張 勇，潘嘉聲，黃 穌，衛(wèi)作之，陳偉琪

（廣東省計量科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺、銦瓦尺時，測量方式是以激光干涉為主標(biāo)準(zhǔn)，借助顯微鏡瞄準(zhǔn)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(zhǔn)標(biāo)尺為例，需要瞄準(zhǔn)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(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，勞動強(qiáng)度大，工作效率低，難以滿足廣大客戶需求。

另外，當(dāng)前市場上大量使用數(shù)字水準(zhǔn)儀。國家質(zhì)監(jiān)總局2003年頒發(fā)的水準(zhǔn)儀檢定規(guī)程，對數(shù)字水準(zhǔn)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(zhǔn)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(zhǔn)確也不知道。為了徹底解決數(shù)字水準(zhǔn)儀的溯源性問題，對其綜合誤差和條碼尺進(jìn)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(jī)驅(qū)動工作臺進(jìn)行初始定位，由激光干涉儀精確測量移動的距離L，再經(jīng)過CCD圖像處理進(jìn)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(biāo)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(biāo)準(zhǔn)器。系統(tǒng)的被測對象為準(zhǔn)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(dá)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(dǎo)軌運動部分。為減少運動中的角擺誤差，導(dǎo)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(dǎo)軌可以滿足要求。該公司最長的導(dǎo)軌只能做到3 m，量程要達(dá)到5 m必須駁接?；鶞?zhǔn)面尺寸設(shè)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(nèi)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(bǔ)等運算，選擇了實用性強(qiáng)的國產(chǎn)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(qū)動器和伺服驅(qū)電機(jī)。

（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(jī)。標(biāo)準(zhǔn)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(diào)光學(xué)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(diào)節(jié)光源光強(qiáng)的方法消除掉，采用光強(qiáng)可調(diào)整的LED光源以適用多種測量任務(wù)[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(shè)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(jī)對話的主要界面，通過此窗口，操作人員可以向計算機(jī)發(fā)出一系列命令，完成數(shù)據(jù)設(shè)置、檢查激光、環(huán)境、CCD視頻等工作狀況。

（2）伺服電機(jī)驅(qū)動。對驅(qū)動器發(fā)出脈沖，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)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(jìn)行處理，找到刻線中線[7]。

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

（6）標(biāo)定像素值。根據(jù)式（1）要實現(xiàn)屏幕準(zhǔn)確測量，必須準(zhǔn)確知道屏幕像素對應(yīng)的長度量，特意設(shè)計了用于標(biāo)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(biāo)定值e=0.8/N，實際進(jìn)行像素值標(biāo)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(dǎo)入到Excel表格，形成證書與原始記錄。先設(shè)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(dǎo)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(zhǔn)儀與條碼尺

目前市場上銷售的數(shù)字水準(zhǔn)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(zhǔn)儀需要條碼尺配套才能工作，有關(guān)條碼尺的編碼方法構(gòu)成了這幾家公司的專利技術(shù)的核心。除天寶Trimble和蔡司Zeiss是合作生產(chǎn)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(zhǔn)儀測量原理主要有3類，即相關(guān)法、幾何法和相位法。

（1）徠卡Leica公司采用相關(guān)法進(jìn)行測量。其黑、黃條碼的最小寬度為2.025mm，假設(shè)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(jìn)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(xì)分碼，一共4個基本碼，合計可演變成16種細(xì)分碼。天寶Trimble和蔡司Zeiss公司的條碼尺都是按此規(guī)律進(jìn)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(jìn)行測量。其標(biāo)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(zhǔn)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(fù)雜，其實都是按各自的測量原理呈現(xiàn)規(guī)律變化。按照當(dāng)前條碼尺主要生產(chǎn)國德國制訂的標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)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(jīng)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(zhǔn)儀即可進(jìn)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(jìn)行比較可以得到數(shù)字水準(zhǔn)儀綜合測量誤差，工作示意圖見圖4。

圖4 檢測數(shù)字水準(zhǔn)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(xué)模型，測量不確定度的表達(dá)式導(dǎo)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(biāo)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(biāo)定值不準(zhǔn)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(zhǔn)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(dǎo)軌角擺誤差、多次測量的重復(fù)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(nèi)，認(rèn)為實際誤差在±0.1℃范圍內(nèi)服從均勻分布。

對于標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)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(zhǔn)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(fù)性引入的不確定度u（L4）。對于標(biāo)準(zhǔn)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(fù)性，極差系數(shù)等于2.06。標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺：

對于銦瓦尺：

6.2 像素標(biāo)定值不準(zhǔn)給出的不確定度分量u（e）

采用特制的玻璃尺來標(biāo)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(zhǔn)引起的不確定度分量u（P）

圖像進(jìn)行二值化時，分割閾值不準(zhǔn)會導(dǎo)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(jīng)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(biāo)準(zhǔn)不確定度和擴(kuò)展不確定度

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

表1 標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺、銦瓦尺測量不確定度匯總

7 結(jié)束語

文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]要求檢定標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺和銦瓦尺的測量不確定度應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺、銦瓦水準(zhǔn)標(biāo)尺和條碼尺進(jìn)行有效檢測量，也可測量數(shù)字水準(zhǔn)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(shù)的大長度自動控制測量標(biāo)準(zhǔn)裝置[J].計量學(xué)報，2009（5）：182-184.

[2] 徐新華，王 青，錢 崢，等.基于圖像處理的銦鋼尺自動檢測系統(tǒng)[J].光學(xué)學(xué)報，2009（6）：1519-1522.

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

[4]吳曉波，楊永琴.圖像測量技術(shù)的新應(yīng)用[J].光學(xué)精密工程，1998（6）：8-9.

[5] 魏 煜，朱善安.圖像處理在水平尺標(biāo)定系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].計算機(jī)應(yīng)用研究，2004（12）：168-172.

[6] 趙 敏，邱宗明，黃秋紅，等.視覺瞄準(zhǔn)激光干涉測量編碼型水準(zhǔn)尺[J].光學(xué)精密工程，2008（3）：537-541.

[7] 蔣 婷，譚躍鋼.測量用視覺傳感器的自動聚焦[J].傳感器與微系統(tǒng)，2008（5）：64-66.

[8] 孫 鑫，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2009.

[9]楊俊志.數(shù)字水準(zhǔn)儀條碼尺的編碼規(guī)則與實例[J].測繪通報，2008（6）：19-25.

[10]JJG 741-2005，標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺[S].北京：中國計量出版社，2005.

[11]JJG 8-1991，水準(zhǔn)標(biāo)尺[S].北京：中國計量出版社，1991.