現(xiàn)代精密工程測(cè)量技術(shù)及儀器VIP

1、現(xiàn)代精密工程測(cè)量技術(shù)及儀器【摘 要】在現(xiàn)代工程測(cè)量中，由于工程的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求越來(lái)越高，相應(yīng)地對(duì)測(cè)量也提出更高的要求。本文總結(jié)了現(xiàn)代精密工程測(cè)量中的常見(jiàn)技術(shù)及設(shè)備，具有一定的參考價(jià)值。【關(guān)鍵詞】精密工程測(cè)量；工業(yè)測(cè)量系統(tǒng)；激光跟蹤儀；激光掃描儀；全站儀Abstract: Measuring is required more precise as the result of the higher technology index inengineering surveying nowadays. Several general technologies and instruments of p

2、recise engineeringsurveying were summarized in the paper to supply a valuable reference.Key words: precise engineering surveying; industrial measuring systems; laser tracker; laser scanner;total station1 引言伴隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，設(shè)計(jì)、制造及工藝水平得到了極大的的提高。在高精度測(cè)量、檢測(cè)領(lǐng)域中的的測(cè)量設(shè)備、測(cè)量手段及測(cè)量方法也得到迅速發(fā)展1。新的更高精度的精密工程測(cè)量硬件設(shè)備相繼面世，

3、軟件也不斷完善，并很快應(yīng)用于精密工程測(cè)量的各個(gè)領(lǐng)域，使現(xiàn)代精密工程測(cè)量的手段和方法發(fā)生了突破性的變化。繼高精度的經(jīng)緯儀、測(cè)距儀問(wèn)世以后，在20 世紀(jì)80 年代后期出現(xiàn)了先進(jìn)技術(shù)高度集成的高精度、自動(dòng)化的全站儀以及激光跟蹤儀。這些儀器使用方便，自動(dòng)化程度高，而且具有很高的測(cè)量精度。在角度測(cè)量方面，以Leica TDM5005 為首的最高測(cè)量精度達(dá)到了0.5，采用干涉法原理的激光跟蹤儀距離測(cè)量精度達(dá)到了微米級(jí)，比如Leica 絕對(duì)跟蹤儀的干涉距離精度是±0.5m/m 。這些高精度、自動(dòng)化的測(cè)量設(shè)備在大型精密工程測(cè)量的諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。例如，將高精度的LTD500 激光跟蹤儀以及

4、TDM5005 全站儀應(yīng)用于上海光源工程，其精密控制網(wǎng)精度達(dá)±0.3 mm，設(shè)備定位精度優(yōu)于±0.2 mm，200m 直線段漂移管直線精度達(dá)±0.1mm2。將高精度的自動(dòng)化全站儀應(yīng)用于水庫(kù)大壩變形監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了大壩變形的定期實(shí)時(shí)不間斷自動(dòng)監(jiān)測(cè)，并可獲得亞毫米級(jí)的點(diǎn)位測(cè)量精度，為大壩變形提供了詳細(xì)的監(jiān)測(cè)及預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)。我國(guó)首先于20 世紀(jì)90 年代中期引進(jìn)激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)，將其應(yīng)用于飛機(jī)、船舶等大型制造業(yè)的計(jì)量檢測(cè)中1，隨后將其應(yīng)用到了加速器工程測(cè)量中，作為加速器工程準(zhǔn)直測(cè)量的主要儀器，從根本上改變了加速器工程準(zhǔn)直測(cè)量傳統(tǒng)的測(cè)量方法和技術(shù)手段。2 傳統(tǒng)技術(shù)及儀器2.1 測(cè)

5、距儀距離測(cè)量從原理上可分為脈沖法、相位法和干涉法，這些方法在常規(guī)工程測(cè)量及精密工程測(cè)量中均有較廣泛的應(yīng)用。脈沖法測(cè)量距離最遠(yuǎn)，但缺點(diǎn)是精度低，滿足不了精密工程測(cè)量的要求。相位法精度相比脈沖法較高，在精密測(cè)量中經(jīng)常使用。干涉法測(cè)距精度最高，在精密工程測(cè)量領(lǐng)域應(yīng)用最為普遍，激光跟蹤儀是最典型的干涉法測(cè)距儀器。就目前的測(cè)距儀器而言，測(cè)程可以從幾厘米到幾十千米，精度可以達(dá)到毫米級(jí)，在大氣條件較好的近距離測(cè)量中可以達(dá)到亞毫米級(jí)甚至微米級(jí)的測(cè)量精度1。精密工程測(cè)量中，傳統(tǒng)的高精度距離測(cè)量方法主要是因瓦尺量距（DistInvar 測(cè)距）。由于自動(dòng)化程度低、勞動(dòng)量大，伴隨光電技術(shù)的不斷發(fā)展出現(xiàn)了精度更高、速度

6、更快、操作更方便的電子測(cè)距儀。電子測(cè)距儀的出現(xiàn)，不僅可以代替因瓦尺量距，而且使測(cè)量工作變得非常簡(jiǎn)單，提高了工作效率，還可獲取更高精度的測(cè)量成果。由于激光具有能量集中、單色性好、方向性好、不易發(fā)散的特點(diǎn)，在距離測(cè)量方面有極大的優(yōu)勢(shì)，激光測(cè)距儀由此誕生。精密激光測(cè)距儀ME5000 以及雙頻激光干涉儀ML10gold 都是這類(lèi)儀器的典型代表，另外出現(xiàn)了一種基于多普勒效應(yīng)的雙頻激光干涉儀，精度能達(dá)到0.01m。3激光干涉儀采用干涉原理測(cè)距，以干涉條紋作為距離的最小計(jì)量單位，測(cè)量分辨率可以達(dá)到亞毫米級(jí)甚至微米級(jí)。目前國(guó)外生產(chǎn)激光干涉儀的公司有美國(guó)的Aglen(前身為HP)、ZYGO、英國(guó)的Renisha

7、w 等公司4。這些產(chǎn)品各具特點(diǎn)，售價(jià)也都很昂貴。圖 1 干涉儀測(cè)距原理2.2 經(jīng)緯儀經(jīng)緯儀一直是角度測(cè)量的基本工具，目前測(cè)角精度能達(dá)到亞秒級(jí)。電子經(jīng)緯儀在度盤(pán)分劃、測(cè)微方式、讀數(shù)方式、照準(zhǔn)方式等實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化，消除了中間環(huán)節(jié)引起的誤差并實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)誤差的軟改正，可以得到比光學(xué)經(jīng)緯儀更高的測(cè)量精度，因此取代了傳統(tǒng)的光學(xué)經(jīng)緯儀，在精密工程測(cè)量中得到了廣泛的應(yīng)用。目前的電子經(jīng)緯儀逐漸實(shí)現(xiàn)了馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別等功能，更多地減少了測(cè)量中的人工干預(yù)。由于全站儀將測(cè)角和測(cè)距功能集成，其測(cè)角精度達(dá)到了經(jīng)緯儀的測(cè)量精度，因此已經(jīng)很少單獨(dú)使用經(jīng)緯儀。2.3 全站儀全站儀也稱(chēng)之為電子速測(cè)儀，是一種兼有電子測(cè)距、電子

8、測(cè)角、計(jì)算和數(shù)據(jù)自動(dòng)記錄及傳輸功能的自動(dòng)化、數(shù)字化的三維坐標(biāo)測(cè)量與定位系統(tǒng)。它是測(cè)角與測(cè)距功能的高度集成精度較高，在生產(chǎn)實(shí)踐等諸多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，比如控制測(cè)量、地形測(cè)量、地籍與房產(chǎn)測(cè)量、施工放樣、工業(yè)測(cè)量和海洋定位等。全站儀不只是測(cè)距儀和經(jīng)緯儀硬件功能的結(jié)合，其測(cè)量精度也實(shí)現(xiàn)了兩者的較好結(jié)合，最新的全站儀還融合了自動(dòng)目標(biāo)照準(zhǔn)和跟蹤的功能，利用最新科技造就快速、易用、精確的單人測(cè)量系統(tǒng)。Leica、索佳、天寶等公司均生產(chǎn)研制這類(lèi)儀器，表1 列出了索佳SRX 系列全站儀的精度指標(biāo)。表 1 索佳SRX 全站儀精度指標(biāo)2.4 水準(zhǔn)儀繼傳統(tǒng)的光學(xué)水準(zhǔn)測(cè)量后，誕生了現(xiàn)代高精度數(shù)字水準(zhǔn)儀技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了水

9、準(zhǔn)測(cè)量的電子化、自動(dòng)化，使得讀數(shù)、數(shù)據(jù)記錄及后處理更加智能。1）電子水準(zhǔn)儀在傳統(tǒng)普通光學(xué)水準(zhǔn)儀的基礎(chǔ)上，融合最新計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖像獲取及處理技術(shù)，并匹配與之對(duì)應(yīng)的數(shù)字條形編碼水準(zhǔn)標(biāo)尺，就構(gòu)成了電子水準(zhǔn)儀測(cè)量系統(tǒng)。水準(zhǔn)儀通過(guò)攝取標(biāo)尺圖像并與內(nèi)部存儲(chǔ)的編碼進(jìn)行匹配，實(shí)現(xiàn)了水準(zhǔn)儀讀數(shù)的自動(dòng)化。因?yàn)閷?shí)現(xiàn)了自動(dòng)讀數(shù)，消除了人工讀數(shù)產(chǎn)生的視覺(jué)誤差，并且技術(shù)的融合對(duì)各項(xiàng)系統(tǒng)誤差進(jìn)行了軟改正，電子水準(zhǔn)儀水準(zhǔn)測(cè)量可以達(dá)到很高的測(cè)量精度，可以代替常規(guī)的高精度光學(xué)水準(zhǔn)儀。2）液體靜力水準(zhǔn)儀液體靜力水準(zhǔn)儀的結(jié)構(gòu)原理如圖2，當(dāng)兩地點(diǎn)的高程變化時(shí)，容器內(nèi)的液面高度會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)傳感器可以感知變化量，由此得出高程變化值5。

10、液體靜力水準(zhǔn)儀根據(jù)原理的不同分為連通管系統(tǒng)和差壓系統(tǒng)6。圖 2 液體靜力水準(zhǔn)儀通過(guò)改進(jìn)靜力水準(zhǔn)儀的高差探測(cè)系統(tǒng)，采用超聲傳感器及激光等技術(shù)，使得靜力水準(zhǔn)儀對(duì)高差的分辨率已經(jīng)達(dá)到亞微米級(jí)的測(cè)量精度。雙液體靜力水準(zhǔn)儀在同一儀器中裝入兩種液體，利用差分法測(cè)量高差，還可以消除外界溫度、氣壓梯度等因素對(duì)靜力水準(zhǔn)測(cè)量精度的影響，可以獲取更高的高差測(cè)量精度1。3 激光測(cè)量?jī)x器及技術(shù)3.1 激光跟蹤儀圖3 描述了激光跟蹤儀測(cè)量原理，通過(guò)極坐標(biāo)法測(cè)得空間點(diǎn)的三維坐標(biāo)。目前激光跟蹤系統(tǒng)有兩種測(cè)量模式，一種是干涉法距離測(cè)量模式（IFM），另一種是絕對(duì)距離測(cè)量模式（ADM）。干涉法測(cè)量模式是由激光器發(fā)出一束激光，經(jīng)過(guò)

11、干涉光路、半透半反鏡，以及可在水平和垂直方向轉(zhuǎn)動(dòng)的雙軸轉(zhuǎn)鏡，射向目標(biāo)反射器。入射光線原路返回，在半透半反鏡的作用下一部分光束進(jìn)入干涉光路，與參考光束進(jìn)行干涉，測(cè)量目標(biāo)位置的改變量；另一束光進(jìn)入位置檢測(cè)器，測(cè)出進(jìn)入逆反射器的入射光束與逆反射器主光軸的偏差，將此偏差信號(hào)輸入控制電路，并由馬達(dá)驅(qū)動(dòng)雙軸轉(zhuǎn)鏡沿水平軸和垂直軸旋轉(zhuǎn)，使激光始終入射到反射器，從而實(shí)現(xiàn)激光跟蹤儀對(duì)目標(biāo)的連續(xù)跟蹤。如果在跟蹤過(guò)程中激光被打斷，則需要將反射器放回鳥(niǎo)巢初始化，然后重新測(cè)量。而絕對(duì)距離測(cè)量模式則是采用了一種“相位偏移”技術(shù)計(jì)算出雙軸轉(zhuǎn)鏡到斷光處的距離，當(dāng)反射器接收到激光后自動(dòng)初始化距離參數(shù)，從而繼續(xù)測(cè)量。國(guó)外激光跟蹤儀

12、生產(chǎn)公司主要有瑞士Leica、美國(guó)Faro 和API 公司。圖3 激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)原理激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)與常規(guī)經(jīng)緯儀測(cè)量系統(tǒng)不同，它的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果與操作人員無(wú)關(guān)，不需人員瞄準(zhǔn)即可全自動(dòng)跟蹤反射裝置。激光跟蹤測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量速度是其它系統(tǒng)無(wú)法比擬的，每秒讀數(shù)可達(dá)1000 次，特別適合于動(dòng)態(tài)目標(biāo)的檢測(cè)。這種快速、動(dòng)態(tài)、遠(yuǎn)距離、高準(zhǔn)確度的特點(diǎn)使其在飛機(jī)、汽車(chē)和輪船部件的外形測(cè)量、飛機(jī)裝配型架等設(shè)備及核工業(yè)精密設(shè)備的安裝測(cè)量方面有廣泛應(yīng)用。激光跟蹤儀測(cè)角精度較低，但測(cè)距精度是最高的，其采用干涉法測(cè)距，測(cè)距范圍從幾米到幾十米。表2 給出了Leica 絕對(duì)跟蹤儀的精度指標(biāo)。表2 Leica 絕對(duì)跟蹤儀精度指

13、標(biāo)3.2 激光掃描儀工程測(cè)量中的激光掃描儀測(cè)距范圍能從幾米到幾千米，通過(guò)提高測(cè)距調(diào)制信號(hào)的頻率（達(dá)到100GHz），在無(wú)合作目標(biāo)的情況下測(cè)量精度可以達(dá)到微米量級(jí)。目前國(guó)際上生產(chǎn)掃描儀的公司主要有Optech、Leica、Trimble、Faro 以及Rigel 等，比如Leica 的ScanStation2 脈沖型掃描儀，掃描速度達(dá)到5 萬(wàn)點(diǎn)/秒，測(cè)程達(dá)到300m, 如圖3。由于其具有先進(jìn)的計(jì)時(shí)器，通過(guò)徠卡專(zhuān)利技術(shù)的微芯片激光器，能完成高精度、低噪音的距離測(cè)量。由于激光掃描儀測(cè)程遠(yuǎn)，速度快、精度高，因此它在地形測(cè)量和現(xiàn)狀測(cè)量工程項(xiàng)目中具有很大的優(yōu)勢(shì)。1.圖 3 ScanStation24 其他

14、測(cè)量技術(shù)4.1 準(zhǔn)直測(cè)量用于建立水平的或豎直的基準(zhǔn)線或基準(zhǔn)面，測(cè)量目標(biāo)點(diǎn)相對(duì)于基線（或基準(zhǔn)面）的偏距（垂距），稱(chēng)為基準(zhǔn)線測(cè)量或準(zhǔn)直測(cè)量4。準(zhǔn)直測(cè)量方式主要有波帶板準(zhǔn)直和激光束準(zhǔn)直。激光束準(zhǔn)直測(cè)量范圍一般小于10m，精度在1/100 000 左右，存在激光束漂移。波帶板是常用的直線準(zhǔn)直測(cè)量手段，采用三角法測(cè)量原理，精度達(dá)1/1000 000，但該法需要大量的人工干預(yù)。隨著傳感器的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，準(zhǔn)直測(cè)量中也充分應(yīng)用了傳感器技術(shù)，出現(xiàn)了電場(chǎng)式引張線直線準(zhǔn)直系統(tǒng)及CCD 感應(yīng)激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)。準(zhǔn)直測(cè)量?jī)x器較多，比如金屬絲引張線、激光準(zhǔn)直儀、鉛垂儀、自準(zhǔn)直儀以及尼龍絲等。1）電場(chǎng)式引張線直線準(zhǔn)直測(cè)量系

15、統(tǒng)在兩點(diǎn)引張一條細(xì)鋼絲，給鋼絲引入強(qiáng)電流，鋼絲周?chē)蜁?huì)產(chǎn)生柱狀空間電場(chǎng)，在需要準(zhǔn)直的位置安裝上電場(chǎng)感應(yīng)傳感器，通過(guò)測(cè)量傳感器感應(yīng)到的電場(chǎng)強(qiáng)度的變化量即可得到垂直偏離值。由于引張線不受氣流的影響，其測(cè)量精度優(yōu)于0.1mm。2）CCD 感應(yīng)激光準(zhǔn)直測(cè)量系統(tǒng)該測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射一束激光作為基準(zhǔn)直線，在需要準(zhǔn)直的位置安裝CCD 攝像頭，通過(guò)攝取激光束的像，經(jīng)過(guò)圖像處理即可得到豎向和橫向的垂直偏離值。4.2 傾斜測(cè)量由于儀器安置并不能?chē)?yán)格保證垂直軸鉛垂，所以在測(cè)角時(shí)需要進(jìn)行傾斜測(cè)量及補(bǔ)償。這類(lèi)儀器有專(zhuān)用傾斜測(cè)量?jī)x，如徠卡的Nivel 20 傾斜測(cè)量?jī)x。傾斜儀與計(jì)算機(jī)連接起來(lái)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)物體兩個(gè)方向上的傾斜量，并可獲得0.3的傾斜測(cè)量精度1。5 結(jié)束語(yǔ)綜上所述，精密工程測(cè)量技術(shù)及儀器隨著科學(xué)的進(jìn)步而不斷發(fā)展，在檢測(cè)、設(shè)計(jì)、制造及工藝上已經(jīng)達(dá)到很高的水平7。但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，各種工程建設(shè)規(guī)模巨大，高精度特種工程越來(lái)越多，對(duì)測(cè)量的精度、速度、可靠度以及可操作性等方面提出了更高的要求，精密測(cè)量技術(shù)及硬件設(shè)備將有更大的發(fā)展空間。參考文獻(xiàn)1 陳繼華激光跟蹤儀和全站儀測(cè)量系統(tǒng)在上海光源（SSRF）工程中的應(yīng)用研究D信息工程大學(xué)測(cè)繪學(xué)院，20012 張正祿工程測(cè)量學(xué)的發(fā)展評(píng)述(續(xù))J測(cè)繪通報(bào)，2000，（2）：9-103 所睿，范志軍