CN103472439A - 校准距离测量装置的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种校准距离测量装置（2）的方法和系统，其中所述距离测量装置（2）安装在距离测试场所（3）上，其中二维目标（4）可移位地布置在所述距离测试场所（3）上，以反射由所述距离测量装置（2）发射的测量信号，其中借助所述距离测量装置（2）执行所述距离测量装置（2）和所述目标（4）之间的至少一个距离测量，以及其中将由所述距离测量装置（2）测定的距离测量值（dm）与基准值（dref）作比较。本发明的特征在于，包括探测所述目标（4）的倾斜。

Description

校准距离测量装置的方法和系统
技术领域
本发明涉及一种校准距离测量装置的方法和系统，其中该距离测量装置安装在距离测试场所上，其中二维目标可移位地布置在距离测试场所上，以反射由距离测量装置发射的测量信号，其中借助该距离测量装置执行距离测量装置和目标之间的至少一个距离测量，以及其中将由距离测量装置测定的距离测量值与基准值作比较。该距离测量装置尤其是一种料位测量装置，以通过雷达技术确定容器中的液体或散装物品的料位。
背景技术
在不同实施例中，用于料位测量的雷达测量装置是由受让人生产和销售的。例如，可获得商标为“Micropilot”的自由辐射（freelyradiating）测量装置。通过天线，朝着介质辐射微波。在介质表面上反射的波被测量装置接收回来，和形成回波函数，其根据距离示出回波振幅。通过该函数，测定期望的回波，和确定关联行进时间。基于行进时间，确定天线和介质之间的距离。
已知不同的测量方法，其中脉冲雷达和调频连续波雷达（FMCW-雷达）方法最普遍。在脉冲雷达中，周期性地发射短微波脉冲，和将在介质表面上反射的脉冲接收回来。根据时间的接收信号振幅是回波函数，其中每个值都对应于在特定距离处从天线反射的回波。
在FMCW方法的情况下，发射周期地调频的连续微波。在接收的时间点处，接收信号的频率具有相对于发射信号的频率的特定差异，该差异取决于回波的行进时间。因而，通过频率差异，可确定天线和介质之间的距离。通过发射信号和接收信号的混合信号的傅里叶频谱表示该回波函数。
为了校准距离测量装置，尤其是所述雷达测量装置，频繁使用距离测试场所，其长度对应于距离测量装置的测量范围，和在该距离测试场所上可移位地布置二维目标，也称为照射板（strike plate）。例如，待校准的距离测量装置定位于距离测试场所的、沿目标方向发射测量信号并接收反射的测量信号的起始点处。在雷达测量装置的情况下，基于信号行进时间确定雷达测量装置和目标之间的距离。将测量距离与通过校准标准确定的基准值相比较。例如，校准标准是激光干涉仪，其精度比待校准的距离测量装置的精度高出给定的因数。通常，为了确定线性度，使用许多测量点。
尤其是在确定到表面的距离的距离测量装置的情况下，测量的精度取决于目标表面的定向。如果目标的照射表面不垂直于辐射方向，而是偏离垂直倾斜，则基于垂直于照射表面的反射部分确定该距离。在距离测量的情况下，该不确定性能够导致下列事实，即在校准中测定的距离测量装置的测量不确定性超出了必须满足的规范。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种校准距离测量装置的方法，其中该方法能够降低测量不确定性。此外，提供一种用于校准的对应的系统。
实现该目的涉及下列方法，该方法的特征包括探测和/或获得目标的倾斜。优选，测定目标的至少一个倾斜角度。尤其是检测和量化探测水平方向和垂直方向的倾斜。通过该方式，可相对于测量信号的传播方向，测定测量信号的照射表面的定向。
在本方法的第一实施例中，根据所探测的目标的倾斜来修正距离测量值和/或基准值。例如，通过考虑目标的倾斜，由距离测量装置的电子单元中的软件来修正距离测量值。在修正基准值的情况下，基于倾斜，测定待校准的距离测量装置和目标之间的实际距离，和使距离测量值与经修正的基准值关联。该实施例提供下列优点，即能够在待校准的距离测量装置之外进行修正。
在另一实施例中是对于出现倾斜的情况，以消除目标的倾斜的方式来修正目标或距离测试场所的定向。作为补偿距离测量值的替换方式，如果出现倾斜，则通过改造距离测试场所来直接或间接修正目标的位置或定向。例如，改造距离测试场所的意思是使突出齐平。
在一实施例中，无接触地确定基准值和/或目标的倾斜。例如，通过确定一个或多个倾斜角度无接触地确定倾斜避免了下列危险，即在探测倾斜时，测量装置可能改变目标的定向。
在一实施例中，通过激光测量装置探测基准值和/或目标的倾斜。在该情况下，激光测量装置能够被布置成关于目标处于距离测量装置的相同一侧，或者优选处于相对的摆放侧上，因而在目标的后方进行其测量。有利地，通过相同的激光测量装置执行距离测量，以确定基准值，和执行环境扫描，以探测目标的倾斜。
在本方法的实施例中，测量至少一个环境参数，和补偿环境参数对距离测量值和/或基准值的影响。在相关实施例中，作为环境参数来测量温度、湿度和压力的中的至少一个变量。环境参数影响测量信号的传播速度，因而，影响通过评估信号行进时间而工作的距离测量装置的测量值。通过确定环境参数，能够补偿它们的影响，以便以改善的精度分别确定距离测量值和基准值。
本发明的有利实施例包括，连续探测基准值和/或目标的倾斜。至少在距离测量期间，以待校准的距离测量装置探测基准值和倾斜。在通过距离测量装置探测离目标不同距离的测量值的情况下，连续确定基准值和/或倾斜尤其有利。在连续确定基准值和倾斜角度的情况下，在整个校准过程期间已知到目标的实际距离及其定向。通过连续确定距离测量的基准值，在任何给定时间都已知例如由于距离测试场所的温度相关长度变化导致的距离变化，因而可补偿该变化，以便基准值始终保持高精度。通过连续探测倾斜，在任何给定时间都已知目标的定向，所以可补偿由于照射表面不垂直于测量信号的传播方向导致的测量不确定性。
在本发明的实施例中，校准了雷达料位测量装置。出于该目的，该目标以下列方式实现，即其对于雷达测量信号具有最佳反射特性。
本发明还涉及一种校准距离测量装置的系统，其至少包括：距离测试场所，可在该距离测试场所上安装距离测量装置；和二维目标，其可移位地布置在距离测试场所上，以将由距离测量装置发射的测量信号反射回距离测量装置中，使得能够通过距离测量装置执行距离测量，以确定距离测量装置和目标之间的距离。通过下列特征实现关于该系统的本发明的目标，该特征包括，该系统具有可安装在距离测试场所上的至少一个设备，以探测目标的倾斜。
在本系统的实施例中，探测倾斜的设备实现为无接触地确定至少一个倾斜角度。
在本系统的另外实施例中，探测倾斜的设备是激光跟踪仪。激光跟踪仪是距离测量装置、尤其是例如激光干涉仪形式的绝对距离测量装置，和角度测量装置的组合。因此，激光跟踪仪适合探测物体的三维点坐标。
在另外的实施例中，系统包括用于通过距离测量装置进行距离测量确定基准值的装置。例如，用于确定基准值的装置为激光干涉仪。在本系统的有利实施例中，相同的装置用于探测倾斜，也用于确定基准值。有利地，为了该目的，激光跟踪仪被安装在距离测试场所上。
提议的校准系统能够在任何方向检测目标的倾斜的位置，其中例如由于地面或者在其上安装目标的距离测试场所的不平坦导致该倾斜的位置。通过了解目标的倾斜，例如至少一个倾斜角度形式的倾斜，可分别测定和补偿与该倾斜关联的距离变化，能够在确定距离测量值或基准值时考虑该距离变化。通过该方式，降低了距离测量中的测量误差。本发明的系统还提供下列优点，即由制造人员以简单方式通过系统执行校准，而无需专家到场。
附图说明
现在将基于关于用于充满水平测量的雷达测量装置的附图，更详细地描述本发明。然而，本发明不限于该实施例的示例。附图如下示出：
图1是用于校准距离测量装置的系统；和
图2示出目标的倾斜对距离测量的影响。
具体实施方式
图1示出一种用于校准距离测量装置的系统。该系统包括距离测试场所3，例如轨道形式，在距离测试场所3上至少可安装待校准的距离测量装置；目标4；校准的距离测量装置，其用作校准的标准；和用于确定可安装目标4的至少一个倾斜角度的设备。在所示示例中，用于确定至少一个倾斜角度的设备实现为激光跟踪仪5，和同时用作探测基准值的校准的距离测量装置。原则上，适用的校准的距离测量装置是下列任何距离测量装置，其能够通过比待校准的距离测量装置的精度较高的精度来确定距离。在所示示例中，待校准的距离测量装置是用于料位测量的自由辐射、雷达测量装置2。该系统同样适用于以“飞行时间”原理（ToF）工作的其他料位测量装置，例如波导雷达测量装置或超声波测量装置。此外，原则上，该系统能够校准任何下列距离测量装置，其发射测量信号和评价其在目标4上的反射，以确定到目标4的距离d。
在所谓的自由辐射雷达的情况下，通过天线，例如平面天线或者所示的喇叭天线21，朝着待检测的物体或者介质辐射测量信号。在该情况下，测量信号为微波信号，优选频率为1-100GHz。在测量发射器23中发生测量信号的产生和接收的回波信号的评价。测量发射器23包括至少一个电子单元，例如微控制器形式的电子单元。雷达测量装置2也能够作为波导雷达装置运行。在波导雷达中，探杆或电缆探针用作测量信号的波导。用于料位测量的雷达测量装置2是由受让人生产和销售的，商标为“Levelflex”的波导雷达和商标为“Micropilot”的自由雷达。
为了在使用位置的固定（通常，使用位置是至少部分填充待检测的物品的容器），雷达测量装置2具有适当的连接装置。在所示情况下，该连接装置是法兰22。通过法兰22，雷达测量装置2被安装在距离测试场所3上。例如，位于测试地点3开始处的是具有适当切出的壁，其中可安装雷达测量装置2。
在离雷达测量装置2的距离d处，可移位地布置目标4。由于该可移位布置，所以能够在雷达测量装置2和目标4之间设置不同的距离d。能够通过电子控制单元手动或自动地完成目标4的定位，通过该定位，在距离测试场所3上产生可预定位置。为了校准，优选设置至少五个不同位置。在该情况下，也设置可通过雷达测量装置2测量的最大距离d。例如，该距离为d=30m，所以在该情况下，距离测试场所3最少应为30米长。目标4实现为二维，即其具有：面对雷达测量装置2的平面区域，该平面区域用作测量信号的照射表面41；和面对激光跟踪仪5的平面区域，其用作激光束的照射表面41。本领域技术人员充分已知适用于校准的目标物体4，所以本文不再探究它们的制造。目标4以下列方式定向，即照射表面41本质上垂直于测量信号的传播方向。根据本发明，检测偏离该定向的偏差和优选也对其进行量化。
出于该目的，在距离测试场所3上布置激光跟踪仪5。在该示例中，激光跟踪仪5被布置成当从雷达测量装置2观察时位于目标4的后面，所以由激光跟踪仪5发射的激光束照射在目标4的后侧上。激光跟踪仪5满足两个功能：一方面，其具体实施为执行角度测量，另一方面，通过激光干涉仪测量距离。例如，可从Leica Geosystem公司获得激光跟踪器5。在本发明的校准系统的可替换实施例中，提供用于角度测量和距离测量的两个单独的测量装置。
利用激光跟踪仪5确定的到目标4的距离用于校准针对目标4和雷达测量装置2之间的距离d的基准值dref。该基准值本质上由已知距离和通过激光跟踪仪5确定的距离之间的差异产生，该已知距离在雷达测量装置2和用于校准的激光跟踪仪5之间固定地选择。例如，进一步考虑的分别是目标4的死空间、直径、各自的厚度。
在校准雷达测量装置2中，对于雷达测量装置2和目标4之间的每个设置的距离d，通过待校准的雷达测量装置2探测距离测量值dm。比较距离测量值dm和基准值dref，并且确定偏差。激光跟踪仪5能够将位于雷达料位测量装置的测量范围内的距离精确地确定在10微米内，因此尤其适合用作校准标准。
由于雷达测量装置2的叶状辐射特征，所以发射的测量信号不以点状射线照射目标4。相反，测量信号覆盖特定区域。在照射表面41相对于下列虚拟平面倾斜的情况下，产生加宽的回波脉冲，该虚拟平面定向为垂直于测量信号的传播方向。
目标4在一些方向上的倾斜导致距离测量的更大测量不确定性。将结合图2更详细地探究。为了提高探测距离测量值dm中的精确度，激光跟踪仪5进行3D扫描，因此探测目标4的倾斜。激光跟踪仪5确定目标4的至少一个倾斜角度。例如，以下列方式确定两个倾斜角度，即在垂直方向和在水平方向上量化目标4的倾斜。
在一实施例中，待校准的雷达测量装置2可获得关于目标4的倾斜的信息。雷达测量装置2的测量发射器23中的电子单元在确定距离测量值dm时，考虑目标4的倾斜。由于消除了距离d中的散射，所以现在距离测量值dm的测量不确定性仅依赖有助于雷达测量装置2本身的测量不确定性。
在另一实施例中，通过关于倾斜的信息测定到反射测量点的实际距离，即做出基准值dref的三角函数修正。
可在市场上获得具有综合环境影响补偿的激光跟踪仪5。例如，在角度测量和/或距离测量中，测量和考虑诸如温度、压力和湿度的环境条件，以便基准值和至少一个倾斜角度独立于环境条件，因而高度准确。如果激光跟踪仪5不具有自动补偿，则通过单独的传感器探测环境条件，并且相应地修正基准值dref是有利的。优选，也执行通过雷达测量装置2测量的距离测量值dm的修正。
由于有通过距离测试场所3的不规则性负面地影响校准的倾斜检测产生的补偿的可能性，所以校准系统1能够被设置在不完全平坦的地面上。在安装期间，校准系统1被定向，以便尤其是目标4具有相对于待校准的距离测量装置2的最佳定向。然后，通过激光跟踪仪5执行定向的持续监控。
图2示出目标4的倾斜对确定距离测量值dm的影响。目标4位于离雷达测量装置2的距离d处。距离测试场所3不平坦，随之带来安装在距离测试场所3上的目标4的倾斜。因此，照射表面41位于其中的平面不垂直于测量信号的传播方向，而是以倾斜角度a偏离垂直方向倾斜。通过激光跟踪仪5，例如通过三点测量测定该倾斜角度。
通过激光跟踪仪5检查距离d，其提供雷达测量装置2和目标4之间实际距离的当前和校准值形式的基准值dref。至少在通过雷达测量装置2探测距离测量值dm期间确定基准值dref。
如果目标4未出现倾斜，距离测量值dm和基准值dref就将在雷达测量装置2的测量精确度内吻合，这是因为测量仅发生在距离测量装置和基准测量装置之间的光轴上。由于目标4的倾斜，所以发生实际反射，然而其处于光轴外部。雷达测量装置2从回波信号测定的距离测量值dm偏离于在垂直区域上测定的距离测量值。由于已知倾斜角度a，所以能够相应地修正测定的距离测量值dm或基准值dref。
例如，雷达测量装置2的测量值dm的修正以下列方式发生，即向测量装置2馈送关于照射表面倾斜产生的角度和沿光轴的距离变化的信息，和通过这些数值与测定的测量值一起计算实际距离d的修正测量值。然后，比较该修正测量值和基准值dref。
例如，基准值dref的修正以下列方式进行，即从角度、设置距离d和沿光轴的距离变化，计算雷达测量装置2和目标4之间的实际距离的基准值dref。比较该修正基准值dref和雷达测量装置2的测量值dm。
作为修正测量值dm和基准值dref的替换方式，能够修正距离测试场所3或目标4的定向。所有所述测量都导致有助于距离测试场所的测量不确定性最小化，所以其余的测量不确定性属于待校准的雷达测量装置2。
例如，在校准雷达测量装置2中，根据DIN EN ISO14253-1确定扩展的测量不确定性，其由距离测量值dm的标准偏差乘以因子k产生，通常，k=2。基准值dref具有这样的可能性，即处于由扩展的测量不确定性给定的距离测量值dm附近的限制内的可能性为95%。
通过探测目标4的倾斜和利用适当的措施修正该倾斜或者测量中倾斜导致的影响，可通过下列方式补偿校准中的测量不确定性，即经校准的雷达测量装置2满足常规规范，例如OIML、NMI、PTB（德国度量衡和物理安全工程领域的科学技术国家研究院）和“罐计量”的PAC，这是雷达料位测量的主要应用领域。例如，在长达30m距离的情况下，能够以最多+/-0.4mm的测量不确定性校准雷达测量装置2。
参考标记列表
1   校准系统
2   雷达测量装置
21  天线
22  法兰
23  测量发射器
3   距离测试场所
4   目标
41  照射表面
5   激光跟踪仪
a   倾斜角度
d   距离

Claims (13)

1.一种校准距离测量装置（2）的方法，其中所述距离测量装置（2）安装在距离测试场所（3）上，其中二维目标（4）被可移位地布置在所述距离测试场所（3）上，以反射由所述距离测量装置（2）发射的测量信号，其中借助所述距离测量装置（2）执行距离测量装置（2）和目标（4）之间的至少一个距离测量，以及其中将由所述距离测量装置（2）测定的距离测量值（dm）与基准值（dref）作比较，
其特征在于：
探测所述目标（4）的倾斜。
2.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于：
根据探测的倾斜修正所述距离测量值（dm）和/或所述基准值（dref）。
3.根据权利要求1所述的方法，
其特征在于：
对于其中出现倾斜的情况，以消除所述目标（4）的倾斜的方式来修正所述目标（4）或所述距离测试场所（3）的定向。
4.根据上述权利要求中任一项所述的方法，
其特征在于：
无接触地确定所述基准值（dref）和/或所述倾斜。
5.根据权利要求4所述的方法，
其特征在于：
借助激光测量装置（5）确定所述基准值（dref）和/或所述倾斜。
6.根据上述权利要求中的一项或多项所述的方法，
其特征在于：
测量至少一个环境参数、并补偿所述环境参数对所述距离测量值（dm）和/或所述基准值（dref）的影响。
7.根据前述权利要求所述的方法，
其特征在于：
作为环境参数来测量温度、湿度和压力中的至少一个变量。
8.根据上述权利要求中的一项或多项所述的方法，
其特征在于：
连续探测所述基准值（dref）和/或所述倾斜。
9.根据上述权利要求中的一项或多项所述的方法，
其特征在于：
校准雷达料位测量装置（2）。
10.一种用于校准距离测量装置（2）的系统（1），所述系统至少包括：距离测试场所（3），可在所述距离测试场所（3）上安装所述距离测量装置（2）；和二维目标（4），所述二维目标（4）可移位地布置在所述距离测试场所（3）上，用以将由所述距离测量装置（2）发射的测量信号反射回所述距离测量装置（2），使得能够借助所述距离测量装置（2）执行距离测量，以确定所述距离测量装置（2）和所述目标（4）之间的距离（d），
其特征在于：
所述系统（1）具有可安装在所述距离测试场所（3）上、用以探测所述目标（4）的倾斜的至少一个设备（5）。
11.根据权利要求10所述的系统，
其特征在于：
用于探测所述目标（4）的倾斜的所述设备（5）被实现为无接触地确定至少一个倾斜角度（a）。
12.根据权利要求11所述的系统，
其特征在于：
用于探测所述倾斜的所述设备（5）是激光跟踪仪。
13.根据权利要求10-12中的至少一项所述的系统，
其特征在于：
所述系统（1）包括用于借助所述距离测量装置（2）确定针对所述距离测量的基准值（dref）的装置（5）。
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