本發(fā)明涉及精密測量領(lǐng)域，具體涉及一種二維絕對位移編碼器。

背景技術(shù)：

光柵傳感器廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代精密測量儀器、數(shù)控機床、光刻機、超精加工等領(lǐng)域，是現(xiàn)代精密測試典型的測量設(shè)備。在實際應(yīng)用中，傳統(tǒng)計量光柵沒有零位標志，測量時通過計算自設(shè)置零點開始的增量數(shù)獲得當前相對位置信息，如果在測量過程中由于停機等原因，造成原測量結(jié)果丟失，必須重新尋零和測量。為了解決增量式光柵復(fù)位尋零的問題，本專利采用包含絕對位置信息編碼的光柵，開機時絕對式光柵尺通過讀取當前的位置編碼，得到當前的絕對位置測量值。采用該方法的主要優(yōu)點是不需要尋找參考零點，可以在斷電后，再次給電時對當前位置進行絕對位置測量，無需“歸零”操作，因此可廣泛應(yīng)用于數(shù)控加工機床。

對于二維的測量，通常采用的是兩組相互垂直的線編碼系統(tǒng)，分別讀取兩個線編碼器的輸出值就可以得到當前位置的二維絕對位置測量值。但該系統(tǒng)裝夾定位的精度對二維平面運動的測量影響很大，安裝定位時往往造成阿貝誤差降低測量結(jié)果的精度，同時這種測量方法組成的測量系統(tǒng)占據(jù)較大的空間，對于一些小空間測量造成困難，給測量帶來不便。

技術(shù)實現(xiàn)要素：
：

本發(fā)明的目的是提供一種二維絕對位移編碼器，該系統(tǒng)可實現(xiàn)快速解碼，輸出二維絕對位置測量值，可廣泛應(yīng)用于二維工作臺絕對定位與測量系統(tǒng)。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：

二維絕對位移編碼器，其特征在于：包括平行光源(1)、二維絕對編碼碼道(2)、成像透鏡組(3)、孔徑光闌(4)、圖像傳感器(5)以及fpga信號處理系統(tǒng)(7)；所述平行光源(1)發(fā)出的平行光照射到二維絕對編碼碼道(2)發(fā)生反射，經(jīng)成像透鏡組(3)、孔徑光闌(4)成像于圖像傳感器(5)上；所述圖像傳感器(5)用于采集包含當前絕對位置的編碼圖像并發(fā)送到fpga信號處理系統(tǒng)(7)；所述fpga信號處理系統(tǒng)(7)包括cmos配置模塊(6)和依次連接的圖像讀取、圖像處理模塊(11)、編碼識別模塊(10)、位移譯碼模塊(9)、vga顯示模塊(8)，cmos配置模塊(6)的信號輸出端與圖像傳感器(5)連接，圖像傳感器(5)的信號輸出端與圖像讀取、圖像處理模塊(11)連接，fpga信號處理系統(tǒng)(7)配置并驅(qū)動圖像傳感器(5)進行圖像采集；所述fpga信號處理系統(tǒng)(7)用于對數(shù)字圖像進行中值濾波、二值化處理后，驅(qū)動sdram進行圖像緩存，然后進行編碼識別得到二維絕對編碼值經(jīng)過譯碼處理獲得當前二維絕對位置測量值。

二維絕對編碼碼道(2)由大小相同的反射或不反射光的碼元構(gòu)成，采用偽隨機編碼方式，二維編碼矩陣的各行列初始值相同，且變換公式相同，都為同一編碼下的m序列，同時為擴大量程，引進另外一組表示數(shù)值大小的序列，用以確定大范圍的位置值。如此得到的絕對位移編碼序列滿足奇數(shù)(偶數(shù))項是m序列，用以確定當前位置相對基準的偏移量；其偶數(shù)(奇數(shù))項則表示數(shù)值大小的一組二進制數(shù)，用以確定當前位置所對應(yīng)的基準值。

二維絕對編碼碼道(2)的任意行或列c1c2c3......c62c63c64......cn.......，按照公式bi＝d0ci^d1ci+1^d2ci+2^......^dhci+h(其中^表示位異或運算。d0＝1，d1,d2,.......,dh為0或者1且d1,d2,d3......dh-1有且僅有奇數(shù)個參數(shù)為1)變換得到的bi滿足：(1)奇數(shù)項(偶數(shù)項)為m序列(若m序列為j階，則它的循環(huán)長度為2^j-1)；(2)偶數(shù)項(奇數(shù)項)為表示數(shù)值大小的一段序列(以2^j-1為循環(huán)長度，后一段表示的數(shù)值大小比前一段大1)。

編碼識別模塊(10)的識別步驟是：第一步，需要計算每個編碼單元在圖像傳感器面陣cmos上成像所占用的像素w；第二步，確定第一個白條紋位置x1，計算“0”碼的個數(shù)為(x1-1)/w，并將“0”碼存儲；第三步，確定下一個黑條紋位置y，計算“1”碼的個數(shù)為(y-x1)/w，并將“1”碼存儲；第四步，確定下一個白條紋位置x2，計算“0”碼的個數(shù)為(x2-y)/w，并將“1”碼存儲，再將x2的值賦給x1；循環(huán)第三步與第四步直到達到要求的編碼個數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明中，由于m序列的循環(huán)位數(shù)有限，能確定的位置值也是有限的，引進另外一組序列，用于表示數(shù)值大小，用以確定大范圍的位置值，極大增大的系統(tǒng)的量程；由于采用m序列進行絕對位置的測量，使系統(tǒng)的量程可以隨著m序列的階數(shù)增加而得到擴展，改善了現(xiàn)有確定性編碼系統(tǒng)中量程難以擴展的缺點；本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，實時性強，可以快速實現(xiàn)解碼輸出二維絕對位置測量值。

附圖說明

圖1是二維絕對位移編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是二維絕對位移編碼器的二維編碼圖樣。

圖3是二維編碼識別算法流程圖。

圖4是二維絕對位移編碼器的流程圖。

具體實施方式

參照附圖1，二維絕對位移編碼器，包括平行光源1、二維絕對編碼碼道2、成像透鏡組3、孔徑光闌4、圖像傳感器5以及fpga信號處理系統(tǒng)7。所述二維絕對編碼碼道2由大小相同的反光或不反光的碼元構(gòu)成，其編碼規(guī)則為偽隨機碼；所述平行光源1發(fā)出的平行光照射到二維絕對編碼碼道2發(fā)生反射，經(jīng)成像透鏡組3、孔徑光闌4成像于圖像傳感器5上；所述圖像傳感器5用于采集包含當前絕對位置的編碼圖像并發(fā)送到fpga信號處理系統(tǒng)7；所述fpga信號處理系統(tǒng)7包括cmos配置模塊6、圖像讀取、圖像處理模塊11、編碼識別模塊10、位移譯碼模塊9、vga顯示模塊8。所述fpga信號處理系統(tǒng)7用于對數(shù)字圖像進行中值濾波、二值化處理后，驅(qū)動sdram進行圖像緩存，然后進行編碼識別得到二維絕對編碼值經(jīng)過譯碼處理獲得當前二維絕對位置測量值。

參照附圖2，對于二維絕對位移編碼器的二維編碼圖樣的產(chǎn)生步驟：選取階數(shù)為4的m序列，選取序列初值為1111，所以組成的15位序列即為：{111101011001000}，即{b1b3…b15}＝{111101011001000}。取轉(zhuǎn)換公式：由于m序列循環(huán)周期為2^j-1，因此為擴大量程，需引入另外一組表示數(shù)值大小的序列，確定大范圍的位置值，以適應(yīng)實際的應(yīng)用場合。因此再取{b2b4…b16}＝{000000000000000}，取編碼初值為{a1a2a3}＝{111}，就可以產(chǎn)生33位二進制編碼。而后，{b2b4…b16}的值依次加一，如此循環(huán)進行編碼即可得到一行編碼值。按照以上編碼方式，先生成三行相同的編碼；利用這三行編碼的前三列值為列編碼的初值，同樣利用相同的轉(zhuǎn)換公式和初值，生成前三列二進制編碼；最后利用這三行與三列編碼可以生成需要位數(shù)的二維絕對式編碼行列表。

二維絕對式位移編碼器的解碼過程主要包括以下幾個步驟：

1、截取長度k＝4*(2^j-1)+h＝4*(2⁴-1)+3＝63的橫向編碼為ai,jai,j+1ai,j+2......ai,j+62和縱向編碼為ai,jai+1,jai+2,j......ai+62,j；

2、對數(shù)組ai,j按公式bn＝an^an+1^an+2^an+3變換，將bn的奇數(shù)項放入數(shù)組b1one，將其偶數(shù)項放入數(shù)組b1two；

3、判決通道，如果b1one為m序列，判斷子序列{1111}在b1one中的位置，確定p1，同時b1two為表示大范圍計數(shù)值，即p1，得到絕對位置編碼i＝p1+p2*(2^j-1)*2+1；如果b1two為m序列，判斷子序列{1111}在b1two中的位置，確定p1，同時b1one為表示大范圍計數(shù)值，即p1，得到絕對位置編碼i＝p1+p2*(2^j-1)*2；

4、將得到的絕對編碼i轉(zhuǎn)化為絕對位置p＝(40*i)um。

參照附圖3，編碼識別模塊的識別步驟：第一步，需要計算每個編碼單元在圖像傳感器面陣cmos上成像所占用的像素w。第二步，確定第一個白條紋位置x1，計算“0”碼的個數(shù)為(x1-1)/w，并將“0”碼存儲。第三步，確定下一個黑條紋位置y，計算“1”碼的個數(shù)為(y-x1)/w，并將“1”碼存儲。第四步，確定下一個白條紋位置x2，計算“0”碼的個數(shù)為(x2-y)/w，并將“1”碼存儲，再將x2的值賦給x1。循環(huán)第三步與第四步直到達到要求的編碼個數(shù)。

參照附圖4，二維絕對位移編碼器的細分采用灰度重心法?；叶戎匦姆梢钥闯墒且曰叶葹闄?quán)值的加權(quán)形心法?；叶葓D像i(i,j)中目標s的灰度重心(x0,y0)為

其中w(i，j)為權(quán)值，取w(i，j)＝i(i,j)。

為了對某一條白條紋用灰度重心法進行精確定位。下面給出一種改進的權(quán)值選取方法，即閾值灰度重心法。首先選取合適的灰度閾值t，對目標灰度i(i,j)做如下操作：

其中t為選取的閾值。

然后將求得的相對灰度值w(i，j)作為權(quán)值代入灰度重心公式中，求得相應(yīng)的灰度重心值，從而得到與測量標準的偏差。

參照附圖4，二維絕對位移編碼器的測量步驟為：

1、將平行光源發(fā)出的平行光照射到二維絕對編碼碼道發(fā)生反射，經(jīng)成像透鏡組、孔徑光闌成像于圖像傳感器面陣cmos上。

2、fpga配置并驅(qū)動圖像傳感器面陣cmos進行圖像采集，經(jīng)過中值濾波、二值化處理后送到sdram進行緩存。

3、信號處理模塊對編碼圖像進行圖像處理，得到二維絕對式編碼，經(jīng)過譯碼程序后得到當前二維絕對位置測量值。

以上所述的本發(fā)明實施方式，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護范圍的限定。任何在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。