機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器的光軸角測量方法*

張　帆 / 江蘇省計量科學(xué)研究院

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機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器的光軸角測量方法*

張帆 / 江蘇省計量科學(xué)研究院

摘要研制的檢測裝置實現(xiàn)了對機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器光軸角的檢測。該檢測裝置采用光電檢測和計算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)相結(jié)合的方法，完成數(shù)據(jù)自動采集，并進(jìn)行光軸角的示值誤差計算。該方法替代使用坐標(biāo)板的機(jī)械測量方法，其測量不確定度滿足JJG 967-2001的要求，極大地提高了檢測儀的檢測效率。

關(guān)鍵詞機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器；CCD；光電檢測

0　引言

機(jī)動車前照燈的照明性能、配光性能對保障夜間的行駛安全十分重要。據(jù)統(tǒng)計，不良照明條件車輛的交通事故是良好燈光條件車輛交通事故的三倍多。為此，要求車燈具有特定的光型和照度分布。車燈照明分布應(yīng)能最大限度地照明車輛前方的道路和障礙物，最小限度地照射迎面來車駕駛員的眼睛。

在國內(nèi)，近幾年隨著機(jī)動車行業(yè)的快速發(fā)展，許多中高端機(jī)動車生產(chǎn)廠家十分重視機(jī)動車前照燈關(guān)鍵指標(biāo)的檢測。機(jī)動車前照燈檢測儀用于機(jī)動車前照燈照明性能、配光性能的測試。檢測儀的性能指標(biāo)主要通過計量部門采用前照燈檢測儀校準(zhǔn)器進(jìn)行標(biāo)定和校準(zhǔn)，而前照燈檢測儀校準(zhǔn)器的技術(shù)指標(biāo)依據(jù)JJG 967-2001《機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器》的要求和方法進(jìn)行檢測。

本項目采用光電非接觸手段進(jìn)行機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器的發(fā)光強(qiáng)度和光軸角偏差的測量。利用計算機(jī)對位置點的處理，編制出功能較為完善的測量軟件，同時還可以對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)值分析，實現(xiàn)了高準(zhǔn)確度、自動化測試。

1　測量系統(tǒng)的工作原理

根據(jù)測量對象與測量參數(shù)的具體情況，采用光電檢測技術(shù)實現(xiàn)機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器的測試。利用多維高精度電控位移臺實現(xiàn)校準(zhǔn)器自動調(diào)整和控制，通過圖像處理的方法進(jìn)行校準(zhǔn)器的標(biāo)定和檢測，此外引入無線傳輸技術(shù)，以避免遠(yuǎn)距離布線。

根據(jù)JJG 967-2001，機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器的檢定主要分為三個步驟，其一是校準(zhǔn)器零位的校正，其二是校準(zhǔn)器光軸零位示值誤差檢定，其三是校準(zhǔn)器發(fā)光強(qiáng)度檢定。測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　測量系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2　測量步驟

2.1光軸角的零位示值誤差

將被檢校準(zhǔn)器安置于四維電動位移臺上并固定，調(diào)節(jié)校準(zhǔn)器，使其水泡處在圓環(huán)中央位置，同時使校準(zhǔn)器發(fā)光面的幾何中心與照度計探測面的中心，以及光屏的十字分劃中心等高。通過經(jīng)緯儀調(diào)節(jié)校準(zhǔn)器，使校準(zhǔn)器兩尖錐的頂點與照度計探測面的中心，以及光屏的十字分劃中心在同一鉛錘面上，并且保證被檢校準(zhǔn)器的水泡一直處于圓環(huán)中心位置。調(diào)節(jié)工業(yè)相機(jī)位置，盡量使工業(yè)相機(jī)光軸與發(fā)光面幾何中心軸平行，并盡可能縮短與校準(zhǔn)器的距離。

開啟校準(zhǔn)器，通過軟件控制二維平移臺，將照度計探頭向左移動至某位置（相當(dāng)于校準(zhǔn)器光源右轉(zhuǎn)2°），記錄照度計數(shù)值68.8 lx，然后控制照度計向右側(cè)移動，找到照度計示值與左側(cè)相同位置時停下。根據(jù)幾何關(guān)系與等比關(guān)系將距離換算成角度，得到水平方向光軸角的零位示值誤差。垂直方向光軸角的零位示值誤差與水平方向的調(diào)校方法相同。

由于測得的結(jié)果超過JJG 967-2001的要求，需要對其進(jìn)行調(diào)整。將定位螺釘松開后調(diào)節(jié)光軸角分度線，調(diào)整到位后再進(jìn)行測量。

調(diào)整前后光軸角零位示值誤差的測量結(jié)果如表1所示。

表1　調(diào)整前后光軸角零位示值誤差的測量結(jié)果

2.2光軸角偏差

本系統(tǒng)基于機(jī)器視覺進(jìn)行校準(zhǔn)器檢定，圖像采集器件工業(yè)相機(jī)的分辨力直接影響系統(tǒng)的檢定準(zhǔn)確度?？紤]到投影屏的尺寸和位置，工業(yè)相機(jī)的成像鏡頭要滿足視場角大于10°，以使投影屏上的光斑完全成像到CCD上。根據(jù)檢定要求，系統(tǒng)光軸角偏差的測量不確定度應(yīng)優(yōu)于1.6′，即可推導(dǎo)出CCD分辨力P。

考慮到系統(tǒng)裝調(diào)誤差及圖像處理過程產(chǎn)生的諸多誤差，為保證檢定準(zhǔn)確度，這里選用500萬分辨力的CCD工業(yè)相機(jī),并設(shè)計了配套的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

依據(jù)檢定規(guī)程的檢定步驟及要求，本項目基于VC++軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了一套完善的檢定控制程序，創(chuàng)新性地將一種基于直方圖自適應(yīng)閾值分割的算法應(yīng)用于光軸角檢定，通過軟件的方式有效提高了測量準(zhǔn)確度。

保持校準(zhǔn)器垂直方向的光軸角處在0°00′不變，光軸角水平方向的示值轉(zhuǎn)到D2°00′（或U2°00′），調(diào)整水平轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到U2°00′（或D2°00′），用CCD工業(yè)相機(jī)對位移前后的光斑進(jìn)行采樣。利用圖像處理的方法求出光斑坐標(biāo)在光軸角偏轉(zhuǎn)前后的變化，即可利用式（1）計算水平方向光軸角偏差Δα0。

式中：l —— 物方截距；

DH—— 光斑中心像面位移；

f ′—— 光學(xué)系統(tǒng)焦距；

L —— 測試得到的被測校準(zhǔn)器與光斑接收面距離

垂直方向光軸角偏差與水平方向的測量方法相同。

表2　光軸角偏差的測量結(jié)果

3　測量不確定度評定

本項目光軸角偏差的測量不確定度來源主要有兩個方面：一是光斑中心像面位移DH在圖像處理時引入的不確定度；二是被測校準(zhǔn)器與光斑接收面的距離L引入的不確定度。

根據(jù)不確定度合成原理，合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算公式為

靈敏系數(shù)c1、c2為

1）光斑中心像面位移引入的不確定度u（DH）主要由工業(yè)相機(jī)光軸與發(fā)光面幾何中心軸的偏離,對光斑中心的數(shù)據(jù)處理等因素引入的誤差,根據(jù)實驗得到，光斑中心在測試屏上位移174.5 mm時，ΔDH= 10 μm，屬于均勻分布，得到

2）校準(zhǔn)器到光斑接收面的距離引入的不確定度u（L）

距離由激光測距儀直接測得，同時受到校準(zhǔn)器的光源位置不確定等因素引入的誤差，ΔL = 20 mm，屬于均勻分布，得到

表3　不確定度分量匯總表

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

u(Δα) = 0.57′

擴(kuò)展不確定度：

取k = 2，u(Δα) = 2×u(Δα) = 1.2′

4　結(jié)語

本方案采用CCD相機(jī)、多維電動位移臺和計算機(jī)實時控制與數(shù)據(jù)處理技術(shù)等研制了機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器的光軸角測量系統(tǒng)，并進(jìn)行了相關(guān)試驗。處理結(jié)果的擴(kuò)展不確定度優(yōu)于JJG 967-2001中對光軸角檢測裝置的要求。本項目在前人成果的基礎(chǔ)上進(jìn)行了突破與創(chuàng)新，提高了檢定速度和準(zhǔn)確度，且引入無線通信技術(shù)，美化系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)的同時保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性,具有較好的實用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 徐熙平，張寧．光電檢測技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 北京市計量科學(xué)研究院． JJG 967-2001 機(jī)動車前照燈檢測儀校準(zhǔn)器檢定規(guī)程[S].北京：中國計量出版社，2001．

[3] 楊春生，張濤．汽車前照燈儀校準(zhǔn)器檢定系統(tǒng)的CCD 檢測系統(tǒng)研究[J]. 中國測試技術(shù)，2005 ( 10) : 37-39．

* 基金項目：江蘇省質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局科技項目（KJ133813）

A measuring method of the optic angle of calibrators for headlamp tester of motor vehicle

Zhang Fan
（Jiangsu Institute of Metrology）

Abstract:A new developed device is adopted to measure the optic angle of calibrators for headlamp tester of motor vehicle. Instead of the mechanical measuring method by using the coordinate plate as the standard, the photoelectric detection combined with the computer data processing technology is employed in the new system to perform the automatic data acquisition and calculate the indicating errors of the optic angle. The measurement uncertainty meets the criteria of JJG 967-2001 with much higher efficiency than that with the coordinate plate.

Key words:calibrators for headlamp tester of motor vehicle; CCD; photoelectric detection