基于經緯儀檢定儀的激光垂準儀校準裝置的研制

胡志剛,曾 瓊,張亞麟,肖衍凡

(江西省檢驗檢測認證總院計量科學研究院 ,330002,南昌)

0 引言

激光垂準儀是以重力線為基準,給出鉛垂直線的光學儀器,可用來測量相對鉛垂線的微小水平偏差、進行鉛垂線的點位轉遞、物體垂直輪廓的測量及方位的垂直傳遞。該類設備常用于高層建筑、塔架、煙囪、高塔項目、發射坑、大型圓柱形機械設備的安置,大壩的測量、工程監控及變形觀測等場景。常見的帶激光器光學垂準儀主要由點激光器、物鏡、調焦鏡、目鏡、十字分劃板、豎直回轉軸、管狀水準器及帶有腳螺旋的基座等部分組成,其結構如圖1所示。該儀器利用光學準直原理,利用半導體激光器產生一條與望遠鏡視準軸重合的可見激光束,用腳螺旋安平管狀水準器后,激光器垂直向上或向下發出光束,通過望遠鏡及調焦手輪照準目標,可使光束在目標處會聚成一明亮的光斑。該裝置主要校準項目包含豎軸和望遠鏡視軸的同軸度,豎軸和激光光軸的同軸度,一測回垂直測量的標準偏差等。依據JJF1081—2022垂準儀校準規范,采用焦距大于500 mm平行光管、五棱鏡以及50 m長室內外場地作為校準用。例如常見的既可目視又可激光瞄準定位的垂準儀,其豎軸與望遠鏡視準軸的同軸度需用測角平行光管校準,而激光軸與豎軸同軸度校準需要在50 m以上的室外場地上進行。另外,為了確定激光垂準測量基準的偏移,需人工對激光光斑定位進行瞄準讀數,該過程需要手工記錄80個數據點,并處理計算,導致校準工作效率低?；诖?有些測量技術公司(如大連拉特激光)研制了專用的垂準儀室內校準裝置,主要采用光電圖像處理技術,大幅減少了實驗室場地面積[1-2]。

圖1 激光垂準儀結構示意圖

江西省九江精達檢測技術有限公司基于多齒分度臺測角技術,研制出JQJY型高精度經緯儀檢定設備,已被國內省市及第三方的計量技術機構采用。該設備專為校準目視測角儀器設計(圖2),但對激光垂準儀器的激光性能指標的校準并不適用。為了解決該問題,經分析其結構原理,發現添加工業相機、分光鏡等硬件設備,并配以專用圖像處理軟件改進原裝置,能夠很好地模擬人眼對激光點的瞄準定位,將大幅提高垂準儀整體計量特性的高精度校準效果,且成本也相當低廉。

圖2 經緯儀檢定儀結構示意圖

1 改進后的校準裝置結構特點

本文介紹的改進方法是先取下原有經緯儀檢定儀臥軸多齒分度臺上平行光管裝置側面的小配重塊,然后替換為激光減光片和USB圖像數據接口輸出的工業相機。另外,在原光管的折返光路中添加半透半反的分光棱鏡,如圖3所示。

圖3 改造后平行光管結構示意圖

由圖3可知,該改進裝置中的分光棱鏡能夠反射垂準儀產生的激光點,使其照射在工業相機的影像傳感器上,而且這種解決方案并未引起任何對原有的經緯儀檢定設備的主體結構的改變,保障了原設備上的平行光管十字分劃板成像正常,還不影響常規的目視經緯儀或水準儀設備的正常檢校。另外,影像傳感器由于其電氣原理限制激光線不能直接照入,因此需通過添加減光片來降低入射光照度,通常減光片的種類包括偏振型濾光片和中性濾光片[3]。對于垂準儀,由于其采用的半導體激光發射器出射的光線有較強偏振性,為了保證角度測定的準確性,中性濾光片是最佳的選擇。經試驗,使用透射率為0.1%的中性濾光片可取得滿意減光效果。另外,垂準儀發出的激光類似于平行光會通過平行光管物鏡會聚,因此工業相機圖像傳感器接收面應位于焦距為550 mm平行光管物鏡的焦平面上,該位置可通過自準直法確定(見圖4),即通過在工作臺上放置反光鏡,平行光管上十字分劃線反射光線會被工業相機接收,通過電腦屏幕上圖像的清晰度來前后移動工業相機的位置,圖像最清晰的位置就是圖像傳感器接收面位于光管物鏡焦平面上[3]。然而,在該改進方案中,由于平行光管的工業相機安裝在原先的圓形配重塊所在位置上,若工業相機裝置與原配重塊的重量不一致,會導致對儀器的垂直旋轉裝置的配重發生變化,因此需對原儀器上其他配重塊位置進行微調,以避免校準小角度時帶來額外誤差[4-6]。

圖4 自準直法示意圖

通過確定工業相機影像傳感器接收面的位置,可計算出相機每個像素代表的角度數值。本文使用的是130萬像素(1 280*1 024)的工業相機,其CMOS影像傳感器的像素距離為3.75 μm,理論上在550 mm焦距的鏡頭焦平面時,計算出的單個像素角度值為:(3.75 ÷ 550000) × 200000″,大約為1.4″[3]。

2 激光圖像處理軟件設計特點

工業相機中圖像傳感器接收了垂準儀發射的激光,會形成一個近乎圓形的亮點。在采集圖像過程中,關鍵是要確定亮點中心的坐標位置,采集圖像如圖5所示。

圖5 激光垂準儀發射激光光斑圖像

鑒于激光線光斑邊緣存在模糊,有必要對激光光斑圖像進行形態學處理。為實現此目標,本文在此項目里編制了一套基于VC和Matlab的專用圖像處理軟件,利用這款軟件先對圖像實施采集和均值濾波,接著進行二值化處理,調用regionprops函數,構建一個圓形的結構元素,以此元素對原始圖像執行腐蝕操作(詳細操作可以參考后續的代碼)。通過這一系列操作,能夠確定光斑中心的位置坐標,基于此開發的軟件系統界面,如圖6所示。

圖6 校準系統軟件界面

global vidobj;

bw1 = getsnapshot(vidobj(1));

row=[];col=[];

for i = 1:2,

frame = bw1;

red = frame(:, :, 1);

laser1 = (red >= (0.85 * double(max(red(:)))));

props = regionprops(bwlabel(laser1), 'Area', 'Centroid');

area = [props.Area];

[num_pixels, index] = max(area);

threshold = 5;

if (num_pixels >threshold)

row(i) = props(index).Centroid(2);

col(i) = props(index).Centroid(1);

else

row(i) = NaN;

col(i) = NaN;

end

end

row1=mean(row);

col1=mean(col);

3 垂準儀配套微型漫反射照明光源

為了校準望遠鏡視準軸與豎軸的同軸度,需在垂準儀目鏡處加一漫射光源裝置照明目鏡分劃板,為此設計了微型LED燈珠照明光源,其結構如圖7所示。其中,磨砂乳白玻璃會形成漫射均勻照明,當垂準儀目鏡分劃板十字線成像在校準裝置的CCD相機上時,會使得視場更加均勻,便宜后續圖像處理。

圖7 LED照明光源

4 校準裝置使用方法

依據JJF1081—2002垂準儀校準規范主要校準項目及具體校準方法有:垂準儀望遠鏡視準軸與豎軸同軸度的校準,垂準儀激光視準軸與豎軸同軸度校準和一測回垂準測量標準偏差校準。

4.1 垂準儀望遠鏡視準軸與豎軸同軸度的校準

主要步驟:首先是轉動臥軸多齒分度臺將平行光管調整至直立狀態(見圖8);其次用螺絲接口以強制定心方式將垂準儀置于立軸多齒分度臺上,通過三個腳螺旋調整垂準儀管狀水泡處于水平狀態;接著在垂準儀目鏡上裝夾小型LED光源照明器,轉動垂準儀調焦旋鈕直至十字刻度或激光光斑在計算機屏幕視場中間清晰成像,此時可調節LED光源亮度使視場照明適宜,微動旋轉垂準儀使得垂準儀的分劃板與軟件系統的十字刻度線平行;然后點擊相關按鈕,即可自動測出垂準儀十字刻度中心點的坐標,也可在旋轉垂準儀180°后,重新定位十字刻度中心點坐標;最后軟件會自行計算出同軸度的偏差(見圖9)。

圖8 實際校準裝置應用示意圖

圖9 垂準儀望遠鏡視準軸與豎軸的同軸度校準

4.2 垂準儀激光視準軸與豎軸同軸度校準

該項校準關鍵在于垂準儀激光光斑中心準確定位,打開激光器按上述4.1校準方法類似步驟操作,轉動垂準儀調焦旋鈕直至激光光斑在計算機屏幕視場中間清晰成像;然后點擊相關按鈕,即可自動測出垂準儀激光光斑中心點的坐標,在旋轉垂準儀180°后,重新定位激光光斑中心點坐標;最后通過軟件圖像處理功能可自動定位兩次位置激光光斑中心位置(見圖6),則可自動計算出同軸度偏差。

4.3 一測回垂準測量標準偏差校準

依據校準規范在對徑旋轉垂準儀后定位激光光斑中心位置重復測量10次,通過采集各次激光光斑中心坐標值,可計算出一測回垂準測量標準偏差,可實現室內校準該項目(見圖10)。

圖10 一測回垂準測量標準偏差校準

5 結束語

本文結合JQJY型經緯儀檢定儀的基礎構造和功能特點,分析了采取工業相機和中性濾光片等軟硬件設備對原儀器智能化升級改造方案,實現了激光垂準儀發射的圓形激光光斑中心的自動定位和測量,進而可在室內進行垂準儀主要計量特性的校準。改造實例表明,可用較低的成本提高計量技術機構現有標準設備的校準能力,實現了高精度、高效率、低勞動強度校準垂準儀,在激光垂準儀的檢測和校準領域中具有一定的實用和推廣價值。