图像式光电编码器的测角技术及其硬件实现

为提高光电编码器的分辨力,并缩小体积,提出一种基于图像处理技术的面阵图像式光电编码器。根据光电编码器的性能指标要求设计了光学码盘;然后,通过互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器采集旋转码盘的图案,由复杂可编程逻辑控件(CPLD),数字信号处理器(DSP)组成的处理电路接收图像数据,通过图形识别算法得到粗码角度,并采用改进的基准线质心算法,计算亚像素级的精码角度信息。最后由粗码和精码组成光电编码器测角数据。实验结果表明,设计码盘直径为45mm的图像式光电编码器,在不配备光学镜头的前提下,采用精码细分技术,可实现4096份细分,测角分辨力达到5″,角度测量误差峰峰值为51″。且改进质心算法能有效地抑制噪声,提高测量精度。该图像式编码和精码细分技术可以提高编码器的分辨力,缩小编码器体积,减轻重量。满足航空航天领域对小型化光电编码器的需求。     

基于线阵图像传感器的高分辨力单圈绝对式编码方法

为了提高测角分辨力,缩小码盘尺寸,并克服传统图像式编码器译码速度慢等缺点,提出了一种单圈绝对式高分辨力编码技术。通过分析码盘刻线与分辨力之间的关系,提出了绝对式单圈移位码编码方法;采用准直光源照射和线阵图像探测器识别的方法实现单圈码盘的译码方式;根据所提出的方法,设计了高分辨力码盘及译码电路。实验采用直径38mm、刻划有10位编码的单圈码道,成功实现了10位编码的译码。该编码方式较传统采用面阵图像探测器的编码方法具有更快的响应频率。     

基于坐标旋转数字计算算法的小型光电编码器细分

为在不增加体积的前提下提高小型光电编码器精度,分析了计算法细分误差产生的原因,提出了基于坐标旋转数字计算(CORDIC)算法的光电编码器精码信号新细分法,利用简单的移位和加法操作可实现对采集到的正交码盘精码信号直接细分求相位,避免了查"细分表"引入的细分误差。对细分算法进行了分析与优化,使算法在取得合适精度的同时提高了运算速度。运用研究的细分法对某16位小型光电编码器精码信号进行256份细分时,比利用计算法细分时编码器的均方根误差减小了一半。实验结果表明,研究的新细分法可直接对光电编码器精码信号进行高精度细分,对于研制小型化、高精度光电编码器具有重要意义。     

基于线阵探测器的单圈绝对轴角编码器

为了解决轴角编码器尺寸与角度分辨率之间的矛盾,同时提高编码器的响应频率,提出了一种基于线阵探测器的单圈绝对式光电轴角编码器.该编码器使用了一种新型单圈绝对式编码盘,整个码盘只有一个码道,粗码被直接刻在这个单圈的码道上,码盘图像经光学放大后被线阵探测器接收.利用FPGA控制电路将数据传送至计算机,并对数据进行译码处理,分别利用图像处理技术读取粗码和利用像素细分技术获得细码,两者相结合得到角度信息.通过该技术设计一个码盘直径为40 mm的绝对式轴角编码器,其分辨率为15位.     

基于线阵探测器的单圈绝对轴角编码器

为了解决轴角编码器尺寸与角度分辨率之间的矛盾,同时提高编码器的响应频率,提出了一种基于线阵探测器的单圈绝对式光电轴角编码器.该编码器使用了一种新型单圈绝对式编码盘,整个码盘只有一个码道,粗码被直接刻在这个单圈的码道上,码盘图像经光学放大后被线阵探测器接收.利用FPGA控制电路将数据传送至计算机,并对数据进行译码处理,分...     

一种自适应安装的高精度图像式角位移测量装置

采用图像探测器的角位移测量技术可实现高精度高分辨力角位移测量。为提高角位移测量装置的鲁棒性,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具有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,设计实验装置测试自适应安装的性能。实验结果表明,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的安装偏心时保证输出精度,为小型角位移测量装置适应性的提高给出了解决方案。     

自准直仪光电探测器失调对测角的影响

本文首次提出并构建了自准直仪光电探测器失调的数学模型。基于该模型,分析了光电探测器相对于理论像面处于空间任意位置和朝向时对自准直仪测角的影响。结果表明,探测器失调造成的测角误差随准直物镜焦距f的增大而减小,随自准直仪到被测镜面的距离L以及待测角度θ的增大而增大。计算发现,当f=300 mm,L=100 mm,θ=20″时,因探测器失调引起的测角误差达到0.004 5″。文章进一步分析了各种探测器失调误差单独作用时对自准直仪测角的影响,验证了模型的正确性,并发现探测器离焦对自准直仪的影响最大。根据本文计算结果,选择长焦距的成像物镜、减小测量距离、提高光电探测器沿轴向的安装精度是减小光电探测器失调对自准直仪影响的关键。基于提出的数学模型,可以系统地计算探测器失调对自准直仪测角的影响,进而为构建更加完善的自准直仪误差模型奠定基础。     

码盘偏心对叠栅条纹信号相位影响的理论分析

增量式光学编码器根据径向辐射光栅产生的叠栅条纹进行角度测量，两光栅码盘轴之间及其与系统转动轴之间的偏心和晃动，影响着编码器读头输出的叠栅条纹信号的相位，这给角度测量带来了一定的系统误差。根据光栅码盘产生叠栅条纹的基本理论，在改进计量光栅码盘理论模型的基础上，推导出码盘偏心情况下码盘读头输出的叠栅条纹信号相位的理论公式，对码盘偏心给叠栅条纹信号相位带来的偏差、增量式光学编码器光学设计原理及消除此由此带来的系统误差的技术原理进行了分析与讨论。     

光电轴角编码器的编码方式及其发展趋势

光电轴角编码器是以码盘或计量圆光栅为核心元件的测角传感器。近年来,为满足光电轴角编码器小型化、智能化、集成化,特别是小型化的要求,各国在缩小光电轴角编码器的尺寸方面做了大量的研究工作,尤其是对编码方式的研究。本文主要介绍了目前光电轴角编码器的编码方式及编码原理,在对现有编码方式详细解读的基础上对制约光电轴角编码器快速小型化的因素进行了分析,认为影响编码方式成功实施的主要因素是发光和接收元件的尺寸。文中展望了光电轴角编码器编码方式的发展趋势,提出编码方式多样化和码道数量少量化有助于缩小光电编码器尺寸,加速其小型化的发展。      

相移干涉仪中探测器非线性误差及其补偿

通过对多个相移算法的理论分析和数值模拟,发现探测器的非线性响应在相位中会引入2倍空间频率的系统误差。结果表明,非标准相移算法随着探测器非线性度的增加,相对误差也越来越大。提出了压电陶瓷驱动器的移相误差和光电探测器的非线性误差相互抵消的误差补偿技术,并给出了判别误差匹配有效性的实用判据。仿真表明,这种误差补偿技术可以使测量误差减小约一个量级。证明了在不考虑波前幅度信息时,标准相移算法对光电探测器的非线性为零响应,不影响仪器精度。     

小型光电编码器自动检测系统

设计了小型光电编码器自动检测系统,用于准确快速地检测小型光电轴角编码器的误差。采用21位高精度光电编码器作为角度基准来检测低精度的小型光电编码器。用控制系统转动编码器,此时高精度编码器与被检编码器之差即为小型编码器在该位置的误差。检测完毕,根据需要将编码器的误差通过USB接口传输给上位机保存并进行深度分析。采用该系统检测某型号的15位编码器,得到的均方差为29.1″,而传统方法检测的误差均方差为28.5″,表明设计的检测系统满足检测精度要求。     

单圈绝对式码盘编码方法的研究

通过对传统绝对式码盘编码方法原理的研究，提出了一种新型的编码方法--单圈绝对式编码方式.根据设计的码盘位数，运用VC语言进行可视化编程，得出角度位置和编码一一对应的编码.该图形简单，制作方便，易于提高准确度和实现编码器的小型化，克服传统绝对式码盘码道数过多、结构复杂、刻划难度大、编码准确度低等缺点，为进一步研制单圈绝对式编码器提供了理论依据和技术支持.     

微扫描显微热成像系统的降采样高分辨力图像重建算法

提出了一种基于降采样模型的显微热图像高分辨力重建算法,该算法通过与三次样条插值放大得到的像素点相比较以补偿微扫描产生的系统误差。仿真和实验结果表明,提出的方法减少了由于微扫描误差所带来的图像重建质量下降,提高了光学微扫描显微热成像系统的空间分辨力,具有较强的实用价值。提出的方法还可以应用到其他光电成像系统中以提高系统空间分辨力。     

编码器动态检测系统高实时性高精度角度基准设计

在编码器动态特性检测中,角度基准的快速反应和精度直接影响着动态特性检测装置的准确性。为实现角度基准的快速响应,提高基准编码器的测角精度,本文设计了高精度快速细分角度基准编码器。首先,通过对目前角度基准不足对编码器动态特性检测影响的分析,得出动态检测精度主要受基准编码器的数据处理延时影响。其次,通过对基准编码器结构、细分电路、处理电路等的设计,完成了23位高实时性角度基准编码器的制作。最后,为提高检测精度,利用RBF神经网络对角度基准进行误差补偿。所设计的角度基准编码器分辨率达到0.15",并且可以在10 r/s速度时,保证逐分辨率输出。经过测量,补偿前基准编码器的精度为1.30",补偿后的基准编码器误差峰峰值不超过2.5",精度优于0.6"。高精度、高实时性角度基准编码器的研制,提高了编码器动态特性检测系统的检测精度,为研究编码器动态特性提供了基础。     

小型绝对式光电编码器误码自动检测系统

在批量生产光电编码器时,对光电编码器是否存在误码进行检测是一个重要的环节。现有的检测方法采用二进制灯排手动转动编码器用肉眼进行观测,存在手动检测慢、肉眼观测误差较大、检测结果受转动速度影响等缺点。在大批量生产的光电编码器,采用传统方法进行误码检测费时费力。为解决编码器生产及使用过程中对光电编码器的自动误差检测,本文设计了小型光电编码器误码自动检测系统。首先,在参照大量光电编码器生产经验的基础上,分析了编码器误码产生的主要原因;然后,提出了基于微分算法实现对光电编码器是否存在误码进行判断的误码自动检测方法;最后,以FPGA为主控芯片,设计了小型光电编码器自动误码检测系统。该系统能够实现对光电编码器的高速数据采集、数据处理与误码判断,并将误码判断结果通过LCD液晶显示。同时,可以根据需要将数据传输到计算机中作进一步分析。检测实验表明:本文所设计的误码检测系统成功实现了对15位串/并口光电编码器在高速和低速下进行数据采集及误码判断。系统可用于批量生产下光电编码器的误码自动检测,减少了人工操作,提高了自动化程度。系统具有智能便捷,移动性强,适用于实验室及各种工作场合下的误码检测等优点,检测速度较以往检测方法提高了3~5倍。     

色散型光谱仪采样调制传递函数及对高斯型光谱谱线的影响

光电探测器参数的选择对色散型光谱仪性能具有重要影响,有必要对光谱仪中光电探测器的离散采样过程进行深入探讨.文章从频率域的角度出发,建立了采样模型,探讨了输入余弦信号的空间频率、光电探测器采样的像元宽度及像元的初始相位对采样结果的影响.引入取整函数,给出了统一的采样调制传递函数表达式,提出并计算了平均采样调制传递函数,消去了初始相位的影响,便于实际应用.对于色散型光谱仪光学系统产生的典型高斯型光谱谱线,将高斯谱线的傅里叶变换与平均采样调制传递函数相乘,得出了光谱仪整系统的调制传递函数表达式.在频率域分析了采样过程的平均混叠误差与空间频率的关系,研究了平均混叠误差极大值与高斯光谱谱线宽度的关系,并给出了要精确恢复谱线所需谱线宽度的阈值.该阈值对于光谱仪系统的光学参数选择有重要的参考意义.     

矩阵码盘及其矩阵狭缝的检测

在介绍矩阵码盘的基础上，分析常规矩阵码盘和非常规矩阵码道图案方向的确定方法，提出矩阵码盘码道间相位关系误差的检测方法－－角量比较法和线量比较法以及矩阵码盘码道间、圈间关系误差的检测方法，阐述了阵狭缝间裂相相位关系、圈与圈之间关系误差的检测方法－－角量比较法和线量比较法，并分析在不同一刻划直径上的码间，圈间相位关系误差的检测方法，最后对测量误差进行了讨论。     

光电探测器安装误差对差动相位探测信号的影响

光电探测器(PDIC)的安装误差导致光学头的光学轴心与光电探测器的中心不重合。在光盘标量衍射模型的基础上,引入光电探测器的位置误差参数,根据DVD-ROM的盘片参数,计算并分析了位置误差对差动相位探测(DPD)信号的影响。计算结果表明:沿盘片切向的位置误差使DPD的幅值变小,在25%的范围内DPD的幅值随切向位置误差的变化系数为1.52T;沿盘片径向的位置误差使DPD产生直流偏置,在50%的范围内DPD直流偏置随径向位置误差的变化系数为3.8T。     

基于方向金字塔框架变换的遥感图像融合算法

为了综合利用多光谱遥感图像与全色遥感图像之间的互补信息,提出了一种方向金字塔框架变换(SPFT),并基于此变换提出了一种遥感图像融合算法。具体融合过程是将多光谱图像的每个波段分别与高分辨力全色图像进行融合,首先将高分辨力全色图像与多光谱图像的待融合波段进行直方图匹配,然后对该波段图像以及直方图匹配后的高分辨力全色图像分别进行方向金字塔框架变换分解,融合过程就是对两图像方向金字塔框架变换分解后的系数进行组合,最后对组合后的系数进行方向金字塔框架逆变换即可得到该波段图像与高分辨力全色图像的融合图像。实验结果表明该算法在性能上优于基于亮度-色调-饱和度(1HS)的彩色空间变换以及基于离散小波框架变换(DWFT)的遥感图像融合方法,尤其对源图像之间存在配准误差的情况。     

准绝对式光学编码器的编译码原理

介绍了准绝对式光学编码器的测量原理,根据其码盘特点,设计了实用的编码算法.利用计算机编程辅助实现了最高17位的索引码道编码设计,并提出一种译码的方法,可以实现从循环二进制码到自然二进制码的快速转换,为其进一步工程实现提供理论基础.