药型轮廓影像测量装置的设计及误差分析

董 伟，张春元，贾艳楠

DONG Wei, ZHANG Chun-yuan, JIA Yan-nan

（中北大学 机电工程学院，太原 030051）

0 引言

药型是火炮的核心部件，其技术状态的好坏，关系到火炮发射的精度以及火炮寿命状态、火炮剩余寿命发数等关键技术指标[1]。在加工药型的过程中，切割时会发生变形，以及受到环境温度、挤压等外部因素影响，使其外型尺寸容易发生变形，从而影响弹药性能[2]。为了确保火箭发动机的安全性和准确性，需要对推进剂在不损坏其产品的前提下进行缺陷检测，传统的检测方法都是工人通过千分尺检测，其结果受人为因素影响比较大，安全性差并且工作效率也比较低。

近年来，针对于非接触式测量的研究已经取得了一定的成果，图像测量技术的发展提供了新的发展方向，使外形尺寸检测技术更加便捷、精确。该方法主要是运用光学技术与图像处理技术，用CCD摄像机对被测物体影像进行摄取，经过计算机对图像进行处理后，最终得到精确的检测结果。

CCD的像素间距小，几何精度高，配置适当的光学系统，可以获得很高的分辫率，特别适用于各种精密图像传感和非接触式检测[3]。但国内对图像测量技术在火工品尺寸测量方面的研究尚且不多，而且多为保密研究，特殊的生产环境和易燃易爆的产品特性限制了图像测量技术在军品上的应用。

本设计是基于药型生产单位不能进行有效的非接触测量而设计，将图像测量技术应用于火工品的检测过程中，由于药型及生产环境的不确定因素，因此防火防爆是基本前提，在此基础上才对药型进行轮廓测量，在检测效率和操作安全性方面较以往都有很大的提高。

1 测量原理与组成

整个检测系统由被测药型、光学系统、工业CCD摄像机、计算机处理系统和数码显示及报警系统组成。仪器结构如图1所示。该装置使用了大量电器元件，当电器开关合闸、断开时会产生火花电弧，而且电气设备短路、过载等都会引起电火花的产生。因此，测量平台要做防漏电处理，采用不锈钢材料做支撑平台，V型架则采用了防静电的电木板，所有的电线都用防火胶带进行包裹，此外，对金属部件做接地处理。

图1 仪器结构图

图像测量装置的设计原理是：碗状光源发出均匀的光束，照射在被测药型的端面，被测药型端面通过镜头成像在CCD上的光敏物质上，这时由于被测工件的挡，CCD输出低电平，从而形成一个脉冲宽度与被测物体直径成正比的方波信号[4]。在图像采集过程中，放大电路可以对信号进行放大处理，再将模拟信号进行模数转换转变成为数字信号，然后将处理后的信号送到计算机进行计数，最后将把测得的计数脉冲值与系统标定的值乘积（药型端面尺寸大小）显示在LED显示器上。

在测量之前，我们可以预设数据合格范围，当测量结果超出预设范围，输出结果的字体显示底色将变成红色，并且发出报警声音，工作人员能立刻知道这批产品不合格。

2 图像采集

2.1 系统标定

计算机图像处理程序得出的尺寸信息是以像素为单位表示的，要得到实际尺寸，就必须建立起数字图像像素单位与实际尺寸之间的对应关系，即系统标定[5]。根据测量原理，如果知道被测药型的像尺寸大小（被遮挡的光敏单元的区间大小）和放大率β值就可以计算出药型的直径[6]。即：药型的实际尺寸=图像所占得像素数×实际尺寸和像素值的比例系数。

在测量过程中，把制作的标准标定板放在测量系统的同一位置上，与像机镜头保持固定的距离，点击图像测量软件左上角的系统标定按钮，获得标定板图像，分别选取标定板上水平方向上的两个圆以及垂直方向上的两个圆，然后弹出比例尺实际距离设定对话框，设置两圆之间的真实长度，这样就算出标定板某一长度的像素值，点击OK后就会得到当前比例尺，点击保存之后即完成系统标定。标定板如图2所示。

图2 标定板

2.2 图像采集与处理

2.2.1 图像采集

图像采集即将视频信号转换成计算机识别的数字格式。我们采用图像采集卡将视频信号经过A/D转换后，经过PCI总线实时传到内存和显存。

在图像采集过程中，要确保药型端面的几何中心与摄像机镜头的中心处于同一位置。由于药型安装在V型块上，不方便进行调整，我们便通过控制摄像机镜头的移动，使得药型端面的几何中心与控制软件的十字线交点重合。

2.2.2 图像预处理

光学系统进行成像后需要进行合适的图像处理及软件算法设计，图像处理主要体现在抗噪声、抗干扰上，软件算法则主要体现在测量系统的精度及稳定性上[7]。

图像在传输过程中常受到成像设备与外部环境噪声的干扰，所以需要对噪声进行滤除。图像中的噪声大多是不规则分布的一小点一小点，中值滤波属于非线性滤波，采用中值滤波不能消除大噪声的影响，但它能很好的保持原灰度图像的分布特性[8]。因而在图像降噪处理中得到了比较广泛的应用。

图3 原始光强分布

图4 中值滤波后的光强分布

由图4可知，经中值滤波处理后，噪声信号的部分光斑信号强度已经大大减弱，其他部分则基本没有变化，达到了去噪声的目的。

2.2.3 图像特征提取算法设计

根据CCD光敏面上激光光强的实际分布，我们采用二次多项式的算法来提取图像特征。

将信号f(xj,yj)的激光光斑定位到象素xj，在x方向上，设f(x)为插值函数，xj-1，xj+1为插值节点，yj-1，yj和yj+1为函数值，则有：

其中：

对f(x)微分，并另f'(x)=0可得：

这样可得激光光斑的定位为：

3 实验数据与误差分析

3.1 实验数据

为了比较图像测量与人工测量的准确性，我们多次测量了同一个药型，记录了每次测量的结果，比较相同情况下人工检测的数值，表1为测量结果。

表1 直径测量结果

由表1可知，人工测量的波动范围明显高于CCD测量，原因就是药型端面并不规则，用游标卡尺在同一个药型的不同位置测量就会产生一定的误差。相反，图像测量结果的稳定性更好，药型标准外径为102.55mm，通过计算CCD测量值和标准值的偏差发现，测量平均值低于标准值0.006mm，可以考虑将其作为系统误差进行修正。

3.2 误差分析

在实际测量过程中影响测量结果的主要误差是投影误差。如果对这些误差不进行分析与处理，系统将会给出不准确的结果。

在测量过程中，当出现V型块的尺寸不同或者两个V型块的装配位置出现误差，被测药型就会发生倾斜,这样药型端面与CCD摄像机光轴方向就不能保证垂直，从而引起投影误差的产生。投影误差示意图如图5所示。

图5 投影误差示意图

设投影误差为Δ，Δ为Δ1与Δ2之和，由图5中相似三角形关系可得，投影误差公式为：

式中：M为药型的垂直度；

D为被测药型的外径；

L2为药型端面与镜头中心点的距离。

当被测药型垂直度为0.1mm时，将表2参数带入到公式（3）中，可得药型倾斜所造成的投影误差Δ=0.017mm。

表2 位置参数

由于倾斜角度和方向都不固定，因此针对由被测药型倾斜引起的误差，我们进行了多组试验，整理测量数据后就得到了误差值与药型倾角角度的关系图，如图6所示。所得曲线是在倾斜角α为±8°范围内依次间隔1°所测。数据表明，倾斜角越大，误差越大，而且误差大体上以倾斜角0°为中心，对称分布。

图6 倾斜角与测量误差关系图

4 结论

药型无损检测系统总体效果良好，实现了无损检测的目的，且易于工人操作。长时间实验表明，该系统的测量效率高，摆脱了人为因素的干扰，通过对误差源进行分析校正，达到了设计要求，因为是非接触测量，因此满足了在危险环境下的使用需要。

[1] 孔国杰,张培林,傅建平,曹建军.激光内径测量系统数据处理模型研究[J].火炮发射与控制学报,2008,01：81-85.

[2] 石兵华,王召巴,金永.基于傅里叶变换轮廓术的药柱外型尺寸检测[J].弹箭与制导学报,2013,33(3)：174-176.

[3] 唐土生,李慧,游庆祥.提高基于CCD测量精度的新方法[J].光学技术,2013,39(1)：82-86.

[4] 孙钊,高爱华,田爱玲.线阵CCD测径装置的设计[J].应用光学,2003,24(2)：31-33.

[5] 邓和莲.加速度传感器标定的数据自动采集系统的设计[J].机电工程技术,2008,37(5)：60-62.

[6] 徐韶华,熊显名.基于线阵CCD在线铜包钢线径测量仪的研究[J]. 国外电子测量技术,2009,28(4)：36-39.

[7] 熊志勇. 激光三角法内孔测距传感器[D].华中科技大学,2012.

[8] 崔秀梅,张青锋.基于线阵CCD技术的火炮身管测径仪的测量误差分析[J].机械,2010,37(2)：7-9.

[9] 江育民,黄惟公,杨益.基于提高线阵CCD测量系统测量精度的研究[J].电子测量技术,2010,33(6)：98-101.