正交编码技术在激光水平仪上的应用与研究

朱宏军

（常州华达科捷光电仪器有限公司，江苏常州 213023）

0 引言

随着激光水平仪在建筑基础施工、工程设备安装等领域的广泛使用，传统单一水平放样功能已不能满足施工放样要求，SCAN功能的出现进一步拓展了激光水平仪的应用。本文介绍了激光水平仪中SCAN功能的技术实现原理，尤其是正交编码技术在SCAN功能上的应用。

1 激光水平仪工作原理

激光水平仪的主要部件：安平系统、人机操作系统和激光扫描系统。

1.1 安平系统

激光水平仪的安平方式主要有两种：重力安平和水平传感器安平。

重力安平是一种用万向架将激光扫描系统整体悬挂起来，以自动保持测量基准精度的技术。当万向架轴系摩擦力很小，且被悬挂体重心与激光扫描系统轴向重合时，作为基准使用的水平激光束，即具有自动保持工作精度的能力，这时系统即使受外力扰动而作两个自由度的摆动，最终也会静止在原来的位置上，恢复工作精度，从而实现了重力自动安平。为使被悬挂体受扰动后迅速静止，还需要设置阻尼器。

水平传感器安平是通过微控制电路采集水平传感器信号，而后根据传感器信号控制X方向和Y方向电机，使激光扫描系统轴向Z与重力铅垂方向重合，以此作为基准使用水平激光束的技术。当水平传感器检测到超出预设精度范围的信号时，微控制电路将根据信号控制X/Y方向电机，使激光束保持在水平基准范围之内。

水平传感器安平方式较重力安平方式结构复杂，但使用场合广泛。

1.2 人机操作系统

人机操作系统主要由操作按键和LCD显示两部分构成；LCD显示仪器的当前状态信息，如电池电量、转速、SCAN功能的角度等。

1.3 激光扫描系统

激光扫描系统主要由激光射线、直流伺服马达和计数光栅组成；激光扫描系统主要功能包括匀速旋转功能（如120rpm、300rmp、600rpm 等） 和 SCAN 功能（如 10°、30°、60°、90°、180°等），其中在匀速旋转功能下，激光水平仪将投射出一个360度的水平面，而在SCAN功能下，激光水平仪将投射出一个扇形水平面。

2 SCAN功能工作原理

2.1 组成

检测机构由光栅齿盘一块、960nm红外检测部件（1个发射管、2个接收管）一套和后续电信号处理部分组成。

光栅齿盘的边缘有n个凸齿组成，本文中n=90，如图1所示。

图1 光栅齿盘

材料：用厚度为0.5mm的不锈钢片冲压而成，需氧化发黑处理，以保证光电信号的检出。

直经在75 mm，中心孔位固定在激光扫描系统的旋转轴系上。

2.2 结构布局

如图2所示，发光管位于光栅齿盘的下边缘，两个接收管位于光栅齿盘的上边缘（接收发光管穿过光栅齿盘的光线）。光栅齿盘固定在激光扫描系统的旋转轴系上，由固定在旋转轴托架上的伺服电机通过同步带和带轮带动旋转；960nm红外检测部件固定在激光扫描系统所在的托架上静止不动；当伺服电机带动激光扫描系统的旋转轴和光栅齿盘旋转时，接收管将接收到强弱变化的光电信号。

图2 检测机构布局图

2.3 光电信号分析及处理

960nm红外检测部件的输出信号：

由图3所示，接收信号是两个成90度相位差的弦波。

图3 接收信号图

对于接收信号1和接收信号2的弦波进行整形，将弦波整形成方波如图4所示。

当伺服电机带动激光扫描系统的旋转轴顺时针旋转，则可得到接收信号1和接收信号2正向转动时的波形，如图5所示。

由图5可知，正向转动时接收波形2的方波上升沿在接收波形1的高电平区；

当伺服电机带动激光扫描系统的旋转轴逆时针旋转，则可得到接收信号1和接收信号2（取反）反向转动时的波形，如图6所示。

由图6可知，反向转动时接收信号2（取反）的方波上升沿在接收波形1的高电平区。

图4 整形后的波形

图5 正向转动时波形

图6 反向转动时波形

由图5和图6分析而得，正向和反向转动时的波形符合正交编码技术的波形特征；由此，可依据正交编码技术检测控制激光扫描系统的旋转部件，以使SCAN功能稳定可靠的运行。

2.4 正交编码技术中的控制与算法

依据正交编码技术，设置两路计数器，一路读取正向转动数值A1，另一路读取反向转动数值A2。在启动SCAN功能后，默认激光扫描系统正向转动，此时A1和A2的初始值设定应满足:A1-A2=n/2，其中n为光栅齿盘的凸齿数；SCAN功能角度设定值I、正向转动界限设定值C1和反向转动界限设定值C2应满足以下要求：

1）当 C1＞C2 时，C2+I/2=n/2，或当 C2＞C1 时，C1+I/2=n/2；

2）|C1-C2|=I；

在SCAN功能运行过程中，控制伺服电机使激光扫描系统反向转动的条件是计数器计数值满足以下条件中的任意一个：

1）A1＜n，A2＜n，A1＞A2，且 A1-A2≥C1 ；

2）A1＜n，A2＜n，A2＞A1，且 A1+n-A2≥C1；

控制伺服电机使激光扫描系统正向转动的条件是计数器计数值满足以下条件中的任意一个：

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，即可控制伺服电机带动激光扫描系统在设定值为I的圆周角内往复运动，从而在激光水平仪的工作面上投射出一个稳定的扇形水平面。

另外，在实际应用中，实验发现不同的扇面角度采用不动的伺服电机驱动电压更加有利于SCAN功能的运行。

3 结语

经过实验测试，将正交编码技术应用在激光水平仪的SCAN功能上，有效提高了SCAN功能的稳定性，消除了激光投射扇面角度漂移抖动等问题，进一步拓展了激光水平仪的应用。