楊斌

(遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院，遼寧沈陽110004)

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高度發(fā)展，各類大長度、高精度的儀器，例如雙頻激光干涉儀、激光跟蹤儀、全站儀等的應(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(duì)于此類儀器的校準(zhǔn)通常是在24 m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(dòng)平臺(tái)電氣部分老化，只能靠人工行進(jìn)，工作效率很低;環(huán)境參數(shù)不能實(shí)時(shí)地采集到測量程序中，增大了校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度。本文介紹了遼寧省計(jì)量科學(xué)研究院對(duì)原有舊導(dǎo)軌［1］改造，研發(fā)的一套可自動(dòng)運(yùn)行和采集數(shù)據(jù)的高精度大長度計(jì)量檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)組成、關(guān)鍵技術(shù)以及系統(tǒng)精度測試實(shí)驗(yàn)。

1 設(shè)計(jì)方案與結(jié)構(gòu)組成

1.1 設(shè)計(jì)方案

計(jì)算機(jī)發(fā)出待檢指令并讀取雙頻激光干涉儀的數(shù)據(jù)計(jì)算出移動(dòng)步數(shù)，通過無線傳輸模塊發(fā)送給移動(dòng)平臺(tái)，移動(dòng)平臺(tái)的單片機(jī)收到指令，將移動(dòng)完成的代碼返回計(jì)算機(jī)。位于移動(dòng)平臺(tái)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(jì)算出測量結(jié)果。

1.2 結(jié)構(gòu)組成

一維大長度(24 m)計(jì)量檢測系統(tǒng)主要由移動(dòng)平臺(tái)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(dòng)采集等四部分組成。

1.2.1 移動(dòng)平臺(tái)控制系統(tǒng)

將主控計(jì)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(dòng)平臺(tái)上的單片機(jī)［2］，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)運(yùn)行平臺(tái)快速移動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)過程中，由單片機(jī)控制循環(huán)調(diào)用激光干涉儀的移動(dòng)距離值，形成閉環(huán)，判斷運(yùn)行平臺(tái)所移動(dòng)的距離是否達(dá)到要求，由此來控制步進(jìn)電機(jī)的移動(dòng)距離的誤差。當(dāng)移動(dòng)平臺(tái)移動(dòng)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(jì)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(hào)無線傳輸回主控計(jì)算機(jī)。在此過程中，去除掉干擾信號(hào)，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(duì)傳輸回來的測量圖像信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)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(chǔ)測量結(jié)果，實(shí)現(xiàn)對(duì)線紋類和儀器類計(jì)量器具的全自動(dòng)測量、半自動(dòng)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(dòng)采集

沿導(dǎo)軌方向均勻布設(shè)高精度傳感器并與計(jì)算機(jī)建立通訊，將溫度、氣壓、濕度和被測物的材料溫度實(shí)時(shí)采集到主控計(jì)算機(jī)，當(dāng)環(huán)境條件變化較大時(shí)，可以對(duì)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(dòng)平臺(tái)運(yùn)動(dòng)，需要盡量去除掉干擾信號(hào)，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(hào)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(cuò)率，保證了無線數(shù)據(jù)通訊的可靠性［3］。

2.2 雙頻激光干涉儀數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)獲取

雙頻激光干涉儀在測量時(shí)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)目通過雙頻激光干涉儀輸出信號(hào)的二次開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了距離數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)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(shí)更新快，且在測量過程中，圖像需要進(jìn)行識(shí)別和計(jì)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 系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)校準(zhǔn)測試結(jié)果驗(yàn)證采用比較法，即使用24 m大長度計(jì)量檢測自動(dòng)化系統(tǒng)對(duì)30 m標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺［4］(最大測量范圍為24 m)進(jìn)行校準(zhǔn)，通過與國家計(jì)量院的數(shù)值比對(duì)給出本套系統(tǒng)的結(jié)果可靠性。測量時(shí)使用49 N的拉力，通過滑輪引張于檢測平臺(tái)上，經(jīng)過本系統(tǒng)檢測并化算至20℃的實(shí)際長度。

在24 m范圍內(nèi)測量，測量間隔為1 m，每個(gè)點(diǎn)測量10次。10次測量的平均值和與國家計(jì)量院給出值的差值數(shù)據(jù)見表1，從中可以看出在20 m處最大差值為0.045 mm。本系統(tǒng)與國家院數(shù)值比對(duì)見圖1。結(jié)果校驗(yàn)數(shù)據(jù)使用公式(1)計(jì)算。

式中:ylab為本系統(tǒng)10次測量的平均值;yref為國家院校準(zhǔn)值;Ulab為本系統(tǒng)測量不確定度:Ulab=0.5 μm+3×10-6L，k=2;Uref為國家院校準(zhǔn)值的測量不確定度:Uref=0.5 μm+5×10-6L，k=2。

圖1 系統(tǒng)與國家院數(shù)值比對(duì)

表1 結(jié)果校驗(yàn)數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

本項(xiàng)目的完成極大地提高了大長度計(jì)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(dòng)化的一致性、有效性和復(fù)現(xiàn)性良好，避免了人為引入的測量誤差。通過對(duì)30 m標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺(最大測量范圍24 m)的校準(zhǔn)結(jié)果與國家計(jì)量院校準(zhǔn)結(jié)果的分析對(duì)比驗(yàn)證，表明24 m大長度計(jì)量檢測自動(dòng)化系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果準(zhǔn)確可靠。

［1］陶子英.用經(jīng)緯儀和卡尺測量大長度滑軌定位誤差的方法［J］.計(jì)測技術(shù)，2013，33(2):16-18.

［2］張莉.大長度實(shí)驗(yàn)室檢測平臺(tái)自動(dòng)化系統(tǒng)［J］.計(jì)量技術(shù)，2008，29(4A):157-159.

［3］馬驪群.大尺寸計(jì)量校準(zhǔn)技術(shù)研究及在量值傳遞中的應(yīng)用［D］.大連:大連理工大學(xué)2006.58-86.

［4］國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJG 741-2005標(biāo)準(zhǔn)鋼卷尺［S］.北京:中國計(jì)量出版社，2005.