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| 标准编号 | JJF 1406-2013 (JJF1406-2013) | | 中文名称 | 地面激光扫描仪校准规范 | | 英文名称 | Calibration Specification for Terrestrial Laser Scanners | | 行业 | 计量行业标准 | | 中标分类 | A52 | | 国际标准分类 | 17.040 | | 字数估计 | 17,175 | | 引用标准 | JJF 1071-2010 | | 标准依据 | 质检总局公告2013年第74号; | | 发布机构 | 国家质量监督检验检疫总局 | | 范围 | 本规范规定了静态地面激光扫描仪(以下简称扫描仪)的校准方法, 适用于脉冲式或相位式扫描仪的校准, 其他原理的扫描仪也可参照此规范进行校准。 | JJF 1406-2013
Calibration Specification for Terrestrial Laser Scanners
中华人民共和国国家计量技术规范
地面激光扫描仪校准规范
2013-05-13发布
2013-08-13实施
国 家 质 量 监 督 检 验 检 疫 总 局 发 布
地面激光扫描仪校准规范
归 口 单 位:全国几何量长度计量技术委员会
主要起草单位:中国计量科学研究院
江苏省计量科学研究院
本规范委托全国几何量长度计量技术委员会负责解释
本规范主要起草人:
邓向瑞 (中国计量科学研究院)
钱征宇 (江苏省计量科学研究院)
参加起草人:
李建双 (中国计量科学研究院)
李连福 (中国计量科学研究院)
目 录
引言 (Ⅱ)
1 范围 (1)
2 引用文件 (1)
3 术语 (1)
3.1 标靶 (1)
3.2 绝对距离 (1)
3.3 相对距离 (1)
3.4 参考距离 (1)
3.5 球棒 (1)
4 概述 (1)
5 计量特性 (2)
5.1 径向重复性 (2)
5.2 标靶重复性 (2)
5.3 径向距离示值误差 (2)
5.4 空间距离示值误差 (2)
6 校准条件 (2)
6.1 环境条件 (2)
6.2 校准用的标准器 (2)
6.3 校准使用的软件 (3)
7 校准项目和方法 (3)
7.1 径向距离示值误差 (3)
7.2 径向重复性 (4)
7.3 标靶重复性 (4)
7.4 空间距离示值误差 (4)
8 校准结果 (5)
9 复校时间间隔 (5)
附录A 校准记录与计算表格 (6)
附录B 校准证书内页格式 (8)
附录C 径向距离示值误差测量不确定度评定 (9)
附录D 空间距离校准装置介绍 (11)
引 言
本规范为首次制订。主要计量性能及其校准方法参考ASMEB89.4.19-2006 《基
进行编制。
地面激光扫描仪校准规范
1 范围
本规范规定了静态地面激光扫描仪 (以下简称扫描仪)的校准方法,适用于脉冲式
或相位式扫描仪的校准,其他原理的扫描仪也可参照此规范进行校准。
2 引用文件
本规范引用下列文件:
JJF1071-2010 国家计量校准规范编写规则
凡是注日期的引用文件,仅注日期的版本适用于本规范;凡是不注日期的引用文
件,其最新版本 (包括所有的修改单)适用于本规范。
3 术语
下列术语和定义适用于本规范。
3.1 标靶 target
具有几何中心并可用于校准的扫描目标。本规范采用球型标靶。
3.2 绝对距离 absolutedistance
仪器内部坐标系的原点 (距离测量的起算点)到标靶中心之间的距离。
3.3 相对距离 relativedistance
标靶中心之间的距离。
3.4 参考距离 referencedistance
作为参考值的标靶中心之间的距离。
3.5 球棒 balbar
通过刚性结构连接的两个直径相同的球型标靶构成的标准器。
4 概述
扫描仪主要由激光测距系统、激光扫描系统、控制系统、电源供应系统及附件等部
分组成,可快速、大量地采集空间点位信息,建立扫描目标的三维点云模型。
扫描仪测量采用球坐标系,通过内部伺服马达系统,精密控制多面反射棱镜的快速
转动,使激光光束沿水平和垂直两个方向进行线阵列或面阵列扫描;通过精密时钟控制
编码器同步测量每束激光横向扫描角度观测值α和纵向扫描角度观测值β,以及沿测量
轴方向的距离观测值L,再经过坐标转换,即可得到被测目标在笛卡尔坐标系下的三维
坐标X,Y,Z (图1)。
图1 扫描仪工作原理示意图
5 计量特性
5.1 径向重复性
在一组重复性测量条件下,对同一个固定标靶的径向绝对距离测得值的测量精
密度。
5.2 标靶重复性
在一组重复性测量条件下,标靶中心坐标 (点位)测得值的测量精密度。
5.3 径向距离示值误差
沿测量轴方向相对距离测得值与参考值之差。
5.4 空间距离示值误差
对空间不同距离和方位的标靶进行扫描测量时,相对距离测得值与参考值之差。
6 校准条件
6.1 环境条件
校准应在生产商规定或用户约定的条件下进行。环境温度及其变化速度均会影响校
准结果的不确定度,应在不确定度报告中考虑。
6.2 校准用的标准器
推荐使用表1所列计量校准装置或标准器具,允许使用满足不确定度要求的其他计
量标准设备进行校准。
表1 计量校准装置及技术要求
序号 计量校准装置或标准器具 技术要求
1 标靶
漫反射,无透射球型标靶 (推荐选用表面喷砂处理的铝
制品)。
直径不小于100mm,直径变化量不大于0.1mm
表1(续)
序号 计量校准装置或标准器具 技术要求
2 径向距离校准装置
提供覆盖校准范围的一系列线性参考距离,如将一个目标
从一个位置移动到另一个位置。
参考距离的扩展不确定度应不超过被校准设备最大允许误
差绝对值的1/4
3 空间距离校准装置
提供一系列不同距离和方位的空间参考距离,如将多个标
靶安装在刚性结构上或将球棒在空间变换不同方向和位置。
参考距离的扩展不确定度应不超过被校准设备最大允许误
差绝对值的1/4
6.3 校准使用的软件
校准过程中应使用用户的配套软件计算标靶中心坐标,当用户不具备相关功能的软
件时,可使用校准实验室的软件。
校准证书中应注明使用的软件名称、生产商和版本号。
7 校准项目和方法
校准前需按照使用说明书的规定对扫描仪进行预热,扫描仪的自检应无故障提示。
7.1 径向距离示值误差
将球型标靶安置在移动平台上,在直线导轨一端安置扫描仪,调节扫描仪的位置和
高度,使其中心大致处于标靶中心运动轨迹的延长线上。
扫描仪至标靶的初始位置应大于最小测量距离,标靶沿导轨移动到不同测量位置,
测量位置数应不少于5个,并在测量范围内大致均匀分布 (图2)。
图2 径向距离校准示意图
按式 (1)计算径向距离示值误差,记录格式见表A.1:
ΔL=Li-Lsi (1)
其中: Li= (Xi-X0)2+ (Yi-Y0)2+ (Zi-Z0)2
式中:
ΔL---径向距离示值误差,mm;
Li---径向距离测得值,mm;
Lsi---径向距离参考值,mm;
Xi,Yi,Zi---各位置Pi处标靶中心坐标值,mm;
X0,Y0,Z0---初始位置P0处标靶中心坐标值,mm。
对应各校准位置重复扫描测量3次,分别计算径向距离示值误差 (ΔL1,ΔL2,
ΔL3),取最大值ΔLmax=max (ΔL1,ΔL2,ΔL3)作为该位置的校准结果。
7.2 径向重复性
在径向距离示值误差校准过程中,在最远测量位置处对标靶进行多次重复扫描,按
式 (2)计算径向重复性,记录格式见表A.2:
s(D)=
i=1
(Di-D)2
n-1
(2)
其中: Di= X2i+Y2i+Z2i
式中:
s (D)---径向重复性,mm;
Di---绝对距离测得值,mm;
D---绝对距离平均值,mm;
n---测量次数,一般不少于10次。
7.3 标靶重复性
利用7.2的数据,按式 (3)计算标靶重复性,记录格式见表A.2:
s(δ)=
i=1
δ2i
(3)
其中: δi= (Xi-X)2+ (Yi-Y)2+ (Zi-Z)2
式中:
s (δ)---标靶重复性,mm;
δi---标靶中心点位偏差,mm;
X,Y,Z---各轴系坐标分量平均值,mm;
n---测量次数,一般不少于10次。
7.4 空间距离示值误差
本规范采用垂直平面结构为例进行表述。建议空间距离校准装置沿水平和垂直方向
标靶数均不少于4,且保证与扫描仪构成角度不小于60°×60°(水平角α×垂直角β)。
如图3所示,将扫描仪安置在3个不同位置,应满足其至标靶距离大于最小测量距
离,在不同位置将扫描仪头部大致旋转120°,同时改变仪器高度,分别对垂直平面内
各个标靶进行扫描,并拟合标靶中心坐标。
图3 空间距离校准示意图
按式 (4)计算每个位置处垂直和水平方向的空间距离示值误差,记录格式见
表A.3:
ΔLi-j=Li-j-Ls(i-j) (4)
其中: Li-j= (Xi-Xj)2+ (Yi-Yj)2+ (Zi-Zj)2 (i≠j)
式中:
ΔLi-j---空间距离示值误差,mm;
Li-j---空间距离测得值,mm;
Ls(i-j)---空间距离参考值,mm;
i,j---标靶序号。
取空间距离示值误差的最大值作为校准结果。
8 校准结果
经校准后的扫描仪出具校准证书,校准证书应符合JJF1071-2010中5.12的
要求。
9 复校时间间隔
由于复校时间间隔的长短是由仪器的使用情况、使用者、仪器本身质量等诸因素所
决定的,因此送校单位可根据实际使用情况自主决定复校时间间隔。建议一般不超过
1年。
附录A
校准记录与计算表格
表A.1 径向距离示值误差 mm
序号 参考值
第1次 第2次 第3次
测得值 示值误差 测得值 示值误差 测得值 示值误差
表A.2 径向重复性及标靶重复性 mm
序号
空间坐标
X Y Z
绝对距离 点位偏差δi
平均值
径向重复性
s(D)=
i=1
(Di-D)2
n-1
标靶重复性
s(δ)=
i=1
δ2i
表A.3 空间距离示值误差 mm
标靶序号 参考值
位置1 位置2 位置3
测量值 示值误差 测量值 示值误差 测量值 示值误差
1-2
1-3
1-4
1-5
1-6
2-3
2-4
2-5
2-6
3-4
3-5
3-6
4-5
4-6
5-6
7-8
7-3
7-9
7-10
8-3
8-9
8-10
3-9
3-10
9-10
标准偏差 s(ΔL)= 1n∑
k=1
(ΔLi-j)2k
附录B
校准证书内页格式
序号 主要校准项目 校准结果
1 径向距离示值误差
2 径向重复性
3 标靶重复性
4 空间距离示值误差
附录C
径向距离示值误差测量不确定度评定
C.1 测量方法
利用室内激光干涉仪、直线导轨和移动平台构成的径向距离校准装置和球型标靶,
对扫描仪径向距离示值误差进行校准。
C.2 测量模型
径向距离示值误差用以下测量模型表示:
ΔLi=Li-Lsi (A.1)
式中:
ΔLi---径向距离示值误差;
Li---径向距离测量值;
Lsi---径向参考距离。
C.3 方差和灵敏系数
在式 (C.1)中,当各影响量彼此独立,不考虑泰勒级数的二次项时,其合成方差
依方差公式:
u2c(ΔLi)=c21u2(Li)+c22u2(Lsi)
(ΔLi)
(ΔLi)
C.4 标准不确定度来源分析
C.4.1 径向参考距离Lsi引入的不确定度分量u1(Lsi)
径向参考距离由 HP5529A激光干涉仪测量获得,考虑导轨直线度以及环境参数修
正,在实验室环境条件下可保障80m范围内,整套气浮导轨装置的距离测量不确定度
优于0.5μm+0.5×10-6L (k=2),测量时按最远处80m 估计,则其标准不确定
度为:
u1(Lsi)=0.5×10
-3+0.5×10-6×80×103
2 mm=0.02mm
C.4.2 径向距离测得值Li引入的不确定度分量u2(Li)
C.4.2.1 球型标靶随温度变化引入的不确定度分量u21(Li)
测量过程中所采用的直径200mm 铝制球型标靶,其温度线膨胀系数为23.6×
10-6℃-1。假设校准时温度与球型标靶校准时的温度相差5℃,作均匀分布处理,根据
温度修正公式,则标准不确定度为:
u21(Li)=23.6×10
-6×5×200
mm=0.01mm
C.4.2.2 球型标靶形状误差引入的不确定度分量u22(Li)
球型标靶半径误差会导致球心坐标偏离,经坐标测量机校准,其直径最大变化量不
大于0.1mm,以均匀分布处理,由此引入的标准不确定度为:
u22(Li)=0.1
=0.06mm
C.4.2.3 径向距离测量重复性引入的不确定度分量u23(Li)
对径向距离重复测量至少10次,则由重复性引入的不确定度为:
u23(Li)= ∑
(Li-L)2
n-1 =0.52mm
合成以上三项,测得值Li引入的不确定度为:
u2(Li)= u212(Li)+u222(Li)+u232(Li)=0.53mm
C.5 合成标准不确定度
径向距离示值误差测量结果中各项标准不确定度分量见表C.1。
表C.1 标准不确定度分量一览表
不确定度分量
ui(ΔLi)
不确定度来源 概率分布
灵敏系数
标准不确定度
u1(Lsi) 距离参考值 正态 1 0.02mm
u2(Li) 距离测得值 正态 1 0.53mm
u21(Li) 球型标靶随温度变化 均匀 1 0.01mm
u22(Li)......
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