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摘要：在工业生产中，钢卷尺、测深钢卷尺等线纹类测量尺被广泛应用，目前对于该类仪器的测量方法，主要靠操作人员通过肉眼与标准尺比对刻线得出示值误差，在大批量测量中劳动强度很大且精度不高，本文将介绍一种新型的视觉瞄准刻线进行线纹尺检定的方法，以供参考。
关键词：新型视觉瞄准线纹尺；检定方法；算法；程序
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 10-0000-02
New Visual Targeting Lined Ruler Test Method Study
He Lei,Sun Jiaxing,He Xiaomei
(China Aviation Industry Corporation Beijing Great Wall Institute of Measurement and Testing Technology,Beijing100095,China)
Abstract:In industrial production,steel tape,steel tape measure and other deep-lined class are widely used measurement scale,the current measurement methods for such devices,mainly by the operator by visual comparison with the standard ruler engraved lines have to show error in high volume and labor intensive measurement accuracy is not high,this will introduce a new kind of visual targeting reticle for lined-foot test method for reference.
Keywords:New visual target lined ruler;Test methods;Algorithm;
Program
一、线纹尺自动检定装置工作原理及主要技术指标
线纹自动检定装置测量系统由大理石基座导轨、高精度金属直线导轨、驱动工作台、光栅测量系统、电机驱动系统、显微镜瞄准系统、各项软件及检定安装、夹紧附件等组成。其基座为大理石导轨构成，直线滚珠导轨固定在大理石导轨基座上，导轨上的移动工作台用来安装瞄准装置，微调对线工作台和光栅测量头，移动工作台在电机的驱动下进行测量。装置组成如图1所示：
该装置采用滚动光栅作为测量标准（为实现更高精度可采用整体大理石基座与直线金属光栅），用视觉显微镜进行对线瞄准，计算机读取测量值、自动显示被测尺的实际测量值并实现测量结果的实时记录、处理、存储，自动形成原始记录和检定证书等，利用光栅技术可方便的进行数字显示与细分。
装置用于I级、II级钢卷尺、套管尺、测深钢卷尺等线纹类工作尺的示值检定，测量、记录灵活方便，主要技术指标如下：
（1）测量范围：最大5m/段/次
（2）测量不确定度：（0.03+0.03L）mm
（3）显示分辨力：0.001mm
（4）瞄准：机器视觉显微镜
（5）供电电压：220V，50Hz
二、视觉瞄准刻线图像处理算法及程序
对于通过读数显微镜采集的图像，事先通过标准玻璃线纹尺来校准CCD像素。采集到分划尺图像之后，用Matlab对图像进行处理，由于刻线被放大，因此在提取出刻线的边缘轮廓信息后，对轮廓线进行最小二乘拟合，得到轮廓的中心线作为刻线，最后求出两中心线的距离。流程图如图所示。
图2像素校准流程图
经拟合后，得到两条直线的斜率k1，k2和截距b1，b2，用平均斜率k=（k1+k2）/2代替k1，k2，于是可通过下式求得距离
在测量起始零点处，通过选择零刻线，程序用像素点坐标自动记录了拟合出来的零刻线在视野中的相对位置，如图3，图4所示。
图3.测量程序界面
图4.调用Matlab采集图像并选择零点区域
当滑动平台运行到第一条被测刻线处（如1000mm处），滚动光栅将记录电机行走的实际位移，此时采集到的图像中操作者选择的被测刻线也将拟合出一条直线，该直线与零刻线拟合直线在视野中的真实距离，就是图像处理部分得到的示值误差，其与光栅读数值之和为被测尺在该标称刻线处的真实测量值，从而可以求得偏差值。
图5.采集刻线数据
程序设计Access数据库格式来存储输入的检定信息，以及测量时的实际数据值，最终通过调用word，可实现检定证书的自动打印。
以5m标准钢卷尺为例，使用该程序测得的数值与使用标准检定方法得到的数据的比较如下表所示（20℃测量环境下）：
表1.两种测量方法的比较
测量点/mm 使用视觉瞄准方法/mm 使用标准测量方法/mm
1000 1000.023 1000.01
2000 2000.033 2000.013
3000 3000.045 3000.022
4000 4000.062 4000.036
5000 5000.078 5000.05
三、不确定度分析
（一）由测量装置引起的测量不确定度分量
1.由光栅示值误差引入的不确定度分量为u（LR1）
根据光栅的说明书得知，光栅本身的允许误差极限为±（5+5L）μm，经过软件补偿，可提高为±（3+3L）μm，假设为均匀分布，则有
u（LR1）=（3+3L）/ =（1.7+1.7L）μm
2.由光栅尺材料温度变化引起的测量不确定度分量为u（LR2）
滚动光栅紧贴直线导轨运动，故光栅的膨胀系数即为制作导轨的钢材料的热膨胀系数11.5×10-6/℃，环境温度变化值为0.1℃。假设为均匀分布，则
u（LR2）=0.1×11.5×10-6×L×103/ =0.66Lμm
3.视觉瞄准装置引入的测量不确定度分量u（LR3）
由多次实验可知，瞄准装置的误差极限为±3μm，假设为均匀分布，则
u（LR3）=3/ =1.7μm
4.阿贝误差引起的不确定度分量为u（LR4）
经过调整，视觉瞄准系统移动的轴线与光栅轴线之间在5m的范围内存在0.010mm的平行度，假设轴线的距离为L时，读数显微镜移动的轴线与光栅尺轴线之间的平行度误差引入的不确定分量服从均匀分布，则阿贝误差引入的不确定度分量为
u（LR4）=（0.010/5）×L/ =1.2Lμm
（二）被测标准钢卷尺引起的不确定度分量
1.标准钢卷尺刻度的分化性引入的不确定度
根据标准钢卷尺检定规程JJG741-2005，刻度的分化性不超过0.02mm，假设为均匀分布，故有
u（LG1）= =12μm
2.钢卷尺的热膨胀引起的不确定度分量
钢卷尺材料标准碳素钢的热膨胀系数为11.5×10-6/℃，环境温度变化值为0.1℃，假设为均匀变化，则
u（LG2）=0.1×11.5×10-6×L×103/ =0.66Lμm
3.钢卷尺余弦误差引起的不确定度分量
在测量长为L的钢卷尺时，测量全程都使其刻线出现在读数显微镜视场内，二者的最大调节误差为1mm，在此范围内误差呈正态分布，则钢卷尺和导轨平行度引起的不确定度
u（LG3）=[1× /（1000×2.58）]2×106L=0.3Lµm
（三）合成标准不确定度uc
uc=
=
=（0.014L+0.007）mm
（L为钢卷尺长度，单位为m）
（四）扩展不确定度U
k=2
U=kuc=（0.028L+0.014）mm
四、结束语
从实验数据来看，通过CCD镜头采集被测钢卷尺或者测深钢卷尺的刻线的图像数据，可以大大减轻操作者的劳动强度，测量信息与数据全部自动写入数据库，实现自动化测量的同时，保证了较理想的精度。
参考文献：
[1]张文军,陈晓梅.标准分划尺在CCD压痕直径测量系统校准中的应用[J].计测技术,2008,5:38-40
[2]JJG4-1999,钢卷尺检定规程[S].
关键词：新型视觉瞄准线纹尺；检定方法；算法；程序
中图分类号：TP368.1 文献标识码：A文章编号：1007-9599 (2011) 10-0000-02
New Visual Targeting Lined Ruler Test Method Study
He Lei,Sun Jiaxing,He Xiaomei
(China Aviation Industry Corporation Beijing Great Wall Institute of Measurement and Testing Technology,Beijing100095,China)
Abstract:In industrial production,steel tape,steel tape measure and other deep-lined class are widely used measurement scale,the current measurement methods for such devices,mainly by the operator by visual comparison with the standard ruler engraved lines have to show error in high volume and labor intensive measurement accuracy is not high,this will introduce a new kind of visual targeting reticle for lined-foot test method for reference.
Keywords:New visual target lined ruler;Test methods;Algorithm;
Program
一、线纹尺自动检定装置工作原理及主要技术指标
线纹自动检定装置测量系统由大理石基座导轨、高精度金属直线导轨、驱动工作台、光栅测量系统、电机驱动系统、显微镜瞄准系统、各项软件及检定安装、夹紧附件等组成。其基座为大理石导轨构成，直线滚珠导轨固定在大理石导轨基座上，导轨上的移动工作台用来安装瞄准装置，微调对线工作台和光栅测量头，移动工作台在电机的驱动下进行测量。装置组成如图1所示：
该装置采用滚动光栅作为测量标准（为实现更高精度可采用整体大理石基座与直线金属光栅），用视觉显微镜进行对线瞄准，计算机读取测量值、自动显示被测尺的实际测量值并实现测量结果的实时记录、处理、存储，自动形成原始记录和检定证书等，利用光栅技术可方便的进行数字显示与细分。
装置用于I级、II级钢卷尺、套管尺、测深钢卷尺等线纹类工作尺的示值检定，测量、记录灵活方便，主要技术指标如下：
（1）测量范围：最大5m/段/次
（2）测量不确定度：（0.03+0.03L）mm
（3）显示分辨力：0.001mm
（4）瞄准：机器视觉显微镜
（5）供电电压：220V，50Hz
二、视觉瞄准刻线图像处理算法及程序
对于通过读数显微镜采集的图像，事先通过标准玻璃线纹尺来校准CCD像素。采集到分划尺图像之后，用Matlab对图像进行处理，由于刻线被放大，因此在提取出刻线的边缘轮廓信息后，对轮廓线进行最小二乘拟合，得到轮廓的中心线作为刻线，最后求出两中心线的距离。流程图如图所示。
图2像素校准流程图
经拟合后，得到两条直线的斜率k1，k2和截距b1，b2，用平均斜率k=（k1+k2）/2代替k1，k2，于是可通过下式求得距离
在测量起始零点处，通过选择零刻线，程序用像素点坐标自动记录了拟合出来的零刻线在视野中的相对位置，如图3，图4所示。
图3.测量程序界面
图4.调用Matlab采集图像并选择零点区域
当滑动平台运行到第一条被测刻线处（如1000mm处），滚动光栅将记录电机行走的实际位移，此时采集到的图像中操作者选择的被测刻线也将拟合出一条直线，该直线与零刻线拟合直线在视野中的真实距离，就是图像处理部分得到的示值误差，其与光栅读数值之和为被测尺在该标称刻线处的真实测量值，从而可以求得偏差值。
图5.采集刻线数据
程序设计Access数据库格式来存储输入的检定信息，以及测量时的实际数据值，最终通过调用word，可实现检定证书的自动打印。
以5m标准钢卷尺为例，使用该程序测得的数值与使用标准检定方法得到的数据的比较如下表所示（20℃测量环境下）：
表1.两种测量方法的比较
测量点/mm 使用视觉瞄准方法/mm 使用标准测量方法/mm
1000 1000.023 1000.01
2000 2000.033 2000.013
3000 3000.045 3000.022
4000 4000.062 4000.036
5000 5000.078 5000.05
三、不确定度分析
（一）由测量装置引起的测量不确定度分量
1.由光栅示值误差引入的不确定度分量为u（LR1）
根据光栅的说明书得知，光栅本身的允许误差极限为±（5+5L）μm，经过软件补偿，可提高为±（3+3L）μm，假设为均匀分布，则有
u（LR1）=（3+3L）/ =（1.7+1.7L）μm
2.由光栅尺材料温度变化引起的测量不确定度分量为u（LR2）
滚动光栅紧贴直线导轨运动，故光栅的膨胀系数即为制作导轨的钢材料的热膨胀系数11.5×10-6/℃，环境温度变化值为0.1℃。假设为均匀分布，则
u（LR2）=0.1×11.5×10-6×L×103/ =0.66Lμm
3.视觉瞄准装置引入的测量不确定度分量u（LR3）
由多次实验可知，瞄准装置的误差极限为±3μm，假设为均匀分布，则
u（LR3）=3/ =1.7μm
4.阿贝误差引起的不确定度分量为u（LR4）
经过调整，视觉瞄准系统移动的轴线与光栅轴线之间在5m的范围内存在0.010mm的平行度，假设轴线的距离为L时，读数显微镜移动的轴线与光栅尺轴线之间的平行度误差引入的不确定分量服从均匀分布，则阿贝误差引入的不确定度分量为
u（LR4）=（0.010/5）×L/ =1.2Lμm
（二）被测标准钢卷尺引起的不确定度分量
1.标准钢卷尺刻度的分化性引入的不确定度
根据标准钢卷尺检定规程JJG741-2005，刻度的分化性不超过0.02mm，假设为均匀分布，故有
u（LG1）= =12μm
2.钢卷尺的热膨胀引起的不确定度分量
钢卷尺材料标准碳素钢的热膨胀系数为11.5×10-6/℃，环境温度变化值为0.1℃，假设为均匀变化，则
u（LG2）=0.1×11.5×10-6×L×103/ =0.66Lμm
3.钢卷尺余弦误差引起的不确定度分量
在测量长为L的钢卷尺时，测量全程都使其刻线出现在读数显微镜视场内，二者的最大调节误差为1mm，在此范围内误差呈正态分布，则钢卷尺和导轨平行度引起的不确定度
u（LG3）=[1× /（1000×2.58）]2×106L=0.3Lµm
（三）合成标准不确定度uc
uc=
=
=（0.014L+0.007）mm
（L为钢卷尺长度，单位为m）
（四）扩展不确定度U
k=2
U=kuc=（0.028L+0.014）mm
四、结束语
从实验数据来看，通过CCD镜头采集被测钢卷尺或者测深钢卷尺的刻线的图像数据，可以大大减轻操作者的劳动强度，测量信息与数据全部自动写入数据库，实现自动化测量的同时，保证了较理想的精度。
参考文献：
[1]张文军,陈晓梅.标准分划尺在CCD压痕直径测量系统校准中的应用[J].计测技术,2008,5:38-40
[2]JJG4-1999,钢卷尺检定规程[S].