1、 精密制造与自动化 2022年第4期 27 平面等厚干涉仪数显化改造 颜 蓉1 张改革2 胡志刚1（1.江西省检验检测认证总院 计量科学研究院 南昌 330027；2.许昌市质量技术监督检验测试中心 河南许昌 461000）摘 要 介绍了一种应用高分辨率工业相机及图像处理技术改造传统的平面等厚干涉仪，在保留平面等厚干涉仪原有光路系统且确保其能输出准确的干涉条纹的前提下，仅对读数部分和数据处理部分进行改造，利用图像处理软件对图像进行自动识别和数据处理，实现平晶干涉条纹图象自动采集处理、平晶检定数据自动化存储处理，并对装置的测量不确定度进行评定。关键词 工业相机 平面等厚干涉仪 Matlab 语言
2、 测量不确定度评定 1 1 引言引言 平晶作为平面度量值传递标准，在几何量检测中发挥着重要作用，而平晶最主要的计量特性是平面度，其测量结果的准确度将直接影响长度量值传递中的各个环节以及工件设备的互相性和精度。目前国内大部分计量检定机构对平晶平面度测量主要采用光波干涉原理，几乎都是使用中国计量科学研究院在上世纪 70 年代生产的 150mm 口径的平面等厚干涉仪进行平晶检定，该平面等厚干涉仪采用钠光灯做光源，不带标准平晶，具有光路简单、使用方便等优点，但其具有以下缺点：使用目镜读数，测量人员的主观因素对测量影响较大；采用钠光灯进行照明，相干长度较小，视场较暗；使用时需要将被检平晶和标准平晶进行研
3、合，不利于控制条纹走向和条纹数量，会加剧平晶工作面的磨损。本文通过对传统平面等厚干涉仪进行平晶检定过程中的读数部分和数据处理部分进行改进，采用高分辨率的工业相机对干涉条纹图像进行采集，利用图像处理软件对图像进行自动识别和数据处理，可以解决传统平面等厚干涉仪的测微目镜结构和人员因素产生的测量误差，提高平晶检定结果的准确度，大大减轻检定人员工作强度。2 2 仪器数显化改造方案仪器数显化改造方案 传统平面等厚干涉仪检定平晶主要是由干涉条纹、数据采集和数据处理等三部分组成。其中干涉条纹形成部分由等厚干涉仪、标准平晶等组成，依据光波等厚干涉原理形成干涉条纹，测量原理严密，具有非常高的准确度；数据采集部分
4、由人眼通过测微目镜，对干涉条纹进行对线瞄准，并在测微鼓轮上进行读数，受视觉影响较大；数据处理部分是通过手工记录、手工计算来实现数据处理，工作繁琐且效率较低。因此在保留传统平面等厚干涉仪的原有光路系统不变且确保其能输出准确干涉条纹的前提下，仅对数据采集部分和数据处理部分进行数显化改造，如图 1 所示。采用高精度工业相机代替测微目镜进行图像识别采集，并将其采集的图像信号通过接口传输到计算机上。通过图像处理软件对干涉条纹进行图像滤波、像素细分、标记、采样等处理过程，得到相关的原始数据，并通过图像处理软件对原始数据进行处理，计算出被测平晶的平面度。图图 1 平面等厚干涉仪数显化改造平面等厚干涉仪数显化
5、改造布置布置图图 3 3 仪器数显化改造关键技术点仪器数显化改造关键技术点 3 3.1 .1 高精度工业相机选型设计高精度工业相机选型设计 平面等厚干涉仪测微目镜的作用是对其接管内的干涉条纹进行放大读数，因此采用高分辨率的工DOI:10.16371/ki.issn1009-962x.2022.04.004 精密制造与自动化 2022年第4期 28 业相机代替测微目镜，对被检平晶和标准平晶等厚干涉所产生的干涉条纹进行识别并将其图像采集后显示在图像处理软件中。该环节的关键是如何将光学成像所得到的干涉条纹清晰识别，并能够完整地采集和显示平晶测量范围内的轮廓图形，在此采用MV-UBS500M-T 黑白
6、工业相机对干涉条纹进行采集，该工业相机采用 1/2.5CMOS 传感器，像素为500 万，像元尺寸为 2.2 m2.2 m，经测试成像效果良好，其外形如图 2 所示。图图 2 MV-UBS500M-T 工业相机外形图工业相机外形图 3 3.2 .2 镜头选型设计镜头选型设计 在选择工业相机镜头时主要是考虑焦距大小，焦距越长，在靶面上成像尺寸就越大，使用工业相机的最合理做法是使成像的面积占工业相机靶面尺寸的 70%-80%，在平面等厚干涉仪中，干涉条纹的边界就是平晶的边缘，经过计算选用 25mm 焦距镜头最佳，其视场角为 19.60，经测试成像大小适中，镜头外形如图 3 所示。图图 3 25mm
7、 焦距镜头外形图焦距镜头外形图 3 3.3 .3 滤光片选型设计滤光片选型设计 平面等厚干涉仪的钠光灯发出的光线经过平晶干涉后所形成的干涉条纹的亮度不能太高，需要采用滤光片降低其光强，以满足工业相机要求。因此为保证测量准确度，滤光片采用中性滤光片，经试验采用透过率为 10%的中性滤光片，其光洁度为60/40，T=10%，波长为 400nm700nm。3 3.4 .4 图像处理软件设计图像处理软件设计 图像处理软件是用 MATLAB 工具开发，通过使用 MATLAB 图像处理工具箱中的库函数，可以大大减少在基本算法方面的工作，方便快速地得到处理完成的图像。该软件可以实时显示平晶干涉图像，可对干涉
8、图像进行采集存储、图像滤波、细化，可以生成模拟十字线实现模拟测微目镜测量干涉条纹功能，可自动测量平晶干涉图像平面度弯曲量，原始记录报告输出，软件界面如图 4 所示。图图 4 图像处理软件界面图像处理软件界面 颜 蓉 等 平面等厚干涉仪数显化改造 29 首先使用工业相机自带的图像采集程序拍摄灰度图像然后存储，然而工业相机采集到的干涉条纹图像存在着一定的噪声及缺陷，如图 5 所示为 60 mm 的平面平晶在钠光灯源直射时的光未能被遮挡导致在 CCD 靶面上形成 2 个亮光斑。在采集到的图像经过图像相减、灰度变换、图像滤波、条纹细化、图像二值化、图像修整等一系列的处理后，才能进行平晶的平面度测量，如
9、图 6 所示为图 5 Hilditch 算法细化后的干涉条纹图像。图图 5 工业相机采集的干涉条纹工业相机采集的干涉条纹 图图 6 Hilditch 算法细化后干涉条纹算法细化后干涉条纹 4 4 改造后平面等厚干涉仪的测量不确定度评定改造后平面等厚干涉仪的测量不确定度评定 1）概述 1.1 测量方法：依据 JJG28-2019平晶检定规程 1.2 环境条件：(202)1.3测量标准：平面等厚干涉仪(MPE:0.02m)，二等平面平晶 1.4 被测对象：30mm-100mm 工作平晶 2）数学模型 F=Fi（D/96）2 F0 式中：F为被检平晶工作面平面度(m)；D 为被检平晶有效直径(mm)
10、；F0为标准平晶在 96mm 范围内平面度(m)；Fi为平面等厚干涉仪测量值；3）方差和灵敏系数 当各输入量相互独立时：Fi的灵敏系数C（Fi）=1 F0的灵敏系数 C（F0）(D/96)2 4）计算标准不确定度分量 4.1 4.1 平面等厚干涉仪测量值引入的标准不确定度平面等厚干涉仪测量值引入的标准不确定度 u(Fi)（1）平面度测量重复性引入的标准不确定度u(Fi)1 在重复条件下，对Fi值共进行 10 次测量，按贝塞尔公式计算得出实验标准差 s：s=0.003m 即：u(Fi)1=0.003m （2）平面等厚干涉仪示值误差引入的标准不确定度u(Fi)2 由校准证书可知 150 mm 内仪
11、器示值误差不超过 0.020 m，该误差在区间 0.02 m 范围内认为服从均匀分布，即u(Fi)2=0.020/3=0.011 m，实际测量范围在 100 mm 范围。则u(Fi)2=0.007 m 以上两项合成为u(a)：u(a)0.008m 4.24.2 标准平晶平面度引入的标准不确定度标准平晶平面度引入的标准不确定度u(F0)(1)二等标准平晶的平面度的测量不确定度引入的标准不确定度u(F0)二等平晶平面度的测量不确定度u(k=3)为0.020m，则u(F)10.020/3=0.0067m(2)二等标准平晶两截面平面度之差引入的标准不确定度u(F0)2 二等标准平晶两截面平面度差值0.
12、005m，认为该差值在区间为 0.0050m 内为均匀分布，则 u(F0)2=0.005/3=0.003m 4.3 合成标准不确定度uc的计算 uc(F)=C2(a)u2+C2(b)u2(b)+C2(F0)u2(F0)当 D=100mm 时：uc(F)=0.010 m 当 D=60mm 时：uc(F)=0.008 m 当 D=30mm 时，uc(F)=0.008 m (下转第 64 页)精密制造与自动化 2022年第4期 64 3 3.2.2 实验结果实验结果 测试 5 组不同批次的金属带锯床，将本文设计图像处理技术的故障诊断方法得出的数据，与传统的方法相比较，故障检测最终结果如表 3 所示。
13、表表 3 故障检测结果（个）故障检测结果（个）批次 金属带锯床故障点数量 传统金属带锯床故障检测方法检测故障点数量 图像处理的金属带锯床故障检测方法检测故障点数量 1 17 12 16 2 13 9 12 3 12 7 12 4 17 10 16 5 16 10 15 本文设计的结合图像处理技术的金属带锯床故障检测方法检测的各批次的故障点数值都大于传统的金属带锯床故障检测方法，因此可以得出结论，本文设计的方法，在故障检测上的效果更好，检测的故障点数量更多，能更好应用于金属切割工艺中。4 4 结语结语 本文结合图像处理技术，针对金属带锯床的故障进行了系统地检测。图像处理技术能提升金属带 (上接第
14、 29 页)4.4 扩展不确定度评定 D=100m 时，U=k uc=0.010 2=0.020m，k=2 D=60m 时，U=k uc=0.008 2=0.016m，k=2 D=30m 时，U=k uc=0.008 2=0.016m，k=2。5 5 结结语语 本文在保留平面等厚干涉仪的原有光路系统确保其输出准确的干涉条纹的前提下，采用高分辨率的工业相机对干涉条纹图像进行采集，利用图像处理软件对图像进行自动识别和数据处理，实现了平晶检定数据存储处理自动化，改造后仪器各项精度 锯床故障点位置采集的效率，增强对目标的提取和检测效果。本文所使用的根据图像分析金属带锯床故障点的检测方法经过对比实验的数
15、据，得出结论，结合图像处理技术的金属带锯床故障检测方法在精确度上取得的效果更好，更能够满足工程对金属带锯床故障检测的要求。参考文献 1 游张平,胡庆鹏,林洪兵,等.金属带锯床故障诊断与维护系统设计J.科技资讯,2021,19(01):103-105.2 薛成,孙加瑞.金属带锯床钢筋切割机在工程中的应用J.四川建筑,2020,40(03):288-289.3 付正广.计算机图像处理与识别技术的应用研究J.黑龙江科学,2021,12(24):110-112.4 王恒涛,张上.图像预处理的 Simulink 设计与实现J.信息技术与信息化,2021(07):54-57.5 祁欣,陈剑锋,罗伟林.图像
16、预处理算法的 FPGA 实现J.国外电子测量技术,2021,40(02):102-107.6 张琪,王艺,陈兆飞.基于Sobel算子图像预处理的目标检 测 算 法 J.电 子 技 术 与 软 件 工程,2020(05):151-153.7 张宪红.一种基于反应扩散方程的彩色图像边缘检测方法J.吉林大学学报(理学版),2021,59(06):1481-1490.指标满足平晶检定的要求，不仅提高了平晶检定的 准确度，而且提高了平晶检定效率。参考文献 1 费业泰.误差理论与数据处理 M.6 版.北京:机械工业出版社,2010.05.2 倪育才.实用测量不确定度评定M.4 版.北京：中国质检出版社,2014.01.3 国家市场监督管理总局.JJG28-2019 平晶检定规程M.北京:中国标准出版社,2020,05.4 蒋贵芳.一级平面等厚干涉仪示值误差的测量不确定度分析J.计量与测试技术,2014(4):81-82.5 汤昌社,潘嘉声,周建友,等.基于机器视觉与等倾干涉术 的 平 面 度 测 量 装 置 J.中 国 测 试 技术,2008(3):16-17.