基于位置编码的位移检测系统及检测方法与相关技术

本技术涉及一种基于位置编码的位移检测系统及检测方法，由固定有位置编码尺的工作台、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。本技术运用面阵CCD传感器采集工作台上位置编码尺在移动方向上起止位置的两幅编码图像，对编码图像进行校正、滤波、边缘提取等图像处理，以及解码和定位计算，获取工作台的位移。本技术通过成像系统和CCD传感器进行非接触式位移测量，结构简单，易于小型化；编码简单，抗干扰能力强、易于加工和安装；以编码位“1”值刻线的不同宽度表示不同的编码周期，从而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。

权利要求书

1.一种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，其特征在于：

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；

2.按照权利要求1所述的一种基于位置编码的位移检测系统，其特征在于：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)

3.根据权利要求1所述的一种基于位置编码的位移检测系统，其特征在于：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)

4.一种基于位置编码的位移检测系统的检测方法，其特征在于，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。

技术说明书

基于位置编码的位移检测系统及检测方法

技术领域

本技术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。