胡志剛 顏 蓉 朱 軍 胡小華 肖衍凡

(1.江西省檢驗檢測認證總院 南昌 330002；2.江西省交通工程質(zhì)量監(jiān)督站試驗檢測中心 南昌 330002）

激光斷面檢查儀(簡稱斷面儀）被廣泛應用于大跨度建筑結構，如公路、鐵路的隧道，水利工程涵洞的限界測量等。斷面儀主要由激光測距系統(tǒng)、豎直與水平分度盤角度旋轉控制系統(tǒng)、附件等部分組成，其結構與原理如圖1所示。

圖1 激光斷面儀結構與原理示意圖

其結構類似與全站型電子速測儀，發(fā)射出可見激光無需合作目標來測距，其水平及豎盤測角部分可 360°設置自動旋轉定位，同時測距儀可測出遠近激光落點處距離從而得出以極坐標形式的空間斷面輪廓坐標，其角度定位精度在 0.05°～0.1°，低于電子經(jīng)緯儀，但由于該儀器一般缺乏目鏡以及十字瞄準分劃板，故無法像檢定經(jīng)緯儀一樣直接利用經(jīng)緯儀檢定裝置校準其角度定位精度。

目前還未有該儀器的國家檢校規(guī)范及相應檢校裝置，JQJY型經(jīng)緯儀檢定儀是國內(nèi)基于多齒分度臺技術用于檢定經(jīng)緯儀水準儀的檢定裝置，較廣泛應用于省市計量技術機構，適合于目視測角儀器檢校,其結構如圖2所示。但不適合上述激光類儀器檢校，該裝置可采用工業(yè)相機、分光鏡等添加合適的軟硬件改進該裝置，從而可實現(xiàn)類似于檢定經(jīng)緯儀角度準確度方法，來高精度校準斷面儀角度定位精度。

圖2 經(jīng)緯儀檢定儀結構示意圖

1 改進后的校準裝置結構特點

在原經(jīng)緯儀檢定儀的平行光管處去掉配重塊換裝減光片及工業(yè)相機，同時在光管光路中加裝半透半反分光棱鏡，其光管改造后結構如圖3所示。

圖3 改造后平行光管結構示意圖

改造后分光棱鏡則可將斷面儀發(fā)射的激光光斑轉入工業(yè)相機的CCD或CMOS圖像傳感器上，同時不會改變原儀器主要結構，保證原儀器平行光管分劃板正常成像，不影響常規(guī)經(jīng)緯儀儀器檢校。對于光電圖像傳感器而言，激光線也不能直接射入，需通過減光片降低光強，對減光片的選擇有偏振濾光片及中性濾光片。對于斷面儀采用的半導體激光發(fā)射器具有較強的偏振性，為保證角度測量準確度，采用中性濾光片，經(jīng)試驗采用透過率0.1%的中性濾光片，因為斷面儀發(fā)射的激光近似于平行光，則圖像傳感器接受面應位于550 mm平行光管物鏡的焦平面上，對于此位置的確定可通過自準直法確定（如圖4所示）。即在工作臺放置一反射鏡，原光管分劃板像經(jīng)反射鏡返回到工業(yè)相機中，根據(jù)計算機屏幕成像清晰度，調(diào)整工業(yè)相機裝置前后位置，最清晰處即為圖像傳感器位于光管焦平面處。在改造過程中因為平行光管工業(yè)相機安裝處為原先裝圓形配重塊處，改造后會改變經(jīng)緯儀檢定儀豎直旋轉裝置配重狀態(tài)，需重新微量調(diào)整配重塊位置，避免配重變化對該裝置檢校水準儀i角時的影響。

圖4 自準直法示意圖

工業(yè)相機受光面前后焦平面位置確定后，確定圖像傳感器每個像素反映的角度值，這里選用的130萬像素工業(yè)相機，其CMOS圖像傳感器像素間距3.75 μm，理論上當位于550 mm焦距的光管物鏡焦平面上時，像素間距對應角度值：（3.75÷550000）×200000≈1.4〃。

2 激光圖像處理軟件設計特點

工業(yè)相機圖像傳感器接收的的斷面儀發(fā)射的激光為近似圓形光斑，其數(shù)字圖像處理中關鍵點在于激光光斑中心位置的確定，如圖5所示。

圖5 斷面儀發(fā)射激光光斑圖像

由于激光光斑邊緣模糊故需對于激光線進行形態(tài)學圖像處理，本項目利用matlab語言開發(fā)了專用圖像處理軟件，簡單步驟為首先采集圖像，濾波后進行二值化處理，采用regionprops函數(shù)構建圓形結構元素，再利用結構元素對原圖像進行腐蝕操作，即可獲取光斑中心位置坐標,研制的軟件系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 校準系統(tǒng)軟件界面

3 校準裝置使用方法

3.1 斷面儀豎直方向角度校準方法

首先旋轉臥軸多齒分度臺將平行光管調(diào)整到左或右側水平位置，斷面儀通過螺紋接口強制對中安裝在立軸多齒分度臺上，調(diào)平斷面儀條形水泡，使用控制器設定斷面儀豎盤旋轉到90°，升降立軸多齒分度臺，使斷面儀出射激光線瞄準平行光管物鏡中心；同時微量轉動斷面儀水平與豎盤，讓激光光斑出現(xiàn)在計算機屏幕視場中間，調(diào)整好后則可旋轉臥軸多齒分度臺及斷面儀豎盤進行角度比較測量。軟件系統(tǒng)采集初始角度時激光光斑中心位置坐標作為零位，按30°間隔依次旋轉斷面儀及臥軸多齒分度臺，采集各次激光光斑中心坐標值，各次坐標的Y方向最大差值即為豎盤角度定位誤差，由于經(jīng)緯儀檢定儀結構限制，斷面儀豎盤角度校準范圍在30°～300°。

3.2 斷面儀水平方向角度校準方法

按上述豎直方向角度校準方法類似，首先旋轉臥軸多齒分度臺將平行光管調(diào)整到左側水平位置，設定斷面儀初始角度后按一定角度間隔旋轉立軸多齒分度臺，采集各次激光光斑中心坐標值，各次坐標的X方向最大差值即為水平盤角度定位誤差，該方向斷面儀校準角度范圍在0°～360°。

4 校準裝置的不確定度驗證方法

采用一臺檢定合格的Ⅱ級激光電子經(jīng)緯儀，在校準裝置上按一測回豎直角度測角標準偏差檢定方法，在豎直方向±60°選取5個角度值，采用目視瞄準平行光管分劃板得出儀器測角示值誤差為5.2″，然后開啟激光，使用校準系統(tǒng)定位激光光斑角度偏差得到測角示值誤差為8.6″，從而可知該校準裝置不確定度小于4″，可滿足角度精度為0.01°斷面儀校準要求。

5 結語

綜上所述，在不改變原JQJY型經(jīng)緯儀檢定儀基本結構及功能條件下增加相應軟硬件實現(xiàn)了智能化升級改造，可實現(xiàn)激光斷面檢查儀發(fā)射的激光光斑中心自動定位測量，從而得以校準其豎盤與水平盤角度精度,以較小成本提升現(xiàn)有標準器的檢校能力，有一定的實際推廣價值。