陳浩 鄒文哲 劉闖 / .上海市計量測試技術(shù)研究院； .上海大學(xué)機械工程與自動化學(xué)院

0 引言

傾角儀作為測量角度的常用設(shè)備，是一種用于測量一個平面（或圓柱面）相對于水平面的傾斜角及平面（或圓柱面）之間夾角的儀器，包括采用電子傾角傳感器的電子數(shù)顯傾角儀和機械傾角測量機構(gòu)的光學(xué)傾斜儀[1-2]。市場上的數(shù)顯角度測量設(shè)備外形、尺寸多種多樣。目前，校準(zhǔn)數(shù)顯傾角儀常用的方法主要采用光學(xué)分度頭手工測量，或正弦規(guī)搭配量塊進行角度模擬來間接測量這兩種方法。其中光學(xué)分度頭因靠人工手動控制，操作較為繁瑣，正弦規(guī)搭配量塊受量塊尺寸組合影響，只能對特定角度校準(zhǔn)有較高的準(zhǔn)確度[3-4]。本文設(shè)計了一套基于視覺系統(tǒng)的傾角儀自動化校準(zhǔn)裝置，來彌補傳統(tǒng)測量方法的不足之處。

1 傾角儀自動校準(zhǔn)裝置

為解決現(xiàn)存正弦規(guī)加量塊的組合校準(zhǔn)方法以及光學(xué)分度頭直接測量方法所存在的人為誤差，以現(xiàn)有市場上的數(shù)顯分度頭為基礎(chǔ)進行自動化設(shè)計?，F(xiàn)有設(shè)備的傳動裝置體積較大，整體相對笨重且需要手動操作。

本項目改良了傳統(tǒng)的傳動裝置，選用由電機驅(qū)動的傳動裝置控制圓光柵編碼器的定位。鑒于傾角儀自動化校準(zhǔn)裝置分辨力高，一般的電機無法達(dá)到如此高精度的轉(zhuǎn)動定位，所以僅以電機作為驅(qū)動，對儀器內(nèi)部的傳動機構(gòu)（絲桿螺母、齒輪等）進行重新設(shè)計和定制，達(dá)到所需傳動比并滿足角度定位需求。此過程將減小裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)的體積，使整套裝置更加緊湊，實現(xiàn)裝置的輕量化。重新設(shè)計后裝置體積可減小約1/2[5]，整套裝置傳動如圖1所示。

圖1 傳動示意圖

傾角儀自動化校準(zhǔn)裝置選用步進電機進行驅(qū)動，減速齒輪機構(gòu)將電機的轉(zhuǎn)速降低，經(jīng)齒輪傳動后的轉(zhuǎn)動量經(jīng)傳動裝置傳遞到圓光柵編碼器，實現(xiàn)角度定位。將編碼器、夾具和傾角儀固定至同一根傳動軸，從而消除編碼器與傾角儀轉(zhuǎn)動過程中的相對誤差。選用絕對式編碼器，其輸出通常為二進制碼。從代碼數(shù)大小的變化可以判別正反方向和位移所處的位置，絕對零位代碼還可以用于停電位置記憶。此類編碼器的特點是可以直接讀出角度坐標(biāo)的絕對值，沒有累積誤差，電源切斷后位置信息不會丟失[6-7]。

校準(zhǔn)裝置在轉(zhuǎn)動過程中，其基準(zhǔn)面和夾具形成了一個變化的力矩。為了平衡該力矩，選用的步進電機需要具有合適的阻尼，避免整個裝置在轉(zhuǎn)動過程中出現(xiàn)突然的加速度，造成被測樣品的抖動或示值漂移。

2 基于CCD攝像頭的視覺系統(tǒng)

本次自動化設(shè)計將使用自動讀取示值裝置代替人工，達(dá)到提高校準(zhǔn)效率、降低勞動強度的目的，校準(zhǔn)過程如圖2所示。

圖2 校準(zhǔn)過程

自動讀取示值通過CCD攝像頭實現(xiàn)。實驗室常見的送檢樣品，其分辨力為0.01° ～0.1°。在實際操作中，測量人員將樣品固定在基準(zhǔn)面上，調(diào)整攝像頭完成對焦，待計算機端軟件上能正確顯示示值后，進行清零操作并開始校準(zhǔn)。整個校準(zhǔn)過程中，攝像頭隨被測樣品一同轉(zhuǎn)動，兩者之間沒有相對位移和偏差，因此，不需要操作者進行多次對焦和調(diào)整。

在控制系統(tǒng)中，通過計算機程序?qū)D(zhuǎn)動參數(shù)進行設(shè)置，由運動控制卡對步進電機旋轉(zhuǎn)角度和轉(zhuǎn)動速度進行控制，同時圓光柵編碼器的角度信號通過運動控制卡傳輸至計算機。CCD攝像頭采集被測樣品的示值圖像并傳輸至計算機中，通過數(shù)字識別得到其示值數(shù)據(jù)并儲存。

3 試驗數(shù)據(jù)采集及不確定度分析

因分辨力為0.1°的數(shù)顯傾角儀重復(fù)性數(shù)據(jù)幾乎無變化，本裝置將對分辨力0.01°數(shù)顯傾角儀進行數(shù)據(jù)采集和不確定度分析。

3.1 測量過程

將分辨力0.01°數(shù)顯傾角儀裝夾在傾角儀校準(zhǔn)裝置上。對各校準(zhǔn)角度進行讀取，被測儀器的示值誤差是以該點示值與傾角儀校準(zhǔn)裝置標(biāo)準(zhǔn)角度值之差。

3.2 測量模型

式中：Δα——數(shù)顯傾角儀的示值誤差；

α——數(shù)顯傾角儀的示值；

α1——傾角儀校準(zhǔn)裝置的標(biāo)準(zhǔn)角度值

3.3 靈敏系數(shù)

依據(jù)測量模型，則靈敏系數(shù)為

3.4 輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度評定

輸入量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度主要來源為被測樣品重復(fù)性引入的不確定度和數(shù)顯角度儀校準(zhǔn)裝置引入的不確定度。

3.4.1 數(shù)顯傾角儀重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(α1)的評定

u(α1)采用A類方法進行評定。

對30°角度點在重復(fù)性條件下測量10次，得到數(shù)據(jù)見表1。

表1 數(shù)顯傾角儀30°實測數(shù)據(jù)

由貝塞爾公式：

數(shù)顯傾角儀分度值量化誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

式中：δ——被測數(shù)顯傾角儀的分度值

因分度值量化誤差引入的不確定度大于重復(fù)性誤差引入的不確定度，因此，對于分度值為0.01°的數(shù)顯傾角儀 ：u(α1) = 0.003°[8]。

3.4.2 標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(α2)的評定

標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度u(α2)主要來源于傾角儀校準(zhǔn)裝置的示值誤差和分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

3.4.2.1 傾角儀校準(zhǔn)裝置的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(α21)

傾角儀校準(zhǔn)裝置的示值誤差為±4''，取其半寬區(qū)間4''，轉(zhuǎn)化為角度0.001 1°。設(shè)在區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，傾角儀校準(zhǔn)裝置的示值誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，所以

3.4.2.2 傾角儀校準(zhǔn)裝置的分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u(α22)

傾角儀校準(zhǔn)裝置分辨力為1''，取其半寬區(qū)間0.000 14°。設(shè)在區(qū)間內(nèi)服從均勻分布，則傾角儀校準(zhǔn)裝置分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

由以上兩項得出由標(biāo)準(zhǔn)器傾角儀校準(zhǔn)裝置引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度：

3.4.3 專用夾具安裝誤差估算的不確定度分量u(α3)

數(shù)顯傾角儀專用夾具在安裝時，由操作誤差引起測角誤差，最大變化為0.002°，區(qū)間半寬度為0.001°。設(shè)其在區(qū)間內(nèi)為矩形分布，因此，安裝誤差引入的不確定度[9-10]：

3.4.4 傾角儀安裝誤差

數(shù)顯傾角儀由專用夾具固定而引起的測角誤差u(α4)，最大變化為 0.003°，區(qū)間半寬度為 0.001 5°。設(shè)其在區(qū)間內(nèi)為矩形分布，因此，安裝誤差引入的不確定度：

3.5 合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc的評定

輸入量均彼此獨立不相關(guān)，所以得

3.6 擴展不確定度的評定

數(shù)顯傾角儀的示值誤差擴展不確定度評定：

因為分度值誤差主要為均勻分布，取k值為2，數(shù)顯傾角儀分度值0.01°時，

同理可得數(shù)顯傾角儀分度值0.05°時，

同理可得數(shù)顯傾角儀分度值0.1°時，

4 數(shù)顯傾角儀不同方法示值誤差測量結(jié)果比對

本次比對采用了三種不同設(shè)備對同一分辨力為0.01°的數(shù)顯傾角儀進行比對測量。結(jié)果如表2所示。

表2 比對數(shù)據(jù)匯總

已知傾角儀校準(zhǔn)裝置對0.01°數(shù)顯傾角儀示值誤差測量結(jié)果不確定度為U1= 0.007°（k= 2）。根據(jù)JJF 1117-2010比對法要求，得出：

5 結(jié)語

本文設(shè)計了一種新的數(shù)顯傾角儀校準(zhǔn)裝置來實現(xiàn)對傾角儀的示值誤差校準(zhǔn)。該校準(zhǔn)方法主要是解決現(xiàn)存校準(zhǔn)方法所存在的人為誤差，同時提供一種操作簡單、使用便利的自動化校準(zhǔn)方法，減少了傾角儀校準(zhǔn)誤差，縮減了送檢時間和送檢成本。