Способ поэлементной калибровки оптического измерителя линейных размеров
METHOD OF ELEMENT-BY-STAGE CALIBRATION OF OPTICAL METER OF LINEAR DIMENSIONS

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике.
Предлагаемый способ может быть использован для точной калибровки оптических измерителей линейных размеров, реализованных на основе линейного массива светочувствительных элементов (линейного сенсора), в частности для калибровки оптических измерителей осадков.
Известны способы калибровки, когда для определения калибровочных характеристик оптических измерителей линейных размеров применяли шары определенного диаметра [1, 2], либо непрозрачные диски различного диаметра [3], либо, искусственно получаемые капли известного размера [4].
Общий недостаток приведенных способов заключается в трудоемкости выполнения калибровки, обусловленной необходимостью проведения большого количества измерений.
Из известных способов калибровки наиболее близким к предлагаемому является способ калибровки оптического измерителя осадков [5]. Способ заключается в получении поправок, вычисляемых при сравнении измеренных линейных размеров эталонного объекта (цилиндрического стержня) в условно выделенных участках оптического канала прибора и истинного значения размера этого объекта (диаметра стержня).
Для осуществления известного способа поперечное сечение оптического канала прибора условно разбивают по ширине на участки, в каждом из которых может быть затенено известное количество светочувствительных элементов линейного сенсора. Далее стержень круглого поперечного сечения горизонтально перемещают через оптический канал перпендикулярно к направлению светового потока, после чего рассчитывают значения поправки для каждого из выделенных участков исходя из сопоставления среднего измеренного диаметра стержня, полученного при перемещении в соответствующем участке, с реальным размером.
Основным недостатком данного способа калибровки является возникновение погрешности измерений, вызванной двумя факторами: во-первых - тем, что полученные значения поправок считаются постоянными в пределах выделенных участков оптического канала, во-вторых - тем, что процедура калибровки эталонными объектами определенного размера обеспечивает приемлемую точность определения размеров объектов только в узком диапазоне размеров, близких к размеру эталонного объекта (например, процедура калибровки оптического осадкомера объектом с размером 5 мм не обеспечивает достаточной точности определения размеров малых частиц осадков - до 2 мм и менее, и крупных частиц - 7 мм и более [2]).
Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является получение эффективного размера каждого светочувствительного элемента линейного сенсора - характеристики, соответствующей линейному размеру участка тени, попадающего на данный светочувствительный элемент. При этом сумма эффективных размеров всех элементов, составляющих конкретное теневое изображение, должна с высокой точностью совпадать с реальным размером создавшего это теневое изображение эталонного объекта.
Технический результат - снижение погрешности измерения, вызванной неоднородностью светового потока, и устранение зависимости величины этой погрешности от размеров эталонного объекта.
Технический результат достигается тем, что для калибровки оптического измерителя размеров осуществляют измерение линейных размеров теней непрозрачного стержня круглого поперечного сечения, который горизонтально перемещают через оптический канал перпендикулярно к направлению светового потока с сохранением ортогональности оси стержня относительно плоскости оптического канала на всем пути стержня, а затем на основании анализа количества и положения затененных элементов сопоставляют размер тени с диаметром стержня.
В отличие от известного технического решения, в предлагаемом способе для анализа формируют двумерный массив калибровочных данных из единиц и нулей, соответствующих затененным и незатененным светочувствительным элементам линейного сенсора, столбцы i соответствуют порядковым номерам светочувствительных элементов, строки j - индекс номера измерения, осуществляемого при смещении начала и/или конца тени на один светочувствительный элемент. Для получения эффективного размера светочувствительного элемента нужно сначала вычислить среднее значение размера элемента для каждого теневого изображения (строки), в формировании которого участвует данный светочувствительный элемент, а затем провести усреднение по всем этим теневым изображениям (строкам).
Среднее значение размера светочувствительного элемента в теневом изображении (строке) j вычисляется по формуле:
ij
где d - диаметр стержня [мм]; k - значение из массива калибровочных данных; i - индекс, соответствующий номеру светочувствительного элемента, j - индекс, соответствующий номеру измерения.
Дальнейшее усреднение значений  по теневым изображениям (столбцам) производится по формуле:
Таким образом:
из
В результате, после осуществления калибровки, результат измерения объекта d будет рассчитываться по формуле:
из
где m и n порядковые номера светочувствительных элементов начала и конца тени, соответственно. Таким образом, сумма эффективных размеров d всех элементов, составляющих конкретное теневое изображение, должна с высокой точностью совпадать с реальным размером создавшего это изображение эталонного объекта.
Данный результат достигается за счет точного определения вклада каждого светочувствительного элемента в размер формируемой тени с учетом неоднородности светового потока. Высокая точность определения эффективного размера элемента в свою очередь достигается за счет вычисления среднего размера светочувствительного элемента в каждом теневом изображении, полученном при перемещении эталонного объекта в процессе калибровки и дальнейшем усреднении этой величины по всем теневым изображениям, в формировании которых принимал участие данный светочувствительный элемент.
Пример реализации способа поясняется рисунками.
0
1
s
1
2
На фиг. 1 показано вертикальное сечение оптического канала и положение стержня 1 относительно светового потока 2 и линейного сенсора 3. В момент времени t стержень находится вне оптического канала, поэтому световой поток беспрепятственно достигает всех светочувствительных элементов линейного сенсора. Процесс калибровки начинается в момент времени t, когда тень от стержня имеет максимальный размер и при этом затеняет первый светочувствительный элемент линейного сенсора. Процесс калибровки считается завершенным, когда зарегистрировано затенение последнего элемента сенсора (t). В процессе перемещения стержня фиксируется два параметра: изменение общего количества затененных элементов линейного сенсора и регистрируются их порядковые номера. Эти параметры формируют массив калибровочных данных. В общем случае, при движении стержня слева направо увеличение количества освещенных элементов слева от стержня, например на единицу, сопровождается сдвигом тени на один элемент с сохранением количества затененных элементов, как показано на фиг. 1 в промежуток времени t-t. Однако в силу влияния неоднородности светового потока размер тени (соответственно и количество затененных элементов) при дальнейшем перемещении стержня может меняться.
Для иллюстрации рассмотрим калибровку оптического измерителя размеров с линейным сенсором, состоящим из 18-ти светочувствительных элементов с горизонтальным размером 0,25 мм каждый, калибруемого стержнем с диаметром d=2 мм. На фиг. 2 представлен пример массива калибровочных данных, где единицами и нулями обозначены, соответственно, затененные и незатененные светочувствительные элементы линейного сенсора, столбцы i соответствуют порядковым номерам светочувствительных элементов, строки j - индекс номера измерения, осуществляемого при смещении начала и/или конца тени на один светочувствительный элемент. Пусть при перемещении стержня происходит затенение от 7 до 9 светочувствительных элементов (см. значение ), тогда каждый светочувствительный элемент дает вклад в формирование от 1 до 8 теневых изображений (см. значение ). Для получения эффективного размера светочувствительного элемента  светочувствительного элемента нужно сначала вычислить среднее значение размера элемента для каждого изображения (строки), в формировании которого участвует данный светочувствительный элемент, а затем провести усреднение по всем этим теневым изображениям (строкам). Таким образом эффективный размер i-го элемента будет равен:
Вычисленные значения эффективного размера для каждого светочувствительного элемента представлены в нижней строке таблицы. Видно, что значения эффективных размеров близки к горизонтальному размеру светочувствительного элемента, но не совпадают с ним, что отражает результат процесса калибровки, призванного повысить точность совпадения измеряемой величины с реальным размером создавшего теневое изображение эталонного объекта.
Литература:
1. Kruger A., Krajewski W.F. Two-Dimensional Video Disdrometer: A Description // J. Atmos. Ocean. Technol. 2002. V. 19. P. 602-617.
2. Азбукин А.А., Кальчихин В.В., Кобзев А.А., Корольков В.А., Тихомиров А.А. Определение калибровочных характеристик оптико-электронного измерителя атмосферных осадков // Оптика атмосферы и океана. 2014. Т. 27. №05. С. 449-455.
3. Barthazy E., Goke S., Schefold R., Hogl D. An Optical Array Instrument for Shape and Fall Velocity Measurements of Hydrometeors // J. Atmos. Ocean. Technol. 2004. V. 21. P. 1400-1416.
4. Глущенко А.С. Исследование оптических свойств дождевых капель и разработка измерительных средств дистанционного определения микроструктуры осадков: Автореф. дис. канд. тех. наук. М.: МГАПИ, 2005. 143 с.
5. Пат. 2617033 РФ. МПК G01W 1/14. Способ калибровки оптического измерителя осадков / Азбукин А.А. Кальчихин В.В., Корольков В.А., Тихомиров А.А.; заявитель и патентообладатель Ин-т мониторинга климатических и экологических систем; Сибаналитприбор. - №2016108180; заявл. 09.03.2016; опубл. 19.04.2017, Бюл. №8.