第４２卷第２期２０１９年４月
电子器件
ＣｈｉｎｅｓｅＪｏｕｒｎａｌｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎＤｅｖｉｃｅｓ
Ｖｏｌ ４２㊀Ｎｏ ２Ａｐｒ.２０１９
项目来源：中国地震局监测㊁预测㊁科研三结合课题项目(ＣＥＡ－ＪＣ/３ＪＨ－１７３７１０)ꎻ中国地震局第一监测中心科技创新主任基金
项目(ＦＭＣ２０１６０１５)扫地车设计
收稿日期:２０１８－０４－０６㊀㊀修改日期:２０１８－０６－０５
ＡＮｅｗＡｕｔｏｍａｔｉｃＣａｌｉｂｒａｔｉｏｎＳｙｓｔｅｍｆｏｒＥＤＭＲｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆＴｏｔａｌＳｔａｔｉｏｎ∗
ＺＨＡＯＬｉｊｕｎ１ꎬＬＩＷｅｎｙｉ１ꎬＣＨＥＮＧＺｅｎｇｊｉｅ１ꎬＨＡＮＹｏｎｇ１ꎬＷＡＮＧＹｉｎｇｌｉ２∗
(１.ＦｉｒｓｔＣｒｕｓｔＭｏｎｉｔｏｒｉｎｇａｎｄＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎＣｅｎｔｅｒꎬＣＥＡꎬＴｉａｎｊｉｎ３００１８０ꎬＣｈｉｎａꎻ２.ＴｉａｎｊｉｎＶｏｃａｔｉｏｎａｌＩｎｓｔｉｔｕｔｅꎬＴｉａｎｊｉｎ３００４１０ꎬＣｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｐｒｏｂｌｅｍｏｆｍｅｔｒｏｌｏｇｉｃａｌｔｒａｃｅａｂｉｌｉｔｙｉｎｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｆｏｒＥＤＭ(Ｅｌｅｃｔｒｏ￣ＯｐｔｉｃａｌＤｉｓｔａｎｃｅＭｅｔｅｒ)ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎｏｆｔｏｔａｌｓｔａｔｉｏｎｔｏｒｅａｌｉｚｅｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｓｈｉｆｔｏｆｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｐｒｉｓｍꎬａｎｄｔｏｒｅｄｕｃｅｈｕｍａｎｅｒｒｏｒꎬｔｈｅｄｉｇｉｔａｌｄｉａｌｇａｕｇｅａｎｄｔｈｅｅｍｂｅｄｄｅｄｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｉｓｕｓｅｄｔｏｄｅｖｅｌｏｐａｎａｕｔｏｍａｔｉｃｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｃｅ￣ｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅｗｉｔｈｈｉｇｈｐｒｅｃｉｓｉｏｎｆｏｒｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｐｒｉｓｍ.ＩｔｉｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅａｕｔｏｍａｔｉｃｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｆｏｒＥＤＭｒｅｓｏｌｕ￣ｔｉｏｎｔｈｒｏｕｇｈｗｉｒｅｌｅｓｓｎｅｔｗｏｒｋｔｏｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄａｃｃｕｒａｃｙ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｈａｓｇｏｏｄｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｕｎｃｅｒｔａｉｎｔｙꎬｒｅｐｅａｔａｂｉｌｉｔｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙ.
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎｏｆＥＤＭ(Ｅｌｅｃｔｒｏ￣ＯｐｔｉｃａｌＤｉｓｔａｎｃｅＭｅｔｅｒ)ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎꎻａｕｔｏｍａｔｉｃｓｙｓｔｅｍꎻｍｉｃｒｏｄｉｓｐｌａｃｅｍｅｎｔｄｅｖｉｃｅꎻｄｉｇｉｔａｌｄｉａｌｇａｕｇｅ
ＥＥＡＣＣ:７２１０㊀㊀㊀㊀ｄｏｉ:１０.３９６９/ｊ.ｉｓｓｎ.１００５－９４９０.２０１９.０２.０３３
赵立军１ꎬ李文一１ꎬ程增杰１ꎬ韩㊀勇１ꎬ王英丽２∗
(１.中国地震局第一监测中心ꎬ天津３００１８０ꎻ２.天津职业大学ꎬ天津３００４１０)
摘㊀要：为了解决全站仪测距分辨力检定中反射棱镜移位的自动精确控制和计量溯源问题ꎬ减小人为误差的引入ꎬ创新的利 用可通信数字千分表与嵌入式控制系统研制了具有０.０１ｍｍ移位精度的反射棱镜自动微移位装置ꎬ并将其通过无线网络应用于测距分辨力检定中ꎬ有效提高了全站仪分辨力检定效率和精度ꎮ经实验分析ꎬ该检定系统具有较好的测量不确定度㊁重复性和稳定性ꎮ 关键词：测距分辨力检定ꎻ自动化ꎻ微移位装置ꎻ数字千分表
中图分类号:ＴＢ９２１㊀㊀㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀㊀㊀文章编号:１００５－９４９０(２０１９)０２－０４３８－０５㊀㊀全站仪(本文讨论其测距部分)自问世以来ꎬ被广泛应用于工程测量[１]㊁地球测量㊁工业测量及近海定位等领域ꎬ在国家建设中发挥着重要的作用ꎮ分辨力是指全站仪能够分辨的最小距离ꎬ是评价全站仪测距性能的重要参数ꎬＪＪＧ７０３－２００３«光电测距仪检定规程»将其列为必检项目ꎮ规程要求反射棱镜需在距被检全站仪约３０ｍ的距离以１.１ｍｍ的间隔移动１０次[２]ꎬ通过被检仪器的测距观测值计算分辨力ꎮ
在检定过程中ꎬ１.１ｍｍ距离的棱镜移位精度对检定结果极为重要ꎬ过去一般依靠人工推动棱镜车瞄准百分表移动定位ꎬ极易引入误差ꎬ检测精度和效率较低[３]ꎮ近年来随着仪器仪表自动化和智能化水平的逐步发展ꎬ国家光电测距仪检测中心[４]㊁西安理工大学[５]等科研机构先后建立了测距仪自动
检测系统ꎬ但均需利用双频激光干涉仪作为长度基准ꎬ经济成本和环境要求极高ꎮ中南大学信息学院利用步进电机的步距和步数实现对棱镜位置的调整以检测分辨力[６]ꎬ但该装置在开环控制下步进电机容易发生失步ꎬ缺乏溯源性ꎬ无法作为计量标准ꎮ
综上所述ꎬ目前全站仪测距分辨力检定装置主要存在以下问题:
(１)传统人工瞄准百分表的方法会引入瞄准误差㊁抖动误差等人为干扰ꎬ检定精度差㊁效率低ꎻ
(２)实现棱镜自动移动后ꎬ在３０ｍ距离中使用激光干涉仪的经济成本和环境要求过高难以实现ꎬ而又缺乏其他计量器具可以对棱镜相对位置进行反馈ꎮ
为了解决上述问题ꎬ本文创新地使用可通信数字千分表[７－８]作为移位传感器ꎬ利用其通信特性与步进电机传动系统㊁单片机构成嵌入式闭环控制系统ꎬ研
第２期赵立军ꎬ李文一等：新型超高精度全站仪测距分辨力自动检定系统
㊀㊀制出了一套超具有０.０１ｍｍ移位精度的反射棱镜自动微移位装置ꎮ同时由于数字千分表是可以通过量值溯源的计量器具ꎬ通过ＷＩＦＩ无线网络将该装置用于全站仪分辨力检定中ꎬ从而实现了一套精度和自动化程度高㊁技术先进㊁经济适用㊁可计量溯源的测距分辨力检定系统ꎮ最后通过实验对检定系统的测量不确定度[９]㊁重复性和稳定性[１０]进行了分析评价ꎮ
１㊀反射棱镜自动微移位装置
１.１㊀装置的机械构成
搭建出了图１所示的反射棱镜自动微移位装置ꎬ主要包括可通信数字千分表㊁步进电机传动系统和搭载着棱镜的滑块
ꎮ
图１㊀反射棱镜自动微移位装置
数字千分表固定在导轨上ꎬ测杆沿导轨方向与滑台相接触ꎬ经测量测杆与导轨的平行度优于０.３ｍｍꎮ千分表标称精度为４μｍꎬ分辨率０.００１ｍｍꎬ测杆长度为１２.７ｍｍꎬ其测量数据通过ＲＳ２３２协议连续向外发送ꎮ
步进电机选用４２型两相步进电机ꎬ固定在导轨上ꎬ通过联轴器与外径１６ｍｍ导程４ｍｍ的双轴滚珠丝杠相连ꎮ
搭载着反射棱镜的滑动工作台可通过丝杠副的传动沿导轨方向滑动ꎬ滑台导向平行度优于０.０２５ｍｍꎬ水平运动下最大载重５０ｋｇꎮ导轨由１６段２ｍ
长精密Ｔ型导轨组成ꎬ安置于大长度独立基础平台上ꎬ每段导轨在安装时均使用精密水准仪等工具进行测量与调整ꎬ以保证其倾斜角度小于０.０６ʎꎮ
工作时ꎬ步进电机通过丝杠副传动带动反射棱镜沿导轨方向运动ꎬ同时通过数字千分表的可伸缩测杆可以精确反馈出棱镜沿导轨方向的相对移动距离ꎬ从而形成了棱镜微移位的闭环控制结构ꎮ１.２㊀嵌入式闭环控制系统
采用以Ｃ８０５１Ｆ０２１单片机为核心的嵌入式系统ꎬ实现工作中反射棱镜的１.１ｍｍ自动微移位控
制ꎬ控制系统如图２所示
ꎮ
图２㊀系统框图
单片机通过３个ＩＯ口(脉冲㊁方向㊁使能)连接步进电机驱动器以控制电机的转动ꎻ其自身配置有两个全双工串行接口ꎬ一个(ＵＡＲＴ０)用于接收数字千分表的测量数据ꎬ另一个(ＵＡＲＴ１)用于接收ＷＩＦＩ￣ＵＡＲＴ无线模块的控制命令ꎬ以实现装置的计算机无线控制ꎮ
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的开环控制元件ꎬ电机驱动器将接收到的脉冲信号转化为电机控制信号ꎬ每个脉冲驱使电机旋转一步ꎬ而步距角则可根据电机工作时的电流细分设置ꎮ本装置中步进电机驱动器设置为８细分模式ꎬ电机步距角为
０.２２５ʎꎬ则每个驱动脉冲所对应的棱镜移位步长为０.００２５ｍｍꎮ
数字千分表的测量数据通过ＲＳ２３２连续向外
发送ꎬ每秒可传输４组~８组数据ꎬ每组数据由５个字节组成ꎬ包括一个同步码㊁３个测量数据字节以及一个用于说明正负和公英制的控制码ꎮ
ＷＩＦＩ￣ＵＡＲＴ无线模块可接收和发送通过ＷＩＦＩ
网络传输的ＡＳＣⅡ码格式移位命令并将其转化为ＲＳ２３２协议与单片机完成通信ꎬ数据指令格式自行
完成定义
ꎮ
图３㊀控制程序流程图
针对装置的工作方法ꎬ基于Ｃ语言对单片机程序进行了开发ꎬ设计了如图３的软件流程ꎮ
９
３４
电㊀子㊀器㊀件
第４２卷
单片机通过ＷＩＦＩ模块接收到移位命令ꎬ按照
既定通信协议解码出目标位置ꎬ计算所需脉冲数和方向ꎬ从ＩＯ口输出相应信号驱动棱镜移动ꎬ通过千分表的实时反馈数据判断实际移位距离是否满足
０.００５ｍｍ的精度要求ꎬ如不满足则重新计算移位量并发出驱动脉冲ꎬ如此往复对棱镜位置进行闭环微调ꎬ以实现优于０.００５ｍｍ的棱镜移位精度ꎬ同时也保证了移位速度ꎮ
２㊀基于ＷＩＦＩ网络的光电测距仪分辨
力检定系统
㊀㊀将上述反射棱镜自动微移位装置通过ＷＩＦＩ网络[１１－１２]应用于全站仪测距分辨力检定系统中ꎬ搭建了图２所示的自动检定系统ꎬ并基于ＶｉｓｕａｌＣ＋＋平台和Ａｃｃｅｓｓ数据库设计了全站仪分辨力检定程序(.ｅｘｅ应用程序)ꎮ
检定程序通过串口协议实现与被测全站仪的通信ꎬ根据检定步骤控制全站仪执行测距操作并接收全站仪回传的测量数据ꎻ同时程序通过ＷＩＦＩ无线通信协议实时控制棱镜在检定过程中的位置移动ꎬ并实时接收千分表的示值ꎬ从而实现了检定流程的自动化(全站仪控制功能仅针对接口协议开放的部分型号全站仪ꎬＷＩＦＩ无线通信协议为自定义协议)ꎮ
在程序中对仪器和环境条件信息进行登记后ꎬ可以进入图４所示的检测界面:
低压注塑热熔胶
(１)点击 建立连接 ꎬ此时连接并初始化被检全站仪和微移位装置ꎬ连接结果显示于右侧窗口中ꎻ
(２)如果被检全站仪连接成功ꎬ单击 开始检测 后程序会自动根据检定步骤调整棱镜位置ꎬ并读取全站仪的距离观测值显示于表格中ꎻ
(３)如果被检全站仪连接未成功ꎬ可以通过 棱镜移至下一位置 按钮手动控制棱镜的移动ꎬ并在表格中录入相应的全站仪距离观测值ꎻ
(４)在全部数据采集结束后ꎬ程序自动记录数据并计算出该仪器的分辨力:
ｍｒ＝
ðｎ
ｉ＝１ｖ２ｉ
ｎ
(１)式中:ｖｉ表示观测值与归算量的差值为:
ｖｉ＝Ｄｉ－Ｄ０－ｄｉ
(２)
Ｄ０表示归算量的平均值为:
Ｄ０＝
ðｎ
ｉ＝１Ｄｉ－ðｎ
ｉ＝１ｄｉ
ｎ
(３)
式中:Ｄｉ为反射棱镜在各位置的距离观测值ꎻｄｉ为反射棱镜在分辨力检验台上由零点开始改变的距离值ꎬ即ｄｉ＝１.１(ｉ
－１)ꎻｉ为各观测点序号１ꎬ２ꎬ ꎬｎꎮ
图４㊀ＰＣ机程序的检测界面
３㊀系统精度分析
３.１㊀不确定度分析
本文全站仪分辨力检定系统不确定度的来源主要有测量重复性㊁装置移位误差㊁导轨导向平行度等ꎮ
(１)测量重复性引入的不确定度
此项不确定度来源主要包括被检全站仪的距离测量重复性㊁检定装置受外界干扰(振动㊁环境变
化)等ꎮ综合考虑这些来源ꎬ采用Ａ类标准不确定度评定ꎮ
选择一台ＴＳ３０型高精度全站仪(测距精度１ｍｍ＋１ˑ１０－６ｋｍ)ꎬ架设在分辨力检定系统的观测墩上ꎬ在棱镜位置等测量条件不变的情况下进行重复距离测量１０次ꎬ其测量值如下(单位ｍ):２３.９９５８ꎬ
２３.９９５７ꎬ２３.９９５８ꎬ２３.９９５８ꎬ２３.９９５７ꎬ２３.９９５９ꎬ２３.９９５７ꎬ２３.９９５７ꎬ２３.９９５８ꎬ２３.９９５９ꎮ
０
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第２期赵立军ꎬ李文一等：新型超高精度全站仪测距分辨力自动检定系统㊀㊀
得到单次试验标准差
Ｓ(Ｉ)＝ð(Ｉｉ－ Ｉ)２
ｎ－１
ʈ０.０７９(ｍｍ)再选择２台同型号全站仪进行上述重复性试验ꎬ每组试验均按上述方法计算得到单次实验标准差ꎬ分别为(单位:ｍｍ):０.０８５ꎬ０.０７４ꎮ
合并样标准差
Ｓｐ＝１ＭðＭｊ＝１Ｓ２ｊʈ０.０７９
虚拟数据线则可得到由测量重复性引入的标准不确定度分量:
ｕ(Ｈ)＝Ｓｐ/３ʈ０.０４６(ｍｍ)
(２)装置移位误差引入的不确定度
自动移位装置的移位精度与步进电机传动步长㊁控制算法ꎬ以及千分表的分辨率㊁示值误差和安置误差相关ꎮ
步进电机传动的棱镜移位步长为０.００２５ｍｍꎬ而软件算法控制其定位最大误差为０.００５ｍｍꎮ综合考虑其区间半宽度为０.００５ｍｍꎬ不确定度在区间内为均匀分布ꎬ故装置移位误差引入的标准不确定度分量为:
ｕ(Ｄ１)＝０.００５/３ʈ０.００２９(ｍｍ)
千分表的数字千分表的分辨率为０.００１ｍｍ㊁最大示值误差为０.００４ｍｍꎬ均属均匀分布ꎬ故引入的标准不确定度分量分别为:
ｕ(Ｄ２)＝０.００１/３ʈ０.０００６(ｍｍ)
ｕ(Ｄ３)＝０.００４/３ʈ０.００２３(ｍｍ)
千分表的安置误差主要指千分表测杆与导轨导向方向不平行所引起的余弦误差ꎬ千分表测杆与导轨的不平行角度误差αɤ１.５ʎꎬ则当测程Ｌ为１１ｍｍ时引入的余弦误差为:
ΔＤ
４＝Ｌ(１－ｃｏｓα)ʈ０.００３８(μｍ)
该误差服从投影分布ꎬｋ＝１０/３ꎬ故引入的标准不确定度为:
ｕ(Ｄ４)＝０.００３８ˑ３/１０ʈ０.００１(ｍｍ)
因此ꎬ可以计算出由微移位装置移位误差引入的合成标准不确定度为:
ｕ(Ｄ)＝ｕ２(Ｄ１)＋ｕ２(Ｄ２)＋ｕ２(Ｄ３)＋ｕ２(Ｄ４)
.００４(ｍｍ)
装置移位误差引入的合成不确定度为０.００８ｍｍꎬ其结果可以满足ＪＪＧ７０３－２００３中分辨力检定台０.０１ｍｍ的精度要求ꎮ
(３)导轨滑台导向平行度引入的不确定度
装置中的滚珠丝杠导轨滑台导向标称平行度优于０.０２５ｍｍꎬ由于全站仪距离测量使用平距模式(包含角度补偿)ꎬ此因素不影响测量结果ꎮ３０ｍ导轨中每段基础轨道(长２ｍ)的安置倾斜角度误差βɤ０.
０６ʎꎬ故长导轨在该分辨力装置段引入的余弦误差为(Ｌ＝１１ｍｍ):
t恤转印纸ΔＣ＝Ｌ(１－ｃｏｓβ)ʈ５.５ˑ１０－６(ｍｍ)
该误差服从投影分布ꎬｋ＝１０/３ꎬ故引入的标准不确定度为:
ｕ(Ｃ)＝６.７ˑ１０－７ˑ３/１０ʈ１.７ˑ１０－６(ｍｍ)
(４)合成标准不确定度为:
ｕ(合)＝ｕ２(Ｈ)＋ｕ２(Ｄ)＋ｕ２(Ｃ)ʈ０.０４７(ｍｍ)
取包含因子ｋ＝２ꎬ系统扩展不确定度Ｕ＝０.０９４ｍｍꎮ由此可见ꎬ测距分辨力检定的不确定度主要由全站仪测距的测量重复性引入ꎬ装置的不确定度分量影响较小ꎬ而如果采用人眼推动滑台并瞄准指针式百分表的传统方法ꎬ其引入的人眼瞄准误差㊁读数误差㊁定位重复性误差等必会增大检定结果的不确定度ꎮ３.２㊀重复性和稳定性
使用５台ＬＥＩＣＡ公司ＴＳ３０型高精度全站仪对检定系统测量结果的重复性进行评价ꎬ分别对每台仪器进行５次分辨力检定ꎬ使用试验标准偏差定量表示其重复性ꎬ结果如表１所示ꎮ
表１㊀重复性测量数据
仪器号
分辨力测量值/ｍｍ
１２３４５重复性/ｍｍ３７０４５６０.１４４０.１６７０.０９９０.１０７０.１３７０.０２８３７０４７５０.１２１０.１３００.１２４０.１２３０.０９８０.０１２３７０４７２０.１０８０.０９９０.０８８０.１０５０.０８９０.００９３７０４４１０.０７２０.０５００.０７５０.０８９０.０５００.０１７３７０４７３０.０６６０.０７７０.０７８０.１２１０.０６２０.０２４㊀㊀为考察其作为计量标准的稳定性ꎬ在一年的运行时间中每季度进行一次核查ꎬ以ＴＳ３０型全站仪作为核查标准每次进行一组５次的分辨力重复测量ꎬ取其算数平均值作为该组的测量结果ꎬ在一年中共观测５组ꎬ取５个测量结果中的最大值与最小值之差作为其在一年时间内的稳定性ꎬ结果如表２所示ꎬ则其稳定性为０.０３７ｍｍꎮ由于其稳定性小于分辨力检定系统检定结果的扩展不确定度ꎬ符合计量标准需要ꎮ
表２㊀稳定性测量数据
测量日期测量结果/ｍｍ
２０１５.１００.１１３
２０１６.０１０.１０４
２０１６.０４０.１４１
２０１６.０７０.１３３
２０１６.１００.１２６
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电㊀子㊀器㊀件第４２卷
４ 结语
为了实现全站仪测距分辨力自动检定ꎬ解决反射棱镜移位的自动精确控制和计量溯源问题ꎬ本文研制了反射棱镜微移位装置ꎬ并通过ＷＩＦＩ网络和检定应用程序的开发将其应用于全站仪分辨力检定系统中ꎬ从而提高检定精度和自动化水平ꎬ并对其计量性能进行了分析验证ꎮ该装置的研发符合计量检定装置自动化㊁智能化的发展需求ꎬ获得了很好的应用效果ꎻ由于其具备野外使用条件ꎬ未来可以探索其在ＧＰＳ㊁ＩＮＳＡＲ等其他测绘手段和设备性能检测中的应用ꎬ在测绘行业具有很好的应用前景ꎮ
参考文献:
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１５５７.
赵立军(１９８７－)ꎬ男ꎬ汉族ꎬ天津市人ꎬ
就职于中国地震局第一监测中心ꎬ工
程师ꎬ研究方向为测试计量技术及仪
器ꎬｚｈａｏｌｉｊｕｎ５６１８＠１６３.ｃｏｍ
ꎻ
王英丽(１９８５－)ꎬ女ꎬ满族ꎬ河北省秦皇
树脂吸附岛市人ꎬ就职于天津职业大学眼视光
工程学院ꎬ讲师ꎬ研究方向为仪器仪
表ꎬ５１１５００２００＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ
智能开关方案２４４
豫公网安备41160202000603
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