本发明专利技术公开了一种用于测量转轴角位移的光电传感器及其测量方法，该光电传感器包括平行光照单元和检测单元，检测单元包括沿圆周均匀开设有透光缝隙的圆形遮光挡板、沿圆周均匀固定有线阵CCD的圆形固定板、与各线阵CCD电连接的电路板；圆形遮光挡板连接在转轴的一端，并与转轴一同转动，圆形固定板和电路板穿过转轴固定在外壳上；圆形固定板上布置有N个线阵CCD，各线阵CCD的有效起始位置均设在圆形固定板的360°/N等分线上，在第一个线阵CCD的有效起始位置等分线上设置有一个光敏二极管；利用N个线阵CCD构成一个CCD圆周阵列，采用平行光场下透光的形式来实现角位移的测量。在满足高精度测量的情况下，能减小传感器的机械加工难度，大幅降低数据处理难度。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于光电测量
，具体涉及。
技术介绍
随着科学技术的发展和经济建设的需要，角位移测量传感器在工业、科技、航空航天等诸多领域得到了极为广泛的应用。在众多角位移测量传感器中，光电传感器一直是各个领域倍受青眯的一种测量装置。目前，在某些地方人们采用由单个线阵CCD构成的光电传感器对小幅角位移进行测量。线阵CCD是一种半导体器件，其上植入的微小光敏物质被称作CCD像元，它能把光学影像转换为数字信号；CCD驱动电路产生相应的驱动时序脉冲来驱动CCD成像，其过程分为光积分阶段和电荷转移阶段；在光积分阶段，CCD内的存储栅和移位寄存器不导通分别工作，存储栅进行光积分(即产生与光照对应的电荷信号，当CCD像元与光源之间有遮挡物的时候，相应的像元上完成光积分的电荷量就很少甚至没有为暗电流信号)，移位寄存器在驱动脉冲作用下将上一次移到此处的电荷信号向输出端转移并经转换后输出；在电荷转移阶段，存储栅和移位寄存器导通，将每个CCD像元的电荷信号按序号转移到移位寄存器中；线阵CCD上的电荷信号按照一定时序输出后，线阵CCD又重新开始下一周期光积分。对单个线阵CCD而言，在其像元成像过程中线阵CCD的有效像元总长度WO和行扫描周期T为固定的。上述由单个线阵CCD构成的光电传感器的测量原理如下激光发生器发出的平行光入射到被测物体表面上，形成光斑照射在线阵CXD的像元上，CXD像元上成像输出相应的电信号；当被测物体转动时，入射光斑发生偏转，所照射的线阵CCD上的像元位置随之变化，信号处理电路读取有光斑照射到的像元的个数，并乘以单个CCD像元尺寸，经转换后即可得到被测物体转动的角位移值。这种测量方法的测量精度依赖于线阵CCD内各像元的 安装以及加工尺寸，如果线阵CCD内各像元的安装以及加工尺寸存在差异会影响其测量结果；并且上述光电传感器不能用来对较大幅度的转轴角位移进行测量。在测量精度要求较高，且所测的角位移为转轴角位移的地方，人们通常采用光电编码器进行测量；光电编码器具有稳定性好、测量精度高、动态性好等优点，但是光电编码器最大的缺点是随着编码器输出位数的提高，编码盘的体积相应增大，其机械加工难度及加工成本也随着增加，同时其数据处理难度也随着大幅提高。
技术实现思路
本专利技术的目的是供，以在满足高精度测量的情况下，减小其机械加工难度，大幅降低数据处理难度。本专利技术的基本构思为利用多个线阵CCD构成一个CCD圆周阵列，采用平行光场下透光的形式来实现角位移的测量。其基本测量原理为让线阵CCD匀速运动，扫描被测物体，在保证速度匀速的前提下，根据公式S = V*t，V = wo/τ，将与位移相关的测量转换到时间的测量上，利用高频时钟脉冲插补的方式去实现转轴角位移的测量。本专利技术所述的用于测量转轴角位移的光电传感器，包括平行光照单元和检测单元，所述检测单元包括沿圆周均匀开设有透光缝隙的圆形遮光挡板、沿圆周均匀固定有线阵CCD的圆形固定板、与各线阵CCD电连接的电路板，圆形遮光挡板与圆形固定板平行，圆形遮光挡板上开设的透光缝隙的数量与圆形固定板上固定的线阵CCD的数量相等；所述圆形遮光挡板连接在转轴的一端，并与转轴一同转动，所述圆形固定板和电路板穿过转轴固定在外壳上；圆形固定板上沿圆周均匀布置有N个线阵CCD，且N为大于等于六的偶数，各线阵CCD的有效起始位置均设在圆形固定板的360° /N等分线上，形成CCD圆周阵列，在第一个线阵CCD的有效起始位置等分线上设置有一个与电路板电连接且用于记录转轴转过的透光缝隙数目的光敏二极管，构成光电开关；各线阵CXD和光敏二极管均能获得从透光缝隙传递过来的平行光的照射；转轴转动带动圆形遮光挡板上的透光缝隙转动，平行光照单元发出的平行光穿过透光缝隙形成独立的平行光束，电路板上的CCD驱动电路将各线阵CCD按照布置顺序依次错开1/N个CCD行扫描周期驱动，各线阵CCD依次输出其检测到的透光缝隙时刻，该透光缝隙时刻与对应的线阵CCD驱动起始时刻的时间差由插补的高频时钟脉冲个数表示，该插补的高频时钟脉冲个数结合光敏二极管的脉冲计数值，经角度转换后得到转轴的角位移值。进一步，所述圆形遮光挡板沿圆周均匀开设有间隔36°的十条透光缝隙，所述圆形固定板上沿圆周均匀布置有十个线阵CCD，各线阵CCD的有效起始位置沿顺时针设在圆形固定板的36°等分线上，形成C⑶圆周阵列。进一步，为了形成一个高质量的平行光场，同时节约成本，所述平行光照单元包括激光平行光源、与激光平行光源大小一致的小凸透镜、大凸透镜和光源壳体，所述激光平行光源连接在光源壳体的一端并伸入光源壳体内，小凸透镜和大凸透镜平行连接在光源壳体内，小凸透镜与大凸透镜具有共同的焦点，激光平行光源发出的平行光射入小凸透镜，经小凸透镜折射后会聚于焦点处，再从焦点处射入大凸透镜，经大凸透镜折射后形成平行光场，圆形遮光挡板的边缘能完全挡住平行光，平行光只能从透光缝隙中穿过。采用上述光电传感器对转轴角位移进行测量的方法，包括步骤I :让平行光照单元发出的平行光穿过透光缝隙形成独立的平行光束，转轴转动带动圆形遮光挡板上的透光缝隙转动，光敏二极管记录转过的透光缝隙数目；步骤2 :从第一个线阵CCD开始，电路板上的CCD驱动电路周期性的按照各线阵CCD布置顺序依次错开1/N个CCD行扫描周期驱动各线阵CCD依次工作；·步骤3 电路板上的CCD信号采集电路按照各线阵CCD的布置顺序依次采集各线阵CCD的驱动起始时刻和各线阵CCD检测到的透光缝隙时刻，如果某个线阵CCD上检测到有两个透光缝隙，则以先出现的透光缝隙对应的时刻为该线阵CCD的透光缝隙时刻；步骤4 电路板上的信号处理模块按各线阵CXD的布置顺序依次将线阵CXD检测到的透光缝隙时刻与该线阵CCD的驱动起始时刻的时间差用高频时钟脉冲插补，并记录光敏二极管的开关次数形成脉冲计数值，将插补的高频时钟脉冲个数和光敏二极管的脉冲计数值输出给电路板上的角度转换模块；步骤5 电路板上的角度转换模块将插补的高频时钟脉冲个数和光敏二极管的脉冲计数值进行相应转换后得到转轴角位移值。本专利技术与现有技术相比具有如下优点(I)将开有透光缝隙的圆形遮光挡板连接在转轴的一端并与转轴一同转动，将各线阵CCD均匀布置在圆形固定板上，将圆形固定板和电路板穿过转轴固定在外壳上，利用较小的激光平行光源、小凸透镜和大凸透镜配合，产生平行光，构成了传感器的机械结构，其加工难度比光电编码器的编码盘加工难度低，同时成本也较低。(2)采用CXD驱动电路将各线阵CXD按照布置顺序依次错开1/N个CXD行扫描周期驱动，让各线阵CCD依次输出其检测到的透光缝隙时刻，各线阵CCD固定不动，由转轴转动带动圆形遮光挡板转动，带动透光缝隙转动，相当于实现了在不需要动力驱动的情况下，一个线阵CCD以恒定速度V = WO/Τ沿圆周运动的运动模式，在不降低传输速度的前提下，各线阵CCD串行输出(即按照线阵CCD的布置顺序依次输出，每次只输出一个线阵CCD检测到的信号)，对于需要较多的线阵CCD参与测量的传感器，其后续电路的数据采集和处理难度大幅度降低了。(3) N个线阵CCD错开1/N个行扫描周期驱动，相当于N个线阵CCD将一个周期等分成N个读数时刻，使得在一个周期内可以得到N个不同的位置信本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于测量转轴角位移的光电传感器，包括平行光照单元和检测单元，其特征是：所述检测单元包括沿圆周均匀开设有透光缝隙的圆形遮光挡板(8)、沿圆周均匀固定有线阵CCD的圆形固定板(6)、与各线阵CCD电连接的电路板(4)，圆形遮光挡板(8)与圆形固定板(6)平行，圆形遮光挡板(8)上开设的透光缝隙的数量与圆形固定板(6)上固定的线阵CCD的数量相等；所述圆形遮光挡板(8)连接在转轴(1)的一端，并与转轴(1)一同转动，所述圆形固定板(6)和电路板(4)穿过转轴(1)固定在外壳(7)上；圆形固定板(6)上沿圆周均匀布置有N个线阵CCD，且N为大于等于六的偶数，各线阵CCD的有效起始位置均设在圆形固定板的360°/N等分线上，形成CCD圆周阵列，在第一个线阵CCD的有效起始位置等分线上设置有一个与电路板电连接且用于记录转轴转过的透光缝隙数目的光敏二极管(24)；转轴转动带动圆形遮光挡板上的透光缝隙转动，平行光照单元发出的平行光穿过透光缝隙形成独立的平行光束，电路板上的CCD驱动电路将各线阵CCD按照布置顺序依次错开1/N个CCD行扫描周期驱动，各线阵CCD依次输出其检测到的透光缝隙时刻，该透光缝隙时刻与对应的线阵CCD驱动起始时刻的时间差由插补的高频时钟脉冲个数表示，该插补的高频时钟脉冲个数结合光敏二极管的脉冲计数值，经角度转换后得到转轴的角位移值。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：付敏，彭东林，陈锡侯，鲁进，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：
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