CN113542732B - 一种高精度测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高精度测量系统，测量系统包括相机安装固定架、相机、镜头和温控装置；相机安装固定架包括固定底座、固定侧板、镜头托盘、镜头挡板、镜头活动挡板、相机安装板和Z轴支架；相机通过相机安装板安装在Z轴支架上，相机安装板能够沿Z轴支架上下移动；镜头挡板和镜头活动挡板上分别设有槽孔，镜头由槽孔中穿出，由镜头活动挡板与镜头挡板配合夹紧；镜头挡板安装在两块固定侧板之间靠近镜头下端面的位置；镜头底部与镜头托盘贴合；镜头托盘能够相对Z轴支架上下调节、左右微调；温控装置用于保持测量系统的温度，并调节测量系统所在空间的环境温度。本发明解决了目前相机测试像素漂移量大、长时间测试后，精度下降的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种相机测量系统，具体涉及一种高精度测量系统。
背景技术
目前工业相机在测试过程中，存在像素漂移问题，导致随着测试时间的推移，测量精度下降。而目前的工业应用场景，普遍要求工业相机的像素漂移量在3～10微米。
而工业相机本身结构、安装工业相机的结构件、工业相机安装环境温度等方面都会使相机的像素漂移，从而影响其测量精度。
目前工业相机主要零件刚度不足，零件配合间隙过大是工业相机本身结构导致像素漂移的原因之一。另外工业相机需要安装在客户现场，但是，客户现场的结构各有差异，此时工业相机系统刚度不足的现象更会影响工业相机的测量精度。
对于高精度测量系统，温度也是一个非常重要的影响因素。
如公布号CN 110312066 A的中国发明专利申请，其公开了一种相机稳定性结构，通过增加导热胶垫，将相机内部的热量传递到前壳，再传递到客户安装板，从而将热量导出相机。但是，该专利只考虑了在相机本身出发解决像素漂移的问题，没有考虑环境温度和客户安装时的结构刚度的影响。
又如公布号为CN104902159A的中国发明专利申请，其公开了一种带镜头稳定功能的运动相机，其采用增加电机、编码器的方式对镜头进行动态调节，通过2个电机，对镜头的俯仰运动和横向滚动进行调节，但是电机本身的振动会影响相机的工作，只适用于精度要求不高的场合，如运动相机，而且其结构复杂，成本较高。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述技术问题，本发明提供了一种高精度测量系统，其不仅解决了相机本身像素漂移的问题，还解决了长时间测试后，精度下降严重，甚至导致测量失效的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种高精度测量系统，其特征在于，所述测量系统包括相机安装固定架、相机、镜头和温控装置；
所述相机安装固定架包括固定底座、固定侧板、镜头托盘、镜头挡板、镜头活动挡板、相机安装板和Z轴支架；
两块所述固定侧板对称安装在所述固定底座上的左右两侧，所述Z轴支架安装在所述固定底座和所述固定侧板后部；
所述相机通过所述相机安装板安装在所述Z轴支架上，所述相机安装板能够沿所述Z轴支架上下移动；
所述镜头活动挡板安装在所述镜头挡板上，所述镜头挡板和所述镜头活动挡板上分别设有槽孔，所述相机下端安装的所述镜头由所述槽孔中穿出，由所述镜头活动挡板与所述镜头挡板配合夹紧；所述镜头挡板安装在两块所述固定侧板之间靠近所述镜头下端面的位置；
所述镜头底部与所述镜头挡板下方安装在所述Z轴支架上的所述镜头托盘贴合；所述镜头托盘能够相对所述Z轴支架上下调节、左右微调；
所述温控装置用于保持所述测量系统的温度，并调节所述测量系统所在空间的环境温度。
进一步地，所述相机包括前壳、滤色片支架、滤色片、电路板组件、上壳、后壳；
所述滤色片通过所述滤色片支架安装在所述前壳前侧架上，所述后壳将所述电路板组件固定在所述前壳的后侧架上；所述上壳扣接在所述电路板组件外。
进一步地，所述电路板组件的内部空间布有导热散热装置；所述电路板组件的上下各伸展出一个散热软排线分别靠近所述上壳和所述前壳底部；所述电路板组件中间放置导热胶垫用于散热；所述电路板组件前端的图像传感器电路板的背部布置散热片。
进一步地，所述相机还包括上支架、网口电路板和下支架；所述电路板组件由多块电路板组成，所述电路板由所述上支架和所述下支架内预留的凹槽固定；所述上壳通过所述上支架扣接在所述电路板组件外侧，所述电路板组件后端的所述网口电路板与所述后壳锁紧。
进一步地，所述上壳上设有凸台，所述凸台卡接在所述上支架上的凹槽内。
进一步地，所述下支架上设有凸起定位结构，所述凸起定位结构的拔模角度为2°，用于装配到所述后壳上的定位孔中。
进一步地，所述电路板组件与所述前壳的接触处设有调节垫片。
进一步地，所述温控装置包括电暖气、温度计和冷凝组件；
所述电暖气设置在所述测量系统所在密闭空间内，用于控制室温的升高，模拟环境温度对相机像素漂移的影响；
所述温度计用于监测所述镜头处、靠近所述相机的所述相机安装板处的温度、以及环境温度；
所述冷凝组件安装在所述Z轴支架上，位于所述相机上方，用于保持所述相机温度的稳定。
进一步地，所述冷凝组件包括压缩机、冷凝器、吹风机、蒸发器管道、管路、腔体、出风口；在所述腔体内，所述压缩机、所述冷凝器与所述蒸发器管道通过所述管路相连，所述吹风机设置在所述腔体壁上，在所述腔体的左右两侧对称设置所述出风口，所述出风口对称设置在所述相机的左右两侧。
进一步地，所述冷凝组件为半导体制冷片。
本发明的有益效果：
本发明减少了结构的复杂度，降低了测试成本，能够保证温度的稳定性，可使相机的像素漂移量减小到3～10微米，解决了目前相机测试出现像素漂移量大的问题，该测量系统的结构可保证长时间测量下，也能满足测量的精度。
本发明通过温控装置保持了相机处的温度稳定，控制了测量系统所在空间的测试温度。本发明可通过记录环境温度的升高，相机的镜头处温度和相机的机身处温度和环境温度随着时间的变化，可确定环境温度对像素漂移的影响，量化了环境温度对像素漂移的权重。通过该测量系统，温度增加0.8～1.5℃时，可使像素漂移值保持在0.8～1.5微米。
另外，本发明通过相机安装固定架中镜头托盘、镜头挡板和相机安装板等安装位置的调节，以实现不同相机的安装，可实现不同相机的测试，可确定相机本身结构对像素漂移影响的权重。
另外，通过电路板组件内的多重导热件，可实现相机内部的散热。而相机内通过凸台与凹槽的卡接及下支架凸起定位结构的定位，可实现电路板组件6个自由度的固定，可保证相机内部的稳定。
附图说明
图1为本发明中相机安装固定架组成图；
图2为本发明高精度测量系统的组成示意图；
图3为本发明中相机内部组成图；
图4为本发明中冷凝组件示意图；
图5为本发明算法软件流程图；
图6为本发明试验时偏移距离示意图；
图7为本发明试验中时间对像素漂移的影响图；
图8为本发明试验中温度和像素漂移值随时间变化趋势图。
其中：01-相机安装固定架、11-固定底座、12-固定侧板、13-镜头托盘、14-镜头挡板、15-镜头活动挡板、16-相机安装板、17-Z轴支架、02-相机、21-前壳、22-滤色片支架、23-滤色片、24-电路板组件、25-上壳、26-上支架、27-后壳、28-网口电路板、29-下支架、03-镜头、04-平面光源、05-电暖气、06-温度计、07-冷凝组件、71-压缩机、72-冷凝器、73-吹风机、74-蒸发器管道、75-管路、76-腔体、77-出风口。
具体实施方式
下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本申请文件中的上、下、左、右、内、外、前端、后端、头部、尾部等方位或位置关系用语是基于附图所示的方位或位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。
本发明中，术语“安装”、“相连”、“相接”、“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，也可以是一体地连接，也可以是机械连接，也可以是电连接或可以相互通信，也可以是直接连接，也可以是通过中间媒介间接连接，可以是两个元器件内部的联通，也可以是两个元器件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本实施例记载了一种高精度测量系统，其解决了目前工业相机测量过程中像素漂移量过大，通过长时间测试后，精度下降严重，甚至导致测量失效的问题。
如图1和图2所示，测量系统包括相机安装固定架01、相机02、镜头03、平面光源04、电暖气05、温度计06和冷凝组件07。
相机安装固定架01为测量系统的支撑结构，包括固定底座11、固定侧板12、镜头托盘13、镜头挡板14、镜头活动挡板15、相机安装板16和Z轴支架17。
固定底座11位于相机安装固定架01的下方，对测量系统起支撑作用，两块固定侧板12对称安装在固定底座11上的左右两侧，Z轴支架17通过螺钉固定在固定底座11和固定侧板12后部。镜头挡板14安装在两块固定侧板12之间靠近镜头03下端面的位置，且镜头挡板14可沿固定侧板12调节高度，以适用于不同相机02来粗调相机最佳分辨率的位置，可使镜头03的定位精度更高，稳定性更好。相机02通过相机安装板16安装在Z轴支架17上，相机安装板16可沿Z轴支架17上下移动，用于精密调节相机02的高度，使相机02可以显示最高的清晰度，方便后续的像素漂移测试。该测量系统内可安装多个相机02，如本实施例中对称安装了两个相机02。
镜头活动挡板15安装在镜头挡板14上，且镜头挡板14和镜头活动挡板15上分别设有槽孔，且槽孔与相机02一一对应，镜头03由槽孔中穿出，可通过调节镜头活动挡板15在镜头挡板14上的安装位置，与镜头挡板14配合夹紧镜头03。镜头03底部由镜头挡板14下方安装在Z轴支架17上的镜头托盘13支撑。镜头托盘13上设有竖直长槽，镜头托盘13可根据镜头03底部位置，与Z轴支架17安装的螺钉沿竖直长槽上下滑动调节，同时，通过Z轴支架17上安装孔、竖直长槽的预留间隙的配合，镜头托盘13可左右微调，保证镜头托盘13与镜头03下平面完全贴合。通过镜头托盘13和镜头活动挡板15的共同调节，可沿镜头03的轴向和径向2个方向固定镜头03，使镜头03保持稳定。
本实施例中相机安装固定架01的固定底座11、固定侧板12、相机安装板16和Z轴支架17上分别设有多个安装孔，镜头托盘13、镜头挡板14和相机安装板16可分别通过不同安装孔实现高度调节及相机02的安装位置调整。各组件通过螺钉进行锁紧固定，组装后的相机安装固定架01为一个整体，且系统刚度较高，同时各组件所用材料为热膨胀系数较低的材料，比如4J36，大理石等，但不限于上述所述材料。
相机02可为工业相机，用于拍摄并向控制装置传输图像，如图3所示，其包括前壳21、滤色片支架22、滤色片23、电路板组件24、上壳25、上支架26、后壳27、网口电路板28和下支架29。
其中，前壳21为U型槽架，如采用一体铸造加工，可提高结构的刚度，滤色片23通过滤色片支架22安装在前壳21前侧架上，后壳27通过螺钉将电路板组件24固定在前壳21的后侧架上。
电路板组件24为相机02内部的多块电路板，多块电路板分别由上支架26和下支架29内预留的凹槽固定，可防止电路板在相机02内部窜动，电路板组件24前端的图像传感器电路板通过螺钉固定在前壳21后侧架上。电路板组件24后端的网口电路板28通过螺钉与后壳27锁紧。
上壳25通过上支架26扣接在电路板组件24外侧，以避免电路板组件24受到磕碰损伤。电路板组件24的内部空间布有导热散热装置，同时在电路板组件24的上下各伸展出一个散热软排线分别靠近上壳25和前壳21底部，同时在电路板组件24中间放置导热胶垫用于散热，以此导热散热结构将相机02内部温度降低，从而减小相机内部温度对像素漂移的影响，有利于提高相机02的成像精度。另外，在电路板组件24中的图像传感器电路板的背部布置散热片，用于将图像传感器工作中的热量及时的传递出去，防止热量聚集导致的热应力变化，从而降低图像采集的精度。
在电路板组件24与前壳21的接触处，还可增加调节垫片，用于减小由于装配导致的尺寸公差，以保证相机02的清晰成像，同时使得电路板的连接可靠，减小变形量。
另外，为了避免电路板组件24整体在相机02内窜动，在上壳25上设置一个或多个凸台，凸台卡接在上支架26上的凹槽内，使得装配后上壳25自动锁定上支架26的位置，保证上支架26在工作时不会产生位移。
下支架29上设置有凸起定位结构，该凸起定位结构的拔模角度为2°，用于装配到后壳27上的定位孔中，由于是锥度的，因此在相机02装配完成后，能够将电路板组件24的6个自由度都约束住，保证电路板组件24不窜动。
本实施例中镜头03为高倍率镜头，其分辨率更高，图像也更清楚，利用其进行像素漂移测试时，可以大大提高测量系统的测量精度。
平面光源04安装在固定底座11上，位于镜头03下方。在平面光源04上布置带有条纹或刻度的标尺，用于软件进行标定测量。
在相机02上方，冷凝组件07固定在Z轴支架17上，用于保持相机02温度的稳定。如图4所示，冷凝组件07包括压缩机71、冷凝器72、吹风机73、蒸发器管道74、管路75、腔体76、出风口77。在腔体76内，压缩机71、冷凝器72与蒸发器管道74通过管路75相连，吹风机73设置在腔体76壁上，在腔体76的左右两侧对称设置出风口77，出风口77对称设置在相机02的左右两侧，用以对相机02降温。该冷凝组件07也可采用半导体制冷片等实现制冷效果。
另外，在相机02的镜头03端、相机02的机身上及环境内分别放置温度探头，可以随时监测镜头03处、相机02的机身处及环境的温度变化。温度探头分别与外部的温度计06相连，通过温度计06测量相机02镜头03处的温度及靠近相机02的相机安装板16处的温度，采用对相机02镜头03温度进行实时监控和记录，用于验证环境温度对像素漂移的影响。
电暖气05为普通电暖气，设置在测量系统所在的密闭空间内，用于控制室温的升高，模拟环境温度对相机像素漂移的影响。
该测量系统通过电暖气05、温度计06和冷凝组件07实现自动控温，相机02内部除了布置良好的散热通道外，利用温度探头实时监控温度变化，并实时反馈到控制装置中，当温度超过某一个值时，开启冷凝组件07。压缩机71带动冷凝器72工作，蒸发器管道74开始制冷，使得腔体76内充满冷凝气体。开启吹风机73，将腔体76内的冷凝气体通过出风口77输送到相机02表面，实现相机02快速降温的目的。当温度降低到温度下限阈值时，控制装置控制吹风机73和压缩机71关闭，如此反复，达到稳定相机02温度的目的，其中控制装置内采用PID控制，保证相机02的温度稳定控制精度为±0.5℃。由此，可保持相机02温度的稳定，该结构具有稳定、时间短等优点。
该测量系统使用时，如图5所示，相机02调整至最佳分辨率位置并固定好后，通过镜头03采集图像，控制装置接收到图像信息后，对图像信息的像素偏移变化趋势和偏移幅度进行实时分析,以保证测量精度，过程如下：
(1)利用BLOB分析对目标圆孔中心进行粗定位：使用局部自适应阈值算法对图像二值化，通过行程编码方法提取连通域并分割为不同区域，计算每个区域的面积和圆形度特征，利用相应阈值筛选得到满足条件的唯一区域，计算该区域的重心和最小外接圆半径，获得目标圆孔中心的初步位置。
(2)利用二维测量算法进行精确定位：以粗定位过程得到的重心坐标和最小外接圆半径生成一个圆，将圆弧按照固定间隔采样提点，以该点为中心生成过圆心的固定长度的直线，即圆弧上过采样点的切线，统计该切线上的灰度梯度，计算得到边缘点，利用最小二乘对所有的边缘点进行拟合得到圆形，即为目标圆孔的精确位置。
(3)将上述过程得到的圆孔重心XY坐标记录到表格中，统计一段时间内该坐标的变化趋势及变化幅度。
控制装置通过对相机开机时间和经过长时间(至少6小时)运行后的状态进行对比，进行像素漂移的分析。如图6所示，当θ无穷小是，tgθ＝θ＝△x/D。故偏离角x＝θ＝△x/D，偏离角y＝θ＝△y/D。
控制装置通过软件标定相机02识别到的平面光源04上的一个像素，以该像素的x、y坐标的变化值来反应该相机像素漂移的情况。像素随时间的变化趋势如图7所示，采用不同相机的测试对比，可确定相机本身结构对像素漂移影响的权重。
另外，通过电暖气05、温度计06和冷凝组件07的自动控温，实现同一相机在不同温度环境下的测试，像素和温度随时间的变化趋势如图8所示，环境温度在升高0.8～1.5℃时，所测相机像素升高0.5～1，即像素漂移值在0.8～1.5微米，可见，测量精度可控制在3～10um。由此确定环境温度对像素漂移的影响，可在计算过程中量化环境温度对像素漂移的权重，提高了测量精度。
本实施例中相机02采用垂直方向进行测试，但不局限于垂直方向，该结构也适用于任何方向的测试。
虽然上面结合本发明的优选实施例对本发明的原理进行了详细的描述，本领域技术人员应该理解，上述实施例仅仅是对本发明的示意性实现方式的解释，并非对本发明包含范围的限定。实施例中的细节并不构成对本发明范围的限制，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均落在本发明保护范围之内。
Claims (6)
1.一种高精度测量系统，其特征在于，所述测量系统包括相机安装固定架(01)、相机(02)、镜头(03)和温控装置；
所述相机安装固定架(01)包括固定底座(11)、固定侧板(12)、镜头托盘(13)、镜头挡板(14)、镜头活动挡板(15)、相机安装板(16)和Z轴支架(17)；
两块所述固定侧板(12)对称安装在所述固定底座(11)上的左右两侧，所述Z轴支架(17)安装在所述固定底座(11)和所述固定侧板(12)后部；
所述相机(02)通过所述相机安装板(16)安装在所述Z轴支架(17)上，所述相机安装板(16)能够沿所述Z轴支架(17)上下移动；
所述镜头活动挡板(15)安装在所述镜头挡板(14)上，所述镜头挡板(14)和所述镜头活动挡板(15)上分别设有槽孔，所述相机(02)下端安装的所述镜头(03)由所述槽孔中穿出，由所述镜头活动挡板(15)与所述镜头挡板(14)配合夹紧；所述镜头挡板(14)安装在两块所述固定侧板(12)之间靠近所述镜头(03)下端面的位置；
所述相机(02)包括前壳(21)、滤色片支架(22)、滤色片(23)、电路板组件(24)、上壳(25)、后壳(27)；
所述滤色片(23)通过所述滤色片支架(22)安装在所述前壳(21)前侧架上，所述后壳(27)将所述电路板组件(24)固定在所述前壳(21)的后侧架上；所述上壳(25)扣接在所述电路板组件(24)外；
所述电路板组件(24)的内部空间布有导热散热装置；所述电路板组件(24)的上下各伸展出一个散热软排线分别靠近所述上壳(25)和所述前壳(21)底部；所述电路板组件(24)中间放置导热胶垫用于散热；所述电路板组件(24)前端的图像传感器电路板的背部布置散热片；
所述镜头(03)底部与所述镜头挡板(14)下方安装在所述Z轴支架(17)上的所述镜头托盘(13)贴合；所述镜头托盘(13)能够相对所述Z轴支架(17)上下调节、左右微调；
所述温控装置用于保持所述测量系统的温度，并调节所述测量系统所在空间的环境温度；
所述温控装置包括电暖气(05)、温度计(06)和冷凝组件(07)；
所述电暖气(05)设置在所述测量系统所在密闭空间内，用于控制室温的升高，模拟环境温度对相机像素漂移的影响；
所述温度计(06)用于监测所述镜头(03)处、靠近所述相机(02)的所述相机安装板(16)处的温度、以及环境温度；
所述冷凝组件(07)安装在所述Z轴支架(17)上，位于所述相机(02)上方，用于保持所述相机(02)温度的稳定；
所述冷凝组件(07)包括压缩机(71)、冷凝器(72)、吹风机(73)、蒸发器管道(74)、管路(75)、腔体(76)、出风口(77)；在所述腔体(76)内，所述压缩机(71)、所述冷凝器(72)与所述蒸发器管道(74)通过所述管路(75)相连，所述吹风机(73)设置在所述腔体(76)壁上，在所述腔体(76)的左右两侧对称设置所述出风口(77)，所述出风口(77)对称设置在所述相机(02)的左右两侧。
2.根据权利要求1所述的高精度测量系统，其特征在于，所述相机(02)还包括上支架(26)、网口电路板(28)和下支架(29)；所述电路板组件(24)由多块电路板组成，所述电路板由所述上支架(26)和所述下支架(29)内预留的凹槽固定；所述上壳(25)通过所述上支架(26)扣接在所述电路板组件(24)外侧，所述电路板组件(24)后端的所述网口电路板(28)与所述后壳(27)锁紧。
3.根据权利要求2所述的高精度测量系统，其特征在于，所述上壳(25)上设有凸台，所述凸台卡接在所述上支架(26)上的凹槽内。
4.根据权利要求2所述的高精度测量系统，其特征在于，所述下支架(29)上设有凸起定位结构，所述凸起定位结构的拔模角度为2°，用于装配到所述后壳(27)上的定位孔中。
5.根据权利要求1所述的高精度测量系统，其特征在于，所述电路板组件(24)与所述前壳(21)的接触处设有调节垫片。
6.根据权利要求1所述的高精度测量系统，其特征在于，所述冷凝组件(07)为半导体制冷片。
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