基于cmos图像传感器的绝对式光栅尺及其测量方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光栅尺测量领域，特别是涉及基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺及其测量方法。
【背景技术】
[0002]绝对式光栅尺用于检测直线位移的绝对位置，目前技术中，一般采用的是垂直编码的物理刻度，然后利用长度与栅距相等的集成式光电池来检测绝对位置，同时为了提高位置分辨率，此类光栅尺往往附加有正余弦增量检测通道，通过增量输出信号的细分，位置分辨率最高可达0.005微米。但是目前的绝对式光栅尺，光栅码道都刻画在玻璃或钢带等材料上，而电机在运行过程中，不可避免地会产生一定的径向跳动，从而可能造成码道出现微小位移，当振动造成的径向位移达到一定幅值时，甚至可能出现读数错误。而且，传统的绝对式光栅尺均采用光栅编码，对光栅刻画技术的要求很高，例如二进制编码盘，η位二进制码盘具有2η种不同编码，若要提高绝对式光栅尺分辨力，必须增加η值。而随着η值的增大，光栅尺码道越来越多，导致光栅尺寸也越来越大，制作成本大大提高，而且这种方式存在编码范围的限制，给测量范围的扩大带来限制。另外，二进制光栅码道微小的制作误差，将会使个别码道提前或延后，这会造成输出信号的误差。
【发明内容】
[0003]为了解决上述的技术问题，本发明的目的是提供基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，本发明的另一目的是提供及基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，包括光栅尺主体、光学放大系统、CMOS图像传感器、信号处理模块和主控模块，所述光栅尺主体上设有测量码道和细分码道，所述光学放大系统用于收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上，所述CMOS图像传感器用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块，所述信号处理模块用于将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块，所述主控模块用于对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。
[0005]进一步，所述测量码道包括多个在水平方向上紧密排列的长度相同且高度依次递增的光栅条纹，所述细分码道设有多个二进制码道且每个二进制码道与一光栅条纹相对应。
[0006]进一步，所述CMOS图像传感器被配置为设有一与高度最高的光栅条纹相匹配的第一开窗以及一与二进制码道相匹配的第二开窗。
[0007]进一步，所述主控模块具体用于:将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理，进而分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值，进而将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。
[0008]进一步，还包括用于对CMOS图像传感器进行运动补偿的校正补偿单元。
[0009]进一步，所述校正补偿单元包括陀螺仪传感器、微处理器和压电陶瓷片组，所述微处理器分别与陀螺仪传感器和压电陶瓷片组连接。
[0010]本发明解决其技术问题所采用的另一技术方案是:
所述的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法，包括步骤:
51、将光栅尺主体安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动；
52、光学放大系统收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上；
53、CM0S图像传感器采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块；
54、信号处理模块将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块；
55、主控模块对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。
[0011]进一步，所述步骤S5，具体包括:
551、将数字图像分割获得测量码道图像块和细分码道图像块后，进行二值化处理；
552、分别将二值化后的测量码道图像块和细分码道图像块与预设的编码数据库进行比对后，对应获得粗测位置值和细分位置值；
553、将两者组合获得绝对式光栅尺的绝对位置测量值。
[0012]进一步，所述S52，其具体为:
获取二值化后的测量码道图像块中的直线的高度，进而将该高度与预设的编码数据库进行比对后，获得粗测位置值，同时获取二值化后的细分码道图像块中的二进制编码信息，并将二进制编码信息与预设的编码数据库进行比对后，获得细分位置值。
[0013]本发明的有益效果是:基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，包括光栅尺主体、光学放大系统、CMOS图像传感器、信号处理模块和主控模块，光栅尺主体上设有测量码道和细分码道，光学放大系统用于收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上，CMOS图像传感器用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块，信号处理模块用于将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块，主控模块用于对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。本绝对式光栅尺降低了光栅刻蚀难度，能有效降低光栅出错率，降低了制造成本，而且测量精度高、大大提高了测量分辨率。
[0014]本发明的另一有益效果是:基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的测量方法，包括步骤:S1、将光栅尺主体安装在待测物体上，并驱动待测物体进行移动;S2、光学放大系统收集经测量码道和细分码道反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器上;S3、CM0S图像传感器采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块；
S4、信号处理模块将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块;S5、主控模块对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。本测量方法操作简单，可以快速地获得测量结果，而且测量精度高、大大提高了测量分辨率。
【附图说明】
[0015]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0016]图1是本发明的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的结构示意图；
图2是本发明的基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺的光栅尺主体的结构示意图。
【具体实施方式】
[0017]参照图1，本发明提供了基于CMOS图像传感器的绝对式光栅尺，包括光栅尺主体1、光学放大系统2、CM0S图像传感器3、信号处理模块4和主控模块5，所述光栅尺主体I上设有测量码道11和细分码道12，所述光学放大系统2用于收集经测量码道11和细分码道12反射或透射的光线并会聚入射到CMOS图像传感器3上，所述CMOS图像传感器3用于采集到达的光信号后获得当前测量位置的模拟图像并发送到信号处理模块4，所述信号处理模块4用于将模拟图像转化为数字图像后发送到主控模块5，所述主控模块5用于对数字图像进行处理后分别获得粗测位置值及细分位置值进而组合获得绝对位置测量值。