地面激光掃描儀校準規(guī)范

1地面激光掃描儀校準規(guī)范本規(guī)范規(guī)定了靜態(tài)地面激光掃描儀(以下簡稱掃描儀)的校準方法，適用于脈沖式或相位式掃描儀的校準，其他原理的掃描儀也可參照此規(guī)范進行校準。JJF1071—2010國家計量校準規(guī)范編寫規(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標靶target具有幾何中心并可用于校準的掃描目標。本規(guī)范采用球型標靶。3.2絕對距離absolutedistance儀器內(nèi)部坐標系的原點(距離測量的起算點)到標靶中心之間的距離。3.3相對距離relativedistance標靶中心之間的距離。3.4參考距離referencedistance作為參考值的標靶中心之間的距離。3.5球棒ballbar通過剛性結(jié)構(gòu)連接的兩個直徑相同的球型標靶構(gòu)成的標準器。掃描儀主要由激光測距系統(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、大量地采集空間點位信息，建立掃描目標的三維點云模型。掃描儀測量采用球坐標系，通過內(nèi)部伺服馬達系統(tǒng)，精密控制多面反射棱鏡的快速轉(zhuǎn)動，使激光光束沿水平和垂直兩個方向進行線陣列或面陣列掃描；通過精密時鐘控制編碼器同步測量每束激光橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描角度觀測值β,以及沿測量軸方向的距離觀測值L,再經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換，即可得到被測目標在笛卡爾坐標系下的三維坐標X,Y,Z(圖1)。25.1徑向重復性在一組重復性測量條件下，對同一個固定標靶的徑向絕對距離測得值的測量精5.2標靶重復性在一組重復性測量條件下，標靶中心坐標(點位)測得值的測量精密度。5.3徑向距離示值誤差沿測量軸方向相對距離測得值與參考值之差。5.4空間距離示值誤差對空間不同距離和方位的標靶進行掃描測量時，相對距離測得值與參考值之差。校準應(yīng)在生產(chǎn)商規(guī)定或用戶約定的條件下進行。環(huán)境溫度及其變化速度均會影響校準結(jié)果的不確定度，應(yīng)在不確定度報告中考慮。6.2校準用的標準器推薦使用表1所列計量校準裝置或標準器具，允許使用滿足不確定度要求的其他計序號計量校準裝置或標準器具技術(shù)要求1標靶漫反射，無透射球型標靶(推薦選用表面噴砂處理的鋁3序號計量校準裝置或標準器具技術(shù)要求2提供覆蓋校準范圍的一系列線性參考距離，如將一個目標從一個位置移動到另一個位置。參考距離的擴展不確定度應(yīng)不超過被校準設(shè)備最大允許誤3空間距離校準裝置提供一系列不同距離和方位的空間參考距離，如將多個標靶安裝在剛性結(jié)構(gòu)上或?qū)⑶虬粼诳臻g變換不同參考距離的擴展不確定度應(yīng)不超過被校準設(shè)備最大允許誤6.3校準使用的軟件校準過程中應(yīng)使用用戶的配套軟件計算標靶中心坐標，當用戶不具備相關(guān)功能的軟件時，可使用校準實驗室的軟件。校準證書中應(yīng)注明使用的軟件名稱、生產(chǎn)商和版本號。校準前需按照使用說明書的規(guī)定對掃描儀進行預熱，掃描儀的自檢應(yīng)無故障提示。7.1徑向距離示值誤差將球型標靶安置在移動平臺上，在直線導軌一端安置掃描儀，調(diào)節(jié)掃描儀的位置和高度，使其中心大致處于標靶中心運動軌跡的延長線上。掃描儀至標靶的初始位置應(yīng)大于最小測量距離，標靶沿導軌移動到不同測量位置，測量位置數(shù)應(yīng)不少于5個，并在測量范圍內(nèi)大致均勻分布(圖2)。圖2徑向距離校準示意圖按式(1)計算徑向距離示值誤差，記錄格式見表A.1:4L;——徑向距離測得值，mm;X?,Y?,Z?——各位置P;處標靶中心坐標值，mm;X?,Y?,Z?——初始位置P?處標靶中心坐標值，mm。對應(yīng)各校準位置重復掃描測量3次，分別計算徑向距離示值誤差(△L?,△L?,△L?),取最大值△Lmax=max(△L?,△L?,△L?)作為該位置的校準結(jié)果。7.2徑向重復性在徑向距離示值誤差校準過程中，在最遠測量位置處對標靶進行多次重復掃描，按式(2)計算徑向重復性，記錄格式見表A.2:式中：D;——絕對距離測得值，mm;n——測量次數(shù)，一般不少于10次。7.3標靶重復性利用7.2的數(shù)據(jù)，按式(3)計算標靶重復性，記錄格式見表A.2:x,y,Z各軸系坐標分量平均值，mm;n——測量次數(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)為例進行表述。建議空間距離校準裝置沿水平和垂直方向標靶數(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個不同位置，應(yīng)滿足其至標靶距離大于最小測量距離，在不同位置將掃描儀頭部大致旋轉(zhuǎn)120°,同時改變儀器高度，分別對垂直平面內(nèi)各個標靶進行掃描，并擬合標靶中心坐標。5圖3空間距離校準示意圖按式(4)計算每個位置處垂直和水平方向的空間距離示值誤差，記錄格式見△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結(jié)果。8校準結(jié)果經(jīng)校準后的掃描儀出具校準證書，校準證書應(yīng)符合JJF1071—2010中5.12的要求。9復校時間間隔由于復校時間間隔的長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)實際使用情況自主決定復校時間間隔。建議一般不超過6校準記錄與計算表格表A.1徑向距離示值誤差序號參考值測得值示值誤差測得值示值誤差測得值示值誤差123456789表A.2徑向重復性及標靶重復性mm序號空間坐標絕對距離點位偏差δ;XYZ123456789標靶重復性7表A.3空間距離示值誤差標靶序號參考值位置1位置2位置3測量值示值誤差測量值示值誤差測量值示值誤差標準偏差8校準證書內(nèi)頁格式序號主要校準項目校準結(jié)果1徑向距離示值誤差2徑向重復性3標靶重復性4空間距離示值誤差9附錄C徑向距離示值誤差測量不確定度評定C.1測量方法利用室內(nèi)激光干涉儀、直線導軌和移動平臺構(gòu)成的徑向距離校準裝置和球型標靶，對掃描儀徑向距離示值誤差進行校準。C.2測量模型徑向距離示值誤差用以下測量模型表示：△L;——徑向距離示值誤差；L;——徑向距離測量值；Lw——徑向參考距離。u2(△L?)=c+u2(L?)+c2,C.4標準不確定度來源分析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激光干涉儀測量獲得，考慮導軌直線度以及環(huán)境參數(shù)修正，在實驗室環(huán)境條件下可保障80m范圍內(nèi)，整套氣浮導軌裝置的距離測量不確定度度為：C.4.2徑向距離測得值L;引入的不確定度分量u?(L;)C.4.2.1球型標靶隨溫度變化引人的不確定度分量uz(L;)測量過程中所采用的直徑200mm鋁制球型標靶，其溫度線膨脹系數(shù)為23.6×10-6℃-1。假設(shè)校準時溫度與球型標靶校準時的溫度相差5℃,作均勻分布處理，根據(jù)溫度修正公式，則標準不確定度為：C.4.2.2球型標靶形狀誤差引入的不確定度分量uz?(L;)球型標靶半徑誤差會導致球心坐標偏離，經(jīng)坐標測量機校準，其直徑最大變化量不大于0.1mm,以均勻分布處理，由此引入的標準不確定度為：C.4.2.3徑向距離測量重復性引入的不確定度分量uz?(L;)對徑向距離重復測量至少10次，則由重復性引入的不確定度為：合成以上三項，測得值L;引入的不確定度為：u?(L?)=√uz?2(L?)+u?z2(L)+uzs2(C.5合成標準不確定度徑向距離示值誤差測量結(jié)果中各項標準不確定度分量見表C.1。表C.1標準不確定度分量一覽表不確定度分量不確定度來源概率分布靈敏系數(shù)標準不確定度正態(tài)1正態(tài)1球型標靶隨溫度變化均勻1球型標靶形狀誤差均勻1測量重復性正態(tài)1合成標準不確定度為：C.6校準結(jié)果的擴展不確定度取k=2,則校準結(jié)果的擴展不確定度為：U=k×ue(△L;)=1.1mm(k=2)空間距離校準裝置介紹空間距離示值誤差的校準也可采用如圖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(示例一)如圖D.1所示，在空間距離校準裝置一側(cè)安置掃描儀，應(yīng)滿足其至標靶距離大于最小測量距離，將球棒(球心長度應(yīng)滿足不小于長方體體對角線