正交編碼技術在激光水平儀上的應用與研究

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施工、工程設備安裝等領域的廣泛使用，傳統單一水平放樣功能已不能滿足施工放樣要求，SCAN功能的出現進一步拓展了激光水平儀的應用。本文介紹了激光水平儀中SCAN功能的技術實現原理，尤其是正交編碼技術在SCAN功能上的應用。

1 激光水平儀工作原理

激光水平儀的主要部件：安平系統、人機操作系統和激光掃描系統。

1.1 安平系統

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整體懸掛起來，以自動保持測量基準精度的技術。當萬向架軸系摩擦力很小，且被懸掛體重心與激光掃描系統軸向重合時，作為基準使用的水平激光束，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，恢復工作精度，從而實現了重力自動安平。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，而后根據傳感器信號控制X方向和Y方向電機，使激光掃描系統軸向Z與重力鉛垂方向重合，以此作為基準使用水平激光束的技術。當水平傳感器檢測到超出預設精度范圍的信號時，微控制電路將根據信號控制X/Y方向電機，使激光束保持在水平基準范圍之內。

水平傳感器安平方式較重力安平方式結構復雜，但使用場合廣泛。

1.2 人機操作系統

人機操作系統主要由操作按鍵和LCD顯示兩部分構成；LCD顯示儀器的當前狀態信息，如電池電量、轉速、SCAN功能的角度等。

1.3 激光掃描系統

激光掃描系統主要由激光射線、直流伺服馬達和計數光柵組成；激光掃描系統主要功能包括勻速旋轉功能（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

檢測機構由光柵齒盤一塊、960nm紅外檢測部件（1個發射管、2個接收管）一套和后續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，需氧化發黑處理，以保證光電信號的檢出。

直經在75 mm，中心孔位固定在激光掃描系統的旋轉軸系上。

2.2 結構布局

如圖2所示，發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（接收發光管穿過光柵齒盤的光線）。光柵齒盤固定在激光掃描系統的旋轉軸系上，由固定在旋轉軸托架上的伺服電機通過同步帶和帶輪帶動旋轉；960nm紅外檢測部件固定在激光掃描系統所在的托架上靜止不動；當伺服電機帶動激光掃描系統的旋轉軸和光柵齒盤旋轉時，接收管將接收到強弱變化的光電信號。

圖2 檢測機構布局圖

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。

當伺服電機帶動激光掃描系統的旋轉軸順時針旋轉，則可得到接收信號1和接收信號2正向轉動時的波形，如圖5所示。

由圖5可知，正向轉動時接收波形2的方波上升沿在接收波形1的高電平區；

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

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

圖4 整形后的波形

圖5 正向轉動時波形

圖6 反向轉動時波形

由圖5和圖6分析而得，正向和反向轉動時的波形符合正交編碼技術的波形特征；由此，可依據正交編碼技術檢測控制激光掃描系統的旋轉部件，以使SCAN功能穩定可靠的運行。

2.4 正交編碼技術中的控制與算法

依據正交編碼技術，設置兩路計數器，一路讀取正向轉動數值A1，另一路讀取反向轉動數值A2。在啟動SCAN功能后，默認激光掃描系統正向轉動，此時A1和A2的初始值設定應滿足:A1-A2=n/2，其中n為光柵齒盤的凸齒數；SCAN功能角度設定值I、正向轉動界限設定值C1和反向轉動界限設定值C2應滿足以下要求：

1）當 C1＞C2 時，C2+I/2=n/2，或當 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反向轉動的條件是計數器計數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正向轉動的條件是計數器計數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在設定值為I的圓周角內往復運動，從而在激光水平儀的工作面上投射出一個穩定的扇形水平面。

另外，在實際應用中，實驗發現不同的扇面角度采用不動的伺服電機驅動電壓更加有利于SCAN功能的運行。

3 結語

經過實驗測試，將正交編碼技術應用在激光水平儀的SCAN功能上，有效提高了SCAN功能的穩定性，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用。