24 m大长度计量检测自动化系统

杨斌

(辽宁省计量科学研究院，辽宁沈阳110004)

0 引言

随着社会经济的高度发展，各类大长度、高精度的仪器，例如双频激光干涉仪、激光跟踪仪、全站仪等的应用范围均已达到几十米甚至更长的距离，它们被地广泛应用于国防、航空航天、汽车制造等行业。早期，对于此类仪器的校准通常是在24 m精密圆导轨上进行。但由于年代久远，导轨发生变形导致其直线度较差;安装于导轨上的移动平台电气部分老化，只能靠人工行进，工作效率很低;环境参数不能实时地采集到测量程序中，增大了校准结果的不确定度。本文介绍了辽宁省计量科学研究院对原有旧导轨［1］改造，研发的一套可自动运行和采集数据的高精度大长度计量检测系统的设计原理、结构组成、关键技术以及系统精度测试实验。

1 设计方案与结构组成

1.1 设计方案

计算机发出待检指令并读取双频激光干涉仪的数据计算出移动步数，通过无线传输模块发送给移动平台，移动平台的单片机收到指令，将移动完成的代码返回计算机。位于移动平台上的CCD摄像头采集图像，通过无线传输模块传输图像到图像处理软件计算出测量结果。

1.2 结构组成

一维大长度(24 m)计量检测系统主要由移动平台控制系统、无线图像采集处理系统、测量软件、环境参数的自动采集等四部分组成。

1.2.1 移动平台控制系统

将主控计算机所发出的指令通过无线传输通讯模块发送给移动平台上的单片机［2］，由步进电机驱动运行平台快速移动。在运动过程中，由单片机控制循环调用激光干涉仪的移动距离值，形成闭环，判断运行平台所移动的距离是否达到要求，由此来控制步进电机的移动距离的误差。当移动平台移动到要求位置后，将返回的代码通过无线传输通讯模块传输回主控计算机。

1.2.2 无线图像采集处理系统

通过高清晰CCD摄像头和测量显微镜配合，将高清晰CCD摄像头采集来的测量图像信号无线传输回主控计算机。在此过程中，去除掉干扰信号，使无线图像数据通讯稳定可靠。

1.2.3 测量软件

测量软件对传输回来的测量图像信号进行自动图像处理，包括CCD像素标定、模板编辑、显示数据曲线、存储测量结果，实现对线纹类和仪器类计量器具的全自动测量、半自动测量以及人工测量的三种测量方式。

1.2.4 环境参数的自动采集

沿导轨方向均匀布设高精度传感器并与计算机建立通讯，将温度、气压、湿度和被测物的材料温度实时采集到主控计算机，当环境条件变化较大时，可以对测量结果进行修正，进而减小了测量的不确定度。

2 关键技术

2.1 RS232长距离抗干扰传输

通过无线数据传输通讯模块控制移动平台运动，需要尽量去除掉干扰信号，使无线数据通讯稳定可靠。调整无线模块的频点、发射功率，无线模块的全屏蔽来消除信号的干扰，通过RS232通讯的冗余校验和多次握手应答协议，有效地降低了无线通讯的出错率，保证了无线数据通讯的可靠性［3］。

2.2 双频激光干涉仪数据的实时获取

双频激光干涉仪在测量时读数只能从生产厂家提供的测量软件读取并人工记录。本项目通过双频激光干涉仪输出信号的二次开发，实现了距离数据的实时捕获功能，从而为系统整体运行提供了必要的距离数值信息。

2.3 无线图像采集传输

视频图像由于图像数据量大，实时更新快，且在测量过程中，图像需要进行识别和计算，图像的误码率要求极高。在本套系统中，通过2.4G的无线传送速率来解决数据量大和传输快的要求。通过合理设置图像参数来增加图像清晰度;通过调整图像传输码流，量化系数等来提高图像传输速度，使无线传输回来的图像误码率低，且无明显滞后。

3 系统校准结果的实验验证

系统校准测试结果验证采用比较法，即使用24 m大长度计量检测自动化系统对30 m标准钢卷尺［4］(最大测量范围为24 m)进行校准，通过与国家计量院的数值比对给出本套系统的结果可靠性。测量时使用49 N的拉力，通过滑轮引张于检测平台上，经过本系统检测并化算至20℃的实际长度。

在24 m范围内测量，测量间隔为1 m，每个点测量10次。10次测量的平均值和与国家计量院给出值的差值数据见表1，从中可以看出在20 m处最大差值为0.045 mm。本系统与国家院数值比对见图1。结果校验数据使用公式(1)计算。

式中:ylab为本系统10次测量的平均值;yref为国家院校准值;Ulab为本系统测量不确定度:Ulab=0.5 μm+3×10-6L，k=2;Uref为国家院校准值的测量不确定度:Uref=0.5 μm+5×10-6L，k=2。

图1 系统与国家院数值比对

表1 结果校验数据

4 结论

本项目的完成极大地提高了大长度计量仪器的校准测量能力。与人工方式相比，不仅能够提高检测效率，而且系统全自动化的一致性、有效性和复现性良好，避免了人为引入的测量误差。通过对30 m标准钢卷尺(最大测量范围24 m)的校准结果与国家计量院校准结果的分析对比验证，表明24 m大长度计量检测自动化系统校准结果准确可靠。

［1］陶子英.用经纬仪和卡尺测量大长度滑轨定位误差的方法［J］.计测技术，2013，33(2):16-18.

［2］张莉.大长度实验室检测平台自动化系统［J］.计量技术，2008，29(4A):157-159.

［3］马骊群.大尺寸计量校准技术研究及在量值传递中的应用［D］.大连:大连理工大学2006.58-86.

［4］国家质量监督检验检疫总局.JJG 741-2005标准钢卷尺［S］.北京:中国计量出版社，2005.