基于影像和激光干涉技术的一维线纹检测系统

钢卷尺、金属线纹尺、条码尺等一维线纹类的量具在日常生产生活中广泛使用。为保证在用计量器具的量值准确, 我国各计量检测机构每年都面临大量的此类线纹尺的检定/校准工作。随着计算机技术、影像测量技术和激光测长技术的发展, 各类线纹尺的自动检测方法被相继提出。其中有代表性的是广东省计量科学研究院张勇等人研制出的多功能线纹尺自动测量装置。该装置利用激光干涉仪和影像测量探头实现了5m范围内的线纹尺自动检测, 很好地解决了各类线纹尺检定工作需求。但其装置中5m导轨的运动是通过机械丝杆控制的, 运动速度较慢, 且运动过程中容易发生波动, 一定程度上会影响测量。因此, 笔者在其研究工作的基础上, 利用气浮导轨结构, 结合影像测量技术和激光干涉测量研制出5m线纹检定系统, 同时提出一种影像测量系统的定位精度误差补偿方法。本系统可利用激光干涉和影像测量系统实现标准钢卷尺、金属线纹尺等精度要求较高的线纹尺检测, 也可单独使用影像测量系统对普通钢卷尺等精度要求较低的线纹尺进行检测。由于采用气浮导轨结构, 测量速度和稳定性有所提高。

本文系统将在一套测量系统上实现不同类别线纹尺的自动检定功能。针对普通钢卷尺的检定需求, 利用影像测量系统进行测量;针对金属线纹尺检定需求, 集成影像测量系统和激光干涉测量系统进行检测。系统主要由影像测量子系统、激光干涉测量子系统、大理石基座、气浮导轨、尺身拉动及受力控制部件以及数据计算处理系统组成, 系统主体结构如图1所示。其中影像测量系统由影像探头 (CMOS相机、成像镜头) 、气浮导轨运动模块、光源控制模块、光栅尺构成。

单独使用影像测量系统对普通钢卷尺进行测量时, 由影像探头对初始位置 (如零点位置) 处被测尺面进行成像, 利用数字图像处理技术提取该位置尺面被测刻线的边缘, 从而得到被测刻线的图像坐标V1, 并读取此时光栅尺的读数X1。然后利用气浮导轨控制影像探头移动到尺身某待测位置, 同样得到该位置被测刻线的图像坐标V2, 同时读取光栅尺读数X2。由式 (1) 计算得到被测刻线间距的测量值:

使用激光干涉测量系统对标准钢卷尺、金属线纹尺进行测量时, 利用影像测量系统进行瞄准, 被测刻线的提取过程和上述步骤相同, 得到被测刻线的图像坐标V1、V2。同时利用激光干涉仪将起始位置和被测位置的读数L1、L2代替光栅尺读数, 刻线间距测量值由式 (2) 得到:

本系统的测量基座长为5.5m, 当被测钢卷尺长度大于5m时, 需要分段测量。系统通过尺身拉伸装置自动拉动尺身, 可完成钢卷尺全量程自动测量。尺身拉动及测力控制系统如图2所示。测量步骤和流程可由图3说明。

根据上述测量原理, 影像测量系统的测量精度依赖于光栅精度和刻线特征的提取精度。实验中发现, 影像测量系统的直接测量结果误差较大, 不能满足普通钢卷尺的测量要求, 且其主要误差来源于光栅读数的误差。因此, 为确保系统在5m范围内的测量精度和示值稳定性能够达到要求, 需要对光栅读数进行校准补偿。为此, 采用激光干涉仪对影像测量系统进行精度补偿。具体步骤如下:

(1) 将干涉仪的反射镜安装至影像探头上, 在0~5m内每隔1m, 同时读取系统在各个被测位置激光干涉仪的读数Li与影像测量系统光栅读数li, i=1, ……, 5。

(2) 以激光干涉仪读数Li为真值, 计算影像测量系统光栅读数li的误差ei=Li-li, i=1, ……, 5 (实验表明, 该误差在5m范围内呈线性变化) 。

(3) 计算激光干涉仪读数与影像测量系统读数的比值ci=Li/li;取作为影像测量系统光栅读数的修正系数, 修正后的光栅读数

(4) 重新计算ei=Li-li′, 若ei>ε, 则重复步骤 (1) ~ (3) , 连续调整补偿系数, 直至ei≤ε, 停止迭代, 其中ε为设定的目标允许误差, 本文令ε=0.01mm。

实验数据结果表明, 未进行补偿时影像测量系统的测量误差在5m范围内高达0.06mm, 不能满足普通钢卷尺检定需求。利用上述方法进行读数误差补偿后, 最终保证了影像测量系统的测量误差可控制在0.01mm以内 (补偿时, 空气温度:20.95℃, 仪器温度:20.91℃, 最终补偿系数) 。

为验证影像测量系统的测量准确度, 对普通钢卷尺进行了测量实验。所用钢卷尺示值由上级计量机构进行校准, 校准不确定度Uc=0.02mm, k=2。对于普通钢卷尺的测量, 影像测量系统的测量误差与标准钢卷尺的示值误差一致时, 即可说明影像测量系统可代替标准钢卷尺直接对普通钢卷尺进行测量。因此, 按标准钢卷尺的示值误差要求, 可设影像测量系统的目标不确定度U=± (0.02+0.02L) mm, L以米为单位, 并计算En值将测量结果和校准值进行比较。测量数据结果如表1所示。

%由上述结果可知, 单独使用影像测量系统时, 各点的测量结果与校准值的En值均小于1。因此影像测量系统的目标不确定度满足U=± (0.02+0.02L) mm, L以米为单位, 满足普通钢卷尺的检测要求。

为验证本系统激光干涉测量系统的测量准确度, 对三等金属线纹尺进行了测量实验。所用三等金属线纹尺示值经上级计量机构校准, 校准不确定度Uc=0.008mm, k=2。对于每一个点, 使用本系统重复测量3次, 利用极差法求出各点测量重复性。同时考虑温度及激光干涉仪读数校准值的不确定度影像, 依据不确定度评定准则对各点测量读数的不确定度Ui进行评定。最后计算En值, 对测量结果与校准值进行比较, 测量和计算结果如表2所示。

由表中数据结果可知, 使用激光干涉测量系统的测量结果与校准结果一致。因此, 本系统可满足三等金属线纹尺的检定要求。