楊 斌 石作德 姚興宇 劉 娜 張 瑜 于佃清 丁 文 陳姍姍

（遼寧省計量科學(xué)研究院，沈陽 110004）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)展，各類大長度、高精度的儀器，例如激光干涉儀、激光跟蹤儀、全站儀[1]等的應(yīng)用范圍均已達(dá)到幾十米甚至更長的距離，它們被地廣泛應(yīng)用于國防、航空航天、汽車制造等行業(yè)。早期，對于此類儀器的校準(zhǔn)通常是在24 米精密圓導(dǎo)軌上進(jìn)行，但由于年代久遠(yuǎn)，導(dǎo)軌發(fā)生變形導(dǎo)致其直線度較差；安裝于導(dǎo)軌上的移動平臺電氣部分老化，只能靠人工進(jìn)行，工作效率很低；環(huán)境參數(shù)不能實(shí)時地采集到測量程序中，增大了校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度。遼寧省計量科學(xué)研究院對原有舊導(dǎo)軌進(jìn)行改造，研發(fā)了一套可自動運(yùn)行和采集數(shù)據(jù)的高精度大長度計量檢測系統(tǒng)。本文對其原理、結(jié)構(gòu)組成、關(guān)鍵技術(shù)以及精度測試實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介紹。

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)組成

1.1 原理

計算機(jī)發(fā)出待檢指令并讀取激光干涉儀的數(shù)據(jù)計算出移動步數(shù)，通過無線傳輸模塊發(fā)送給移動平臺，移動平臺的單片機(jī)收到指令，將移動完成的代碼返回計算機(jī)。位于移動平臺上的CCD攝像頭采集圖像，通過無線傳輸模塊傳輸圖像到圖像處理軟件計算出測量結(jié)果。見圖1 所示。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

一維大長度（24m）計量檢測系統(tǒng)主要由移動平臺控制系統(tǒng)、無線圖像采集處理系統(tǒng)、測量軟件、環(huán)境參數(shù)的自動采集4 部分組成。

圖1 系統(tǒng)原理

1.2.1 移動平臺控制系統(tǒng)

將主控計算機(jī)所發(fā)出的指令通過無線傳輸通訊模塊發(fā)送給移動平臺上的單片機(jī)，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動運(yùn)行平臺快速移動。在運(yùn)動過程中，由單片機(jī)控制循環(huán)調(diào)用激光干涉儀的移動距離值，形成閉環(huán)，判斷運(yùn)行平臺所移動的距離是否達(dá)到要求，由此來控制步進(jìn)電機(jī)的移動距離的誤差。當(dāng)移動平臺移動到要求位置后，將返回的代碼通過無線傳輸通訊模塊傳輸回主控計算機(jī)。

1.2.2 無線圖像采集處理系統(tǒng)

通過高清晰CCD攝像頭和測量顯微鏡配合，將高清晰CCD攝像頭采集來的測量圖像信號無線傳輸回主控計算機(jī)。在此過程中，去除掉干擾信號，使無線圖像數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定可靠。

1.2.3 測量軟件

測量軟件對傳輸回來的測量圖像信號進(jìn)行自動圖像處理，包括CCD像素標(biāo)定、模板編輯、顯示數(shù)據(jù)曲線、存儲測量結(jié)果[2]，實(shí)現(xiàn)對線紋類和儀器類計量器具的全自動測量、半自動測量以及人工測量的三種測量方式。

1.2.4 環(huán)境參數(shù)的自動采集

沿導(dǎo)軌方向均勻布設(shè)高精度傳感器并與計算機(jī)建立通訊[3]，將溫度、氣壓、濕度和被測物的材料溫度實(shí)時采集到主控計算機(jī)，可以對測量結(jié)果進(jìn)行修正，進(jìn)而減小了測量的不確定度。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 RS232 長距離抗干擾傳輸

通過無線數(shù)據(jù)傳輸通訊模塊控制移動平臺運(yùn)動，使無線數(shù)據(jù)通訊穩(wěn)定可靠。調(diào)整無線模塊的頻點(diǎn)、發(fā)射功率，無線模塊的全屏蔽來消除信號的干擾，通過RS232 通訊的冗余校驗(yàn)和多次握手應(yīng)答協(xié)議，有效地降低了無線通訊的出錯率，保證了無線數(shù)據(jù)通訊的可靠性。

2.2 激光干涉儀數(shù)據(jù)的實(shí)時獲取

激光干涉儀在測量時讀數(shù)只能從生產(chǎn)廠家提供的測量軟件讀取并人工記錄。本項(xiàng)目通過激光干涉儀輸出信號的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了距離數(shù)據(jù)的實(shí)時捕獲功能，從而為系統(tǒng)整體運(yùn)行提供了必要的距離數(shù)值信息。

2.3 無線圖像采集傳輸

視頻圖像由于圖像數(shù)據(jù)量大，實(shí)時更新快，且在測量過程中，圖像需要進(jìn)行識別和計算，圖像的誤碼率要求極高。在本套系統(tǒng)中，通過2.4G的無線傳送速率來解決數(shù)據(jù)量大和傳輸快的要求。通過合理設(shè)置圖像參數(shù)來增加圖像清晰度；通過調(diào)整圖像傳輸碼流，量化系數(shù)等來提高圖像傳輸速度，使無線傳輸回來的圖像誤碼率低，且無明顯滯后。

3 測試實(shí)驗(yàn)

3.1 瞄準(zhǔn)精度實(shí)驗(yàn)

本次實(shí)驗(yàn)對三等標(biāo)準(zhǔn)金屬線紋尺[4]的500mm刻線處進(jìn)行瞄準(zhǔn)，共10 次測量，用顯微鏡單次對線的重復(fù)性來評價系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度。測量結(jié)果見表1。

表1 顯微鏡瞄準(zhǔn)精度測試數(shù)據(jù) 單位：mm

從表1 中可以看出，顯微鏡瞄準(zhǔn)測量的重復(fù)性達(dá)到0.197μm。

3.2 測量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

由于系統(tǒng)長達(dá)24m，沒有合適的標(biāo)準(zhǔn)器進(jìn)行測試，因此選用三等標(biāo)準(zhǔn)金屬線紋尺在24m范圍內(nèi)的兩個位置進(jìn)行分段測試，測量兩端共6 個往返。見表2 和表3。

從表2 和表3 中可以看出，系統(tǒng)測量的重復(fù)性取最大值為0.153μm。

4 不確定度分析

不確定度各分量見表4 所示。

合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度[5]：

擴(kuò)展不確定度：

因無法判斷被測量的分布情況，取k＝2

對任思長度測量結(jié)果的擴(kuò)展不確定度，上式可歸納為：

表2 三等標(biāo)準(zhǔn)金屬線紋尺在10m處 單位：mm

表3 三等標(biāo)準(zhǔn)金屬線紋尺在20m處 單位：mm

表4 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量匯總

5 結(jié)論

本項(xiàng)目的完成極大地提高了大長度計量儀器的校準(zhǔn)測量能力。與人工方式相比，不僅能夠提高檢測效率，而且系統(tǒng)全自動化的一致性、有效性和復(fù)現(xiàn)性良好，避免了人為引人的測量誤差。通過實(shí)驗(yàn)測試，一維大長度（24m）計量檢測系統(tǒng)測量不確定度達(dá)到U＝0.5μm+3 ×10-7L（k＝2），其綜合性能處于國內(nèi)領(lǐng)先水平，對未來大尺寸計量發(fā)展的影響是巨大的。