JJF(桂) 164-2025 便携式面结构光扫描三维测量仪校准规范

广西壮族自治区地方计量技术规范

JJF(桂)164—2025

便携式面结构光扫描三维测量仪校准规范

Calibration Specification for Portable 3D Measuring Instruments Based on Structured Light Scanning

广西壮族自治区市场监督管理局发布

本规范经广西壮族自治区市场监督管理局于 2025 年 8 月 19 日批准，并自 2025 年 10 月 15 日起施行。

归口单位：广西壮族自治区市场监督管理局

主要起草单位：桂林市计量测试研究所

参加起草单位：桂林量具刃具有限责任公司

本规范委托桂林市计量测试研究所负责解释

本规范主要起草人：

张桂琼(桂林市计量测试研究所)

冯云(桂林量具刃具有限责任公司)秦王丹(桂林市计量测试研究所)

伍荣誉(桂林量具刃具有限责任公司)参加起草人：

章翌(桂林量具刃具有限责任公司)李佩伍(桂林量具刃具有限责任公司)

 

目录

引言 IV

1 范围 1

2 引用文件 1

3 术语和计量单位 1

3.1 点云数据 point cloud data 1

3.2 平板 flat 1

3.3 阶梯块 ladder block 1

3.4 球板 ball racket 1

3.5 结构光 structured light 1

3.6 平板探测误差Pd flat panel detection error 2

3.7 阶梯块探测误差Ph ladder block detection error 2

3.8 球形状探测误差Ps ball shape detection error 2

4 概述 2

5 计量特性 2

5.1 平板探测误差Pd 2

5.2 阶梯块探测误差Ph 2

5.3 球形状探测误差Ps 2

6 校准条件 3

6.1 环境条件 3

6.2 校准用软件 3

7 校准方法 3

7.1 平板探测误差Pd 3

7.2 阶梯块探测误差Ph 4

7.3 球形状探测误差Ps 4

8 复校时间间隔 5

附录 Λ 6

II

附录 B 10

附录 C 14

附录 D 18

附录 E 19

III

引言

本规范依据 JJF 1071-2010《国家计量校准规范编写规则》、JJF 1001-2011《通用计量术语及定义》、JJF 1059.1-2012《测量不确定度评定与表示》编写。

本规范参照 JJF 1951-2021《基于结构光扫描的光学三维测量系统校准规范》、JJF (军工)116-2016《三维轮廓光学扫描测量仪校准规范》、VDI/VDE2634.2-2012《光学三维测量系统：第 2 部分：基于区域扫描的光学系统》、VDI/VDE2634.3-2008《光学三维测量系统：第 3 部分：基于区域扫描的多视角系统》等计量性能的规定。

其中，平板探测误差、阶梯块探测误差和球形状探测误差等计量特性及校准方法与上述标准一致。

本规范为首次制定。

IV

1 范围

本规范适用于便携式面结构光扫描三维测量仪(以下简称“测量仪 ”)的校准。

2 引用文件

本规范引用了下列文件：

JJF 1951-2021 基于结构光扫描的光学三维测量系统校准规范

JJF(军工)116-2016 三维轮廓光学扫描测量仪校准规范

VDI/VDE2634.2-2012 光学三维测量系统：第 2 部分：基于区域扫描的光学系统

VDI/VDE2634.3-2008 光学三维测量系统：第 3 部分：基于区域扫描的多视角系统

凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于该规范;凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本规范。

3 术语和计量单位

下列术语和定义适用于本规范。

3.1 点云数据 point cloud data

测量获得的物体表面特征信息，且无序的空间坐标点集合。

3.2 平板 flat

一系列平面度不等的标准量具。

3.3 阶梯块 ladder block

由高度不等、平行且具有高平面度阶梯面组成的标准量具。

3.4 球板 ball racket

由直径不等的标准球固定在底板上组成的标准量具。

3.5 结构光 structured light

由光学投影设备投射具有特定图案的光束。

1

3.6 平板探测误差Pd flat panel detection error

测量仪测得的平面度与参考值之差。

3.7 阶梯块探测误差Ph ladder block detection error

测量仪测得的阶梯高度值与参考值之差。

3.8 球形状探测误差Ps ball shape detection error测量仪测得的球形状测量值与参考值之差。

4 概述

相机相机仪

测量仪是通过向被测物体表面投射结构光，采集经被测物体表面特征调制后的变形条纹相关信息，并进行点云数据处理的一种非接触测量设备。其主要由数字投影装置、相机、标定板和测量软件等组成。测量仪通常在测量时会改变与被测物体的相对位置以获得多个位姿下多个视角的点云数据，随后将点云变换到统一的坐标系下进行数据处理。测量仪可通过手持移动获得点云数据，也可搭载机械臂等实现点云数据的获取。典型的测量仪基本组成如图 1 所示。

投影仪

投影仪相机投影

相机投影仪

2

5 计量特性

5.1 平板探测误差Pd

5.2 阶梯块探测误差

5.3 球形状探测误差

 

图 1 测量仪基本组成示意图

Ph

P

s

6 校准条件

6.1 环境条件

测量仪校准的环境条件应满足以下要求：

环境温度：(20±5) ℃;相对湿度：不大于 75%;校准过程中环境的振动、光照变化、电磁干扰等应在不确定度中考虑。测量过程中不应有影响测量的其他环境因素。

校准中如更换相机和投影仪镜头、测量范围等， 应先对测量系统内部控制参数进行调整确认，确保计量特性可校准。

6.2 校准用软件

6.2.1 校准过程中应使用设备的配套数据采集与处理软件。

6.2.2 校准过程中，仪器设备应设定曝光强度、测量角度、拟合算法等。

注：

1 需要进行曝光强度设定时，应当按照说明书进行。如制造商未规定这些参数，则可忽略不计。

2 点云数据量大时，可进行点云稀疏。

6.2.3 校准用标准器

表 1 校准用标准器表

校准项目

校准标准器

参考技术参数

平板探测误差Pd

平板

不小于测量仪测量范围 30%的平板，平面度不低于测量仪精度的三分之一

阶梯块探测误差Ph

阶梯块

不小于测量仪测量范围 30%的阶梯块，高度精度不低于测量仪精度的三分之一

球形状探测误差Ps

球板

不小于测量仪测量范围 30%的球板，球形状精度不低于测量仪精度的三分之一

7 校准方法

7.1 平板探测误差Pd

将平板放置在检测平台上，测量仪扫描平板的工作面，获取平板工作面的点云数据，

3

计算该工作面的平面度。

平板探测误差为测量仪测得值与参考值之差。

Pd = dm _ da (2)

式中：

Pd ——平板探测误差，mm;

dm ——测得值，mm;

da ——参考值，mm。

7.2 阶梯块探测误差Ph

将阶梯块放置在检测平台上，使得其表面轮廓尽可能的被完全扫描到，测量仪扫描获取阶梯块的阶梯高度信息，拟合每个阶梯的平面，计算第 i 个阶梯的高度值hmi。阶梯块示意图如图 2 所示。

图 2 阶梯块示意图

高度误差Phi 为测量仪测得值hmi 与参考值之差hai，按公式(2)计算：

Phi = hmi _ hai (3)

式中：i 代表测量阶梯的位置，i = 1, 2, , n。

取高度误差Phi 的绝对值最大值作为阶梯块探测误差。

7.3 球形状探测误差Ps

将球板放置在检测平台上，使得球板上的每个标准球表面轮廓尽可能的被完全测量到，测量仪扫描获取球板的表面信息，分别对每个标准球点云进行计算，得到第 i 个拟

4

合球的球心。

球形状误差Psi 为测量仪测得值smi 与参考值之差sai，按公式(2)计算：

Psi = smi _ sai (4)

式中：i 代表测量球的位置，i = 1, 2, , n。

取球形状误差Psi 的绝对值最大值作为球形状探测误差。

8 复校时间间隔

复校时间间隔根据仪器实际使用情况决定，建议一般不超过 1 年。

5

附录 A

平面探测误差不确定度评定示例

A.1 测量方法

选用便携式测量系统，其测量空间范围为φ300mm×200mm，平面探测最大允许误差±0.02mm。选用尺寸为 100mm×80mm×10mm 的标准平面。在整个测量范围内， 按照 7.1 的规定，采用普通测量模式、全视场测量模式和单视角测量模式。

标准平面的平面度参考值为 0.019mm，测量不确定度为 5.0 μm，线膨胀系数为(8 ±1) × 10_6 ℃_1，测量时环境温度为(20 ± 5) ℃, 温度测量误差优于±0.5℃ , 结构光系统具有温度补偿功能。无其他明显的影响因素。

A.2 测量模型：

由测量原理和方法，得到测量模型：

Pd = dm _ da (A.1)

A.3 合成标准不确定度计算

由式(A.1)可得：

由于各分量彼此独立，根据不确定度传播率：

uc(2) (Pd) = u2 (Pd) + u2 (Pa) (A.3)

6

u (Pd)——测量重复性引入的标准不确定度;

u (Pa)——标准器具引入的标准不确定度。

A.4 标准不确定度

A.4.1、测量重复性引入的标准不确定度

表 A.1 中列出了平面探测误差的 15 次测量结果，测量结果的实验标准差为：

表 A.1 15 次平面探测误差的测量结果

测量次数

测量结果/mm

0.033

0.032

0.031

7

8

9

10

11

12

13

14

15

实验标准差(mm)

0.0064

则重复性引入的标准不确定度u (Pd)为：

A.4.2、标准器具引入的标准不确定度

A.4.2.1、标准平面引入的标准不确定度

平面度参考值测量不确定度为 5.0μm，包含因子 k = 2，则

A.4.2.2、标准平面温度变化引入的标准不确定度

标准平面的线膨胀系数为(8 ±1) × 10_6 ℃_1，标准平面的尺寸不大于 100mm，温度测

量误差为±0.5℃ ,按均匀分布处理，则

A.4.2.3、标准平面线膨胀系数引入的标准不确定度

标准平面的线膨胀系数为(8 ±1) × 10_6 ℃_1，在半宽区间1× 10_6 ℃_1 内服从均匀分布，实验室环境温度按平均偏离 5℃估计，则：

A.5 合成标准不确定度

标准平面校准结果的测量不确定度的来源及数值汇总于表 A.2 中。

表 A.2 标准不确定度汇总表

序号

不确定度来源

符号

标准不确定度分量/μm

测量重复性引入的标准不确定度

u (Pd)

0.17

标准平面参考值引入的标准不确定度

u1 (Pa)

2.5

标准平面温度变化引入的标准不确定度

u2 (Pa)

0.23

标准平面线膨胀系数引入的标准不确定度

u3 (Pa)

0.20

由于表 A.2 中各不确定度相互独立，故合成标准不确定度为：

uc (Pd) = ·u2 (Pd) + u12 (Pa) + u22 (Pa) + u3(2) (Pa) = 0.172 + 2.52 + 0.232 + 0.202 ≈ 2.52μm

附录 B

阶梯块探测误差不确定度评定示例

B.1 测量方法

选用便携式测量系统，其测量空间范围为φ300mm×200mm，阶梯块探测最大允许误差±0.02mm。选用尺寸为 100mm×100mm×150mm，高度值分别为 5mm、10mm、 15mm、20mm、25mm、31mm、38mm、46mm、55mm、65mm、80mm、95mm、

110mm、130mm 和 150mm 的标准阶梯块。在整个测量范围内，按照 7.2 的规定，采用普通测量模式、全视场测量模式和单视角测量模式。

阶梯块的参考总高度值为 875mm，测量不确定为 5.0 μ m， 线膨胀系数为

(8 ±1) × 10_6 ℃_1，测量时环境温度为(20 ± 5) ℃, 温度测量误差优于±0.5℃具有温度补偿功能。无其他明显的影响因素。

B.2 测量模型：

Ph = MAX(Phi) = MAX(hmi _ hai )式中：

Phi ——第 i 个阶梯的高度探测误差，mm;

hmi ——第 i 个阶梯的高度测得值，mm;

hai ——第 i 个阶梯的高度参考值，mm。

B.3 合成标准不确定度计算

由式(B.1)可得：

uc (Ph) = MAX[u(Phi )] = MAX[u2 (Phi) + u2 (Pa)]由于各分量彼此独立，根据不确定度传播率：

, 结构光系统

(B.1)

(B.2)

uc(2) (Ph) = u2 (Phi) + u2 (Pa)

(B.3)

u (Phi)——测量重复性引入的标准不确定度;

B.4 标准不确定度

B.4.1、测量重复性引入的标准不确定度

表 B.1 中列出了阶梯块探测误差的 15 次测量结果，测量结果的实验标准差为：

表 B.1 15 次阶梯块探测误差的测量结果

0.012

0.010

0.011

0.013

0.0014

则重复性引入的 A 类标准不确定度u (Phi)为：

B.4.2、标准器具引入的标准不确定度

B.4.2.1、阶梯块温度变化引入的标准不确定度

阶梯块参考值测量不确定度为 5.0μm，包含因子 k = 2，则

B.4.2.2、阶梯块温度变化引入的标准不确定度

阶梯块的线膨胀系数为(8 ±1) × 10_6 ℃_1，阶梯高度总和为 875mm，温度测量误差为

±0.5℃ ,按均匀分布处理，则

B.4.2.3、阶梯块线膨胀系数引入的标准不确定度

阶梯块的线膨胀系数为(8 ±1) × 10_6 ℃_1，在半宽区间1× 10_6 ℃_1 内服从均匀分布，实验室环境温度按平均偏离 5℃估计，则：

B.5 合成标准不确定度

阶梯块校准结果的测量不确定度的来源及数值汇总于表 B.2 中。

表 B.2 标准不确定度汇总表

u (Phi)

0.36

阶梯块参考值引入的不确定度

阶梯块温度变化引入的标准不确定度

2.02

阶梯块线膨胀系数引入的标准不确定度

1.79

由于表 B.2 中各不确定度相互独立，故合成标准不确定度为：

uc (Ph) = ·u2 (Phi) + u12 (Pa) + u22 (Pa) + u3(2) (Pa) = ·0.362 + 2.52 + 2.022 +1.792 ≈ 3.70μm

附录 C

球形状探测误差不确定度评定示例

C.1 测量方法

选用便携式测量系统，其测量空间范围为φ300mm×200mm，球形状探测最大允许误差±0.02mm。选用尺寸为 200mm×200mm×200mm，球个数为 9，最大直径为 50.8mm的标准球板。在整个测量范围内，按照 7.3 的规定，采用普通测量模式、全视场测量模式和单视角测量模式。

最大球直径参考值为 50.8028mm，测量不确定度为 5.0 μm，球的线膨胀系数为

C.2 测量模型：

Ps = MAX(Psi) = MAX(smi _ sai )式中：

Psi ——第 i 个球的球形状探测误差，mm;

smi ——第 i 个球的球形状测得值，mm;

sai ——第 i 个球的球形状参考值，mm。

C.3 合成标准不确定度计算

由式(C.1)可得：

uc (Ps) = MAX[u(Psi )] = MAX[u2 (Psi) + u2 (Ps)]由于各分量彼此独立，根据不确定度传播率：

uc(2) (Ps) = u2 (Psi) + u2 (Pa)

(C.1)

(C.2)

(C.3)

u (Psi)——测量重复性引入的标准不确定度;

C.4 标准不确定度

C.4.1、测量重复性引入的标准不确定度

表 C.1 中列出了球形状探测误差的 15 次测量结果，测量结果的实验标准差为：

表 C.1 15 次球形状探测误差的测量结果

0.022

0.021

0.020

0.023

0.00103

则重复性引入的 A 类标准不确定度u (Psi)为：

C.4.2、标准器具引入的标准不确定度

B.4.2.1、球板参考值引入的标准不确定度

球直径参考值测量不确定度为 5.0μm，包含因子 k = 2，则

C.4.2.2、球板温度变化引入的标准不确定度

球板的线膨胀系数为(8 ±1) × 10_6 ℃_1，球直径不大于 50.8028mm，温度测量误差为

C.4.2.2、阶梯块线膨胀系数引入的标准不确定度

球板的线膨胀系数为(8 ±1) × 10_6 ℃_1，在半宽区间1× 10_6 ℃_1 内服从均匀分布，实验室环境温度按平均偏离 5℃估计，则：

C.5 合成标准不确定度

球板校准结果的测量不确定度的来源及数值汇总于表 C.2 中。

表 C.2 标准不确定度汇总表

u (Psi)

0.27

球板参考值引入的不确定度

16

球板温度变化引入的标准不确定度

0.12

球板线膨胀系数引入的标准不确定度

0.16

由于表 C.2 中各不确定度相互独立，故合成标准不确定度为：

uc (Ps) = ·u2 (Psi) + u12 (Pa) + u22 (Pa) + u3(2) (Pa) = ·0.272 + 2.52 + 0.122 + 0.162 ≈ 2.52μm

17

附录 D

校准结果表达

校准结束后应出具校准证书，校准证书应准确、客观的反应校准结果。校准证书应至少包括如下信息：

a)标题，如“校准证书 ”;

b)实验室名称和地址;

c)进行校准的地点;

d)证书的唯一性标识，每页及总页数的标识;

e)客户的名称和地址;

f)被校对象的描述和明确标识;

g)进行校准的日期;

h)校准所依据的技术规范的标识，包括名称及代号;

i)本次校准所用测量标准的溯源性及有效性说明;

j)校准环境的描述;

k)校准结果及测量不确定度的说明;

l)对校准规范的偏离的说明;

m)校准证书签发人的签名或等效标识;

n)校准结果仅是对被校对象有效的声明;

o)未经实验室书面批准，不得部分复制证明的声明。

18

附录 E

校准证书(内页)内容

校准用主要计量标准器具：

委托单位：

证书编号：

委托单位地址：

校准依据：

仪器名称：

型号规格：

出厂编号：

制造单位：

温度: ℃

相对湿度: %

校准地点：

校准日期： 年月日

名称

型号规格

出厂编号

不确定度/准确度等级/最大允许误差

证书编号

有效期至

校准结果：

校准结果/μm

测量结果不确定度/μm