图像式激光标线仪校准装置的测量不确定度评定*

2018-12-15吴彦红黄小兵吴艳平

精密制造与自动化 2018年4期

吴彦红黄小兵吴艳平

（1. 郑州市质量技术监督检验测试中心郑州450000；2. 南昌铁路局技术监督所南昌330029）

激光标线仪是一种能提供自动安平的全空间三维激光线的装置，其工作原理为利用激光束通过柱透镜或玻璃棒形成扇形激光面，经投射而形成水平或铅垂激光标识线，被广泛应用于建筑施工、机械制造、建筑装潢等领域。目前激光标线仪常用的校准方法是高精度经纬仪法，即先将经纬仪放置在距离墙5m远处，建立标准水平线和铅垂线，然后将激光垂准仪架好，将激光线与标准线进行比对，但此法存在场地要求严苛、水平比对时高度不容易调整、比对时读数困难且不容易量化等问题。而我们开发的图像式激光标线仪校准装置，实现了激光标线仪的快速、高精度校准。

1 图像式激光标线仪校准装置结构

图像式激光标线仪校准装置是在高精度经纬仪水准仪检定装置的基础上增加软硬件装置，采用图像处理技术实现激光标线仪各参数的校准，其整体结构如图1所示。将激光标线仪固定在高精度经纬仪水准仪检定装置的工作台上，利用高精度经纬仪水准仪检定装置的立式多齿分度台提供标准角度，在测微目镜处安装CCD相机及减光片，通过CCD相机代替原平行光管分划板来接收激光标线仪发射的激光线，实现激光标线仪水平线误差、正交线误差的校准。

在距高精度经纬仪水准仪检定装置的工作台约5m处，沿竖直方向设置高2.5m的立柱，在立柱上自上而下依次安装有上中下三个CCD相机、上中下三个接收屏和标准铅垂线，将激光标线仪固定在装置工作台上，其投射的激光垂直线和标准铅垂线同时落在上中下三个CCD相机的焦面上，CCD相机连接数据采集器，利用图像处理软件捕捉激光垂直线和标准铅垂线的偏差变化量，实现激光标线仪垂直线误差的校准。

图1 图像式激光标线仪校准装置结构图

2 激光标线仪水平线示值误差测量结果的不确定度评定

激光标线仪水平线示值误差是指在激光出射面上任意点与激光出射点的连线相对水平面的最大夹角。

2.1 数学模型

式中：e 为仪器水平线示值误差，(")；xi为仪器在第i位置测得的激光线位置读数，(")；x0为标准水平面的位置读数。

2.2 方差和灵敏系数

2.3 各标准不确定度分量

(1)平行光管装置调整、测量读数引入的不确定度分量u xi。

(2)用CCD相机测量激光水平线相对标准水平面偏差读数重复性引人的不确定度分量u1xi。

用一台稳定性较好的激光标线仪重复测量仪器水平线示值误差5次，数据见表1所示。

表1 水平线示值误差

求取最大值与最小值之差，按极差法计算其单次测量标准差，则：S=2.8″/2.3≈1.2″

实际测量情况，在重复测量条件下连续测量 2次，以该2次测量算术平均值为测量结果，则可得到：

（3）仪器激光束出射高度与平行光管装置光轴高度不一致引入的不确定度分量u2xi。

用激光标线仪为样机在±1mm范围内作升降实验，仪器变化为1.8″～2.0″，若以±1mm为半宽，按均匀分布，则：

估计其相对不确定度为 20%，则自由度为：v2=12。

（4）平行光管装置中刻划标尺引入的不确定度分量u3xi。

在测量中，平行光管装置中刻划标尺的测量范围在-50″～+50″内，其示值误差在该范围内不大于2.0″，该值在其区间内为等概率分布，则：

经分量合成：

（5）平行光管装置标准水平面的位置即水平准线偏差引入的不确定度分量u x0

平行光管装置水平准线的最大偏差为 3″，设该值在其区间内为均匀分布，则：

表2 标准不确定度一览表

(6)合成标准不确定度及有效自由度合成标准不确定度

则：uc=u e =2.5″

(7)扩展不确定度

3 激光标线仪垂直线示值误差测量结果的不确定度评定

3.1 测量方法

激光标线仪垂直线示值误差测量方法是：利用悬挂在一竖直放置的立柱上的上、下两只 CCD相机及投影屏，这两个投影屏间距离在2.5 m左右。将激光标线仪固定在工作台上，调平仪器，打开激光标线仪的激光器输出垂直激光束，分别在上、下两只CCD相机的图像标尺上读出数值，其最大值L1与最小值L2之差e为此标线仪垂直标线示值误差的测量结果。