的译码值就是i。将这些编码元对应的“宽、窄基准标线”按照等间隔等半径位置刻划到圆光栅上,形成了8位标定光栅。

      某组编码元的原理图,如图2所示。

      图  2  单圈编码原理图

      Figure 2.  Coding principle

      图2中包含有“宽”、“窄”的若干个编码元,图像传感器识别区域的8个编码元组成的编码值为{1,1,1,0,1,1,1,0}。将获取的编码值进行查表,就可以得到译码值。当标定光栅转动时,每移动一位编码元,就可以形成一组新的编码值,进而实现绝对式编码。

    • 为实现高分辨力的角位移测量,本文采用一种基于质心算法的角位移细分算法,即在相邻的基准标线之间进一步实现角位移细分计算,实现较译码计算更高的角位移测量。图3为标定光栅细分区域的示意图。

      图  3  角位移细分原理

      Figure 3.  Angle subdivision principle

      图3中,O为光栅圆心,y轴为预设的图像传感器的中心位置,x轴为像素位置坐标轴。设相邻的两条基准刻线分别为L1和L2,,A和C分别是L1和L2刻线的质心。以光栅圆心为原点建立坐标系。本设计中,标定光栅圆周内包含有256条基准标线,相邻的基准标线之间的夹角较小,根据小角度近似,∠AOC≈AC,∠BOC≈BC。那么图中角度θ与两基准标线夹角的比值可以计算为[14]

      $$\theta = {2^m} \cdot \frac{{BC}}{{AC}}$$ (2)

      式(2)中,2m是角位移测量时的细分量化值。

      A和C点的质心计算方法,如式(3)所示。

      $$A(C) = \frac{{\displaystyle\sum\limits_{j \in N} {j \cdot {p_j}} }}{{\displaystyle\sum\limits_{j \in N} {{p_j}} }}$$ (3)

      式(3)中,N为某一基准标线的像素范围,j为像素的位置,pj为第j个像素点的灰度值。由于质心算法得到的是亚像素级结果,因此,将式(3)带入式(2)就可以得到高分辨力的角位移细分结果。同时,所能实现的细分倍数越大(2m的值),所实现的测量分辨力越高。

    • 由于采用线阵图像传感器,为匹配256线的标定光栅,需要保证图像传感器随时能够采集到8个编码元的灰度值图像。为此,在角度识别时,首先将对8位编码元的“宽”和“窄”进行识别,得到当前的一组编码值。然后通过查表,得到该编码值的译码值。

      在实现译码后,将对8个基准标线中间的两个标线之间进行细分运算,得到细分值。将译码值与细分值连在一起(译码值为高8位,细分值为低m位),实现高分辨力的角位移测量。

      由于该角度算法只需要图像传感器对着光栅投影就可以实现角度计算,进而省去了传统角位移测量装置中的“波形调节”、“读数头位置调节”等步骤,实现自适应安装。

    • 为实现标定光栅安装偏心度的自适应,消除来自标定光栅安装偏心的影响。我们在#1图像传感器的对径位置增加了#2图像传感器。其安装位置如图4所示。

      图  4  图像传感器安装位置原理图

      Figure 4.  Principle of image sensor installation position

      图4中两图像传感器以电路板圆心Opcb为中心旋转对称。#2图像传感器所进行的运算与#1传感器的运算完全相同。设#1传感器计算得到的角度值为B1,#2图像传感器计算得到的角度值为B2。那么根据前期研究,当存在偏心误差α时。#1图像传感器的角度值为B1=Angle+α,#2图像传感器的角度值将变为B2=Angle−α+180°(Angle为真实角度值)。因此,存在偏心时的真实角度值可以通过式(4)进行计算。

      $$Angle = \frac{{B1 + (B2 - {{180}^ \circ })}}{2}$$ (4)
    • 当标定光栅存在安装偏心时,随着标定光栅的转动,只要光栅上的基准标线能够投影到图像传感器上,就可以实现角位移测量。

      同时,本文在使用双图像传感器时,#1和#2图像传感器都各自计算一组角位移数据。这样当偏心误差较大时也能实现真实值的角度测量,实现较大范围的补偿。

      因此,为适应更大的偏心度,设计上使图像传感器的有效感光面积大于标定光栅上8条基准标线的范围;同时增加基准标线的长度,满足一般情况下的偏心范围。

    • 本文的设计中,双图像传感器固定在圆形PCB电路板中。PCB电路板靠螺丝定位孔固定位置,使PCB的圆心Opcb与旋转中心尽量重合。由于采用自适应的角位移测量算法,只要保证光栅的投影能够映射到图像传感器上就可以实现角位移测量,且输出有效。螺丝定位精度对误差补偿的影响较小,满足设计要求。

    • 所设计的角位移测量装置实物图如图5所示。

      图  5  角位移测量装置

      Figure 5.  Angle measurement device

      图5中,线阵图像传感器的像元大小为12.7 μm,像素范围为1×320 pixels,两线阵图像传感器的直线距离为35 mm;所设计的标定光栅直径为Φ38 mm,角位移测量装置的外径为Φ50 mm;平行光源为460 nm波长的蓝光LED点光源配合凸透镜产生。所使用的轴承为日本进口的某型号高性能轴承。

    • 为验证自适应性能,预先使标定光栅与主轴存在偏心±1 mm(对于本设备,超过1 mm的偏心将超出图像识别范围)。

      令式(2)中的2m=213,进而实现13倍的角位移细分。因此,所设计的角位移测量装置输出角度为21位,其分辨力为0.62″。旋转角位移测量装置的主轴,仔细观测输出角度值,其输出数值变化有序;主轴静止时,角度值稳定不变。可见,本实验装置21位输出代码有效。

      采用文献[15]和[16]中设计的“误码检测装置”对本文输出的角度信息进行误差检测。根据该文献,当旋转主轴时,检测曲线出现“上下跳变”即可判断出现“误码”。实验时,缓慢旋转主轴,观察“误码检测装置”中的曲线,如图6所示。

      图  6  文献[15]装置的分辨力检测曲线

      Figure 6.  Detection curve of the device in reference [15]

      经过多次测试,“检测曲线”中均未出现“上下跳变”,表明本文设计的角位移测量装置输出正确,圆周内无“误码”。

      实验表明,所设计的角位移测量装置的输出正确,其分辨力可以达到0.62″(21位)。

    • 当标定光栅的偏心度为±1 mm时,将带有双图像传感器的PCB电路板安装上。采用高精度角度基准(精度1″,分辨力24位)对该装置进行精度测试,测试原理如图7所示。

      图  7  精度测试原理

      Figure 7.  Principle of precision test

      测试时,将所设计的角位移测量装置与角度基准通过联轴节同轴连接,并在被测装置的“零位”清零角度基准。然后,在被测装置每转动15°角度值时,记录下来角度基准的数值。并将基准角度与被测角度做差值,得到此位置的测角误差。测试得到的误差结果如表1所示。

      表 1  标定误差数值(″)

      Table 1.  The results of calibration (″)

      AnglesErrorsAnglesErrorsAnglesErrors
      00120−28.1240−25.1
      1513.51350.8255−2.1
      306.9150−1.5270−11.2
      45−21.4165−2.028512.3
      60−26.6180−6.1300−11.3
      75−17.21955.631516
      90−19.72100.833025.1
      105−12.2225−2234532.7

      计算表1中误差的标准差为σ=16.42″。

      为验证自适应误差补偿的有效性,只采用图5中的单侧图像传感器进行角位移测量。在该次存在偏心±1 mm的情况下,只采用单头进行测量的误差对比如图8所示。

      图  8  单双图像传感器的误差对比

      Figure 8.  Error comparison between single and dual sensors

      图8中可以看出,单读数头的角位移测量结果受偏心影响,存在的误差较大。其误差绝对值最大达到了2 403″,标准差为σ=1 201.18″。本文设计装置采用的双读数头方法,可以有效的实现自适应误差补偿。

    • 为验证自适应性能,将该角位移测量装置的标定光栅拆下,并重新“随机粗略”的安装光栅,即单凭肉眼对准标定光栅。根据多次观查,单凭肉眼对准光栅足可以使偏心度在±1 mm以内。

      分别进行了三次标定光栅的重新安装,每一次安装后都观测器角度输出。经过观测,其角度输出均不出现“误码”。

      在每一次安装后均进行一次误差测试,三次的误差曲线如图9中曲线所示。其标准差分别为σ=16.87″, 15.15″, 15.35″.

      图  9  对实验装置的三次检测结果

      Figure 9.  Results of three tests on experimental equipment

      图9中可以看出,三次误差检测结果的标准差都在17"以内。因此,所设计的角位移测量装置,可以在存在偏心的状态下,保证较好的精度输出。

    • 本文设计了一种基于双图像传感器的高精度自适应角位移测量装置。其对于安装误差的鲁棒性能较强,能够适应±1 mm以内的偏心安装公差,并实现较高分辨力和精度的角位移测量。

      本文首先,提出了基于双图像传感器的角位移测量机理;然后,对其鲁棒性能进行了分析;最后,对该装置进行了分辨力和精度测试。实验结果表明,在标定光栅存在±1 mm以内偏心情况下,该装置仍能保证较高的分辨力和精度输出。

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