[发明专利]一种用于测量转轴角位移的光电传感器及其测量方法

说明书

技术领域

本发明属于光电测量技术领域，具体涉及一种用于测量转轴角位移的光电传感器及其测量方法。

背景技术

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W0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CCD的像元上，CCD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。

发明内容

本发明的目的是供一种用于测量转轴角位移的光电传感器及其测量方法，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。

本发明的基本构思为：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＝W0/T，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。

本发明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CCD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CCD圆周阵列。