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CN107462160B - 一种用于校准图像法位移测量仪器的方法及装置 - Google Patents

一种用于校准图像法位移测量仪器的方法及装置 Download PDF

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CN107462160B CN201710450726.9A CN201710450726A CN107462160B CN 107462160 B CN107462160 B CN 107462160B CN 201710450726 A CN201710450726 A CN 201710450726A CN 107462160 B CN107462160 B CN 107462160B
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陈柳清
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Abstract

一种用于校准图像法位移测量仪器的方法及装置属于桥梁挠度检测仪行业标准及检定规程。该装置包括电机控制器，由电机及轴组成的传动模块，记录带控制模块，光源变换模块，控制器，记录带和光源；3个传动模块和1个记录带控制模块成矩形顶点排布；记录带控制模块包括由电机和轴组成的记录带传入模块，由电机和轴组成的记录带传出模块，记录带传入模块和记录带传出模块的旋转方向是相反的，记录带缠绕在记录带传入模块和记录带传出模块的轴上；控制器控制光源的开闭；控制电机带动轴旋转；记录带控制模块与3个传动模块协同工作。本发明实现了对图像法位移测量仪器动态测量性能的校准，具有极好的可控性，位移量十分准确，位移速度可控。

Description

一种用于校准图像法位移测量仪器的方法及装置
技术领域
本发明属于仪器计量技术领域。
背景技术
数字图像技术从20世纪末开始进入了飞跃发展的时代，图像法也应用在各行各业中，它已经成为位移测量领域的一种重要的非接触式测量方法，可避免传统接触式方法所面临的困难，具有精度高、使用方便等特点。
随着中国经济的飞速发展，道路桥梁及隧道建设施工量与日俱增，道路与桥梁工程检测设备种类也日益增多。在道路与桥梁工程检测设备中，有不少设备是利用图像法对位移量进行测量的。对此类设备的校准是关系着设备测量准确度的重要环节。
目前，对图像法位移测量仪器的校准方法有两种，一是采用标准分辨力板等标准板对仪器的分辨力进行校准，忽略了位移的动态特征；二是采用电机带动丝杠产生位移的方式，使电机带动丝杆转动，让固定在丝杠上的移动平台产生一定的位移量。通过图像法位移测量仪器测量移动平台的运动情况进行校准。
目前，现有校准方法都存在一定的局限性，无法经济、便捷、有效的进行校准。
图像法位移测量仪器：采用摄像头、工业相机等成像模块对被测对象进行图像采集，并通过PC、MCU等进行处理得到被测对象的位移数据的仪器，例如图像式非接触动静态位移测量仪、光电式桥梁挠度仪等等。
动态位移：被测对象发生的往复多次位移，位移大小是一个距离数列，位移方向随被测对象的运动方向变化。
静态位移：被测对象发生的单向单次位移，位移大小为被测对象起始点到停止点的直线距离，位移方向由被测对象起始点指向终点。
1)采用标准板进行校准
采用标准分辨力板等标准板对仪器的分辨力进行校准。
2)采用电机丝杆结构进行校准
采用电机带动丝杠产生位移的方式，使电机带动丝杆转动，让固定在丝杠上的移动平台产生一定的位移量。通过图像法位移测量仪器测量移动平台的运动情况进行校准。
现在技术存在以下缺点：
1)无法准确校准。采用标准板只能对分辨力进行校准，其实际校准的内容是成像单元(CCD或CMOS)的性能，无法校准仪器在动态测量中的仪器响应速度、数据处理准确性等性能。
2)价格昂贵。采用电机带动移动平台的方式进行校准，对电机和丝杠的精度和响应速度等性能的要求极高，其费用昂贵。
3)可控性差。采用电机带动移动平台的方式进行校准，其位移量和移动速度难以控制，装置的重复性难以满足要求。
发明内容
本发明实现了对图像法位移测量仪器动态测量性能的校准，具有极好的可控性，产生的位移量十分准确，位移的速度可控。
1.一种用于校准图像法位移测量仪器的装置，其特征在于：包括电机控制器，由电机及轴组成的传动模块，记录带控制模块，光源变换模块，控制器，记录带，和光源。3个传动模块和1个记录带控制模块成矩形顶点排布。
记录带控制模块包括由电机和轴组成的记录带传入模块，由电机和轴组成的记录带传出模块，记录带传入模块和记录带传出模块的旋转方向是相反的，记录带缠绕在记录带传入模块和记录带传出模块的轴上；
光源安装在控制器上方。控制器控制光源、电机控制器以及记录带控制模块。记录带从记录带控制模块的记录带传出模块一侧传出，依次绕过3个传动模块，从记录带控制模块的记录带传入模块传入。光源变换模块固定在光源前方，将光束调整为一条垂直于底面的直线。
2.应用所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将记录带安装在校准图像法位移测量仪器的装置上，以下简称校准装置。
(2)将被校仪器放置在校准装置正前方，使得被校仪器的摄像头对准校准装置的记录带。
(3)启动被校仪器。
(4)启动校准装置，即打开光源，启动记录带控制模块及3个传动模块。控制器控制光源的开闭；控制电机控制器输出相应指令，控制电机带动轴旋转；控制记录带控制模块传入传出记录带，使得记录带控制模块与3个传动模块协同工作，带动记录带移动。记录带采用不透明的材料制成，上面镂空刻有预设的位移曲线，光线仅从曲线处通过。当光源打开时，从校准装置正面观察，能看到记录带位移曲线上存在一亮点。
(5)被校仪器拍摄记录带上亮点的移动情况，并记录数据。
(6)读取被校仪器输出的位移数据，与记录带的标准数据进行比较，计算二者误差。
(7)停止校准，关闭被校仪器，关闭校准装置，将记录带取下。
更具体的是，本专利所述校准方法所需的装置主要由控制器、电机、光源、光源变换模块、记录带等部分组成，硬件连接图如图1所示。
图中，1为外壳，2为电机控制器，3为传动模块，由电机及轴组成，4为记录带控制模块，5为光源变换模块，6为控制器，7为记录带，8为光源。
3个传动模块和1个记录带控制模块成矩形顶点排布。
电机控制器就是俗称的电机驱动器。光源变换模块可以采用柱面透镜组，控制器采用计算机或者使用微控制器。记录带控制模块是记录带传入模块和记录带传出模块的组合。
图2中，4-1为记录带控制模块的底座，4-2是记录带传入模块，由电机和轴组成，4-3是记录带传出模块，由电机和轴组成，7为记录带。记录带传入模块4-2和记录带传出模块4-3的旋转方向是相反的，其中4-2控制记录带的传入，4-3控制记录带的传出。记录带缠绕在4-2和4-3的轴上。记录带控制模块上的记录带传出位置和记录带传入位置。
光源安装在控制器上方。控制器连接光源、电机控制器以及记录带控制模块。记录带从记录带控制模块的记录带传出模块侧传出，依次绕过3个传动模块，从记录带控制模块的记录带传入模块传入。光源变换模块固定在光源前方，将光束调整为一条垂直于底面的直线。记录带上镂空刻有连续的位移曲线，如图3所示。
本专利所述校准装置的技术方案流程图如图4所示。
本专利所述校准装置的控制器主要功能为：控制光源的开闭；控制电机控制器输出相应指令，控制电机带动轴旋转；控制记录带控制模块传入传出记录带，使得记录带控制模块与3个电机、轴协同工作，带动记录带移动。校准装置的两侧面、背面、上下面由外壳围挡，装置正面有一窗口，通过窗口可以看到记录带上的位移曲线。
本专利所述校准装置的记录带采用不透明的材料制成，上面镂空刻有预设的位移曲线，光线仅可以从曲线处通过。当光源打开时，从校准装置正面观察，可以看到记录带位移曲线上存在一亮点。
附图说明
图1准装置硬件连接示意图
图中，1为外壳，2为电机控制器，3为电机及轴，4为记录带控制模块，5为光源变换模块，6为控制器，7为记录带，8为光源。
图2记录带控制器示意图
图3记录带示意图
图4校准装置的技术方案流程图
图5具体实例1的技术方案流程图
图6具体实例2的技术方案流程图
具体实施方式
本专利可用于校准图像式非接触动静态位移测量仪(以下简称“位移测量仪”)的动态位移测量能力，其流程图如图5：
5.3.1.2实例1技术方案实现过程
参考图5所示实例1流程图，实例1技术方案实现过程如下：
(1)将适用于动态位移校准的记录带安装在校准装置上。
(2)将位移测量仪放置在校准装置正前方，使得位移测量仪的摄像头对准校准装置的记录带。
(3)启动位移测量仪，完成初始化和标定，切换到动态位移测量程序。
(4)打开光源，启动记录带控制模块及配套电机、轴，将记录带上的位移曲线的起始位置调整到线光源的发射面上，使得起始位置为一亮点。
(5)控制器控制记录带控制模块及配套电机、轴，使得记录带以恒定速度转动，可以看到记录带上亮点的位置根据位移曲线上下移动。
(6)位移测量仪实时记录记录带上亮点的位移情况。
(7)当记录带上的位移曲线消失时，亮点消失，则停止位移测量仪。
(8)将位移测量仪的动态位移曲线数据输出，与记录带的数据进行对比，计算二者之间的差值。
(9)若二者之间数据不一致，则调整位移测量仪参数，重复(1)-(7)；若二者数据一致，则校准通过。
实例2
1)实施实例2的硬件连接图、技术流程图
本专利可用于校准位移测量仪静态位移测量能力，其流程图如图6所示：
2)结合上述附图6，描述实施例2技术方案详细的实现过程。
实例2技术方案实现过程如下：
(1)将适用于静态位移校准的记录带安装在校准装置上(静态位移校准的记录带图像是一个斜率固定的斜线)。
(2)将位移测量仪放置在校准装置正前方，使得位移测量仪的摄像头对准校准装置的记录带。
(3)启动位移测量仪，完成初始化和标定，切换到动态位移测量程序。
(4)打开光源，启动记录带控制模块及配套电机、轴，将记录带上的位移曲线的起始位置调整到线光源的发射面上，使得起始位置为一亮点。
(5)控制器控制记录带控制模块及配套电机、轴，使得记录带以恒定速度转动，可以看到记录带上亮点的位置根据位移曲线上下移动。
(6)位移测量仪实时记录记录带上亮点的位移情况。
(7)当记录带上的位移曲线消失时，亮点消失，则停止位移测量仪。
(8)将位移测量仪的静态位移曲线数据输出，与记录带的数据进行对比，计算二者之间的差值。
(9)若二者之间数据不一致，则调整位移测量仪参数，重复(1)-(7)；若二者数据一致，则校准通过。
本专利实现了图像法位移测量仪器对位移测量能力的校准，保证了校准结果的准确，为多种图像法位移检测设备的校准提供了技术支持。
本专利具有极好的适用性，能够应用于且不限于图像式非接触动静态位移测量仪的动静态位移测量能力的校准。
本专利能够控制位移的移动速度，实现准确校准。
见实例1。本专利通过对记录带控制模块及配套电机的协同控制，能够让记录带的转动保持恒定速度，且速度可控。
本专利能够实现复现单点的位移曲线。
本专利在记录带上刻画位移曲线，记录带上仅有位移曲线可以透过光，未刻画位移曲线的部分完全遮挡光线。
光源通过光源变换模块变成一条垂直于底面和记录带的直线光，使得该直线光透过记录带后在记录带上形成一个亮点。
通过控制记录带匀速移动，亮点位置发生移动，且移动的路径和记录带上位移曲线一致。
本专利成本较目前常用的方法低廉。
本专利实现了单点位移曲线的复现。
本专利在记录带上镂空刻画位移曲线，记录带上仅有位移曲线可以透过光，未镂空刻画位移曲线的部分完全遮挡光线。
光源通过光源变换模块变成一条垂直于底面和记录带的直线光，使得该直线光透过记录带后与记录带位移曲线交叉，在记录带上形成一个亮点。
对记录带控制模块及配套电机的协同控制，能够让记录带的转动保持恒定速度，且速度可控。随着记录带的移动，亮点位置发生匀速移动，且移动的路径和记录带上位移曲线一致。
本专利复现的位移曲线准确度较高。由于记录带上的位移曲线是连续曲线，则位移值为连续变化的，配合调整记录带的移动速度，可以实现位移量在时间轴上的准确复现。由本专利的结果可以分析知，位移曲线复现的准确度取决于记录带上的曲线和记录带移动速度。设记录带上的位移曲线为y＝f(x)，y为记录带上曲线的纵轴，x为记录带上曲线横轴，需要复现的位移曲线为h＝g(l)，h为实际位移幅值，l为实际位移的距离间隔，记录带移动线速度为v，且设x/l＝n，y＝h，则y＝g(vt/n)。当记录带位移速度要求较高时，则可以将记录带上的曲线横轴按一定比例缩短，则记录带位移速度要求可以降低。同时，本专利所使用电机和轴均只需要一个方向转动，避免了电机和轴往复运动将回差引入复现出的曲线，提高了曲线复现的准确度。
采用电机丝杆组合的位移复现系统复现单点位移，并进行图像法位移测量仪器的校准，其测量模型为ΔDi＝Di-D0，其中ΔDi为第i点位移示值误差，Di为第i点位移实测值，D0为第i点位移标准值。上述测量模型的各个影响因素相互独立，则可得到合成方差为：且C1＝1，C2＝-1。经过反复实验发现，电机丝杆组合的位移测量系统复现静态位移的最大允许误差/>为±0.05mm；复现动态位移存在回程误差，其最大允许误差/>为±1.3mm。图像法位移测量仪器的u(Dt)＝0.05mm。则静态位移测量结果的合成标准不确定度为/>动态位移测量结果的合成标准不确定度为/>取k＝2，静态位移测量结果的扩展不确定度为0.142mm，动态位移测量结果的扩展不确定度为2.602mm，则采用电机丝杆组合的位移复现系统的测量结果的扩展不确定度为2.602mm。
采用本专利复现单点位移，并进行图像法位移测量仪器的校准，其模型同上。本专利的最大允许误差(包括静态位移、动态位移)u(D0)为±0.05mm，则其合成标准不确定度为取k＝2，采用本专利的测量结果的扩展不确定度为0.142mm。
本专利在动态位移复现时，测量结果的扩展不确定度是采用电机丝杆组合的扩展不确定度的1/18，显然本专利性能远远优于采用电机丝杆组合的位移复现系统的性能。

Claims (2)

1.一种用于校准图像法位移测量仪器的装置，其特征在于：包括电机控制器，由电机及轴组成的传动模块，记录带控制模块，光源变换模块，控制器，记录带，和光源；3个传动模块和1个记录带控制模块成矩形顶点排布；
记录带控制模块包括由电机和轴组成的记录带传入模块，由电机和轴组成的记录带传出模块，记录带传入模块和记录带传出模块的旋转方向是相反的，记录带缠绕在记录带传入模块和记录带传出模块的轴上；
光源安装在控制器上方；控制器控制光源、电机控制器以及记录带控制模块；记录带从记录带控制模块的记录带传出模块一侧传出，依次绕过3个传动模块，从记录带控制模块的记录带传入模块传入；光源变换模块固定在光源前方，将光束调整为一条垂直于底面的直线；记录带采用不透明的材料制成，上面镂空刻有预设的位移曲线，光线仅从曲线处通过。
2.应用如权利要求1所述装置的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将记录带安装在校准图像法位移测量仪器的装置上，以下简称校准装置；
将被校仪器放置在校准装置正前方，使得被校仪器的摄像头对准校准装置的记录带；
启动被校仪器；
启动校准装置，即打开光源，启动记录带控制模块及3个传动模块；控制器控制光源的开闭；控制电机控制器输出相应指令，控制电机带动轴旋转；控制记录带控制模块传入传出记录带，使得记录带控制模块与3个传动模块协同工作，带动记录带移动；记录带采用不透明的材料制成，上面镂空刻有预设的位移曲线，光线仅从曲线处通过；当光源打开时，从校准装置正面观察，能看到记录带位移曲线上存在一亮点；
被校仪器拍摄记录带上亮点的移动情况，并记录数据；
读取被校仪器输出的位移数据，与记录带的标准数据进行比较，计算二者误差；
停止校准，关闭被校仪器，关闭校准装置，将记录带取下。
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Assignee: ZHONGLU HI-TECH TRANSPORT CERTIFICATION AND INSPECTION CO.,LTD.

Assignor: RESEARCH INSTITUTE OF HIGHWAY MINISTRY OF TRANSPORT

Contract record no.: X2025990000033

Denomination of invention: A method and device for calibrating image displacement measuring instruments

Granted publication date: 20231117

License type: Exclusive License

Record date: 20250121