24 m大長度計量檢測自動化系統

楊斌

(遼寧省計量科學研究院，遼寧沈陽110004)

0 引言

隨著社會經濟的高度發展，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、全站儀等的應用范圍均已達到幾十米甚至更長的距離，它們被地廣泛應用于國防、航空航天、汽車制造等行業。早期，對于此類儀器的校準通常是在24 m精密圓導軌上進行。但由于年代久遠，導軌發生變形導致其直線度較差;安裝于導軌上的移動平臺電氣部分老化，只能靠人工行進，工作效率很低;環境參數不能實時地采集到測量程序中，增大了校準結果的不確定度。本文介紹了遼寧省計量科學研究院對原有舊導軌［1］改造，研發的一套可自動運行和采集數據的高精度大長度計量檢測系統的設計原理、結構組成、關鍵技術以及系統精度測試實驗。

1 設計方案與結構組成

1.1 設計方案

計算機發出待檢指令并讀取雙頻激光干涉儀的數據計算出移動步數，通過無線傳輸模塊發送給移動平臺，移動平臺的單片機收到指令，將移動完成的代碼返回計算機。位于移動平臺上的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算出測量結果。

1.2 結構組成

一維大長度(24 m)計量檢測系統主要由移動平臺控制系統、無線圖像采集處理系統、測量軟件、環境參數的自動采集等四部分組成。

1.2.1 移動平臺控制系統

將主控計算機所發出的指令通過無線傳輸通訊模塊發送給移動平臺上的單片機［2］，由步進電機驅動運行平臺快速移動。在運動過程中，由單片機控制循環調用激光干涉儀的移動距離值，形成閉環，判斷運行平臺所移動的距離是否達到要求，由此來控制步進電機的移動距離的誤差。當移動平臺移動到要求位置后，將返回的代碼通過無線傳輸通訊模塊傳輸回主控計算機。

1.2.2 無線圖像采集處理系統

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無線傳輸回主控計算機。在此過程中，去除掉干擾信號，使無線圖像數據通訊穩定可靠。

1.2.3 測量軟件

測量軟件對傳輸回來的測量圖像信號進行自動圖像處理，包括CCD像素標定、模板編輯、顯示數據曲線、存儲測量結果，實現對線紋類和儀器類計量器具的全自動測量、半自動測量以及人工測量的三種測量方式。

1.2.4 環境參數的自動采集

沿導軌方向均勻布設高精度傳感器并與計算機建立通訊，將溫度、氣壓、濕度和被測物的材料溫度實時采集到主控計算機，當環境條件變化較大時，可以對測量結果進行修正，進而減小了測量的不確定度。

2 關鍵技術

2.1 RS232長距離抗干擾傳輸

通過無線數據傳輸通訊模塊控制移動平臺運動，需要盡量去除掉干擾信號，使無線數據通訊穩定可靠。調整無線模塊的頻點、發射功率，無線模塊的全屏蔽來消除信號的干擾，通過RS232通訊的冗余校驗和多次握手應答協議，有效地降低了無線通訊的出錯率，保證了無線數據通訊的可靠性［3］。

2.2 雙頻激光干涉儀數據的實時獲取

雙頻激光干涉儀在測量時讀數只能從生產廠家提供的測量軟件讀取并人工記錄。本項目通過雙頻激光干涉儀輸出信號的二次開發，實現了距離數據的實時捕獲功能，從而為系統整體運行提供了必要的距離數值信息。

2.3 無線圖像采集傳輸

視頻圖像由于圖像數據量大，實時更新快，且在測量過程中，圖像需要進行識別和計算，圖像的誤碼率要求極高。在本套系統中，通過2.4G的無線傳送速率來解決數據量大和傳輸快的要求。通過合理設置圖像參數來增加圖像清晰度;通過調整圖像傳輸碼流，量化系數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 系統校準結果的實驗驗證

系統校準測試結果驗證采用比較法，即使用24 m大長度計量檢測自動化系統對30 m標準鋼卷尺［4］(最大測量范圍為24 m)進行校準，通過與國家計量院的數值比對給出本套系統的結果可靠性。測量時使用49 N的拉力，通過滑輪引張于檢測平臺上，經過本系統檢測并化算至20℃的實際長度。

在24 m范圍內測量，測量間隔為1 m，每個點測量10次。10次測量的平均值和與國家計量院給出值的差值數據見表1，從中可以看出在20 m處最大差值為0.045 mm。本系統與國家院數值比對見圖1。結果校驗數據使用公式(1)計算。

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

圖1 系統與國家院數值比對

表1 結果校驗數據

4 結論

本項目的完成極大地提高了大長度計量儀器的校準測量能力。與人工方式相比，不僅能夠提高檢測效率，而且系統全自動化的一致性、有效性和復現性良好，避免了人為引入的測量誤差。通過對30 m標準鋼卷尺(最大測量范圍24 m)的校準結果與國家計量院校準結果的分析對比驗證，表明24 m大長度計量檢測自動化系統校準結果準確可靠。

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

［2］張莉.大長度實驗室檢測平臺自動化系統［J］.計量技術，2008，29(4A):157-159.

［3］馬驪群.大尺寸計量校準技術研究及在量值傳遞中的應用［D］.大連:大連理工大學2006.58-86.

［4］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 741-2005標準鋼卷尺［S］.北京:中國計量出版社，2005.