基于激光干涉和视觉技术的铟瓦标尺自动测量装置研制

2022-12-13金中希

机电信息 2022年23期

金中希

（广东省计量科学研究院，广东广州 510405）

0 引言

铟瓦标尺与数字水准仪配套使用，对水准勘查和建筑物的形变监控发挥了重要作用。铟瓦标尺属于高准确度的计量器具，使用一段时间后，需要对铟瓦标尺刻线间隔进行检定[1]。因这种标尺刻线多，为准确、高效地瞄准和测量刻线间隔距离[2]，研制了结合激光干涉仪和视觉识别技术的自动测量装置[3]，用于铟瓦标尺的计量检定。

1 总体介绍

本测量装置主要由激光干涉仪、视觉图像采集系统、传动系统、伺服系统等组成，外观如图1所示。

图1 测量装置外观图

测量基本原理：采用伺服电机驱动工作台进行初始定位[4]，由激光干涉仪准确测量移动的距离L，再经过视觉抓拍，确定零位起始刻度线的像素值P0和被测刻度线像素值Pm，取其差值与屏幕像素的标定值e相乘，则被测刻度线与零位起始线的实际距离LP按式（1）计算。

2 主要硬件组成

2.1 测长标准器

该装置测量范围上限达到5 m，且测量准确度要求高，测长主标准器采用激光干涉仪是最好的选择。本项目采用RENISHAW公司的ML10激光干涉仪作为距离测量的主标准器，该激光干涉仪最大允许误差为±0.7×10-6L。激光干涉仪是基于激光波长常数的原理开发出来的，当在工况环境下工作时波长会发生改变，必须对波长的改变进行补偿。目前商业化的激光干涉仪已将波长补偿到标准环境，即温度T=20℃、大气压力P=101.325 kPa、相对湿度H=50%。由于实验室实际环境情况偏离了标准环境条件，为保证准确度必须根据实际情况修正。借鉴《量块》（JJG 146—2011）规程中采用激光干涉仪绝对测量二等量块的方法，采用目前国际上广泛使用的Edlen公式得到修正系数λ来修正激光波长，即将测量的数据乘以修正系数λ与0.999 728 8（标准修正值）比例。

式中：P为大气压力，P=100.6 kPa；T为激光光路上的空气温度，取T=20.2℃；H为相对湿度，H=53.6%。

代入式（2），可求得λ=0.999 730 7。

经与激光干涉仪自带的测量软件进行比较，实际效果很好，在全长5 m的量程上，本项目开发的激光读数软件与激光干涉仪自带软件读数相差不超过0.2 μm。

2.2 传动系统

要完成自动测量，必须配备传动机构，可以采用齿轮齿条、摩擦轮、丝杠或皮带传动，如果采用前两者，工作台上要安装电机，电机的振动对测量有影响。采用丝杠传动的话，机械承力结构会比较复杂，由于本装置工作台拖动力并不大，速度也不高，整体传动功率不大，采用皮带传动是比较好的选择。皮带中的同步带传动具有工作无滑动、恒定传动比、平稳、缓冲减振的能力以及传动效率高（0.98）的优点，本装置最后选择采用同步带传动。

根据国家机械行业标准《圆弧齿同步带传动第3部分：设计方法》（JB/T 7512.3—2014）来设计和选择同步带。经理论分析和实际测算，考虑静摩擦力的因素，工作台开始拖动最大拉力Fmax=60 N，运动平稳后，拉力为47 N，工作台移动速度一般为0.8 m/s，最大移动速度不会超过Vmax=3 m/s，考虑到同步带低转速的情况多，将工况系数增加到k=2～4，最大功率Wmax按照式（3）进行估算。

根据国标《同步带尺寸》（GB 11616—1989）来选择同步带：齿距5 mm，带宽20 mm，齿形采用圆弧齿，根据工作实际条件，中心距为5.35 m。同步带总长设计成10.86 m，根据伺服驱动器脉冲当量（10 000脉冲/r），设计出带轮的直径名义为50 mm，齿距为5 mm，这样将带轮的齿数圆整为32齿，实际直径为50.93 mm。

为了保证测量准确度，减少运动中的角摆误差，导轨运动的直线度不能超过0.02 mm/m，精密滚子直线导轨最长只能做到3 m，要达到5 m的量程必须驳接，这对支撑导轨的平台又提出了新的要求。为了保证平台具有很好的刚性和长期稳定性，消除自重及环境导致的平台变形，装置将平台设计成整体结构。考虑实际搬运到实验室和加工的可行性，最后平台的尺寸设计为长5.3 m、宽0.2 m、高0.3 m，表面的平面度在全长5 m范围内不超过0.008 mm。

2.3 运动伺服系统

运动伺服系统的设计需要确定运动控制卡、伺服驱动器和伺服电机。本装置其实只是单轴控制，不需要任意两轴之间的圆弧插补等运算，综合分析性价比，选择了实用性强的国产MSP8048运动控制卡以及相应的交流伺服驱动器和伺服电机。

该运动控制卡基于PCI总线，配备丰富的Windows环境下的函数库，方便设计软件，实现计算机与控制卡之间的数据交换。

2.4 图像采集系统和光源

当前机器视觉图像处理技术发展快，可选择的产品多。本装置采用性能可靠的国产MVC3000F工业相机，该工业相机具备即插即用的USB2.0接口，图像采集系统的安装非常方便，通过专用的USB视频电缆即可与控制计算机直接连接，实时获得BMP格式无压缩的每帧图片，方便软件的后续处理。

本装置要适用于等距刻线的铟瓦标尺和非等距的条码铟瓦标尺，这些尺子大多都是建筑工程上使用过的，表面经常有污点、刻线磨坏、表面油漆脱落等缺陷，给拍摄图像中的目标识别带来了干扰，通过调整光强可以在一定程度上消除这种影响。本项目采用光强可调整的LED光源以适应不同的测量目标，照射方式为前向照明，即光源和相机位于被测物的同侧，光源直接固定于CCD镜头，两者的高度差超过40 mm，为方便调焦，配备了远近可调光学镜头。

3 软件实现

软件采用VS2010 C++基于MFC开发[5]，使用了大量的接口库函数，其中最重要的有3个：

（1）第1个为启动视频函数int MV_Usb2Start，CCD视频系统经过初始化后，使用该函数就可以将视频图像显示到预定的位置；

（2）第2个为控制电机运动的函数short int MSP8048_TSP_CON_MOVE(unsigned char CardNO,unsigned char AxisNO,float Distance)，CardNO为初始化卡号，AxisNO为运动轴号，Distance为运动的距离；

（3）第3个为采集激光读数函数char rdvGetReading(void)，激光干涉仪初始化后，通过该函数就可以将激光移动的距离字符串读入程序中的变量，经处理，将字符串ASCII码变换成double数据。

软件采用人机对话的主界面，通过此窗口，操作人员可以向计算机发出一系列命令，实现数据设置、激光/环境/CCD视频检查等工作。

软件的基本流程如下：

（1）初始化CCD视频和驱动卡；

（2）启动视频，标定像素值，得到像素比例e值；

（3）根据选择的测量对象，工作台移动到零线；

（4）图像采集，噪声消除平滑化处理，将图像转化为灰度图；

（5）采用大津阈值法（最大类间方差法）将图像二值化；

（6）各刻线边缘点滤波，求中线；

（7）取激光读数，第一次清零；

（8）工作台移动到被测线，跳到步骤（4）进行循环，直到所有的刻线测量完毕。

在图像处理软件开发过程中，选取恰当的阈值对准确分离出标尺的刻线边界至关重要，刻线边界的分割是否准确直接影响刻度分划误差测量的准确度。针对被测铟瓦标尺的特征，经多次实验矩不变法、最大熵法以及最大类间方差法选择图像分割阈值，决定采用效果最好的最大类间方差法。

最大类间方差法的基本原理是先取某个灰度值，以它为界将图像分为灰度值大小两类，分别计算这两类中像素点数及灰度平均值，并计算它们的类间方差，最后取所有灰度的类间方差中的最大值对应的灰度为所求最佳阈值。

计算公式如下：

式中：n1（i）、n2（i）分别为灰度小于i的像素与大于等于i的像素的数目；v1（i）、v2（i）分别为它们的平均值。

为了方便编写程序，引入了表达式ArgMax[w（i）]，实质上w（i）就是一个以灰度值为自变量的函数，求阈值就是找出函数值取最大值的位置，即找到w（i）中最大值的下标作为图像分割的最佳阈值，再对铟瓦标尺的帧图片进行二值化处理。

对每行像素从最左边开始寻找，一旦发现像素值发生改变，就得到了第一条刻线的左边缘，记录此位置像素点横坐标；继续往右寻找，再发现像素改变时为第一刻线的右边缘，取平均值获得第一条刻线的中线坐标。

同样的原理找到第二条刻线的中线，两中线坐标之差即为相邻两刻线在该行的像素之差。按此方法搜索整个图片，找出所有行上各刻线中线之间的像素值，结合屏幕的标定值e和激光干涉仪读数，计算得到各刻线之间的距离。

4 装置测量铟瓦标尺的不确定度

根据式（1）的数学模型，导出测量不确定度的表达式如下[6]：

式中：c（L）=1；c（e）=Pm-P0，为起始刻线和测量刻线像素差值，以200像素为例计算；c（Pm-P0）=e，为像素标定值，一般取3～6 μm/像素，以4为例计算；u（L）为激光干涉仪读数值给出的不确定度分量；u（e）为像素标定值不准给出的不确定度分量；u（Pm-P0）为软件确定起始刻线和测量刻线像素差值不准引起的不确定度分量，记为u（P）。

将以上数据代入式（5），得到：