基于图像处理技术的激光断面检测仪校准装置*

2022-01-07胡志刚胡小华肖衍凡

精密制造与自动化 2021年4期

胡志刚颜蓉朱军胡小华肖衍凡

(1.江西省检验检测认证总院南昌 330002；2.江西省交通工程质量监督站试验检测中心南昌 330002）

激光断面检查仪(简称断面仪）被广泛应用于大跨度建筑结构，如公路、铁路的隧道，水利工程涵洞的限界测量等。断面仪主要由激光测距系统、竖直与水平分度盘角度旋转控制系统、附件等部分组成，其结构与原理如图1所示。

图1 激光断面仪结构与原理示意图

其结构类似与全站型电子速测仪，发射出可见激光无需合作目标来测距，其水平及竖盘测角部分可 360°设置自动旋转定位，同时测距仪可测出远近激光落点处距离从而得出以极坐标形式的空间断面轮廓坐标，其角度定位精度在 0.05°～0.1°，低于电子经纬仪，但由于该仪器一般缺乏目镜以及十字瞄准分划板，故无法像检定经纬仪一样直接利用经纬仪检定装置校准其角度定位精度。

目前还未有该仪器的国家检校规范及相应检校装置，JQJY型经纬仪检定仪是国内基于多齿分度台技术用于检定经纬仪水准仪的检定装置，较广泛应用于省市计量技术机构，适合于目视测角仪器检校,其结构如图2所示。但不适合上述激光类仪器检校，该装置可采用工业相机、分光镜等添加合适的软硬件改进该装置，从而可实现类似于检定经纬仪角度准确度方法，来高精度校准断面仪角度定位精度。

图2 经纬仪检定仪结构示意图

1 改进后的校准装置结构特点

在原经纬仪检定仪的平行光管处去掉配重块换装减光片及工业相机，同时在光管光路中加装半透半反分光棱镜，其光管改造后结构如图3所示。

图3 改造后平行光管结构示意图

改造后分光棱镜则可将断面仪发射的激光光斑转入工业相机的CCD或CMOS图像传感器上，同时不会改变原仪器主要结构，保证原仪器平行光管分划板正常成像，不影响常规经纬仪仪器检校。对于光电图像传感器而言，激光线也不能直接射入，需通过减光片降低光强，对减光片的选择有偏振滤光片及中性滤光片。对于断面仪采用的半导体激光发射器具有较强的偏振性，为保证角度测量准确度，采用中性滤光片，经试验采用透过率0.1%的中性滤光片，因为断面仪发射的激光近似于平行光，则图像传感器接受面应位于550 mm平行光管物镜的焦平面上，对于此位置的确定可通过自准直法确定（如图4所示）。即在工作台放置一反射镜，原光管分划板像经反射镜返回到工业相机中，根据计算机屏幕成像清晰度，调整工业相机装置前后位置，最清晰处即为图像传感器位于光管焦平面处。在改造过程中因为平行光管工业相机安装处为原先装圆形配重块处，改造后会改变经纬仪检定仪竖直旋转装置配重状态，需重新微量调整配重块位置，避免配重变化对该装置检校水准仪i角时的影响。

图4 自准直法示意图

工业相机受光面前后焦平面位置确定后，确定图像传感器每个像素反映的角度值，这里选用的130万像素工业相机，其CMOS图像传感器像素间距3.75 μm，理论上当位于550 mm焦距的光管物镜焦平面上时，像素间距对应角度值：（3.75÷550000）×200000≈1.4〃。

2 激光图像处理软件设计特点

工业相机图像传感器接收的的断面仪发射的激光为近似圆形光斑，其数字图像处理中关键点在于激光光斑中心位置的确定，如图5所示。

图5 断面仪发射激光光斑图像

由于激光光斑边缘模糊故需对于激光线进行形态学图像处理，本项目利用matlab语言开发了专用图像处理软件，简单步骤为首先采集图像，滤波后进行二值化处理，采用regionprops函数构建圆形结构元素，再利用结构元素对原图像进行腐蚀操作，即可获取光斑中心位置坐标,研制的软件系统界面如图6所示。

图6 校准系统软件界面

3 校准装置使用方法

3.1 断面仪竖直方向角度校准方法

首先旋转卧轴多齿分度台将平行光管调整到左或右侧水平位置，断面仪通过螺纹接口强制对中安装在立轴多齿分度台上，调平断面仪条形水泡，使用控制器设定断面仪竖盘旋转到90°，升降立轴多齿分度台，使断面仪出射激光线瞄准平行光管物镜中心；同时微量转动断面仪水平与竖盘，让激光光斑出现在计算机屏幕视场中间，调整好后则可旋转卧轴多齿分度台及断面仪竖盘进行角度比较测量。软件系统采集初始角度时激光光斑中心位置坐标作为零位，按30°间隔依次旋转断面仪及卧轴多齿分度台，采集各次激光光斑中心坐标值，各次坐标的Y方向最大差值即为竖盘角度定位误差，由于经纬仪检定仪结构限制，断面仪竖盘角度校准范围在30°～300°。

3.2 断面仪水平方向角度校准方法

按上述竖直方向角度校准方法类似，首先旋转卧轴多齿分度台将平行光管调整到左侧水平位置，设定断面仪初始角度后按一定角度间隔旋转立轴多齿分度台，采集各次激光光斑中心坐标值，各次坐标的X方向最大差值即为水平盘角度定位误差，该方向断面仪校准角度范围在0°～360°。

4 校准装置的不确定度验证方法

采用一台检定合格的Ⅱ级激光电子经纬仪，在校准装置上按一测回竖直角度测角标准偏差检定方法，在竖直方向±60°选取5个角度值，采用目视瞄准平行光管分划板得出仪器测角示值误差为5.2″，然后开启激光，使用校准系统定位激光光斑角度偏差得到测角示值误差为8.6″，从而可知该校准装置不确定度小于4″，可满足角度精度为0.01°断面仪校准要求。