一種新型手持式激光測(cè)距儀示值誤差的檢定方法

/ 河北省計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)研究院

0 引言

手持式激光測(cè)距儀是一種以激光為載波，以目標(biāo)表面漫反射測(cè)量為特點(diǎn)，通過(guò)脈沖法、相位法等方法測(cè)定空間短程距離的便攜式計(jì)量器具[1]。廣泛應(yīng)用于測(cè)繪及建筑施工中[2]，為了確保測(cè)繪及建筑施工測(cè)量中的質(zhì)量，必須依法實(shí)施對(duì)手持式激光測(cè)距儀的計(jì)量檢定。傳統(tǒng)方法中[3-6]，手持式激光測(cè)距儀在0～50 m范圍內(nèi)的檢定以標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺為主標(biāo)準(zhǔn)器，該方法需要多次的安裝、移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)反射板，數(shù)據(jù)處理繁瑣，自動(dòng)化程度偏低、機(jī)構(gòu)復(fù)雜，且量值溯源準(zhǔn)確度不高。為此，本文基于室內(nèi)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)提出了一種新型手持式激光測(cè)距儀示值誤差的檢定方法。

1 測(cè)量原理

室內(nèi)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)由激光干涉儀、50 m基線導(dǎo)軌、氣浮平臺(tái)、微調(diào)裝置、基準(zhǔn)臺(tái)面、標(biāo)準(zhǔn)反射板、微動(dòng)臺(tái)架、控制系統(tǒng)和配套軟件組成。激光干涉儀為主標(biāo)準(zhǔn)器，反射鏡安置于氣浮平臺(tái)上，其示值為標(biāo)準(zhǔn)值。為了規(guī)避激光干涉儀反射鏡中激光對(duì)手持式激光測(cè)距儀電子接收電路的影響，將手持式激光測(cè)距儀和標(biāo)準(zhǔn)反射板安置在氣浮平臺(tái)上且位于激光干涉儀反射鏡相反的一側(cè)。同時(shí)基于阿貝原則[7]調(diào)整手持式激光測(cè)距儀、標(biāo)準(zhǔn)反射板、激光干涉儀反射鏡的空間姿態(tài)。進(jìn)而通過(guò)控制系統(tǒng)移動(dòng)氣浮平臺(tái)，手持式激光測(cè)距儀在標(biāo)準(zhǔn)反射板位移處采集數(shù)據(jù)，為被檢儀器示值，從而完成示值誤差的檢定。測(cè)量原理如圖1所示。

圖1 測(cè)量原理圖

2 測(cè)量過(guò)程

首先將激光干涉儀、干涉鏡、反射鏡、基準(zhǔn)臺(tái)面和標(biāo)準(zhǔn)反射板安置完畢，并調(diào)整光路。然后通過(guò)控制系統(tǒng)移動(dòng)氣浮平臺(tái)，并通過(guò)氣浮平臺(tái)上的微調(diào)裝置使標(biāo)準(zhǔn)反射板面和基準(zhǔn)臺(tái)面接觸，同時(shí)激光干涉儀示值清零，以此完成基準(zhǔn)臺(tái)面的對(duì)零，以便保證測(cè)距儀和干涉儀的零位一致。然后移開(kāi)氣浮平臺(tái)，將置于微動(dòng)臺(tái)架上的激光測(cè)距儀的后基準(zhǔn)面緊貼基準(zhǔn)臺(tái)面并置于50 m基線導(dǎo)軌上。最后通過(guò)微動(dòng)臺(tái)架調(diào)整手持式激光測(cè)距儀的空間姿態(tài)并移動(dòng)氣浮平臺(tái)完成被檢儀器示值的數(shù)據(jù)采集?，F(xiàn)場(chǎng)檢定如圖2所示。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)檢定圖

3 示值誤差測(cè)量結(jié)果的不確定度評(píng)定

3.1 測(cè)量模型

由測(cè)量原理可知手持式激光測(cè)距儀示值誤差的測(cè)量模型為

式中：Δd—— 示值誤差；

D—— 手持式激光測(cè)距儀的測(cè)量值；

d—— 計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度值

3.2 方差和靈敏系數(shù)

根據(jù)方差合成定律，輸出量的估計(jì)方差為各輸入量的估計(jì)方差所合成。式（1）是一線性測(cè)量模型，式（1）中各輸入量按相互獨(dú)立互不相關(guān)處理，在方差合成中不考慮高階項(xiàng)及相關(guān)的影響。依方程：

將函數(shù)式（1）對(duì)各輸入變量求偏導(dǎo)，可得輸出量估計(jì)方差：

3.3 影響手持式激光測(cè)距儀示值誤差各不確定度分量

各不確定度分量見(jiàn)表1。

3.4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的評(píng)定

以分辨力為 0.1 mm 的 leica DISTO D110 型號(hào)的手持式激光測(cè)距儀為被檢對(duì)象。

3.4.1 測(cè)量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1.1

在重復(fù)性測(cè)量條件下，對(duì)分辨力為0.1 mm的leica DISTO D110 型號(hào)的手持式激光測(cè)距儀在 10 m點(diǎn)連續(xù)進(jìn)行了10次測(cè)量，測(cè)量值為10 000.4 mm，10 000.4 mm，10 000.4 mm，10 000.5 mm，10 000.5 mm，10 000.5 mm，10 000.5 mm，10 000.4 mm，10 000.4 mm，10 000.5 mm。測(cè)量平均值為 10 000.45 mm，根據(jù)貝塞爾公式可得單次標(biāo)準(zhǔn)偏差s= 5.27×10-2mm。檢定手持式激光測(cè)距儀的示值誤差時(shí)，每一個(gè)受檢點(diǎn)測(cè)量5次，取平均值作為測(cè)量值，因此

3.4.2 儀器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1.2

被檢手持式激光測(cè)距儀的分辨力為0.1 mm，區(qū)間半寬度為0.05 mm，按均勻分布，置信因子k= ，所以手持式激光測(cè)距儀分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

3.4.3 室內(nèi)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1.3

由室內(nèi)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)證書(shū)可知，其擴(kuò)展不確定度為

按正態(tài)分布，則u1.3= 0.07 μm + 5×10-8L。該項(xiàng)不確定度分量可忽略不計(jì)。

3.4.4 測(cè)量軸線與激光干涉儀軸線不重合導(dǎo)致的阿貝誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1.4

根據(jù)室內(nèi)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)證書(shū)可得，基線導(dǎo)軌移動(dòng)的角偏擺θ≤50''，因此ω的范圍為，估計(jì)該量為均勻分布，則此夾角引入的不確定度[8]ω為

檢定時(shí)，激光干涉儀軸線到手持式激光測(cè)距儀的測(cè)量軸線的垂直距離h= 100 mm，由此產(chǎn)生的測(cè)量阿貝誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.4.5 測(cè)量軸線與激光干涉儀軸線夾角導(dǎo)致的余弦誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1.5

表1 不確定分量一覽表

手持式激光測(cè)距儀激光束軸線與激光干涉儀激光束軸線之間的夾角為θ，被檢對(duì)象沿運(yùn)動(dòng)方向移動(dòng)50 m，則測(cè)量距離與實(shí)際位移之差：

因此u1.5= 0 mm，則該項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度可忽略不計(jì)。

3.4.6 安置誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1.6

以室內(nèi)測(cè)量系統(tǒng)為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，手持式激光測(cè)距儀與基準(zhǔn)臺(tái)面的最大安置誤差為0.2 mm，按三角分布估計(jì)，置信因子取，則

3.4.7 標(biāo)準(zhǔn)反射板與基準(zhǔn)臺(tái)面的對(duì)零誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1.7

通過(guò)實(shí)驗(yàn)可得標(biāo)準(zhǔn)反射板與基準(zhǔn)臺(tái)面的最大對(duì)零誤差為0.5 mm，按三角分布估計(jì)，置信因子取，則

3.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

由于重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度小于儀器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，故按后者進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)不確定度的合成[9]。因此合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取包含因子k= 2，則擴(kuò)展不確定度為

它是由標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc1(Δd) = 0.23 mm 和包含因子k= 2 相乘得到。

0級(jí)手持式激光測(cè)距儀示值最大允許誤差為±(1.5 mm + 5×10-5D)[10]，則|MPE|，滿足要求[8]。

4 結(jié)語(yǔ)

以室內(nèi)長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)為標(biāo)準(zhǔn)器的手持式激光測(cè)距儀示值誤差的檢定方法，具有自動(dòng)化程度高、操作方便和量值溯源準(zhǔn)確度等級(jí)高的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)示值誤差不確定度的評(píng)定驗(yàn)證了該方法的可行性。為手持式激光測(cè)距儀的檢定提供了一種新的思路。