正交編碼技術(shù)在激光水平儀上的應(yīng)用與研究

朱宏軍

（常州華達科捷光電儀器有限公司，江蘇常州 213023）

0 引言

隨著激光水平儀在建筑基礎(chǔ)施工、工程設(shè)備安裝等領(lǐng)域的廣泛使用，傳統(tǒng)單一水平放樣功能已不能滿足施工放樣要求，SCAN功能的出現(xiàn)進一步拓展了激光水平儀的應(yīng)用。本文介紹了激光水平儀中SCAN功能的技術(shù)實現(xiàn)原理，尤其是正交編碼技術(shù)在SCAN功能上的應(yīng)用。

1 激光水平儀工作原理

激光水平儀的主要部件：安平系統(tǒng)、人機操作系統(tǒng)和激光掃描系統(tǒng)。

1.1 安平系統(tǒng)

激光水平儀的安平方式主要有兩種：重力安平和水平傳感器安平。

重力安平是一種用萬向架將激光掃描系統(tǒng)整體懸掛起來，以自動保持測量基準(zhǔn)精度的技術(shù)。當(dāng)萬向架軸系摩擦力很小，且被懸掛體重心與激光掃描系統(tǒng)軸向重合時，作為基準(zhǔn)使用的水平激光束，即具有自動保持工作精度的能力，這時系統(tǒng)即使受外力擾動而作兩個自由度的擺動，最終也會靜止在原來的位置上，恢復(fù)工作精度，從而實現(xiàn)了重力自動安平。為使被懸掛體受擾動后迅速靜止，還需要設(shè)置阻尼器。

水平傳感器安平是通過微控制電路采集水平傳感器信號，而后根據(jù)傳感器信號控制X方向和Y方向電機，使激光掃描系統(tǒng)軸向Z與重力鉛垂方向重合，以此作為基準(zhǔn)使用水平激光束的技術(shù)。當(dāng)水平傳感器檢測到超出預(yù)設(shè)精度范圍的信號時，微控制電路將根據(jù)信號控制X/Y方向電機，使激光束保持在水平基準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

水平傳感器安平方式較重力安平方式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，但使用場合廣泛。

1.2 人機操作系統(tǒng)

人機操作系統(tǒng)主要由操作按鍵和LCD顯示兩部分構(gòu)成；LCD顯示儀器的當(dāng)前狀態(tài)信息，如電池電量、轉(zhuǎn)速、SCAN功能的角度等。

1.3 激光掃描系統(tǒng)

激光掃描系統(tǒng)主要由激光射線、直流伺服馬達和計數(shù)光柵組成；激光掃描系統(tǒng)主要功能包括勻速旋轉(zhuǎn)功能（如120rpm、300rmp、600rpm 等） 和 SCAN 功能（如 10°、30°、60°、90°、180°等），其中在勻速旋轉(zhuǎn)功能下，激光水平儀將投射出一個360度的水平面，而在SCAN功能下，激光水平儀將投射出一個扇形水平面。

2 SCAN功能工作原理

2.1 組成

檢測機構(gòu)由光柵齒盤一塊、960nm紅外檢測部件（1個發(fā)射管、2個接收管）一套和后續(xù)電信號處理部分組成。

光柵齒盤的邊緣有n個凸齒組成，本文中n=90，如圖1所示。

圖1 光柵齒盤

材料：用厚度為0.5mm的不銹鋼片沖壓而成，需氧化發(fā)黑處理，以保證光電信號的檢出。

直經(jīng)在75 mm，中心孔位固定在激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸系上。

2.2 結(jié)構(gòu)布局

如圖2所示，發(fā)光管位于光柵齒盤的下邊緣，兩個接收管位于光柵齒盤的上邊緣（接收發(fā)光管穿過光柵齒盤的光線）。光柵齒盤固定在激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸系上，由固定在旋轉(zhuǎn)軸托架上的伺服電機通過同步帶和帶輪帶動旋轉(zhuǎn)；960nm紅外檢測部件固定在激光掃描系統(tǒng)所在的托架上靜止不動；當(dāng)伺服電機帶動激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸和光柵齒盤旋轉(zhuǎn)時，接收管將接收到強弱變化的光電信號。

圖2 檢測機構(gòu)布局圖

2.3 光電信號分析及處理

960nm紅外檢測部件的輸出信號：

由圖3所示，接收信號是兩個成90度相位差的弦波。

圖3 接收信號圖

對于接收信號1和接收信號2的弦波進行整形，將弦波整形成方波如圖4所示。

當(dāng)伺服電機帶動激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸順時針旋轉(zhuǎn)，則可得到接收信號1和接收信號2正向轉(zhuǎn)動時的波形，如圖5所示。

由圖5可知，正向轉(zhuǎn)動時接收波形2的方波上升沿在接收波形1的高電平區(qū)；

當(dāng)伺服電機帶動激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)軸逆時針旋轉(zhuǎn)，則可得到接收信號1和接收信號2（取反）反向轉(zhuǎn)動時的波形，如圖6所示。

由圖6可知，反向轉(zhuǎn)動時接收信號2（取反）的方波上升沿在接收波形1的高電平區(qū)。

圖4 整形后的波形

圖5 正向轉(zhuǎn)動時波形

圖6 反向轉(zhuǎn)動時波形

由圖5和圖6分析而得，正向和反向轉(zhuǎn)動時的波形符合正交編碼技術(shù)的波形特征；由此，可依據(jù)正交編碼技術(shù)檢測控制激光掃描系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)部件，以使SCAN功能穩(wěn)定可靠的運行。

2.4 正交編碼技術(shù)中的控制與算法

依據(jù)正交編碼技術(shù)，設(shè)置兩路計數(shù)器，一路讀取正向轉(zhuǎn)動數(shù)值A(chǔ)1，另一路讀取反向轉(zhuǎn)動數(shù)值A(chǔ)2。在啟動SCAN功能后，默認激光掃描系統(tǒng)正向轉(zhuǎn)動，此時A1和A2的初始值設(shè)定應(yīng)滿足:A1-A2=n/2，其中n為光柵齒盤的凸齒數(shù)；SCAN功能角度設(shè)定值I、正向轉(zhuǎn)動界限設(shè)定值C1和反向轉(zhuǎn)動界限設(shè)定值C2應(yīng)滿足以下要求：

1）當(dāng) C1＞C2 時，C2+I/2=n/2，或當(dāng) C2＞C1 時，C1+I/2=n/2；

2）|C1-C2|=I；

在SCAN功能運行過程中，控制伺服電機使激光掃描系統(tǒng)反向轉(zhuǎn)動的條件是計數(shù)器計數(shù)值滿足以下條件中的任意一個：

1）A1＜n，A2＜n，A1＞A2，且 A1-A2≥C1 ；

2）A1＜n，A2＜n，A2＞A1，且 A1+n-A2≥C1；

控制伺服電機使激光掃描系統(tǒng)正向轉(zhuǎn)動的條件是計數(shù)器計數(shù)值滿足以下條件中的任意一個：

1）A1＜n，A2＜n，A1＞A2，且 A1-A2＜C2；

2）A1＜n，A2＜n，A2＞A1，且 A1+n-A2＜C2；

如此，即可控制伺服電機帶動激光掃描系統(tǒng)在設(shè)定值為I的圓周角內(nèi)往復(fù)運動，從而在激光水平儀的工作面上投射出一個穩(wěn)定的扇形水平面。

另外，在實際應(yīng)用中，實驗發(fā)現(xiàn)不同的扇面角度采用不動的伺服電機驅(qū)動電壓更加有利于SCAN功能的運行。

3 結(jié)語

經(jīng)過實驗測試，將正交編碼技術(shù)應(yīng)用在激光水平儀的SCAN功能上，有效提高了SCAN功能的穩(wěn)定性，消除了激光投射扇面角度漂移抖動等問題，進一步拓展了激光水平儀的應(yīng)用。