CN107607142B - 一种传感器的标定系统及标定方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种传感器的标定系统及标定方法，应用于以光学成像方式且图像处理的方法来进行角度测量领域。该标定方法包括：将传感器、自准直仪、辅助测量元件连接转台；通过排列互比法计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差；通过小周期法标定传感器。通过上述方式，本发明能够对传感器进行准确的标定。

Description

一种传感器的标定系统及标定方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种传感器的标定系统及标定方法。

背景技术

传感器作为一种检测装置得到了广泛的应用。因此，传感器的精度也越来越被重视。

在传感器工作之前，通常会对传感器的精度进行检测，并对存在误差的传感器进行标定。现有技术中，通常会通过和传感器连接的转台进行检测，但是如果利用转台数据进行检测，会引入安装误差、联轴节误差等，多个误差累积的结果，再加上传感器本身的误差，无法区分。因此不能准确检测到传感器的误差。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种传感器的标定系统及标定方法，能够准确地对传感器进行标定。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种传感器的标定方法，该标定方法包括：

将所述传感器、自准直仪、辅助测量元件连接转台；

通过排列互比法计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差，并根据传感器的有效线数，通过光学校正，得线之间任何位置的误差；

利用所述传感器线之间任何位置的误差和为零，将所述两两误差相加，判断出安装误差，并通过小周期法标定所述传感器；

根据已标定的线的位置以及线之间的相互关系，拟合出所述传感器未标定的线的位置及线之间的相互关系。

其中，将所述传感器、自准直仪、辅助测量元件连接转台的步骤包括：

所述传感器的转轴和所述辅助测量元件的转轴同轴设置，所述自准直仪设置在所述辅助测量元件的一侧，并且所述自准直仪的轴与所述辅助测量元件的工作面的最大垂直偏差在垂直度允差之内；

所述自准直仪和所述棱体获得实际的转台的转动角度，并且所述辅助测量元件在预设的n个位置进行测量。

其中，通过排列互比法计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差的步骤包括：

预设转动所述转台的系列数n；

在每一个系列中，转台以预设的起始角度为起始位置，按角度递增方向依次转动一个待测角度间隔θ，并依次测量所述转台在不同角度时的自准直仪的读数，其中，θ＝360°/n。

其中，所述传感器的靶标图案为向心或非向心直线线段，所述有效线数为256条。

其中，通过小周期法标定所述传感器的步骤包括：

设定所述转台转动的角度值为参考值；

按照预设的转动角度转动所述转台，并记录每次转动所述转台时得到的光线值；

以预设的位置为起点，建立参考值与预设的转动角度之间的关系，并根据所述关系调整传感器与所述转台之间的安装位置；

利用所述自准直仪对齐零点。

为解决上述技术问题，本发明采用的另一个技术方案是：提供一种传感器的标定系统，所述标定系统包括传感器、自准直仪、辅助测量元件、转台以及计算器，其中；

所述传感器、自准直仪、辅助测量元件连接转台；

所述计算器通过排列互比法计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差，并得到所述传感器的线之间任何位置的误差，利用所述传感器线之间任何位置的误差和为零，将所述两两误差相加，判断出安装误差；

所述自准直仪、辅助测量元件及转台进一步通过小周期法标定所述传感器；

所述计算器根据已标定的线的位置以及线之间的相互关系，拟合出所述传感器未标定的线的位置以及线之间的相互关系。

其中，传感器的转轴和所述辅助测量元件的转轴同轴设置，所述自准直仪设置在所述辅助测量元件的一侧，并且所述自准直仪的轴与所述辅助测量元件的工作面的最大垂直偏差在垂直度允差之内；

所述自准直仪和所述辅助测量元件获得实际的转台的转动角度，并且所述辅助测量元件在预设的n个位置进行测量。

其中，计算器具体为预设转动所述转台的系列数n，并在每一个系列中，转台以预设的起始角度为起始位置，按角度递增方向依次转动一个待测角度间隔θ，并依次测量所述转台在不同角度时的自准直仪的读数，其中，θ＝360°/n。

其中，所述传感器的靶标图案为向心或非向心直线线段，所述有效线数为256条。

其中，计算器根据已标定的线的位置以及线之间的相互关系，拟合出所述传感器未标定的线的位置以及线之间的相互关系的具体过程为：

设定所述转台转动的角度值为参考值；

按照预设的转动角度转动所述转台，并记录每次转动所述转台时得到的光线值；

以预设的位置为起点，建立参考值与预设的转动角度之间的关系，并根据所述关系调整传感器与所述转台之间的安装位置；

利用所述自准直仪对齐零点。

本发明的有益效果是：区别于现有技术的情况，本发明提供一种传感器的标定系统及标定方法，该标定方法包括以下步骤：首先将传感器、自准直仪、辅助测量元件连接转台，然后通过排列互比法计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差，最后通过小周期法标定传感器。因此，本发明能够准确检测到传感器的误差。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种传感器的标定方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的一种传感器的标定系统的结构框图。

具体实施方式

本发明利用误差和为零，实现自主平差。如果利用转台数据进行检测，会引入安装误差、联轴节误差等，多个误差累积的结果。再加上传感器本身的误差，无法区分。考虑利用成像后的线间距离来测，理想状态直线间的距离应该是恒定的，如果有大有小的话，其产生的原因与安装和联轴节无关，而是传感器本身的系统误差。

传感器通过局部测量计算角度，前提条件是码盘刻画均匀，而实际上，由于码盘刻画和照明等原因，码盘并不均匀，再加上探测器与光轴不垂直，将引入系统误差，码盘上的线间距离从理想的d转变为d’。但一周下来，n*d…..＝d1’+d2’+…..误差和为零。因此把直线们重新调整位置，使得调整后的d1’-Δd1,d2’-Δd2….等于d，d为d1’+d2’+…..的平均。根据这一点就可以对直线进行修正。整个过程不受装配、联轴节等外在条件影响。

请参阅图1，图1是本发明实施例提供的一种传感器的标定方法的流程图。如图1所示，本实施例的传感器的标定(实质为对传感器码盘上刻度线的标定)方法包括以下步骤：

步骤S1：将传感器、自准直仪、辅助测量元件连接转台。本发明仅针对用向心或非向心直线线段方式，通过光学成像，应用图像处理来实现角度测量的传感器。

请参阅图2，本步骤具体为传感器的转轴和辅助测量元件的转轴同轴设置，自准直仪设置在辅助测量元件的一侧，并且自准直仪的轴与辅助测量元件的工作面的最大垂直偏差在垂直度允差之内。自准直仪和棱体获得实际的转台的转动角度，并且所述辅助测量元件在预设的n个位置进行测量。

步骤S2：通过排列互比法计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差，辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪分别指辅助测量元件、转台及传感器分别相对自准直仪的读数误差。并根据传感器(待测传感器)的有效线数，通过光学校正，得线之间任何位置的误差(任何位置的误差，即为，在转台转动到每个位置时，均可得到被测线的一个误差)。传感器的靶标图案为向心或非向心直线，有效线数为256条。

具体为：预设转动转台的系列数n；

在每一个系列中，转台以预设的起始角度为起始位置，按角度递增方向依次转动一个待测角度间隔θ，并依次测量所述转台在不同角度时自准直仪的读数，其中，θ＝360°/n。

本实施例中，辅助测量元件为棱体或齿盘，其在预设的23个位置进行测量。自准直仪可为光管。具体而言，以棱体为23面为例子，将检测分为23个系列进行。

第1系列：转台以0°为起始位置，光管对准棱体0°工作面，读取光管读数a_1.1，然后以转台测角系统数显为准，按角度递增方向依次转动一个待测角度间隔θ(＝360°/23)，读取光管相应读数a_1.2,a_1.3,…a_1.23，最后仍回到棱体0°工作面，读取回零读数a_1.1′。

第2系列：转台以1θ的角度为起始位置，即将棱体反向转1θ角，使光管对准棱体0°工作面。用与第1系列相同方法测量。转台以1θ的角度起始位置，每间隔1θ角测量一次，分别测得a_2.2,a_2.3,…a_2.23，最后仍回到多面棱体0°工作面读取a_2.1′。

其它各系列均按上述方法依次以转台2θ，3θ…22θ为起始位置进行测量。每个测量系数系列回零误差不大于0.2″。各系列均取原始空位读数和回零读数的平均值作为零位读数。

本步骤更具体的，根据自准直仪的读数，即光管的读数分别求出转台的各系列的零起分度误差：

A_j,i＝a_j,i-a_j,1………………(B1)；

其中，i＝1，2，...，n，j＝1，2，…,n；

将所述A_j,i的值填于表B中；其中，表B为所述A_j,i生成的表，j表示第j行，i表示第i列。

计算表B中的竖列和S_i：

计算所述棱体(辅助测量元件加自准直仪)的误差为：

计算表B中的横列和X_j:

计算表B中的斜列和Y_i；

其中，当i≥j时，n＝0，当i≤j时，n＝1；

计算表B中的R_i值：

R_i＝Y_i-X_i……………………………..(B6)；

所述转台(转台加自准直仪)的误差为：

计算所述传感器(传感器加自准直仪)的误差：

其中，p为测量系列数；m为测量值的个数；t为未知数的个数；V为残差，[VV]可按下式计算：

步骤S3：利用所述传感器线之间任何位置的误差和为零，将所述两两误差相加，判断出安装误差，对自准直仪值进行修正，并通过小周期法标定所述传感器。

本步骤具体为：设定转台转动的角度值为参考值，进而按照预设的转动角度转动转台，并记录每次转动转台时得到的光线值。其中，预设的转动角度转动转台为小步长转动转台。并记录预设个转动点的光线值，例如记录20480个转动点的光线值。

进一步，以预设的位置为起点，建立参考值与预设的转动角度之间的关系，并根据关系调整传感器与转台之间的安装位置。其中，256条光线有256种关系，并且在调整安装后该种关系依然符合。调整后，光线在一定范围内运动间距固定。然后利用自准直仪对齐零点。

以上是标定过程，以下将验证该标定，具体而言：

首先，在一预定方向取M根光线的位置例如M的取值为4-8。本实施例首先从小周期进行验证。

然后换另一个方向再取M根光线的位置。

进而建立光线的位置与转台的角度之间的关系。

进而反复取M根光线位置，并判断位置和转台的角度之间的关系是否符合角度增长规律。并在判断的结果为是时，将传感器转到M条光线的位置，并设置为绝对位置。

进而旋转转台，进而观察传感器是否满足预设的周期查表规律。并在判断的结果为是时，多次旋转转台，按照标定系统的自准直仪标定的位置精度定位准确。本实施例在交接时用自准直仪来完成。

步骤S4，计算器根据已标定的线的位置以及线之间的相互关系，拟合出所述传感器未标定的线间位置。优选的，应用最小二乘法或多项式拟合法将未标定的线的位置以及未标定的线之间的相互关系拟合出来。

承前所述，本实施例是利用成像后的线间距离来检测传感器的误差，因为理想状态直线间的距离应该是恒定的，如果有大有小的话，其产生的原因与安装和联轴节无关，就是传感器本身的系统误差。因此，本发明能够准确检测到传感器的误差。

本发明还提供了一种传感器的标定系统，该标定系统应用于前文所述的标定方法，具体请参阅图2。

如图2所示，该标定系统20包括转台21、传感器22、辅助测量元件23、自准直仪24以及计算器25。其中，传感器22包括码盘221和摄像头222，摄像头222获取码盘221的读数。

其中，传感器22、自准直仪24、辅助测量元件23连接转台21。具体的，传感器22的转轴和辅助测量元件23的转轴同轴设置，自准直仪24设置在辅助测量元件23的一侧，并且自准直仪24的轴与辅助测量元件23的工作面的最大垂直偏差在垂直度允差之内。自准直仪24和辅助测量元件23获得实际的转台21的转动角度，并且辅助测量元件23在预设的n个位置进行测量。本步骤中，辅助测量元件23为棱体或齿盘，其在预设的23个位置进行测量。自准直仪24为光管。

计算器25通过排列互比法计算出辅助测量元件23加自准直仪24、转台21加自准直仪24以及传感器22加自准直仪24的两两误差。具体为预设转动转台21的系列数n，并在每一个系列中，转台21以预设的起始角度为起始位置，按角度递增方向依次转动一个待测角度间隔θ，并依次测量转台在不同角度时自准直仪24的读数，其中，θ＝360°/n。

本实施例以辅助测量元件23为23面的棱体为例子，将检测分为23个系列进行。

第1系列：转台以0°为起始位置，自准直仪，即光管对准棱体0°工作面，读取光管读数a_1.1，然后以转台测角系统数显为准，按角度递增方向依次转动一个待测角度间隔θ(＝360°/23)，读取光管相应读数a_1.2,a_1.3,…a_1.23，最后仍回到棱体0°工作面，读取回零读数a_1.1′。

第2系列：转台以1θ的角度为起始位置，即将棱体反向转1θ角，使光管对准棱体0°工作面。用与第1系列相同方法测量。转台以1θ的角度起始位置，每间隔1θ角测量一次，分别测得a_2.2,a_2.3,…a_2.23，最后仍回到多面棱体0°工作面读取a_2.1。

其它各系列均按上述方法依次以转台2θ，3θ…22θ为起始位置进行测量。每个测量系数系列回零误差不大于0.2″。各系列均取原始空位读数和回零读数的平均值作为零位读数。

进而计算器根据自准直仪的读数，即光管的读数分别求出转台的各系列的零起分度误差：

A_j,i＝a_j,i-a_j,1………………(B1)；

其中，i＝1，2，...，n，j＝1，2，…,n；

将A_j,i的值填于表B中；

计算表B中的竖列和S_i：

计算棱体的误差为：

计算表B中的横列和X_j:

计算表B中的斜列和Y_i；

其中，当i≥j时，n＝0，当i≤j时，n＝1；

计算表B中的R_i值：

R_i＝Y_i-X_i……………………………..(B6)；

转台的误差为：

计算传感器的误差：

其中，p为测量系列数；m为测量值的个数；t为未知数的个数；V为残差，[VV]可按下式计算：

进一步的，计算器25通过小周期法标定传感器22。具体为：

设定转台21转动的角度值为参考值，进而按照预设的转动角度转动转台21，并记录每次转动转台21时得到的光线值。其中，预设的转动角度转动转台21为小步长转动转台。并记录预设个转动点的光线值，例如记录20480个转动点的光线值。

进一步，以预设的位置为起点，建立参考值与预设的转动角度之间的关系，并根据关系调整传感器22与转台21之间的安装位置。其中，256条光线有256种关系，并且在调整安装后该种关系依然符合。调整后，光线在一定范围内运动间距固定。然后利用自准直仪24对齐零点。

以上是标定过程，以下将验证该标定，具体而言：

首先，在一预定方向取M根光线的位置例如M的取值为4-8。本实施例首先从小周期进行验证。

然后换另一个方向再取M根光线的位置。

进而建立光线的位置与转台的角度之间的关系。

进而反复取M根光线位置，并判断位置和转台的角度之间的关系是否符合角度增长规律。并在判断的结果为是时，将传感器22转到M条光线的位置，并设置为绝对位置。

进而旋转转台21，进而观察传感器22是否满足预设的周期查表规律。并在判断的结果为是时，多次旋转转台21，按照标定系统的自准直仪24标定的位置精度定位准确。本实施例在交接时用自准直仪24来完成。

计算器25根据已标定的线的位置以及线之间的相互关系，拟合出传感器22未标定的线的位置以及未标定的线之间的相互关系。优选的，应用最小二乘法或多项式拟合法将未标定的线间位置拟合出来。

综上所述，本发明能够准确检测到传感器的误差，对其进行标定。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种传感器的标定方法，其特征在于，所述标定方法包括：

将所述传感器、自准直仪、辅助测量元件连接转台；

计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差，并根据所述传感器的有效线数，通过光学校正，得线之间任何位置的误差；

利用所述传感器线之间任何位置的误差和为零，将所述两两误差相加，判断出安装误差，并通过小周期法标定所述传感器；

根据已标定的线的位置以及线之间的相互关系，拟合出所述传感器未标定的线的位置及线之间的相互关系；

所述通过小周期法标定所述传感器的步骤包括：

设定所述转台转动的角度值为参考值；

按照预设的转动角度转动所述转台，并记录每次转动所述转台时得到的光线值；

以预设的位置为起点，建立参考值与预设的转动角度之间的关系，并根据所述参考值与预设的转动角度之间的关系调整传感器与所述转台之间的安装位置；

利用所述自准直仪对齐零点。

2.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，将所述传感器、自准直仪、辅助测量元件连接转台的步骤包括：

所述传感器的转轴和所述辅助测量元件的转轴同轴设置，所述自准直仪设置在所述辅助测量元件的一侧，并且所述自准直仪的轴与所述辅助测量元件的工作面的最大垂直偏差在垂直度允差之内；

所述自准直仪和所述辅助测量元件获得实际的转台的转动角度，并且所述辅助测量元件在预设的n个位置进行测量。

3.根据权利要求1所述的标定方法，其特征在于，所述传感器的靶标图案为向心或非向心直线线段，所述有效线数为256条。

4.根据权利要求2所述的标定方法，其特征在于，通过排列互比法计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差，且所述通过排列互比法计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差的步骤包括：

预设转动所述转台的系列数n；

在每一个系列中，转台以预设的起始角度为起始位置，按角度递增方向依次转动一个待测角度间隔θ，并依次测量所述转台在不同角度时的所述自准直仪的读数，其中，θ＝360°/n。

5.一种传感器的标定系统，其特征在于，所述标定系统包括传感器、自准直仪、辅助测量元件、转台以及计算器，其中；

所述传感器、自准直仪、辅助测量元件连接转台；

所述计算器通过排列互比法计算出辅助测量元件加自准直仪、转台加自准直仪以及传感器加自准直仪的两两误差，并得到所述传感器的线之间任何位置的误差，利用所述传感器线之间任何位置的误差和为零，将所述两两误差相加，判断出安装误差；

所述自准直仪、辅助测量元件及转台进一步通过小周期法标定所述传感器；

所述计算器根据已标定的线的位置以及线之间的相互关系，拟合出所述传感器未标定的线的位置以及线之间的相互关系；

所述计算器根据已标定的线的位置以及线之间的相互关系，拟合出所述传感器未标定的线的位置以及线之间的相互关系的具体过程为：

设定所述转台转动的角度值为参考值；

按照预设的转动角度转动所述转台，并记录每次转动所述转台时得到的光线值；

以预设的位置为起点，建立参考值与预设的转动角度之间的关系，并根据所述关系调整传感器与所述转台之间的安装位置；

利用所述自准直仪对齐零点。

6.根据权利要求5所述的标定系统，其特征在于，所述传感器的转轴和所述辅助测量元件的转轴同轴设置，所述自准直仪设置在所述辅助测量元件的一侧，并且所述自准直仪的轴与所述辅助测量元件的工作面的最大垂直偏差在垂直度允差之内；

所述自准直仪和所述辅助测量元件获得实际的转台的转动角度，并且所述辅助测量元件在预设的n个位置进行测量。

7.根据权利要求5所述的标定系统，其特征在于，所述传感器的靶标图案为向心或非向心直线线段，所述传感器的有效线数为256条。

8.根据权利要求6所述的标定系统，其特征在于，所述计算器具体为预设转动所述转台的系列数n，并在每一个系列中，转台以预设的起始角度为起始位置，按角度递增方向依次转动一个待测角度间隔θ，并依次测量所述转台在不同角度时所述自准直仪的读数，其中，θ＝360°/n。