吳彥紅 黃小兵 吳艷平

（1. 鄭州市質量技術監(jiān)督檢驗測試中心 鄭州450000；2. 南昌鐵路局技術監(jiān)督所 南昌330029）

激光標線儀是一種能提供自動安平的全空間三維激光線的裝置，其工作原理為利用激光束通過柱透鏡或玻璃棒形成扇形激光面，經投射而形成水平或鉛垂激光標識線，被廣泛應用于建筑施工、機械制造、建筑裝潢等領域。目前激光標線儀常用的校準方法是高精度經緯儀法，即先將經緯儀放置在距離墻5m遠處，建立標準水平線和鉛垂線，然后將激光垂準儀架好，將激光線與標準線進行比對，但此法存在場地要求嚴苛、水平比對時高度不容易調整、比對時讀數(shù)困難且不容易量化等問題。而我們開發(fā)的圖像式激光標線儀校準裝置，實現(xiàn)了激光標線儀的快速、高精度校準。

1 圖像式激光標線儀校準裝置結構

圖像式激光標線儀校準裝置是在高精度經緯儀水準儀檢定裝置的基礎上增加軟硬件裝置，采用圖像處理技術實現(xiàn)激光標線儀各參數(shù)的校準，其整體結構如圖1所示。將激光標線儀固定在高精度經緯儀水準儀檢定裝置的工作臺上，利用高精度經緯儀水準儀檢定裝置的立式多齒分度臺提供標準角度，在測微目鏡處安裝CCD相機及減光片，通過CCD相機代替原平行光管分劃板來接收激光標線儀發(fā)射的激光線，實現(xiàn)激光標線儀水平線誤差、正交線誤差的校準。

在距高精度經緯儀水準儀檢定裝置的工作臺約5m處，沿豎直方向設置高2.5m的立柱，在立柱上自上而下依次安裝有上中下三個CCD相機、上中下三個接收屏和標準鉛垂線，將激光標線儀固定在裝置工作臺上，其投射的激光垂直線和標準鉛垂線同時落在上中下三個CCD相機的焦面上，CCD相機連接數(shù)據采集器，利用圖像處理軟件捕捉激光垂直線和標準鉛垂線的偏差變化量，實現(xiàn)激光標線儀垂直線誤差的校準。

圖1 圖像式激光標線儀校準裝置結構圖

2 激光標線儀水平線示值誤差測量結果的不確定度評定

激光標線儀水平線示值誤差是指在激光出射面上任意點與激光出射點的連線相對水平面的最大夾角。

2.1 數(shù)學模型

式中：e 為儀器水平線示值誤差，(")；xi為儀器在第i位置測得的激光線位置讀數(shù)，(")；x0為標準水平面的位置讀數(shù)。

2.2 方差和靈敏系數(shù)

2.3 各標準不確定度分量

(1)平行光管裝置調整、測量讀數(shù)引入的不確定度分量u xi。

(2)用CCD相機測量激光水平線相對標準水平面偏差讀數(shù)重復性引人的不確定度分量u1xi。

用一臺穩(wěn)定性較好的激光標線儀重復測量儀器水平線示值誤差5次，數(shù)據見表1所示。

表1 水平線示值誤差

求取最大值與最小值之差，按極差法計算其單次測量標準差，則：S=2.8″/2.3≈1.2″

實際測量情況，在重復測量條件下連續(xù)測量 2次，以該2次測量算術平均值為測量結果，則可得到：

（3）儀器激光束出射高度與平行光管裝置光軸高度不一致引入的不確定度分量u2xi。

用激光標線儀為樣機在±1mm范圍內作升降實驗，儀器變化為1.8″～2.0″，若以±1mm為半寬，按均勻分布，則：

估計其相對不確定度為 20%，則自由度為：v2=12。

（4）平行光管裝置中刻劃標尺引入的不確定度分量u3xi。

在測量中，平行光管裝置中刻劃標尺的測量范圍在-50″～+50″內，其示值誤差在該范圍內不大于2.0″，該值在其區(qū)間內為等概率分布，則：

經分量合成：

（5）平行光管裝置標準水平面的位置即水平準線偏差引入的不確定度分量u x0

平行光管裝置水平準線的最大偏差為 3″，設該值在其區(qū)間內為均勻分布，則：

表2 標準不確定度一覽表

(6)合成標準不確定度及有效自由度合成標準不確定度

則：uc=u e =2.5″

(7)擴展不確定度

3 激光標線儀垂直線示值誤差測量結果的不確定度評定

3.1 測量方法

激光標線儀垂直線示值誤差測量方法是：利用懸掛在一豎直放置的立柱上的上、下兩只 CCD相機及投影屏，這兩個投影屏間距離在2.5 m左右。將激光標線儀固定在工作臺上，調平儀器，打開激光標線儀的激光器輸出垂直激光束，分別在上、下兩只CCD相機的圖像標尺上讀出數(shù)值，其最大值L1與最小值L2之差e為此標線儀垂直標線示值誤差的測量結果。

3.2 測量模型

標線儀垂直線示值誤差e:

式中：L1為 CCD相機標尺中激光線位置讀數(shù)偏離垂線的最大值；L2為 CCD相機標尺中激光線位置讀數(shù)偏離垂線的最小值。

3.3 方差和靈敏系數(shù)

由式(2)得：

3.3 CCD相機標尺估讀誤差引入的不確定度u2

可估讀到0.1mm，因此估讀誤差引入的不確定度為：

3.4 CCD相機標尺定位用垂線懸掛傾斜引入的不確定度

一般使垂線軸線偏離鉛垂線不大于0.1′，上下兩CCD相機標尺間距為2.5 m，由此推算在2.5 m范圍內的偏差量為0.1× 60 ×2500/200000 mm，均勻分布處理則：

4 L2引入的不確定度 與L1引入的不確定度相同合成標準不確定度

綜上 CCD 相機標尺L1與L2引入的不確定度，可以計算合成標準不確定度為：

5 擴展不確定度

取k=2 則：