一种长度校准方法及应用其的新型长导轨测量系统与流程

1.本发明涉及长度校准技术领域，特别涉及一种长度校准方法及应用其的新型长导轨测量系统。


背景技术：

2.长度测量工具是指将被测长度与已知长度比较，从而得出测量结果的工具，简称测量工具。长度计量就是要将测量值同被测量的真值进行对比，并将对比的结果作为被测量对象的量值来进行实验的一个过程。
3.现有的长度测量工具在生产出来以后，在其长度上可能会存在一定的误差，因此需要对其长度进行检定和校准；但由于长度测量工具的种类较多，常见的包括激光跟踪仪、激光测距仪、激光干涉仪、三维激光扫描仪、油管体积测量仪、内径千分尺、大范围位移传感器、光栅、磁栅、拉线传感器、全站仪、标准钢卷尺、因瓦尺、三等金属线纹尺等。
4.因此一般而言，不同的长度测量工具需要对应采用不同的长度测量校准设备进行测量和校准，由此会对生产企业的检定和校准造成不便。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种长度校准方法及应用其的新型长导轨测量系统，能够根据测量单元和待测工件所引起的误差来进行补偿运算，能够适应不同轴长的待测工件，具有运动稳定可靠、工作面平行度高的优点。
6.一种长度校准方法，包括如下步骤：
7.测长发射端以待测工件的其中一端作为基准；
8.位置移动单元驱动测长接收端沿着待测工件的长度方向，从待测工件的其中一端移动至另一端；
9.测长发射端与测长接收端之间形成有激光光路，获得所述激光光路的激光轴激光波长l1；
10.参数采集单元获得所述激光光路上的环境参数数据、待测工件的材料膨胀系数数据、待测工件的温度数据；
11.系统修正单元对所述环境参数数据进行运算，以获得通过环境参数数据修正后的激光轴激光长度l2；
12.系统修正单元对所述激光轴激光长度l2、待测工件的材料膨胀系数数据、待测工件的温度数据进行实时运算，以获得待测工件修正后的实际长度l
e
。
13.通过采用上述技术方案，考虑到待测工件长度测量是通过与待测工件对应的激光光路的激光轴激光波长来获得的，因此可知道激光光路所处的环境参数和待测工件的自身材料膨胀是变化的，而该变化会导致待测工件的长度会引起轴长度误差，本方案通过对上述两处变化的数据采集和运算，将运算后的结果与待测工件的初始长度进行补偿运算，以实现对待测工件的长度进行校准。本方案从激光长度测量过程中可能存在误差的角度出
发，旨在针对周围环境对激光光路激光轴波长采集所造成的干扰、和周围环境对待测工件自身材料所造成的干扰；通过对上述两个干扰对激光光路的激光轴激光波长进行修正，以获得待测工件修正后准确的长度。
14.由于不同的待测工件长度存在较大差异，例如千分尺和光栅；因此，本方案根据待测工件的长度差异，通过位置移动单元驱动测长单元移动至与待测工件轴长相匹配的位置，以使得本方案能够适应不同轴长的待测工件，以避免传统单种长度校准设备仅能适配单种轴长的待测工件所导致的问题，可便于提高生产企业的检定和校准效率。而且位置移动单元具有运动稳定可靠、工作面平行度高的特点，通过对多单元集成协调控制，以组成无阿贝误差的多功能大长度激光测量标准设备。
15.本发明的进一步设置，所述环境参数数据包括温度t、大气压力p、环境湿度h，修正系数为λ1；
16.根据公式(1)：
[0017][0018]
通过公式(1)获得修正系数λ1；
[0019]
获得预置标准修正值λ2，根据公式(2)：
[0020]
通过公式(2)获得通过环境参数数据修正后的激光轴激光长度l2。
[0021]
本发明的进一步设置，所述材料膨胀系数数据包括待测工件的材料热膨胀系数α，所述待测工件的温度数据包括待测工件的温度t
m
；，l
e
为待测工件经过材料膨胀系数数据修正后的实际长度；
[0022]
根据公式(3)：l
e
＝l2‑
l2×
α
×
(t
m
‑
20)，
[0023]
通过公式(3)获得待测工件修正后的实际长度l
e
。
[0024]
通过采用上述技术方案，本方案提供了一种经过材料膨胀系数数据修正后，获得待测工件修正后的实际长度l
e
的具体实施方式。
[0025]
本发明的进一步设置，每一对所述测长发射端、所述测长接收端组成单个测长单元；当所述测长单元的数量至少为两个时，系统修正单元获得各个所述测长单元的激光轴所对应的待测工件修正后的实际长度l
e
。
[0026]
通过采用上述技术方案，三个测长单元代表有激光单元包括三个激光轴，每个激光轴均能够获得待测工件经过修正后的实际长度l
e
。通过设置三个激光单元测长单元以便于进一步提高长度校正的精度。
[0027]
本发明的进一步设置，所述参数采集单元实时获得所述激光光路上的环境参数数据、待测工件的材料膨胀系数数据、待测工件的温度数据；
[0028]
系统修正单元实时对所述环境参数数据进行运算，以实时获得通过环境参数数据修正后的激光轴激光长度l2；
[0029]
系统修正单元实时对所述激光轴激光长度l2、待测工件的材料膨胀系数数据、待测工件的温度数据进行运算，以实时获得待测工件修正后的实际长度l
e
。
[0030]
通过采用上述技术方案，通过实时获得运算前的数据、实时运算，以便于实时获得
待测工件修正后的实际长度，使得本方案具备实时性。
[0031]
本发明的进一步设置，图像采集单元采集待测工件头端的图像位置信息数据，位置移动单元根据所述图像位置信息数据驱动所述测长接收端移动至所述基准上。
[0032]
本发明的进一步设置，一种应用有所述长度校准方法的室内新型长导轨测量系统，包括：
[0033]
导向装置；
[0034]
位置移动单元，滑动连接于所述导向装置上；
[0035]
测长单元，数量至少为两个，其包括测长发射端和测长接收端；测长发射端，设置于所述导向装置上；测长接收端，设置于所述位置移动单元上，所述测长发射端与测长接收端之间能够形成用于获取待测工件的长度的激光光路；
[0036]
所述位置移动单元能够驱动所述测长接收端沿着待测工件的长度方向从待测工件的其中一端移动至另一端；
[0037]
参数采集单元，设置于所述激光光路旁侧，能够获得所述激光光路上的环境参数数据、待测工件的材料膨胀系数、待测工件的温度数据；
[0038]
系统修正单元，分别与所述测长发射端、所述测长接收端、所述参数采集单元通讯连接，能够对所述激光光路上的环境参数数据、待测工件的材料膨胀系数、待测工件的温度数据进行运算，以获得待测工件修正后的实际长度l
e
。
[0039]
通过采用上述技术方案，本方案提供了一种室内新型长导轨测量系统的具体实施方式，通过各单元的配合及运算，以便于快速地获得待测工件修正后的实际长度l
e
。
[0040]
本发明的进一步设置，所述测长发射端包括激光发射器、反射镜镜组，所述激光发射器、反射镜镜组设置于所述导向装置上，所述激光发射器能够沿着待测工件的轴长方向发射激光光束；
[0041]
所述测长接收端包括激光接收器，设置于所述位置移动单元上，能够接收所述激光发射器穿过所述反射镜镜组后的激光光束；
[0042]
所述激光发射器、所述激光接收器两者均与所述系统修正单元通讯连接。
[0043]
通过采用上述技术方案，提供了一种测长发射端和测长接收端的具体实施方式。
[0044]
本发明的进一步设置，所述位置移动单元包括：
[0045]
滑块装置，滑动连接于所述导向装置上，所述测长接收端设置于所述滑块装置上；
[0046]
驱动装置，其活动端与所述滑块装置连接，，其能够驱动所述滑块装置移动。
[0047]
通过采用上述技术方案，提供了一种位置移动单元的具体实施方式。
[0048]
本发明的进一步设置，所述位置移动单元包括摩擦装置，可装拆式设置于所述滑块装置上，滚动连接于所述导向装置上，能够用于调整其与所述导向装置之间的预紧力。
[0049]
通过采用上述技术方案，通过更换不同外径的滚动摩擦轮能够用于调整滚动摩擦轮与导向装置之间的预紧力。摩擦滚轮装置与导向装置之间的垂直距离可以改变，通过改变此垂直距离可以调整摩擦装置与导向装置之间的预紧力。
[0050]
综上所述，本发明具有以下有益效果：
[0051]
1、针对环境参数和待测工件自身膨胀两者对激光光路所造成的误差进行补偿运算，能够获得修正后的待测工件实际长度；
[0052]
2、能够适应不同轴长的待测工件，以避免传统单种长度校准设备仅能适配单种轴
长的待测工件所导致的问题，可便于提高生产企业的检定和校准效率；
[0053]
3、具有运动稳定可靠、工作面平行度高的特点；
[0054]
4、能够实时进行补偿运算，能够更快捷地获得修正后的待测工件实际长度。
[0055]
总的来说，本发明针对环境参数和待测工件自身膨胀两者对激光光路所造成的误差进行补偿运算，能够获得修正后的待测工件实际长度，能够适应不同轴长的待测工件，具有运动稳定可靠、工作面平行度高的特点。
附图说明
[0056]
图1是一种长度校准方法的工作流程图；
[0057]
图2是一种新型长度测量系统的结构示意图；
[0058]
图3是图2中a处的放大图；
[0059]
图4是一种新型长度测量系统的另一视角的结构示意图；
[0060]
图5是图4中b处的放大图。
[0061]
附图标记：1、安装面；2、导向装置；21、安装位；3、位置移动单元；31、滑块装置；311、气浮滑块；3111、安装凹槽；3112、滚动凹位；33、摩擦装置；331、滚动摩擦轮；332、第一安装板；333、动力装置；4、测长单元；41、测长发射端；411、激光发射器；412、反射镜镜组；42、测长接收端；421、激光接收器；5、图像采集单元；6、支撑机构；7、参数采集单元；71、温度采集器；72、气压采集器；73、湿度采集器。
具体实施方式
[0062]
以下结合附图对发明作进一步详细说明。
[0063]
实施例一
[0064]
一种长度校准方法，如图1所示，具体应用于测量仪器上，其具体包括如下步骤：
[0065]
s1、测长发射端41以待测工件的其中一端作为基准；
[0066]
在本方案中，待测工件是指激光跟踪仪、激光测距仪、激光干涉仪、三维激光扫描仪、油管体积测量仪、内径千分尺、大范围位移传感器、光栅、磁栅、拉线传感器、全站仪、标准钢卷尺、因瓦尺、三等金属线纹尺等长度类测量仪器。
[0067]
s2、位置移动单元3驱动测长接收端42沿着待测工件的长度方向，从待测工件的其中一端移动至另一端；
[0068]
s3、测长发射端41与测长接收端42之间形成有激光光路，获得激光光路的激光轴激光波长l1；
[0069]
s4、参数采集单元7获得激光光路上的环境参数数据、待测工件的材料膨胀系数数据、待测工件的温度数据；
[0070]
其中，环境参数数据包括温度t、大气压力p、环境湿度h，修正系数为λ1；
[0071]
根据公式(1)：
[0072][0073]
系统修正单元将温度t、大气压力p、环境湿度h代入公式(1)进行运算，以获得当前
环境下空气对激光轴激光波长l1进行修正后的修正系数λ1；
[0074]
s5、系统修正单元对环境参数数据进行运算，以获得通过环境参数数据修正后的激光轴激光长度l2；
[0075]
获得预置标准修正值λ2，在本实施例中，预置标准修正值λ2为0.9997287626，根据公式(2)：
[0076]
系统修正单元将激光轴激光波长l1、修正系数λ1、预置标准修正值λ2代入公式(2)中进行实时运算，以获得通过环境参数数据修正后的激光轴激光长度l2。
[0077]
s6、系统修正单元对激光轴激光长度l2、待测工件的材料膨胀系数数据、待测工件的温度数据进行实时运算，以获得待测工件修正后的实际长度l
e
；通过实时获得运算前的数据、实时运算，以便于实时获得待测工件修正后的实际长度，使得本方案具备实时性。
[0078]
具体如下，材料膨胀系数数据包括待测工件的材料热膨胀系数α，待测工件的温度数据包括待测工件的温度t
m
；，l
e
为待测工件经过材料膨胀系数数据修正后的实际长度；
[0079]
根据公式(3)：l
e
＝l2‑
l2×
α
×
(t
m
‑
20)，
[0080]
系统修正单元将激光轴激光长度l2、材料热膨胀系数α、温度t
m
代入公式(3)中进行运算，以获得待测工件修正后的实际长度l
e
。
[0081]
通过采用上述技术方案，考虑到待测工件长度测量是通过与待测工件对应的激光光路的激光轴激光波长来获得的；其次，激光光路所处的环境参数和待测工件的自身材料膨胀是变化的，而该变化会导致待测工件的长度会引起轴长度误差，因此本方案通过对上述两处变化的数据采集和运算，将运算后的结果与待测工件的初始长度进行补偿运算，以实现对待测工件的长度进行校准。换而言之，本方案从激光长度测量过程中可能存在误差的角度出发，旨在针对周围环境对激光光路激光轴波长采集所造成的干扰、和周围环境对待测工件自身材料所造成的干扰(待测工件会发生膨胀形变而影响测量长度)；通过对上述两个干扰对激光光路的激光轴激光波长进行修正，以获得待测工件修正后准确的长度。
[0082]
由于不同的待测工件长度存在较大差异，例如千分尺和光栅；因此，本方案根据待测工件的长度差异，通过位置移动单元3驱动测长单元4移动至与待测工件轴长相匹配的位置，以使得本方案能够适应不同轴长的待测工件，以避免传统单种长度校准设备仅能适配单种轴长的待测工件所导致的问题，可便于提高生产企业的检定和校准效率。而且位置移动单元3具有运动稳定可靠、工作面平行度高的特点，通过对多单元集成协调控制，以组成无阿贝误差的多功能大长度激光测量标准设备。
[0083]
实施例二
[0084]
实施例二为一种室内新型l型长导轨测量系统，即一种新型长度测量系统，其应用有如实施例一的一种应用于测量仪器上的长度校准方法，如图2至图5所示，包括导向装置2、位置移动单元3、测长发射端41、测长接收端42、参数采集单元7、系统修正单元、图像采集单元5，具体如下：
[0085]
导向装置2沿着待测工件的轴长方向布置；导向装置2上开设有可供待测工件安装的安装位21；导向装置2由若干根花岗石长方体拼接而成，导向装置2的截面呈l形；由于导向装置2采用花岗石材质，因此导向装置2的工作面不容易存在划伤、裂纹、夹层等影响气浮质量的缺陷。在本实施例中，导向装置2的工作范围可大于50m。
[0086]
位置移动单元3滑动连接于导向装置2上；具体地，位置移动单元3包括滑块装置31和驱动装置(图中未标示)；驱动装置，其活动端与滑块装置31连接。滑块装置31包括气浮滑块311，能够通过气体滑动连接于导向装置2上，以实现滑块装置31滑动连接于导向装置2上。气浮滑块311的截面是与导向装置2相匹配的u字型。气浮滑块311的主体部分采用花岗石材质，具有良好的承重能力，因此气浮滑块311与驱动装置所构成的气浮平台具有运动平稳、在上导向装置2上移动综合直线度高的特点。驱动装置为能够为气浮平台提供移动动力的动力源，其通过压缩空气来支撑及移动气浮滑块311；气浮滑块311与导向装置2之间留有2μm左右的间隙，将气浮滑块311运动稳定、综合直线度高的特点与导向装置2的花岗石材质工作面不存在影响气浮质量的特点相结合，可实现气浮滑块311在导向装置2上以无摩擦状态平稳地移动，使得位置移动单元3的运动更加平稳。
[0087]
测长接收端42可装拆式设置于气浮滑块311上，以实现测长接收端42设置于滑块装置31上，采用可装拆式连接结构可便于测长接收端42的更换。在本实施例中，测长发射端41包括激光发射器411、反射镜镜组412，激光发射器411、反射镜镜组412设置于导向装置2上，以实现测长发射端41设置于导向装置2上；激光发射器411能够沿着待测工件的轴长方向发射激光光束。
[0088]
测长接收端42包括激光接收器421，设置于位置移动单元3上，能够接收激光发射器411穿过反射镜镜组412后的激光光束；测长发射端41与测长接收端42之间能够形成激光光路，用于获取待测工件的长度；激光发射器411、激光接收器421两者均与系统修正单元通讯连接。激光发射器411和激光接收端采用氦氖
‑
塞曼双频激光器，但不仅限于此，其还可以是其他激光仪器。
[0089]
在本方案中，每一对测长发射端41、测长接收端42组成单个测长单元4，测长单元4的数量至少为两个；具体地，测长单元4带有激光光路，能够通过激光光路测量待测工件的长度。在本实施例中，测长单元4的数量为三个，具体应用为三套独立的双频激光干涉仪，三台双频激光干涉仪的激光光路激光轴的轴线与导向装置2的轴线平行，位于下方的两台双频激光干涉仪的激光光路激光轴之间连线在同一水平面内且与导轨组件轴线垂直，第三台双频激光干涉仪的位置在前两台双频激光干涉仪中间位置垂直上方500mm处，这三台双频激光干涉仪(测长单元4)组成空间三角形激光测长系统，而该三角形激光测长系统为长距离型，测量范围上限不少于60m。由此可见，在本实施例中，三个测长单元4分别代表三个激光光路的激光轴，每个激光轴均通过具体实施例一的步骤以获得待测工件经过修正后的实际长度l
e
。通过设置三个测长单元4以便于提高长度校正的精度。
[0090]
三套双频激光干涉仪可以采用独立的笔记本电脑控制，与主计算机之间可通过网络实现通讯。
[0091]
位置移动单元3还包括摩擦装置33，其可装拆式设置于滑块装置31上，其滚动连接于导向装置2上。摩擦装置33整体组件隐藏于位置移动单元3的平台机构内。
[0092]
如图5所示，摩擦装置33包括滚动摩擦轮331、第一安装板332、动力装置333，滚动摩擦轮331可装拆式转动设置于第一安装板332上，动力装置333设置于第一安装板332上；滑块装置31的气浮滑块311上开设有与第一安装板332相匹配的安装凹槽3111，第一安装板332可装拆式安装于安装凹槽3111上，气浮滑块311内开设有能供滚动摩擦轮331转动的滚动凹位3112，滚动摩擦轮331于滚动凹位3112内转动。通过更换不同外径的滚动摩擦轮331
能够用于调整滚动摩擦轮331与导向装置2之间的预紧力。摩擦滚轮装置与导向装置2之间的垂直距离可以改变，通过改变此垂直距离可以调整摩擦装置33与导向装置2之间的预紧力。
[0093]
测长接收端42设置于位置移动单元3的滑块装置31上，位置移动单元3的滑块装置31能够驱动测长接收端42沿着待测工件的长度方向从待测工件的其中一端移动至另一端。
[0094]
图像采集单元5设置于滑块装置31上，其与驱动装置通讯连接，能够瞄准各类线纹计量器具。图像采集单元5，能够瞄准各类线纹计量器具，以实现精密测量的目的，图像采集单元5包括图像传感器相机镜头、可调光源、8寸显示器，图像采集单元5采用无线传输方式配合软件模块实现线纹量具的测量校准，即图像采集单元5采集待测工件的作为基准一端的图像信息数据，并发送至控制单元，然后控制单元根据图像信息数据发送移动控制指令至位置移动单元3，使位置移动单元3移动至待测工件作为基准的一端处，进而实现瞄准功能。其中，图像传感器相机镜头的分辨率及配套光源的选择，应确保瞄准和测量同一把标准钢卷尺的刻线时，瞄准的重复性符合要求，重复测量同一条刻线10次，计算标准偏差应不超过2μm。可便于提高本方案针对同一待测工件时的重复测量准确度。
[0095]
如图2和图4所示，支撑机构6，设置于导向装置2的底部，其能够调节导向装置2与安装面1间距，以使得导向装置2能够适应不同的安装面1，例如凹凸不平的地面；在本实施例中，安装面1为地面，但不仅限于此，其还可以是其他安装平台。支撑机构6安装于钢筋混粘土基础的地面上，钢筋混粘土基础的地面上设有防静电地板，导向装置2与防静电地板的间距可根据需要设计。钢筋混粘土基础上可装拆式安装有装饰板，装饰板可将导向装置2、支撑机构6和钢筋混粘土基础之间的空间封闭包装起来，以确保整体结构稳重、美观。
[0096]
在本实施例中，支撑机构6为若干个能够上升或下降的升降装置。
[0097]
如图2所示，参数采集单元7，设置于激光光路旁侧，能够获得激光光路上的环境参数数据、待测工件的材料膨胀系数、待测工件的温度数据；
[0098]
系统修正单元，分别与测长发射端41、测长接收端42、参数采集单元7通讯连接，能够对激光光路上的环境参数数据、待测工件的材料膨胀系数、待测工件的温度数据进行运算，以获得待测工件修正后的实际长度l
e
。
[0099]
参数采集单元7包括沿着激光光路轴向布置的温度采集器71、气压采集器72、湿度采集器73，如图2和图3所示：
[0100]
温度采集器71能够采集激光光路上的温度；气压采集器72能够采集激光光路上的气压；湿度采集器73能够采集激光光路上的湿度；温度采集器71、气压采集器72、湿度采集器73均与系统修正单元通讯连接，沿着测长单元4激光光路方向布置。
[0101]
其中，温度采集器71，能够采集测长单元4激光光路上的空气温度；具体地，本方案采用若干组测温仪，每组测温仪内包含若干个温度传感器，且沿着测长单元4激光光路方向布置；气压采集器72，能够采集测长单元4激光光路上的气压；具体地，气压采集器72为气压传感器，气压传感器测量空气压力的扩展不确定度u＝20pa(k＝2)；湿度采集器73，能够采集测长单元4激光光路上的湿度；具体地，湿度采集器73为湿度传感器，其测量空气相对湿度的扩展不确定度u＝
±
3％(k＝2)。
[0102]
控制单元，控制单元分别与测长单元4、参数采集单元7、系统修正单元无线通讯连接，无线控制的轻巧结构，使得自动运动平台上具备较大的操作空间，可便于安装，以便于
适配多种测量仪器的测量和校准。控制单元为集中控制的主计算机，该主计算机采用工业控制类计算机配置不低于；cpui53450、内存8g、硬盘1000g、液晶21寸显示器。该主计算机具有足够多的插卡口以支持图像卡、多功能控制卡、多路串口卡。
[0103]
控制单元包括软件单元，软件单元是本方案的直接操作窗口，其可完成多个激光干涉仪的数据读取、向驱动装置发送控制指令、对图像采集单元5所采集到的信息数据完成图像处理并获得线纹间隔。
[0104]
功能要求：
[0105]
(1)实时完成上述的空间三角形激光测长修正和环境参数的修正，获得最后平台移动测长数据，在自动平台和手动平台上都能实现；
[0106]
(2)能综合处理激光数据和图像数据，获得被测线纹尺的线纹间隔，按jjg741《标准钢卷尺检定规程》和jjg71《三等标准金属线纹尺检定规程》自动完成测量；
[0107]
(3)具备人机对话窗口，在窗口中输入自动平台需要移动的距离，则能驱动自动平台达到目标位置，并有窗口显示已移动的实际距离。
[0108]
本具体实施例仅仅是对发明的解释，其并不是对发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。