專利名稱：一種用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器及其測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光電測量技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器及其測量方法。
背景技術(shù)：
隨著科學技術(shù)的發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)的需要，角位移測量傳感器在工業(yè)、科技、航空航天等諸多領(lǐng)域得到了極為廣泛的應(yīng)用。在眾多角位移測量傳感器中，光電傳感器一直是各個領(lǐng)域倍受青瞇的一種測量裝置。目前，在某些地方人們采用由單個線陣CCD構(gòu)成的光電傳感器對小幅角位移進行測量。線陣CCD是一種半導(dǎo)體器件，其上植入的微小光敏物質(zhì)被稱作CCD像元，它能把光學影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；CCD驅(qū)動電路產(chǎn)生相應(yīng)的驅(qū)動時序脈沖來驅(qū)動CCD成像，其過程分為光積分階段和電荷轉(zhuǎn)移階段；在光積分階段，CCD內(nèi)的存儲柵和移位寄存器不導(dǎo)通分別工作，存儲柵進行光積分(即產(chǎn)生與光照對應(yīng)的電荷信號，當CCD像元與光源之間有遮擋物的時候，相應(yīng)的像元上完成光積分的電荷量就很少甚至沒有為暗電流信號)，移位寄存器在驅(qū)動脈沖作用下將上一次移到此處的電荷信號向輸出端轉(zhuǎn)移并經(jīng)轉(zhuǎn)換后輸出；在電荷轉(zhuǎn)移階段，存儲柵和移位寄存器導(dǎo)通，將每個CCD像元的電荷信號按序號轉(zhuǎn)移到移位寄存器中；線陣CCD上的電荷信號按照一定時序輸出后，線陣CCD又重新開始下一周期光積分。對單個線陣CCD而言，在其像元成像過程中線陣CCD的有效像元總長度WO和行掃描周期T為固定的。上述由單個線陣CCD構(gòu)成的光電傳感器的測量原理如下激光發(fā)生器發(fā)出的平行光入射到被測物體表面上，形成光斑照射在線陣CXD的像元上，CXD像元上成像輸出相應(yīng)的電信號；當被測物體轉(zhuǎn)動時，入射光斑發(fā)生偏轉(zhuǎn)，所照射的線陣CCD上的像元位置隨之變化，信號處理電路讀取有光斑照射到的像元的個數(shù)，并乘以單個CCD像元尺寸，經(jīng)轉(zhuǎn)換后即可得到被測物體轉(zhuǎn)動的角位移值。這種測量方法的測量精度依賴于線陣CCD內(nèi)各像元的 安裝以及加工尺寸，如果線陣CCD內(nèi)各像元的安裝以及加工尺寸存在差異會影響其測量結(jié)果；并且上述光電傳感器不能用來對較大幅度的轉(zhuǎn)軸角位移進行測量。在測量精度要求較高，且所測的角位移為轉(zhuǎn)軸角位移的地方，人們通常采用光電編碼器進行測量；光電編碼器具有穩(wěn)定性好、測量精度高、動態(tài)性好等優(yōu)點，但是光電編碼器最大的缺點是隨著編碼器輸出位數(shù)的提高，編碼盤的體積相應(yīng)增大，其機械加工難度及加工成本也隨著增加，同時其數(shù)據(jù)處理難度也隨著大幅提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是供一種用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器及其測量方法，以在滿足高精度測量的情況下，減小其機械加工難度，大幅降低數(shù)據(jù)處理難度。本發(fā)明的基本構(gòu)思為利用多個線陣CCD構(gòu)成一個CCD圓周陣列，采用平行光場下透光的形式來實現(xiàn)角位移的測量。其基本測量原理為讓線陣CCD勻速運動，掃描被測物體，在保證速度勻速的前提下，根據(jù)公式S = V*t，V = wo/τ，將與位移相關(guān)的測量轉(zhuǎn)換到時間的測量上，利用高頻時鐘脈沖插補的方式去實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸角位移的測量。本發(fā)明所述的用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器，包括平行光照單元和檢測單元，所述檢測單元包括沿圓周均勻開設(shè)有透光縫隙的圓形遮光擋板、沿圓周均勻固定有線陣CCD的圓形固定板、與各線陣CCD電連接的電路板，圓形遮光擋板與圓形固定板平行，圓形遮光擋板上開設(shè)的透光縫隙的數(shù)量與圓形固定板上固定的線陣CCD的數(shù)量相等；所述圓形遮光擋板連接在轉(zhuǎn)軸的一端，并與轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動，所述圓形固定板和電路板穿過轉(zhuǎn)軸固定在外殼上；圓形固定板上沿圓周均勻布置有N個線陣CCD，且N為大于等于六的偶數(shù)，各線陣CCD的有效起始位置均設(shè)在圓形固定板的360° /N等分線上，形成CCD圓周陣列，在第一個線陣CCD的有效起始位置等分線上設(shè)置有一個與電路板電連接且用于記錄轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的透光縫隙數(shù)目的光敏二極管，構(gòu)成光電開關(guān)；各線陣CXD和光敏二極管均能獲得從透光縫隙傳遞過來的平行光的照射；轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動圓形遮光擋板上的透光縫隙轉(zhuǎn)動，平行光照單元發(fā)出的平行光穿過透光縫隙形成獨立的平行光束，電路板上的CCD驅(qū)動電路將各線陣CCD按照布置順序依次錯開1/N個CCD行掃描周期驅(qū)動，各線陣CCD依次輸出其檢測到的透光縫隙時刻，該透光縫隙時刻與對應(yīng)的線陣CCD驅(qū)動起始時刻的時間差由插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)表示，該插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)結(jié)合光敏二極管的脈沖計數(shù)值，經(jīng)角度轉(zhuǎn)換后得到轉(zhuǎn)軸的角位移值。進一步，所述圓形遮光擋板沿圓周均勻開設(shè)有間隔36°的十條透光縫隙，所述圓形固定板上沿圓周均勻布置有十個線陣CCD，各線陣CCD的有效起始位置沿順時針設(shè)在圓形固定板的36°等分線上，形成C⑶圓周陣列。進一步，為了形成一個高質(zhì)量的平行光場，同時節(jié)約成本，所述平行光照單元包括激光平行光源、與激光平行光源大小一致的小凸透鏡、大凸透鏡和光源殼體，所述激光平行光源連接在光源殼體的一端并伸入光源殼體內(nèi)，小凸透鏡和大凸透鏡平行連接在光源殼體內(nèi)，小凸透鏡與大凸透鏡具有共同的焦點，激光平行光源發(fā)出的平行光射入小凸透鏡，經(jīng)小凸透鏡折射后會聚于焦點處，再從焦點處射入大凸透鏡，經(jīng)大凸透鏡折射后形成平行光場，圓形遮光擋板的邊緣能完全擋住平行光，平行光只能從透光縫隙中穿過。采用上述光電傳感器對轉(zhuǎn)軸角位移進行測量的方法，包括步驟I :讓平行光照單元發(fā)出的平行光穿過透光縫隙形成獨立的平行光束，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動圓形遮光擋板上的透光縫隙轉(zhuǎn)動，光敏二極管記錄轉(zhuǎn)過的透光縫隙數(shù)目；步驟2 :從第一個線陣CCD開始，電路板上的CCD驅(qū)動電路周期性的按照各線陣CCD布置順序依次錯開1/N個CCD行掃描周期驅(qū)動各線陣CCD依次工作；·步驟3 電路板上的CCD信號采集電路按照各線陣CCD的布置順序依次采集各線陣CCD的驅(qū)動起始時刻和各線陣CCD檢測到的透光縫隙時刻，如果某個線陣CCD上檢測到有兩個透光縫隙，則以先出現(xiàn)的透光縫隙對應(yīng)的時刻為該線陣CCD的透光縫隙時刻；步驟4 電路板上的信號處理模塊按各線陣CXD的布置順序依次將線陣CXD檢測到的透光縫隙時刻與該線陣CCD的驅(qū)動起始時刻的時間差用高頻時鐘脈沖插補，并記錄光敏二極管的開關(guān)次數(shù)形成脈沖計數(shù)值，將插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)和光敏二極管的脈沖計數(shù)值輸出給電路板上的角度轉(zhuǎn)換模塊；步驟5 電路板上的角度轉(zhuǎn)換模塊將插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)和光敏二極管的脈沖計數(shù)值進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換后得到轉(zhuǎn)軸角位移值。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(I)將開有透光縫隙的圓形遮光擋板連接在轉(zhuǎn)軸的一端并與轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動，將各線陣CCD均勻布置在圓形固定板上，將圓形固定板和電路板穿過轉(zhuǎn)軸固定在外殼上，利用較小的激光平行光源、小凸透鏡和大凸透鏡配合，產(chǎn)生平行光，構(gòu)成了傳感器的機械結(jié)構(gòu)，其加工難度比光電編碼器的編碼盤加工難度低，同時成本也較低。(2)采用CXD驅(qū)動電路將各線陣CXD按照布置順序依次錯開1/N個CXD行掃描周期驅(qū)動，讓各線陣CCD依次輸出其檢測到的透光縫隙時刻，各線陣CCD固定不動，由轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動圓形遮光擋板轉(zhuǎn)動，帶動透光縫隙轉(zhuǎn)動，相當于實現(xiàn)了在不需要動力驅(qū)動的情況下，一個線陣CCD以恒定速度V = WO/Τ沿圓周運動的運動模式，在不降低傳輸速度的前提下，各線陣CCD串行輸出(即按照線陣CCD的布置順序依次輸出，每次只輸出一個線陣CCD檢測到的信號)，對于需要較多的線陣CCD參與測量的傳感器，其后續(xù)電路的數(shù)據(jù)采集和處理難度大幅度降低了。(3) N個線陣CCD錯開1/N個行掃描周期驅(qū)動，相當于N個線陣CCD將一個周期等分成N個讀數(shù)時刻，使得在一個周期內(nèi)可以得到N個不同的位置信息；提高了該傳感器測量的分辨力，其效果相當于將原來一個線陣CCD的驅(qū)動頻率提高了 N倍。(4)將線陣CCD依次輸出的透光縫隙時刻與對應(yīng)的線陣CCD驅(qū)動起始時刻的時間差用高頻時鐘脈沖插補，結(jié)合光敏二極管的脈沖計數(shù)值，可以對較大幅度的轉(zhuǎn)軸角位移進行測量，可實現(xiàn)靜態(tài)和動態(tài)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角位移的測量；同時可以不去考慮線陣CCD中單個像元的尺寸，避開了像元之間因為安裝和加工尺寸上所帶來的差異，提高了測量精度。


圖I為線陣CXD勻速掃描測量原理圖。圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明中圓形固定板上光敏二極管以及各線陣CXD的分布圖。圖4為本發(fā)明中圓形遮光擋板的結(jié)構(gòu)示意圖。圖5為本發(fā)明的(XD圓周陣列測量原理圖。圖6為本發(fā)明的電路原理框圖。圖7為本發(fā)明進行測量時的流程圖。圖8為本發(fā)明中進行角度轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換關(guān)系圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。如圖I所示，本發(fā)明的基本測量原理為讓線陣C⑶勻速運動，掃描被測物體，在保證速度勻速的前提下，根據(jù)位移公式S = v*t，將與位移相關(guān)的測量轉(zhuǎn)換到時間的測量上，利用高頻時鐘脈沖插補的方式去實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸角位移的測量。設(shè)空間有一個以速度V勻速運動的線陣(XD，在線陣CXD上方有一個相對于線陣CXD以任意速度V運動的物體，其中V >> V，線陣(XD與被測物體構(gòu)成運動坐標系S’，大地構(gòu)成一個靜止坐標系S，在S上設(shè)置有等間距為WO的觀測點，線陣CCD起始位置到達觀測點的時間間隔為固定的τ，所以有V = WO/T，假設(shè)在第i個周期，被測物體相對線陣CCD起始位置的位移為Xi，現(xiàn)對線陣CCD的有效像元總長度WO用η個高頻時鐘脈沖進行插補，即將T用η個高頻時鐘脈沖的時間長度來表示，則有-M = V*n*Pt，那么一個時鐘脈沖大小
W
為 由此可以看出，通過轉(zhuǎn)換，每個時鐘脈沖具有空間的概念，也就說明為什么
V*n
可以用時間脈沖進行空間位移測量的原因。用此高頻時鐘脈沖對線陣CCD的起始脈沖
與被測物體電信號的上升沿進行插補，則有被測物體相對線陣CCD起始位置的位移為 Wf.Wn *_
X = ν *τ =-~Vp ν P(ι)
1 * n*Pt V r T^t其中Ti為線陣CXD到達觀測點時間與以任意速度V運動的物體到達觀測點時間之差。本發(fā)明的基本構(gòu)思為利用多個線陣CCD構(gòu)成一個CCD圓周陣列，采用平行光場下透光的形式來實現(xiàn)角位移的測量。如圖2、圖3、圖4、圖6所示的用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器，包括平行光照單元和檢測單元。平行光照單元包括激光平行光源14、與激光平行光源14大小一致的小凸透鏡13、大凸透鏡9和光源殼體10，激光平行光源14的出光口徑為Φ 40、波長為550nm、功率為2 4W，小凸透鏡13的直徑為Φ40、焦距Π為35 50mm，大凸透鏡9的直徑為Φ 120，焦距f2為100 120_ ;激光平行光源14通過擰緊螺母15連接在光源殼體10的一端并伸入光源殼體10內(nèi)，小凸透鏡13和大凸透鏡9的端部邊緣均采用透鏡固定環(huán)12包住，端部通過固定螺釘11固定連接在光源殼體10內(nèi)，小凸透鏡13與大凸透鏡9相互平行且具有共同的焦點F，激光平行光源14發(fā)出的平行光射入小凸透鏡13，經(jīng)小凸透鏡13折射后會聚于焦點F處，再從焦點F處射入大凸透鏡9，經(jīng)大凸透鏡9折射后形成平行光場。檢測單元包括圓形遮光擋板8、圓形固定板6和電路板4。圓形遮光擋板8采用表面涂黑色油漆的硬鋁2A12，厚度不超過5mm，圓形遮光擋板8沿圓周均勻開設(shè)有十條寬度為O. Imm,長度為51mm的透光縫隙81 (即相鄰?fù)腹饪p隙之間間隔36° )，平行光照單元形成的平行光場大于圓形遮光擋板8上透光縫隙81的圓周直徑，小于圓形遮光擋板8的直徑(即圓形遮光擋板8的邊緣能完全擋住平行光，平行光只能從透光縫隙81中穿過)；圓形固定板6采用玻璃纖維環(huán)氧樹脂材料,直徑約150mm,厚度約5mm,圓形固定板6沿圓周均勻固定有十個與電路板4電連接的線陣(XD，線陣CXD的型號采用T⑶1501(也可以是TCD15系列或TCD17系列內(nèi)的其它型號)，各線陣CCD的有效起始位置(即線陣CCD內(nèi)像元的起始位置)沿順時針方式均設(shè)在圓形固定板的36°等分線上，形成CCD圓周陣列，由于線陣C⑶的像元部分為中間玻璃窗位置，因此在布置時有五個線陣C⑶靠外，其編號為(XD1、(XD3、(XD5、(XD7、(XD9，對應(yīng)36。圓周角，其有效像元長度剛好為WO ;另外五個線陣C⑶靠內(nèi)，其編號為(XD2、(XD4、(XD6、CCD8、(XD10，對應(yīng)36°圓周角，其有效像元長度為Wl，在第一個線陣(XD(即(XDl)的有效起始位置等分線上設(shè)置有一個與電路板4電連接的光敏二極管24 ;圓形固定板6上固定的線陣CXD以及光敏二極管24的布置位置與圓形固定板6的圓心之間的距離均小于透光縫隙81的圓周半徑(即各線陣CXD和光敏二極管均能獲得從透光縫隙81傳遞過來的平行光的照射)。電路板4采用FPGA(即可編程門陣列)和DSP(即數(shù)字信號處理器)作為核心處理芯片，F(xiàn)PGA控制CXD驅(qū)動電路、CXD信號采集電路以及光敏二極管和CXD圓周陣列，DSP控制角度輸出電路。其中，F(xiàn)PGA主要負責驅(qū)動各線陣CCD工作、采集從CCD中輸出的信號并進行適當處理、記錄光敏二極管24的開關(guān)次數(shù)形成脈沖計數(shù)值，并將處理后的CCD輸出信號和形成的光敏二極管的脈沖計數(shù)值(即光敏二極管脈沖數(shù))輸出給DSP ;DSP用于接收這兩個數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)換為轉(zhuǎn)軸的角位移值，通過角度輸出電路輸出給后續(xù)系統(tǒng)。為了減少平行光線的衍射現(xiàn)象，保證各線陣CCD得到第一條亮條紋的寬度不超過 O.15mm,通過電路的二值化處理讓有效寬度控制在O. Imm左右，圓形遮光擋板8與圓形固定板6平行且間隔5_以內(nèi)；圓形遮光擋板8中心打通孔與轉(zhuǎn)軸I間隙配合，并通過擋板墊片20和壓緊螺母19固定連接在轉(zhuǎn)軸I上，與轉(zhuǎn)軸I 一同轉(zhuǎn)動；圓形固定板6和電路板4穿過轉(zhuǎn)軸I并通過定位螺釘5固定在外殼7上，圓形固定板6、電路板4和外殼7固定不動,轉(zhuǎn)軸I通過軸承23和鎖緊螺母2支撐在一軸套3上，軸套3的端面開設(shè)有一個供電路板4向外引線的電纜線孔22，該軸套3通過盤頭螺釘21與外殼7連接，外殼7通過連接螺釘18、螺母16以及擋片17與光源殼體10連接。如圖5、圖6、圖7、圖8所示，采用上述光電傳感器對轉(zhuǎn)軸角位移進行測量，包括如下步驟I)讓激光平行光源14發(fā)出的平行光穿過透光縫隙81形成獨立的平行光束，轉(zhuǎn)軸I轉(zhuǎn)動帶動圓形遮光擋板8上的透光縫隙81轉(zhuǎn)動，圓形固定板6和電路板4不轉(zhuǎn)動，光敏二極管24記錄轉(zhuǎn)過的透光縫隙數(shù)目，當有一個透光縫隙轉(zhuǎn)過時，光敏二極管24產(chǎn)生一個開關(guān)信號(即脈沖)送入FPGA內(nèi)，F(xiàn)PGA內(nèi)的計數(shù)器進行脈沖計數(shù)，形成光敏二極管脈沖數(shù)j。2) FPGA周期性的輸出驅(qū)動脈沖信號控制CXD驅(qū)動電路，按照十個線陣CXD的布置順序依次從CXDl開始到(XD2、(XD3……到CXDlO，錯開T/10時間驅(qū)動它們依次工作，一個CCD行掃描周期T之后進入下一個驅(qū)動循環(huán)；假設(shè)在一個CCD行掃描周期T內(nèi)，被測物體(即圓形遮光擋板對應(yīng)于轉(zhuǎn)軸)靜止不動，每個線陣CXD上對應(yīng)一個有平行光穿過的透光縫隙，參見圖5，將CCD圓周陣列從CCDl位置沿圓周展開，設(shè)每個線陣CCD的起始脈沖信號為窄脈沖，被測物體檢測到有透光縫隙的信號為寬脈沖，十個線陣CCD在這一個周期T內(nèi)的測量時序圖如圖5所示，從CCDl到CCDlO驅(qū)動時序上分別錯開T/10時間，在十個線陣CCD上面分別得到十個被測物體位置的時刻tl、t2、t3……t9、tlO ;如果被測物體相對CXD圓周陣列轉(zhuǎn)動，采用圖I所示的測量原理，可在一個周期T內(nèi)測量十次被測物體的角位移。3)FPGA控制CCD信號采集電路按照十個線陣CCD的布置順序依次鎖定每個線陣CCD的驅(qū)動起始時刻(即起始脈沖的上升沿時刻)，并依次采集對應(yīng)線陣CCD檢測到的透光縫隙時刻ti，如果某個線陣CCD上檢測到有兩個透光縫隙，則以先出現(xiàn)的透光縫隙對應(yīng)的時刻為該線陣C⑶的透光縫隙時刻ti，比如圖3中，編號為(XD2、(XD4、(XD6、(XD8、CXDlO的線陣CCD可能會檢測到兩個透光縫隙，則以先出現(xiàn)的透光縫隙(即與各線陣CCD有效起始位置所呈夾角小的那條透光縫隙)對應(yīng)的時刻為準；4) FPGA按照十個線陣CXD的布置順序?qū)⒕€陣CXD檢測到的透光縫隙時刻ti與該線陣CCD的驅(qū)動起始時刻的時間差Ti用高頻時鐘脈沖插補(即K = €)，并讀取計數(shù)器
O記錄的光敏二極管脈沖數(shù)j，按十個線陣CCD的布置順序?qū)⒏骶€陣CCD插補的高頻時鐘脈沖個數(shù) C和光敏二極管脈沖數(shù)j輸出給DSP ；5)DSP接收這兩個數(shù)據(jù)，并進行如下角度轉(zhuǎn)換(即角位移轉(zhuǎn)換)在轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動過程中，由光敏二極管脈沖數(shù)j可得到轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的一部分大角度值A(chǔ)，A=(j-1)*36。(2)在進行另一部分圓周角度測量的過程中，每個線陣CCD上得到的位移為直線位移，應(yīng)將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角度值，轉(zhuǎn)換關(guān)系如圖8所示，每個線陣CCD對應(yīng)的圓弧長度為
權(quán)利要求
1.一種用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器，包括平行光照單元和檢測單元，其特征是所述檢測單元包括沿圓周均勻開設(shè)有透光縫隙的圓形遮光擋板(8)、沿圓周均勻固定有線陣CCD的圓形固定板(6)、與各線陣CCD電連接的電路板(4)，圓形遮光擋板(8)與圓形固定板(6)平行，圓形遮光擋板(8)上開設(shè)的透光縫隙的數(shù)量與圓形固定板(6)上固定的線陣CCD的數(shù)量相等；所述圓形遮光擋板(8)連接在轉(zhuǎn)軸(I)的一端，并與轉(zhuǎn)軸(I) 一同轉(zhuǎn)動，所述圓形固定板(6)和電路板⑷穿過轉(zhuǎn)軸⑴固定在外殼(7)上；圓形固定板(6)上沿圓周均勻布置有N個線陣CCD，且N為大于等于六的偶數(shù)，各線陣CCD的有效起始位置均設(shè)在圓形固定板的360° /N等分線上，形成CCD圓周陣列，在第一個線陣CCD的有效起始位置等分線上設(shè)置有一個與電路板電連接且用于記錄轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)過的透光縫隙數(shù)目的光敏二極管(24)； 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動圓形遮光擋板上的透光縫隙轉(zhuǎn)動，平行光照單元發(fā)出的平行光穿過透光縫隙形成獨立的平行光束，電路板上的CCD驅(qū)動電路將各線陣CCD按照布置順序依次錯開I/N個CCD行掃描周期驅(qū)動，各線陣CCD依次輸出其檢測到的透光縫隙時刻，該透光縫隙時刻與對應(yīng)的線陣CCD驅(qū)動起始時刻的時間差由插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)表示，該插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)結(jié)合光敏二極管的脈沖計數(shù)值，經(jīng)角度轉(zhuǎn)換后得到轉(zhuǎn)軸的角位移值。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器，其特征是所述圓形遮光擋板(8)沿圓周均勻開設(shè)有間隔36°的十條透光縫隙，所述圓形固定板(6)上沿圓周均勻布置有十個線陣CCD，各線陣CCD的有效起始位置沿順時針設(shè)在圓形固定板的36°等分線上，形成C⑶圓周陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器，其特征是所述平行光照單元包括激光平行光源(14)、與激光平行光源大小一致的小凸透鏡(13)、大凸透鏡(9)和光源殼體(10)，所述激光平行光源(14)連接在光源殼體(10)的一端并伸入光源殼體內(nèi)，小凸透鏡(13)和大凸透鏡(9)平行連接在光源殼體(10)內(nèi)，小凸透鏡與大凸透鏡具有共同的焦點，激光平行光源發(fā)出的平行光射入小凸透鏡，經(jīng)小凸透鏡折射后會聚于焦點處，再從焦點處射入大凸透鏡，經(jīng)大凸透鏡折射后形成平行光場。
4.采用權(quán)利要求I所述的用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器對轉(zhuǎn)軸角位移進行測量的方法，其特征是，包括 步驟I :讓平行光照單元發(fā)出的平行光穿過透光縫隙形成獨立的平行光束，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動帶動圓形遮光擋板上的透光縫隙轉(zhuǎn)動，光敏二極管記錄轉(zhuǎn)過的透光縫隙數(shù)目； 步驟2 :從第一個線陣CCD開始，電路板上的CCD驅(qū)動電路周期性的按照各線陣CCD的布置順序依次錯開1/N個CCD行掃描周期驅(qū)動各線陣CCD依次工作； 步驟3 電路板上的CCD信號采集電路按照各線陣CCD的布置順序依次采集各線陣CCD的驅(qū)動起始時刻和各線陣CCD檢測到的透光縫隙時刻，如果某個線陣CCD上檢測到有兩個透光縫隙，則以先出現(xiàn)的透光縫隙對應(yīng)的時刻為該線陣CCD的透光縫隙時刻； 步驟4 電路板上的信號處理模塊按照各線陣CCD的布置順序依次將線陣CCD檢測到的透光縫隙時刻與該線陣CCD的驅(qū)動起始時刻的時間差用高頻時鐘脈沖插補，并記錄光敏二極管的開關(guān)次數(shù)形成脈沖計數(shù)值，將插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)和光敏二極管的脈沖計數(shù)值輸出給電路板上的角度轉(zhuǎn)換模塊； 步驟5 :電路板上的角度轉(zhuǎn)換模塊將插補的高頻時鐘脈沖個數(shù)和光敏二極管的脈沖計數(shù)值進行相應(yīng)轉(zhuǎn)換后得到轉(zhuǎn)軸 角位移值。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于測量轉(zhuǎn)軸角位移的光電傳感器及其測量方法，該光電傳感器包括平行光照單元和檢測單元，檢測單元包括沿圓周均勻開設(shè)有透光縫隙的圓形遮光擋板、沿圓周均勻固定有線陣CCD的圓形固定板、與各線陣CCD電連接的電路板；圓形遮光擋板連接在轉(zhuǎn)軸的一端，并與轉(zhuǎn)軸一同轉(zhuǎn)動，圓形固定板和電路板穿過轉(zhuǎn)軸固定在外殼上；圓形固定板上布置有N個線陣CCD，各線陣CCD的有效起始位置均設(shè)在圓形固定板的360°/N等分線上，在第一個線陣CCD的有效起始位置等分線上設(shè)置有一個光敏二極管；利用N個線陣CCD構(gòu)成一個CCD圓周陣列，采用平行光場下透光的形式來實現(xiàn)角位移的測量。在滿足高精度測量的情況下，能減小傳感器的機械加工難度，大幅降低數(shù)據(jù)處理難度。
文檔編號G01B11/26GK102914277SQ20121039539
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月17日
發(fā)明者付敏, 彭東林, 陳錫侯, 魯進 申請人:重慶大學