散目標(biāo)式視覺測量系統(tǒng)規(guī)范

中華人民共和國國家計量技術(shù)規(guī)范JJF××××—202X散目標(biāo)式視覺測量儀校準(zhǔn)規(guī)范CalibrationSpecificationforOpticalMeasurementSystembasedonSpeckle（征求意見稿）JJFXXXX-XXXX散目標(biāo)式視覺測量儀校準(zhǔn)規(guī)范CalibrationSpecificationforOpticalMeasurementSystembasedonSpeckleJJF××××—202X歸口單位：全國幾何量長度計量技術(shù)委員會主要起草單位：參加起草單位：本規(guī)范委托全國幾何量長度計量技術(shù)委員會負(fù)責(zé)解釋JJF××××—201×本規(guī)范主要起草人：XXX（XXXXX）XXX（XXXXX）XXX（XXXXX）本規(guī)范參加起草人：XXX（XXXXX）XXX（XXXXX）XXX（XXXXX）JJFXXXX——XXXXI 3 33術(shù)語和定義 3 33.2數(shù)字圖像相關(guān) 3 3 4 57校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)方法 57.1位移零值誤差 57.2應(yīng)變零值誤差 67.3長度測量誤差 77.4應(yīng)變測量誤差 88校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá) 99復(fù)校時間間隔 9附錄A校準(zhǔn)記錄格式 9附錄B校準(zhǔn)證書內(nèi)頁格式 9附錄C測量不確定度評定示例 9JJFXXXX——XXXX本規(guī)范依據(jù)JJF1001《通用計量術(shù)語及定義》、JJF1071《國家計量校準(zhǔn)規(guī)范編寫規(guī)則》編制，測量不確定度的評定按照J(rèn)JF1059.1《測量不確定度評定與表示》進(jìn)行。本規(guī)范為首次發(fā)布。3散目標(biāo)式視覺測量儀校準(zhǔn)規(guī)范本規(guī)范適用于以散斑點為特征點、以數(shù)字圖像相關(guān)法為基本原理的視覺測量儀的校準(zhǔn)。本規(guī)范引用了下列文件：VDI/VDE2626part1:2019光學(xué)測量程序-數(shù)字圖像相關(guān)-基礎(chǔ)，驗收測試和周期檢查（Opticalmeasuringprocedures-Digitalimagecorrelation-Basics,acceptancetest,andinterimcheck）VDI/VDE2634part1:2002光學(xué)3D測量系統(tǒng)-點對點探測的圖像系統(tǒng)(Optical3Dmeasuringsystems-Imagingsystemswithpoint-by-pointprobing)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術(shù)語和定義以下術(shù)語和定義適用于本規(guī)范。3.1散斑specklepattern材料天然紋理或通過噴漆、投影或其它方法制造的，附著于物體表面的具有隨機性的圖形特征。3.2數(shù)字圖像相關(guān)digitalimagecorrelation，DIC數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)是一種測量物體表面變形的光學(xué)測量方法。散目標(biāo)式視覺測量儀是以散斑為目標(biāo)點，利用數(shù)字相機獲取散斑的數(shù)字圖像，經(jīng)數(shù)字圖像相關(guān)法運算，獲得被測對象表面坐標(biāo)的測量儀器，常用于零件表面變形/應(yīng)變的測量，也稱為全場變形/應(yīng)變測量系統(tǒng)，具有非接觸測量、全場測量、動態(tài)測量等特性。一般由數(shù)字相機、照明光源、標(biāo)定板、計算機及專用處理軟件等組成。根據(jù)使用相機的數(shù)量可分為單目、雙目和多目測量儀，最常見的為雙目。其中單目測JJFXXXX——XXXX4量儀主要用于測量平面內(nèi)（2D）的變形和應(yīng)變，雙目及以上的系統(tǒng)可以用于三維的變形和位移的測量。典型特征為測量中向被測表面噴涂散斑特征，通過對散斑圖像的數(shù)字圖像相關(guān)計算，實現(xiàn)圖像特征的提取、匹配和對準(zhǔn)，進(jìn)而完成對被測對象表面變形和應(yīng)變的測量。在汽車工業(yè)、生物醫(yī)療、土木工程、航空航天、軌道交通、、教育科研、材料測試等方面應(yīng)用廣泛。43121-數(shù)字相機和鏡頭；2-照明光源；3-計算機及軟件；4-標(biāo)定板圖1視覺測量儀組成示意圖5.1位移零值誤差位移零值誤差一般不超過（0.001~0.1）mm。5.2應(yīng)變零值誤差5.3長度測量誤差長度測量誤差一般不超過（0.001~0.1）mm。5.4應(yīng)變測量誤差應(yīng)變測量誤差一般不超過（0.0025~0.01）%。注：由于校準(zhǔn)工作只給出測量結(jié)果，不判斷合格與否，上述計量特性指標(biāo)僅供參考。JJFXXXX——XXXX5儀器使用允許的環(huán)境條件，測量過程中應(yīng)測量和記錄環(huán)境的溫度、濕度。校準(zhǔn)用儀器設(shè)備應(yīng)在測量環(huán)境中穩(wěn)定不小于8h。6.2校準(zhǔn)用設(shè)備設(shè)備根據(jù)被測系統(tǒng)的精度，選擇適當(dāng)?shù)男?zhǔn)用設(shè)備。表1校準(zhǔn)用設(shè)備及技術(shù)要求校準(zhǔn)用設(shè)備技術(shù)要求量塊、千分尺、一維位移機構(gòu)鋼性材料構(gòu)成激光干涉儀、坐標(biāo)測量機或測長機位移測量誤差滿足預(yù)期使用要求。標(biāo)尺標(biāo)尺一般采用碳纖維材質(zhì)以降低溫度變化的影響。7校準(zhǔn)項目和校準(zhǔn)方法7.1位移零值誤差該參數(shù)用于描述不同不確定度來源（成像、像素和圖像坐標(biāo)材料、標(biāo)定、相關(guān)算法、剛體運動的尺寸和/或類型）引起的最小位移測量不確定度。使用剛性表面，在其表面制備散斑目標(biāo)，有效面積不小于測量范圍中心處面積的一半。用測量儀對散斑目標(biāo)進(jìn)行測量，將圖像細(xì)分為多個方形網(wǎng)格（邊長為Lref/20），Lref為測量范圍中心處矩形的長邊長度。網(wǎng)格內(nèi)M個（M≥9）測量點（參見圖2）組合為一個點（dxq,dyq,dzq），取N個網(wǎng)格的平均位移作為位移零值誤差。（1）ZD=(dx+dy+dz)（1）ZD-位移零值誤差。JJFXXXX——XXXX6測量區(qū)域檢測區(qū)域檢測區(qū)域內(nèi)方形的完整片檢測區(qū)域內(nèi)方形的不完整片測量點圖2測量區(qū)域與材料區(qū)域的細(xì)分網(wǎng)格及測量點示意圖分別沿系統(tǒng)的x、y、z方向的平移和旋轉(zhuǎn)進(jìn)行上述測量，可根據(jù)系統(tǒng)的使用變形量的大小選擇不同的配置，見表2。表2建議測量配置配置A配置B配置Cx軸平移1%Lref10%Lref30%Lrefy軸平移1%Lref10%Lref30%Lrefz軸平移1%Lref10%Lref+10%Lref-10%Lrefx軸旋轉(zhuǎn)------y軸旋轉(zhuǎn)------z軸旋轉(zhuǎn)------取所有測量中的最大值，作為測量結(jié)果。7.2應(yīng)變零值誤差該參數(shù)用于描述不同不確定度來源（成像、像素和圖像坐標(biāo)材料、標(biāo)定、相關(guān)算法、剛體運動的尺寸和/或類型）引起的最小應(yīng)變測量不確定度。使用前面所有位置的測量圖像，先計算每個網(wǎng)格的平均應(yīng)變εx，再計算主應(yīng)變ε1和ε2。(=22εx+εy1+xy-1（2）7yzyxxzyzyxxz2—主應(yīng)變；xyxy—分別為網(wǎng)格內(nèi)各測量點應(yīng)變的εx，再將主應(yīng)變ε1和ε2合成為εq。yxy2yxyε—應(yīng)變。q取N個網(wǎng)格的平均應(yīng)變作為應(yīng)變零值誤差。 取所有測量中的最大值，作為測量結(jié)果。7.3長度測量誤差7.3.1圓目標(biāo)點示值誤差εyxy平均值。（3）（4）該參數(shù)主要表示在使用規(guī)則目標(biāo)點時，系統(tǒng)的長度測量能力。使用帶有系統(tǒng)可識別圓形標(biāo)志點的長、短兩種長度的標(biāo)尺。在系統(tǒng)測量范圍內(nèi)的幾處給定位置，參見圖3，測量標(biāo)尺長度，按式（5）計算各點誤差。取多個測量位置的誤差最大值作為被校系統(tǒng)的圓目標(biāo)點長度示值誤差。（5）（5）Li-位置i的圓目標(biāo)點標(biāo)尺長度測得值；Ei-位置i的圓目標(biāo)點示值誤差；（ab）JJFXXXX——XXXX8xzxzyxzxzxzyxzyyyxz（cd）yy（ef）圖3標(biāo)尺測量位置示意圖7.3.2散斑目標(biāo)點示值誤差該參數(shù)主要表示在使用散斑標(biāo)點時，系統(tǒng)的長度測量能力。在測長機、坐標(biāo)測量機、一維平移臺等位移工作臺上制備散斑目標(biāo)或使用系統(tǒng)自帶的目標(biāo)，置于測量范圍中心，采集此處圖像作為起點，向選定方向移動（0.3~0.5）Lref后到終點，再次采集圖像。計算終點與起點間的距離，與參考值之差作為散斑目標(biāo)點示值誤差。7.3.3運動示值誤差該參數(shù)主要表示測量連續(xù)移動的被測對象時，系統(tǒng)的長度測量能力。在一維位移臺上，固定散斑，利用電機驅(qū)動的一維位移臺實現(xiàn)沿導(dǎo)軌方向做直線變速運動，推薦采用正弦變化的速度曲線。由激光干涉儀測得時間-位移值，進(jìn)行對應(yīng)曲線擬合運算得到時間-位移曲線。同時可得到測量儀的時間-位移曲線。比較測量儀與干涉儀對應(yīng)位移差值，作為運動示值誤差。7.4應(yīng)變測量誤差該參數(shù)主要表示系統(tǒng)測量應(yīng)變的能力，可以采用以下兩種之一的方法獲得應(yīng)變測量誤差，以第2種為準(zhǔn)。JJFXXXX——XXXX97.4.1應(yīng)變圖樣法使用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變圖像樣板，樣板上至少有兩幅形似圖形A和B，兩者相對應(yīng)的標(biāo)記尺寸約為1:1.6，如圖4所示。測量儀對兩幅圖形進(jìn)行采集和計算，測量得到的尺寸值與標(biāo)準(zhǔn)值比較，獲得應(yīng)變測量誤差。圖4變形量1:1.6的模板7.4.2等強度梁法利用等強度梁，在給定點施加一定的作用力，由位移傳感器測得作用點的變形量，經(jīng)換算給出應(yīng)變量。將測量儀的結(jié)果與該值進(jìn)行比較，可得到應(yīng)變測量誤8校準(zhǔn)結(jié)果表達(dá)經(jīng)校準(zhǔn)的測量儀出具校準(zhǔn)證書。校準(zhǔn)證書包括的信息應(yīng)符合JJF1071-20109復(fù)校時間間隔由于復(fù)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(fù)校時間間隔。建議復(fù)校時間間隔不超過一年。校準(zhǔn)記錄格式A.1位移零值誤差和應(yīng)變零值誤差表A.1位移零值誤差和應(yīng)變零值誤差測量配置網(wǎng)格內(nèi)點數(shù)M網(wǎng)格數(shù)量N移動類型位移量ZD（mm）ZS（mm）30%Lref30%Lref+10%Lref-10%Lref測量結(jié)果（Max）（Max）JJFXXXX——XXXXA.2長度測量誤差表A.2長度測量誤差圓點目標(biāo)位置短標(biāo)尺（mm）參考值參考值測量值測量值示值誤差123456散斑目標(biāo)測量次數(shù)參考值測量值示值誤差123運動示值誤差測量次數(shù)參考值測量值示值誤差123JJFXXXX——XXXXA.3應(yīng)變測量誤差表A.3應(yīng)變測量誤差應(yīng)變圖樣法測量次數(shù)應(yīng)變參考值應(yīng)變測量值示值誤差123測量結(jié)果等強度梁法測量次數(shù)位移值（mm）應(yīng)變參考值應(yīng)變測量值示值誤差123測量結(jié)果JJFXXXX——XXXX校準(zhǔn)證書內(nèi)頁格式序號校準(zhǔn)項目校準(zhǔn)結(jié)果1位移零值誤差2應(yīng)變零值誤差3長度測量圓點目標(biāo)散斑目標(biāo)運動示值誤差4應(yīng)變測量誤差*注*：應(yīng)變測量誤差采用應(yīng)變圖樣法。JJFXXXX——XXXX長度測量誤差不確定度評定示例以長度測量誤差中使用圓點目標(biāo)為例進(jìn)行評定。校準(zhǔn)中使用定長標(biāo)尺進(jìn)行校準(zhǔn)的，根據(jù)被測對象的的使用說明，設(shè)定好儀器，并使用系統(tǒng)附帶的標(biāo)定板進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果應(yīng)符合廠商要求。本次評定以某雙目DIC系統(tǒng)為例，長標(biāo)尺長2測量模型根據(jù)測量方法，用長標(biāo)尺對測量的示值誤差進(jìn)行校準(zhǔn)，示值誤差可以表示為：ΔL——示值誤差，mmL——測量值，mm；L0——標(biāo)尺的參考值，mm。3不確定度傳播公式因為ΔL=L-L0，所以靈敏系數(shù)2u1、u2分別表示L和L0的標(biāo)準(zhǔn)不確定度，因L和L0無相關(guān)性，則合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度uc為：2222uc2u222224標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量的計算4.1測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u11用長標(biāo)尺（L=1000mm）在空間不同位置、不同姿態(tài)進(jìn)行重復(fù)性測量，其重復(fù)性引入不確定度為：u11JJFXXXX——XXXX4.2儀器分辨力引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量u12測量儀分辨力為0.1μm，其量化誤差引起的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為均勻分布，則u12取u11和u12中較大的。4.3標(biāo)準(zhǔn)器引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量標(biāo)準(zhǔn)器引入的不確定度主要來源于標(biāo)準(zhǔn)器的長度測量結(jié)果不確定度，可根據(jù)校準(zhǔn)證書給出的擴展不確定度來計算。由于標(biāo)準(zhǔn)器的校準(zhǔn)證書測量結(jié)果的不確定度U=6μmm，k=2，則u214.4長標(biāo)尺溫度變化引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量溫度測量不確定度由于0.1℃,按均勻分布處理，則u224.5長標(biāo)尺的線膨脹系數(shù)誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量線膨脹系數(shù)引入的不確定度為u(c)==0.58x10-61000x103x3x0.58