地面激光掃描儀校準(zhǔn)規(guī)范

1地面激光掃描儀校準(zhǔn)規(guī)范本規(guī)范規(guī)定了靜態(tài)地面激光掃描儀(以下簡(jiǎn)稱(chēng)掃描儀)的校準(zhǔn)方法，適用于脈沖式或相位式掃描儀的校準(zhǔn)，其他原理的掃描儀也可參照此規(guī)范進(jìn)行校準(zhǔn)。JJF1071—2010國(guó)家計(jì)量校準(zhǔn)規(guī)范編寫(xiě)規(guī)則凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本規(guī)范；凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改單)適用于本規(guī)范。3.1標(biāo)靶target具有幾何中心并可用于校準(zhǔn)的掃描目標(biāo)。本規(guī)范采用球型標(biāo)靶。3.2絕對(duì)距離absolutedistance儀器內(nèi)部坐標(biāo)系的原點(diǎn)(距離測(cè)量的起算點(diǎn))到標(biāo)靶中心之間的距離。3.3相對(duì)距離relativedistance標(biāo)靶中心之間的距離。3.4參考距離referencedistance作為參考值的標(biāo)靶中心之間的距離。3.5球棒ballbar通過(guò)剛性結(jié)構(gòu)連接的兩個(gè)直徑相同的球型標(biāo)靶構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)器。掃描儀主要由激光測(cè)距系統(tǒng)、激光掃描系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、電源供應(yīng)系統(tǒng)及附件等部分組成，可快速、大量地采集空間點(diǎn)位信息，建立掃描目標(biāo)的三維點(diǎn)云模型。掃描儀測(cè)量采用球坐標(biāo)系，通過(guò)內(nèi)部伺服馬達(dá)系統(tǒng)，精密控制多面反射棱鏡的快速轉(zhuǎn)動(dòng)，使激光光束沿水平和垂直兩個(gè)方向進(jìn)行線(xiàn)陣列或面陣列掃描；通過(guò)精密時(shí)鐘控制編碼器同步測(cè)量每束激光橫向掃描角度觀(guān)測(cè)值α和縱向掃描角度觀(guān)測(cè)值β,以及沿測(cè)量軸方向的距離觀(guān)測(cè)值L,再經(jīng)過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，即可得到被測(cè)目標(biāo)在笛卡爾坐標(biāo)系下的三維坐標(biāo)X,Y,Z(圖1)。25.1徑向重復(fù)性在一組重復(fù)性測(cè)量條件下，對(duì)同一個(gè)固定標(biāo)靶的徑向絕對(duì)距離測(cè)得值的測(cè)量精5.2標(biāo)靶重復(fù)性在一組重復(fù)性測(cè)量條件下，標(biāo)靶中心坐標(biāo)(點(diǎn)位)測(cè)得值的測(cè)量精密度。5.3徑向距離示值誤差沿測(cè)量軸方向相對(duì)距離測(cè)得值與參考值之差。5.4空間距離示值誤差對(duì)空間不同距離和方位的標(biāo)靶進(jìn)行掃描測(cè)量時(shí)，相對(duì)距離測(cè)得值與參考值之差。校準(zhǔn)應(yīng)在生產(chǎn)商規(guī)定或用戶(hù)約定的條件下進(jìn)行。環(huán)境溫度及其變化速度均會(huì)影響校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度，應(yīng)在不確定度報(bào)告中考慮。6.2校準(zhǔn)用的標(biāo)準(zhǔn)器推薦使用表1所列計(jì)量校準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)器具，允許使用滿(mǎn)足不確定度要求的其他計(jì)序號(hào)計(jì)量校準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)器具技術(shù)要求1標(biāo)靶漫反射，無(wú)透射球型標(biāo)靶(推薦選用表面噴砂處理的鋁3序號(hào)計(jì)量校準(zhǔn)裝置或標(biāo)準(zhǔn)器具技術(shù)要求2提供覆蓋校準(zhǔn)范圍的一系列線(xiàn)性參考距離，如將一個(gè)目標(biāo)從一個(gè)位置移動(dòng)到另一個(gè)位置。參考距離的擴(kuò)展不確定度應(yīng)不超過(guò)被校準(zhǔn)設(shè)備最大允許誤3空間距離校準(zhǔn)裝置提供一系列不同距離和方位的空間參考距離，如將多個(gè)標(biāo)靶安裝在剛性結(jié)構(gòu)上或?qū)⑶虬粼诳臻g變換不同參考距離的擴(kuò)展不確定度應(yīng)不超過(guò)被校準(zhǔn)設(shè)備最大允許誤6.3校準(zhǔn)使用的軟件校準(zhǔn)過(guò)程中應(yīng)使用用戶(hù)的配套軟件計(jì)算標(biāo)靶中心坐標(biāo)，當(dāng)用戶(hù)不具備相關(guān)功能的軟件時(shí)，可使用校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室的軟件。校準(zhǔn)證書(shū)中應(yīng)注明使用的軟件名稱(chēng)、生產(chǎn)商和版本號(hào)。校準(zhǔn)前需按照使用說(shuō)明書(shū)的規(guī)定對(duì)掃描儀進(jìn)行預(yù)熱，掃描儀的自檢應(yīng)無(wú)故障提示。7.1徑向距離示值誤差將球型標(biāo)靶安置在移動(dòng)平臺(tái)上，在直線(xiàn)導(dǎo)軌一端安置掃描儀，調(diào)節(jié)掃描儀的位置和高度，使其中心大致處于標(biāo)靶中心運(yùn)動(dòng)軌跡的延長(zhǎng)線(xiàn)上。掃描儀至標(biāo)靶的初始位置應(yīng)大于最小測(cè)量距離，標(biāo)靶沿導(dǎo)軌移動(dòng)到不同測(cè)量位置，測(cè)量位置數(shù)應(yīng)不少于5個(gè)，并在測(cè)量范圍內(nèi)大致均勻分布(圖2)。圖2徑向距離校準(zhǔn)示意圖按式(1)計(jì)算徑向距離示值誤差，記錄格式見(jiàn)表A.1:4L;——徑向距離測(cè)得值，mm;X?,Y?,Z?——各位置P;處標(biāo)靶中心坐標(biāo)值，mm;X?,Y?,Z?——初始位置P?處標(biāo)靶中心坐標(biāo)值，mm。對(duì)應(yīng)各校準(zhǔn)位置重復(fù)掃描測(cè)量3次，分別計(jì)算徑向距離示值誤差(△L?,△L?,△L?),取最大值△Lmax=max(△L?,△L?,△L?)作為該位置的校準(zhǔn)結(jié)果。7.2徑向重復(fù)性在徑向距離示值誤差校準(zhǔn)過(guò)程中，在最遠(yuǎn)測(cè)量位置處對(duì)標(biāo)靶進(jìn)行多次重復(fù)掃描，按式(2)計(jì)算徑向重復(fù)性，記錄格式見(jiàn)表A.2:式中：D;——絕對(duì)距離測(cè)得值，mm;n——測(cè)量次數(shù)，一般不少于10次。7.3標(biāo)靶重復(fù)性利用7.2的數(shù)據(jù)，按式(3)計(jì)算標(biāo)靶重復(fù)性，記錄格式見(jiàn)表A.2:x,y,Z各軸系坐標(biāo)分量平均值，mm;n——測(cè)量次數(shù)，一般不少于10次。7.4空間距離示值誤差本規(guī)范采用垂直平面結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行表述。建議空間距離校準(zhǔn)裝置沿水平和垂直方向標(biāo)靶數(shù)均不少于4,且保證與掃描儀構(gòu)成角度不小于60°×60°(水平角a×垂直角β)。如圖3所示，將掃描儀安置在3個(gè)不同位置，應(yīng)滿(mǎn)足其至標(biāo)靶距離大于最小測(cè)量距離，在不同位置將掃描儀頭部大致旋轉(zhuǎn)120°,同時(shí)改變儀器高度，分別對(duì)垂直平面內(nèi)各個(gè)標(biāo)靶進(jìn)行掃描，并擬合標(biāo)靶中心坐標(biāo)。5圖3空間距離校準(zhǔn)示意圖按式(4)計(jì)算每個(gè)位置處垂直和水平方向的空間距離示值誤差，記錄格式見(jiàn)△L:;——空間距離示值誤差，mm;取空間距離示值誤差的最大值作為校準(zhǔn)結(jié)果。8校準(zhǔn)結(jié)果經(jīng)校準(zhǔn)后的掃描儀出具校準(zhǔn)證書(shū)，校準(zhǔn)證書(shū)應(yīng)符合JJF1071—2010中5.12的要求。9復(fù)校時(shí)間間隔由于復(fù)校時(shí)間間隔的長(zhǎng)短是由儀器的使用情況、使用者、儀器本身質(zhì)量等諸因素所決定的，因此送校單位可根據(jù)實(shí)際使用情況自主決定復(fù)校時(shí)間間隔。建議一般不超過(guò)6校準(zhǔn)記錄與計(jì)算表格表A.1徑向距離示值誤差序號(hào)參考值測(cè)得值示值誤差測(cè)得值示值誤差測(cè)得值示值誤差123456789表A.2徑向重復(fù)性及標(biāo)靶重復(fù)性mm序號(hào)空間坐標(biāo)絕對(duì)距離點(diǎn)位偏差δ;XYZ123456789標(biāo)靶重復(fù)性7表A.3空間距離示值誤差標(biāo)靶序號(hào)參考值位置1位置2位置3測(cè)量值示值誤差測(cè)量值示值誤差測(cè)量值示值誤差標(biāo)準(zhǔn)偏差8校準(zhǔn)證書(shū)內(nèi)頁(yè)格式序號(hào)主要校準(zhǔn)項(xiàng)目校準(zhǔn)結(jié)果1徑向距離示值誤差2徑向重復(fù)性3標(biāo)靶重復(fù)性4空間距離示值誤差9附錄C徑向距離示值誤差測(cè)量不確定度評(píng)定C.1測(cè)量方法利用室內(nèi)激光干涉儀、直線(xiàn)導(dǎo)軌和移動(dòng)平臺(tái)構(gòu)成的徑向距離校準(zhǔn)裝置和球型標(biāo)靶，對(duì)掃描儀徑向距離示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)。C.2測(cè)量模型徑向距離示值誤差用以下測(cè)量模型表示：△L;——徑向距離示值誤差；L;——徑向距離測(cè)量值；Lw——徑向參考距離。u2(△L?)=c+u2(L?)+c2,C.4標(biāo)準(zhǔn)不確定度來(lái)源分析C.4.1徑向參考距離L引入的不確定度分量u?(La)徑向參考距離由HP5529A激光干涉儀測(cè)量獲得，考慮導(dǎo)軌直線(xiàn)度以及環(huán)境參數(shù)修正，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境條件下可保障80m范圍內(nèi)，整套氣浮導(dǎo)軌裝置的距離測(cè)量不確定度度為：C.4.2徑向距離測(cè)得值L;引入的不確定度分量u?(L;)C.4.2.1球型標(biāo)靶隨溫度變化引人的不確定度分量uz(L;)測(cè)量過(guò)程中所采用的直徑200mm鋁制球型標(biāo)靶，其溫度線(xiàn)膨脹系數(shù)為23.6×10-6℃-1。假設(shè)校準(zhǔn)時(shí)溫度與球型標(biāo)靶校準(zhǔn)時(shí)的溫度相差5℃,作均勻分布處理，根據(jù)溫度修正公式，則標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：C.4.2.2球型標(biāo)靶形狀誤差引入的不確定度分量uz?(L;)球型標(biāo)靶半徑誤差會(huì)導(dǎo)致球心坐標(biāo)偏離，經(jīng)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)校準(zhǔn)，其直徑最大變化量不大于0.1mm,以均勻分布處理，由此引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：C.4.2.3徑向距離測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量uz?(L;)對(duì)徑向距離重復(fù)測(cè)量至少10次，則由重復(fù)性引入的不確定度為：合成以上三項(xiàng)，測(cè)得值L;引入的不確定度為：u?(L?)=√uz?2(L?)+u?z2(L)+uzs2(C.5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度徑向距離示值誤差測(cè)量結(jié)果中各項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量見(jiàn)表C.1。表C.1標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量一覽表不確定度分量不確定度來(lái)源概率分布靈敏系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度正態(tài)1正態(tài)1球型標(biāo)靶隨溫度變化均勻1球型標(biāo)靶形狀誤差均勻1測(cè)量重復(fù)性正態(tài)1合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度為：C.6校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度取k=2,則校準(zhǔn)結(jié)果的擴(kuò)展不確定度為：U=k×ue(△L;)=1.1mm(k=2)空間距離校準(zhǔn)裝置介紹空間距離示值誤差的校準(zhǔn)也可采用如圖D.1和圖D.2所示的空間立體結(jié)構(gòu)圖D.1空間距離校準(zhǔn)(示例一)如圖D.1所示，在空間距離校準(zhǔn)裝置一側(cè)安置掃描儀，應(yīng)滿(mǎn)足其至標(biāo)靶距離大于最小測(cè)量距離，將球棒(球心長(zhǎng)度應(yīng)滿(mǎn)足不小于長(zhǎng)方體體對(duì)角線(xiàn)