申请/专利权人：山西省计量科学研究院

申请日：2019-08-06

公开（公告）日：2024-03-26

公开（公告）号：CN110296718B

主分类号：G01C25/00

分类号：G01C25/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.03.26#授权;2019.11.01#实质审查的生效;2019.10.01#公开

摘要：本发明涉及一种新型条码水准标尺检测系统及检测方法。系统由三坐标测量机、平面反射镜、电子水准仪构成。所述三坐标测量机为固定桥架、运动工作台结构；所述平面反射镜固定于坐标测量机桥架上，与所述电子水准仪的水平准线成45°角；所述电子水准仪与被测条码水准标尺同品牌。系统经所述置中调整法调整，形成精密测量系统，条码尺运动，通过平面反射镜成垂直立像并被所述电子水准仪读取并解码，得到条码尺示值，与标准位移值形成二维数据列，并经所述分段叠加最小二乘法拟合，以直线斜率作为被测条码尺的每米真长补偿因子。该新型条码水准标尺检测系统实现方式简便，占地空间小，测量精度高，数据评价科学。

主权项：1.一种条码式水准标尺检测方法，采用一种条码式水准标尺检测系统实现；所述一种条码式水准标尺检测系统由固定桥式三坐标测量机、平面反射镜、电子水准仪三部分组成；a、所述固定桥式三坐标测量机具备固定龙门框架、工作台运动的结构，工作台与底座之间由空气静压轴承支撑，工作台水平，能够支撑条码水准标尺；b、所述平面反射镜为矩形光学玻璃平面抛光为基板、第一反射面反射，固定于龙门框架上，与电子水准仪水平准线成45°角；c、所述电子水准仪为被检条码水准标尺的配套水准仪，电子水准仪的中心竖轴线与条码水准标尺测量中心线的延长线正交；测量中电子水准仪与被测条码水准标尺的测量视距不变，仅被测条码水准标尺运动；其特征在于，检测方法包括电子水准仪置中调整法及测量方法；所述电子水准仪置中调整法，包括如下步骤：（a）、将条码水准标尺安置在工作台上，以固定桥式三坐标测量机测头测量并调整条码水准标尺中轴线与固定桥式三坐标测量机测量轴平行；（b）、在条码水准标尺一端架设电子水准仪，调整至水平状态，并大致将电子水准仪中心竖轴线置于条码水准标尺中轴线附近；（c）、以电子水准仪的视距功能观测，分别瞄准条码水准标尺影像两端对称位置，测量水准仪与条码水准标尺的视距l1、l2，如果l1≠l2，调整电子水准仪位置，再次读取距离，经反复调整，期间可微调平面反射镜在保证与电子水准仪水平准线成45°角的前提下左右偏转，直到l1、l2逐渐接近并相等，此时电子水准仪置中，其中心竖轴线与条码尺中轴线正交；所述测量方法如下：启动固定桥式三坐标测量机，将支撑条码水准标尺的工作台移动到测量范围的近远端，在电子水准仪中呈现条码尺的低高位影像，电子水准仪按条码编码规则显示数值，分别记录该数值和作为标准长度的坐标测量机对应示值；然后工作台按要求的间隔运动，将电子水准仪通过平面反射镜对标尺不同间隔位置条码图像解码得到标尺位置的由低高到高低的“高度”值，分别与固定桥式三坐标测量机运动工作台光栅尺的读数产生的标准长度比较，从而实现对条码水准标尺进行精密测量；还包括对测量所得数据的处理方法：以固定桥式三坐标测量机的标准长度作横坐标，电子水准仪读取的条码水准标尺长度作纵坐标，依据不同测量数列作图，拟合出最小二乘直线，直线斜率确定为条码水准标尺米间隔长度平均值的补偿因子；所述数据处理方法还包括分段叠加最小二乘法，分段叠加最小二乘法包括如下步骤：（1）、当固定桥式三坐标测量机测量范围小于条码水准标尺测量范围时，采用分段检测覆盖条码水准标尺全部测量范围，后一段的起点是前段的最末一点；（2）、后一段数据列由电子水准仪读出该段相应的各点数值，坐标测量机产生的标准长度值与前一段最末一点标准长度的代数和叠加组成，最后对全部条码水准标尺检测数据、标准长度的二维数据列采用最小二乘法进行线性拟合，获得拟合直线斜率值作为该尺每米真长的补偿因子。

全文数据：一种条码式水准标尺检测系统及检测方法技术领域本发明涉及测绘行业检测技术，具体为一种条码式水准标尺检测系统及检测方法。背景技术条码水准标尺，也称条码式因瓦标尺，是一种尺带上刻划一维条码，通过标尺条码的条空宽度变化以及纵向排列来传达长度信息的水准测量仪器，与电子水准仪配套使用。电子水准仪将条码水准标尺的一段条码按一定方式解码，获得标尺的位置和高度信息，具有比传统水准仪和线条式水准标尺的传统测量方式精度更高、速度更快、读数自动等特点，在一、二等水准测量中获得广泛应用。因此，为保证水准测量的准确，条码水准标尺以及配套使用的电子水准仪均要定期进行检定。目前，检测条码水准标尺的设备均基于机器视觉测量技术。《JJG（测绘）2102-2013因瓦条码水准标尺》、《CN201720134265.X条码尺检测仪》等公开了一种垂直姿态检定条码水准标尺的装置，原理为水准标尺沿垂直长导轨运动，摄像头瞄准相应条码，运动产生的条码尺位移与激光干涉仪的标准位移进行比较，获取水准标尺对应的误差。叶青的《条码式水准尺图像动态检测系统的研究》则在研究条码边缘图像识别中，公开了一种条码尺水平姿态检测的实验装置，原理同前所述。目前各电子水准仪的生产企业拥有自己的条码水准标尺编码技术专利，由于知识产权原因，编码技术仍属于生产企业的保密技术，采用机器视觉技术识别条码边缘位置，而不考虑条码编码规则，与实际使用情况不一致。发明内容本发明要解决的技术问题是：1、现有装置基于机器视觉独立检测条码尺条空宽度，不涉及条码的编码信息，与实际使用中电子水准仪需读取条码水准标尺的一段多个相邻条码并解码确定位置的原理不同；2、现有检测装置需要建设一套长导轨，水平姿态检测导轨占地面积大，而垂直姿态检测导轨占用空间大，建设成本高昂。本发明提供了一种新的条码式水准标尺检测系统的搭建方法，其主体是固定桥式三坐标测量机。三坐标测量机依其三条运动轴上的高精度光栅尺及接触测头等能够实现几何形状、长度及圆周分度等测量，具有通用性强、测量范围大、精度高、效率好的特点，被广泛用于机械制造业、汽车工业、电子工业、航空航天工业和国防工业等各部门。本系统采用固定桥式三座标测量机，其特点是桥架固定、工作台运动，且光栅尺中置，工作台的运动及精度得到可靠控制。本发明所述一种条码式水准标尺检测系统是采用如下技术方案实现的：一种条码式水准标尺检测系统，由固定桥式三坐标测量机、平面反射镜、电子水准仪三部分组成；a、所述固定桥式三坐标测量机具备固定龙门框架、工作台运动的结构，工作台与底座之间由空气静压轴承支撑，工作台水平，能够支撑条码水准标尺；b、所述平面反射镜为矩形光学玻璃平面抛光为基板、第一反射面反射，固定于龙门框架上，与电子水准仪水平准线成45°角；c、所述电子水准仪为被检条码水准标尺的配套水准仪，电子水准仪的中心竖轴线与条码水准标尺测量中心线的延长线正交。所述固定桥式三坐标测量机为封闭固定龙门框架，工作台水平且运动轴线与电子水准仪水平准线平行，作为标准长度发生器及支撑被测条码尺组件；平面反射镜作为将条码水准标尺由水平转置为垂直影像的组件；所述电子水准仪作为条码尺长度信息解码器组件。进一步的，测量中电子水准仪与被测条码水准标尺的测量视距不变，仅被测条码水准标尺运动。本发明所述的一种条码式水准标尺检测方法，采用条码式水准标尺检测系统实现，包括电子水准仪置中调整法及测量方法；所述电子水准仪置中调整法，包括如下步骤：（a）、将条码水准标尺安置在工作台上，以固定桥式三坐标测量机测头测量并调整条码水准标尺中轴线与固定桥式三坐标测量机测量轴平行；（b）、在条码水准标尺一端架设电子水准仪，调整至水平状态，并大致将电子水准仪中心竖轴线置于条码水准标尺中轴线附近；（c）、以电子水准仪的视距功能观测，分别瞄准条码水准标尺影像两端对称位置，测量水准仪与条码尺的视距l1、l2，如果l1≠l2，调整电子水准仪位置，再次读取距离，经反复调整，期间可微调平面反射镜在保证与电子水准仪水平准线成45°角的前提下左右的偏转，直到l1、l2逐渐接近并相等，此时电子水准仪置中，其中心竖轴线与条码尺中轴线正交；坐标测量机调整至水平，平面反射镜调整至与水平成45°角。电子水准仪安置在待测条码水准标尺一端，距坐标测量机越近越好，中心竖轴线通过置中调整法调整至与条码尺测量轴的延长线正交，此时该系统搭建为精密条码尺检测系统，其带来的不确定度最小。所述测量方法如下：启动固定桥式三坐标测量机，将支撑条码水准标尺的工作台移动到测量范围的近远端，在电子水准仪中呈现条码尺的低高位影像，电子水准仪按条码编码规则显示该值，分别记录该示值和作为标准长度的坐标测量机对应示值；然后工作台按要求的间隔运动，将电子水准仪通过平面反射镜对标尺不同间隔位置条码图像解码得到标尺位置的由低高到高低的“高度”值，分别与固定桥式三坐标测量机运动工作台光栅尺的读数产生的标准长度比较，从而实现对条码水准标尺进行精密测量。进一步的，还包括对测量所得数据的处理方法：以固定桥式三坐标测量机的标准长度作横坐标，电子水准仪读取的条码水准标尺长度作纵坐标，依据不同测量数列作图，拟合出最小二乘直线，直线斜率确定为条码水准标尺米间隔长度平均值的补偿因子。进一步的，所述数据处理方法还包括分段叠加最小二乘法，分段叠加最小二乘法包括如下步骤：（1）、当固定桥式三坐标测量机测量范围小于条码水准标尺测量范围时，采用分段检测覆盖条码水准标尺全部测量范围，后一段的起点是前段的最后一点；（2）、后一段数据列由电子水准仪读出该段相应的各点数值，坐标测量机产生的标准长度值与前一段最末一点数值的代数和叠加组成，最后对全部条码尺检测数据、标准长度的二维数据列采用最小二乘法进行线性拟合，获得拟合直线斜率值作为该尺每米真长的补偿因子。本发明与现有装置以及方法相比具有以下优点：1、多用途：该系统是一种综合检测系统，除坐标测量机本身原有的检测用途外，用平面反射镜拓展用于条码水准标尺的检测；2、搭建灵活成本低：无需新配置激光干涉仪和长导轨系统，只需在需要时与现有坐标测量机搭建，建设成本低；3、整体占地面积小：就是一台坐标测量机的位置空间；4、数据处理科学：测量模型不同于现有仅测量条码尺的条空宽度，而忽略其独特的条码编码专利，采用同品牌水准仪解码，基于最小二乘法对多段检测数据进行最佳直线匹配。附图说明图1、本发明所述检测系统组成示意图。图2、本发明所述系统测量原理图。1-固定桥式三坐标测量机，2-平面反射镜，3-条码水准标尺，4-电子水准仪，5-移动工作台，6-视距，7-条码水准标尺像，8-条码水准标尺运动方向。具体实施方式提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的装置或系统，均落在本发明的保护范围之内。实施例中未注明具体实验条件或步骤者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的条件或操作即可进行。所用仪器或产品均为可以通过市购获得的常规仪器或产品。本发明实施例中采用的系统为，（1）固定桥式三坐标测量机，生产商：Leitz，型号PMM-C12107，MPEE：±0.5+L700μm（L单位为m）；（2）平面反射镜，长度≥300mm、厚度≥10mm矩形光学玻璃平面基板，经研磨抛光后平面度＜3μm，第一反射面镀金属反射膜；（3）电子水准仪，与待测条码水准标尺同品牌。系统搭建：所述三坐标测量机工作台调整至水平，作为标准长度发生器及支撑被测条码尺组件；所述平面反射镜安装在坐标测量机桥架一边，与电子水准仪的水平准线调整至45°角，作为将条码水准标尺由水平转置为垂直影像的组件；所述电子水准仪水平准线与坐标测量机运动轴线平行，调整中心竖轴线与条码尺测量中心线的延长线正交，作为条码尺长度信息解码器组件。调整方法：置中调整法，按变形最小原则将待测条码水准标尺在三坐标测量机工作台上支撑固定，启动坐标测量机，以坐标测量机测头测量并调整标尺尺身方向与坐标测量机测量轴平行；在标尺一端架设电子水准仪，并大致将水准仪中心竖轴线置于条码尺中心线附近，调整水准仪至水平状态；以电子水准仪的视距功能观测，分别瞄准并测量条码尺影像中心线左右（即以条码水准标尺长度中心线为对称中心，左右是指条码水准标尺的宽度方向）相对称位置代表的条码与水准仪的距离l1、l2，如果l1≠l2，调整电子水准仪位置，再次读取距离并调整，期间可微调平面反射镜沿长边的偏转（如图2中显示了平面反射镜长边，在保持与水平准线呈45°角的前提下向纸面内外做微小的偏转），直到l1、l2逐渐接近并相等，此时电子水准仪置中，中心竖轴线与条码尺测量轴线正交。检测方法：启动坐标测量机，将支撑条码尺的工作台移动到测量范围的近远端，在水准仪中呈现条码尺的低高位影像，水准仪按条码编码规则显示该值，分别记录该示值和作为标准长度的坐标测量机对应示值；然后工作台按要求的间隔运动（图1中向右左运动），将电子水准仪通过平面反射镜对标尺不同间隔位置条码图像解码得到标尺位置的由低高到高低的“高度”值，分别与坐标机运动工作台光栅尺的读数产生的标准长度比较，从而实现对条码水准标尺进行精密测量。数据处理：以固定桥式三坐标测量机的标准长度作横坐标，电子水准仪读取的条码尺长度作纵坐标，依据不同测量数列作图，拟合出最小二乘直线，直线斜率确定为标尺米间隔长度平均值的补偿因子。当坐标测量机测量范围不能满足条码水准标尺有效长度时，可采用正置反立像法（标尺的顶端朝向水准仪）、反置正立像法（标尺的底端朝向水准仪）或其组合进行分段测量，后一段的起点是前段的最末一点，直至检测覆盖待测水准标尺的有效长度。采用分段叠加最小二乘法进行数据处理，包括如下步骤：后一段数据列由该段电子水准仪读出各点数值，坐标测量机产生的标准长度值为与前一段最末一点数值的代数和叠加组成，最后对全部的二维数据列采用最小二乘法进行线性拟合，获得拟合直线斜率值作为该尺每米真长的补偿因子。显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。如三坐标测量机工作台或待测条码水准标尺上安置激光干涉仪，由激光干涉仪的读数代替坐标测量机光栅尺读数等。

权利要求：1.一种条码式水准标尺检测系统，由固定桥式三坐标测量机、平面反射镜、电子水准仪三部分组成；其特征在于：a、所述固定桥式三坐标测量机具备固定龙门框架、工作台运动的结构，工作台与底座之间由空气静压轴承支撑，工作台水平，能够支撑条码水准标尺；b、所述平面反射镜为矩形光学玻璃平面抛光为基板、第一反射面反射，固定于龙门框架上，与电子水准仪水平准线成45°角；c、所述电子水准仪为被检条码水准标尺的配套水准仪，电子水准仪的中心竖轴线与条码水准标尺测量中心线的延长线正交。2.如权利要求1所述的一种条码式水准标尺检测系统，其特征在于：测量中电子水准仪与被测条码水准标尺的测量视距不变，仅被测条码水准标尺运动。3.一种条码式水准标尺检测方法，采用如权利要求1或2所述的检测系统实现，其特征在于，包括电子水准仪置中调整法及测量方法；所述电子水准仪置中调整法，包括如下步骤：（a）、将条码水准标尺安置在工作台上，以固定桥式三坐标测量机测头测量并调整条码水准标尺中轴线与固定桥式三坐标测量机测量轴平行；（b）、在条码水准标尺一端架设电子水准仪，调整至水平状态，并大致将电子水准仪中心竖轴线置于条码水准标尺中轴线附近；（c）、以电子水准仪的视距功能观测，分别瞄准条码水准标尺影像两端对称位置，测量水准仪与条码水准标尺的视距l1、l2，如果l1≠l2，调整电子水准仪位置，再次读取距离，经反复调整，期间可微调平面反射镜在保证与电子水准仪水平准线成45°角的前提下左右偏转，直到l1、l2逐渐接近并相等，此时电子水准仪置中，其中心竖轴线与条码尺中轴线正交；所述测量方法如下：启动固定桥式三坐标测量机，将支撑条码水准标尺的工作台移动到测量范围的近远端，在电子水准仪中呈现条码尺的低高位影像，电子水准仪按条码编码规则显示该值，分别记录该示值和作为标准长度的坐标测量机对应示值；然后工作台按要求的间隔运动，将电子水准仪通过平面反射镜对标尺不同间隔位置条码图像解码得到标尺位置的由低高到高低的“高度”值，分别与固定桥式三坐标测量机运动工作台光栅尺的读数产生的标准长度比较，从而实现对条码水准标尺进行精密测量。4.如权利要求3所述的一种条码式水准标尺检测方法，其特征在于，还包括对测量所得数据的处理方法：以固定桥式三坐标测量机的标准长度作横坐标，电子水准仪读取的条码水准标尺长度作纵坐标，依据不同测量数列作图，拟合出最小二乘直线，直线斜率确定为条码水准标尺米间隔长度平均值的补偿因子。5.如权利要求4所述的一种条码式水准标尺检测方法，其特征在于，所述数据处理方法还包括分段叠加最小二乘法，分段叠加最小二乘法包括如下步骤：（1）、当固定桥式三坐标测量机测量范围小于条码水准标尺测量范围时，采用分段检测覆盖条码水准标尺全部测量范围，后一段的起点是前段的最末一点；（2）、后一段数据列由电子水准仪读出该段相应的各点数值，坐标测量机产生的标准长度值与前一段最末一点标准长度的代数和叠加组成，最后对全部条码水准标尺检测数据、标准长度的二维数据列采用最小二乘法进行线性拟合，获得拟合直线斜率值作为该尺每米真长的补偿因子。6.如权利要求5所述的一种条码式水准标尺检测方法，其特征在于，步骤（1）中当坐标测量机测量范围小于条码水准标尺测量范围时，可采用正置反立像法、反置正立像法或其组合进行分段测量，后一段的起点是前段的最末一点，直至检测覆盖待测水准标尺的有效长度。

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