多功能線紋尺自動測量裝置研制

張 勇，潘嘉聲，黃 穌，衛(wèi)作之，陳偉琪

（廣東省計量科學研究院，廣東 廣州 510405）

1 引 言

目前，大多數(shù)的省級計量院在檢定標準鋼卷尺、銦瓦尺時，測量方式是以激光干涉為主標準，借助顯微鏡瞄準對線，手工記錄激光干涉儀上的讀數(shù)[1]。以檢定2 m的銦瓦水準標尺為例，需要瞄準和測量很多條刻線，最后還要人工將記錄的數(shù)據(jù)輸入計算機進行數(shù)據(jù)處理，勞動強度大，工作效率低，難以滿足廣大客戶需求。

另外，當前市場上大量使用數(shù)字水準儀。國家質監(jiān)總局2003年頒發(fā)的水準儀檢定規(guī)程，對數(shù)字水準儀的檢定方法在附錄中有了解釋，但有兩個問題還是沒有解決：（1）對數(shù)字水準儀與條碼尺配合使用的綜合測量誤差沒有說明[2]；（2）沒有檢測條碼尺，其是否準確也不知道。為了徹底解決數(shù)字水準儀的溯源性問題，對其綜合誤差和條碼尺進行有效的測量，研發(fā)了該套多功能線紋尺測量裝置[3]。

2 總體介紹

基本原理：采用伺服電機驅動工作臺進行初始定位，由激光干涉儀精確測量移動的距離L，再經過CCD圖像處理進行[4]，確定零位起始中線的像素P0和被測刻線的中線像素值Pm，取其差值與像素的標定值e相乘，則被測刻線的中線與零位起始中線的實際距離LP按式（1）計算[5]。測量流程如圖1。

3 硬件實現(xiàn)

（1）主標準器。系統(tǒng)的被測對象為準確度等級比較高的線紋尺，采用激光干涉儀是最好的選擇[6]。實際使用RENISHAW公司的ML10激光干涉儀，最大允許誤差±0.7×10-6L，L為測量距離。

（2）傳動系統(tǒng)。為方便達到5m的量程，項目采用的同步帶傳動，它具有工作無滑動、平穩(wěn)、緩沖減振的能力以及傳動效率高（0.98）的優(yōu)點。

（3）導軌運動部分。為減少運動中的角擺誤差，導軌運動的直線度不能超過0.02 mm/m，日本IKO公司的精密滾子直線導軌可以滿足要求。該公司最長的導軌只能做到3 m，量程要達到5 m必須駁接?；鶞拭娉叽缭O計為長5.3m、寬0.2m、高0.3 m，表面的平面度在全長5m范圍內不超過0.01mm。

圖1 測量流程圖

（4）運動伺服系統(tǒng)。項目僅是單軸控制，不需要任意兩軸之間的圓弧插補等運算，選擇了實用性強的國產MSP8048運動控制卡。該運動控制卡推薦適配武漢邁信科技的交流伺服驅動器和伺服驅電機。

（5）圖像采集系統(tǒng)。項目選擇北京微視公司自主開發(fā)的MVC3000F工業(yè)相機。標準鋼卷尺與銦瓦尺的高度相差超過40mm，要兼顧兩者測量，配備了運近可調光學鏡頭。

（6）光源。線紋尺表面常有污點、刻線磨壞、表面油漆脫落等缺陷，干擾了刻線圖像，對于輕微淺顯的干擾可以采用調節(jié)光源光強的方法消除掉，采用光強可調整的LED光源以適用多種測量任務[7]。

4 軟件實現(xiàn)

軟件使用Windows XP環(huán)境下VC++開發(fā)[8]，主界面是采用MFC基于對話框的窗口設計，通過增加工具欄、菜單項、圖像控件、命令按鈕完成主窗口功能。主要功能如下：

（1）程序主窗口。人機對話的主要界面，通過此窗口，操作人員可以向計算機發(fā)出一系列命令，完成數(shù)據(jù)設置、檢查激光、環(huán)境、CCD視頻等工作狀況。

（2）伺服電機驅動。對驅動器發(fā)出脈沖，控制電機的正反轉動，通過同步帶帶動工作臺左右移動。

（3）激光信號采樣與環(huán)境參數(shù)修正。通過激光干涉儀的底層庫函數(shù)，直接讀取激光干涉儀的距離值和環(huán)境參數(shù)，并顯示到主窗口。參數(shù)讀取的刷新時間間隔為50ms。

（4）圖像采集與分析?？梢詫CD采集的圖像顯示到主窗口，并捕獲一幀視頻，保存為BMP圖片進行處理，找到刻線中線[7]。

（5）各被測量對像的設置、檢測數(shù)據(jù)處理。菜單設計了多種尺的選擇，并設計了自動測量、手動測量和自由測量的功能。

（6）標定像素值。根據(jù)式（1）要實現(xiàn)屏幕準確測量，必須準確知道屏幕像素對應的長度量，特意設計了用于標定用的專用玻璃尺，形狀如圖2。圖中有3組刻線，每組刻線中第1條刻線的左邊緣與第3條刻線的左邊緣之間的距離為0.8mm，像素差值為N，則像素值標定值e=0.8/N，實際進行像素值標定時，軟件采取了一定的算法，剔除粗大誤差。

圖2 專用玻璃尺

（7）數(shù)據(jù)導入到Excel表格，形成證書與原始記錄。先設計Excel表格的模板，每個模板都有記錄原始數(shù)據(jù)、計算、記錄、報告多個表，只要將測量的數(shù)據(jù)導入到該模板，則完成所有的工作。程序的運行界面見圖3。

5 數(shù)字水準儀與條碼尺

目前市場上銷售的數(shù)字水準儀主要是徠卡Leica、天寶 Trimble、蔡司 Zeiss和拓普康 Topcon 等[9]，數(shù)字水準儀需要條碼尺配套才能工作，有關條碼尺的編碼方法構成了這幾家公司的專利技術的核心。除天寶Trimble和蔡司Zeiss是合作生產可以通用外，運用的條碼解碼原理各不相同，各家的條碼尺不能互換。綜合起來，數(shù)字水準儀測量原理主要有3類，即相關法、幾何法和相位法。

（1）徠卡Leica公司采用相關法進行測量。其黑、黃條碼的最小寬度為2.025mm，假設寬度為2.025mm的黑條為1，寬度為2.025 mm的黃條為0，則Leica的條碼尺從底算起的前74.925mm（包含有37個最小寬度）條碼編碼如下：

（2）天寶Trimble和蔡司Zeiss公司采用幾何法進行測量。條碼尺的基本編碼是10mm寬的黑、黃條碼及其組合，得到4個基本碼，即黑10黑10、黑10黃10、黃10黑10、黃10黃10。為了適用近距離測量，又在10mm寬的黑條碼正中間加入了一條1mm寬的黃條碼，在10 mm寬的黃條碼正中間加入了一條1mm寬的黑條碼。這樣對基本碼黑10黑10來說，就變成為：黑4.5黃1黑4.5黑10、黑10黑4.5黃 1黑 4.5、黑 4.5黃 1黑 4.5黑 4.5黃 1黑 4.5，再加上原來的黑10黑10，就演變成為了4種細分碼，一共4個基本碼，合計可演變成16種細分碼。天寶Trimble和蔡司Zeiss公司的條碼尺都是按此規(guī)律進行編碼，從底算起的前140mm的編碼如下：

（3）拓普康Topcon公司采用相位法進行測量。其標尺上有3種不同的碼條，即參考R碼、測量A碼和測量B碼。參考R碼間隔30mm，測量A碼和測量B碼與參考R碼的間隔均為10 mm。測量A碼和測量B碼的寬度都是在0～10 mm之間按正弦規(guī)律周期變化，包含了水準測量時的高度信息，編碼如下：

這幾家公司的條碼尺表面上看起來非常復雜，其實都是按各自的測量原理呈現(xiàn)規(guī)律變化。按照當前條碼尺主要生產國德國制訂的標準，條碼尺各刻線間隔最大允許誤差為±（0.02 mm+20×10-6L），只要檢測刻線間隔偏差滿足此規(guī)定，就可以判斷條碼尺的刻線是否符合要求。由于各條碼寬度的標稱值已知，則條碼的間隔也知道，對使用中條碼尺，只要抽檢20～50段線紋間隔即可。

條碼尺符合要求后，條碼尺仍放置于大理石平臺，裝上45°反光鏡，經鏡面成像，沿水平放置的條碼尺在鏡子里呈現(xiàn)出豎立的實像，工作臺的左右移動在鏡子里面反映的是條碼尺豎直上下移動。架上數(shù)字水準儀即可進行檢測，將檢測得到數(shù)據(jù)與工作臺移動的距離即激光干涉儀的讀數(shù)進行比較可以得到數(shù)字水準儀綜合測量誤差，工作示意圖見圖4。

圖4 檢測數(shù)字水準儀配條碼尺的綜合誤差示意圖

6 測量不確定度分析

由式（1）的數(shù)學模型，測量不確定度的表達式導出如下：

式中：c（L）=1；c（e）=Pm-P0；

Pm-P0——起始刻線和測量刻線像素差值，以200像素為例計算；

c（Pm-P0）=e——像素標定值，一般取4～5μm/像素，以4.5為例計算；

u（L）——激光干涉儀讀數(shù)值給出的不確定度分量；

u（e）——像素標定值不準給出的不確定度分量；

u（Pm-P0）——軟件確定起始刻線和測量刻線像差值不準引起的不確定度分量，以下簡化為u（P）。

將以上數(shù)據(jù)代入式（2），得到：

6.1 激光干涉儀讀數(shù)值給出的不確定度分量u（L）

有激光干涉儀本身的誤差、材料溫度傳感器的測量誤差、導軌角擺誤差、多次測量的重復性4個方面的影響。

（2）激光干涉儀材料溫度傳感器誤差估算的不確定度分量u（L2）。該激光干涉儀材料溫度傳感器誤差在±0.1℃范圍內，認為實際誤差在±0.1℃范圍內服從均勻分布。

對于標準鋼卷尺 α=11.4×10-6/℃，故：

對于銦瓦尺、條碼尺 α=0.5×10-6/℃，故：

（3）測量裝置角擺引入的不確定度u（L3）。測量裝置導軌運動的角擺不超過±0.02mm/m，按均勻分布處理，測量軸線與基準軸線的距離為20mm，則引入的不確定度估算為：

（4）激光干涉儀多次測量重復性引入的不確定度u（L4）。對于標準鋼卷尺在某些點位，其4次測量的最大差值13.5μm，銦瓦尺4次測量的最大差值為6.4μm，采用4次測量的極差來評定重復性，極差系數(shù)等于2.06。標準鋼卷尺是取4次測量的平均值[10]，銦瓦尺是取2次測量的平均值[11]，則：

對于標準鋼卷尺：

對于銦瓦尺、條碼尺：

以上4項按如下公式合成：

對于標準鋼卷尺：

對于銦瓦尺：

6.2 像素標定值不準給出的不確定度分量u（e）

采用特制的玻璃尺來標定像素值，測量時通常取200個像素，使用玻璃尺的實際值，其不確定度為1μm，包含因子為 2，則 u（e）估算如下：

6.3 軟件確定起始刻線和測量刻線像素差值不準引起的不確定度分量u（P）

圖像進行二值化時，分割閾值不準會導致刻線邊緣腐蝕或膨脹，但由于刻線是由中線來確定的，取左右兩邊的平均值，刻線兩邊的同時腐蝕或膨脹對中線沒有影響。軟件對取刻線中線的算法是沿邊緣考察200個以上的像素，經過濾波和剔除粗大干擾的影響后，再取平均值，已將邊緣檢測帶來的誤差盡可能的控制小。常規(guī)的邊緣檢測誤差不會超過1個像素，半寬為0.5個像素，均勻分布，按此量化誤差來估算 u（P），有：

6.4 合成標準不確定度和擴展不確定度

將以上數(shù)據(jù)代入式（3），得到標準鋼卷尺、銦瓦尺、條碼尺的標準不確定度uc（Lp）；取包含因子k=2，則擴展不確定度U=2uc（Lp）。各數(shù)據(jù)見表1。

表1 標準鋼卷尺、銦瓦尺測量不確定度匯總

7 結束語

文獻[10]和文獻[11]要求檢定標準鋼卷尺和銦瓦尺的測量不確定度應分別不大于（5μm+5×10-6L）和6μm，前面分析的不確定度符合要求。該測量裝置可以對標準鋼卷尺、銦瓦水準標尺和條碼尺進行有效檢測量，也可測量數(shù)字水準儀配合條碼尺的綜合測量誤差，自動化處理數(shù)據(jù)，工作效率高。

[1]李建雙，趙 巖.基于摩擦傳動技術的大長度自動控制測量標準裝置[J].計量學報，2009（5）：182-184.

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[3]方愛平，齊維君，張 莉.銦瓦水準標尺自動化檢測的實現(xiàn)[J].中國計量，2008（12）：69-70.

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[10]JJG 741-2005，標準鋼卷尺[S].北京：中國計量出版社，2005.

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