（机械制造及其自动化专业论文）油气管线快速替换测量技术及误差分析.pdf

l 。 c i a s s i f i e di n d e x ：th 聒2 s e c u r i t yc l a s s i f i c a t i o n ： u d c ： 厶2 i - is e c u r i t yp e r i o d ： d i s s e r t a t i o nf o rt h em a s t e r sd e g r e e q u i c k l y r e p l a c e a b l em e a s u r i n g t e c h n i q u e a n de r r o ra n a l y s i so f c a n d i d a t e ： s u p e r v i s o r ： s p e c i a l t y ： r e s e a r c hf i e l d ： u n i v e r s i t v ： v s u b m i s s i o nd a t e ： o i l g a sp i p e s r e nr u f e i p r o f w a n gg u i e n g i n e e r i n g d i g i t a ld e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y g u a n g d o n go c e a nu n i v e r s i t y a p r i l2 0 1 0 广东海洋大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：位蛳鼍 2 0f 。年6 月夕日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权广东海洋大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文。 本学位论文属于1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：1 王舢飞 2 0 阳年乡月岁日 导师签名： 烤 2 0 ，口年 夕月 ，日 油气管线快速替换测量技术及误差分析 摘要 中国海洋石油勘探开发已有多年历史，目前海上钻井、采油平台、油气处理终 端等装备中的油气管线常因腐蚀穿孔和工艺改进需要维修、更换。传统维修替换方 法是在停产状态下，将管线隔离、拆除、清洗和接口焊接，维修改造时需投入较大 的人力、物力，且耗时较长；在施工安全上，也存在较多隐患。针对上述问题，本 文基于激光测距原理提出了油气管线快速测量方法。 为实现管线的快速、准确测量，在分析油气管线测量要素的基础上，本文提出 了数学模型和测量方案。利用尼康d t m 5 3 2 c ( 防爆型) 激光全站仪对预制法兰管 段原型进行了实际测量，结合矩阵变换与空间立体几何知识，将测量数据经过数据 处理还原成法兰管段原型尺寸和法兰管段中心轴线图，并将实验结果同预制法兰管 段原始尺寸数据和法兰管段中心线图形对应比较，验证测量方案的准确性和可行 性；分析了影响测量精度的各种因素，对减小测量误差给出了建议。论文的主要研 究工作如下： 1 、在油气管线特征及测量要素分析的基础 二，建立了以管线中心轴线、法兰 面法向直线和螺栓孔定位直线所构成的管线测量数学模型，简称为标准曲线图。采 用立体几何空间位相分析方法完成了对油气管线测量的理论研究，选择尼康 d t m 5 3 2 c ( 防爆型) 激光全站仪进行实际测量，并设计了测量标的物辅助进行数 据采集。 2 、对全站仪采集到的数据进行数据格式转化，得出笛卡尔三维点坐标，利用 测量标的同预制法兰管段的空间位置关系，通过坐标变换，得到预制管线标准曲线 图上关键点位的三维坐标以及构成标准曲线的圆弧圆心角和半径数据等关键数据， 使用这些数据在a u t o c a d 中绘制出预制法兰管段的标准曲线图。将标准曲线图导 入s o l i d w o r k s 对弯管、直管和法兰进行装配，得到预制法兰管段三维实体图，并转 换为二维施工图，对自动标注的尺寸进行调整使之符合工程施工规范。 3 、通过对预制管线实际测量方案分析，找出影响测量精度的因素，包括测量 标的制造误差，测量标的同法兰面的平面度误差等，并提出修正建议。 4 、对比预制法兰管段实际尺寸数据和测量数据处理后得到的结果，两者具有 较好的一致性，并能满足在线测量管线的测量精度要求，表明本文提出的油气管线 快速测量模型和测量方案具有较高的精度和可行性。 5 、针对海上采油平台，本文提出的油气管线快速替换测量方法在实际的法兰 管段替换操作中具有很好的普适性，并在管线改造项目中得到应用，为实现油气管 线离岸制造和现场不停产或短时停产进行管线快速替换提供了科学依据，为减少现 场施工，提高生产安全性提供了保障，具有重大的经济效益和社会效益。 关键词：油气管线，测量模型，数据采集与处理，替换 u q u i c k l y r e p l a c e a b l em e a s u r i n g t e c h n i q u e a n de r r o ra n a l y s i s a b s t r a c t o f f s h o r eo i lh a sb e e ne x p l o r e df o rm a n yy e a r si nc h i n a t h e r ei san e e df o rt h e o i l g a sp i p e so f t h ee q u i p m e n t su s e df o ro f f s h o r ed r i l l i n g ，o i l 。g a s 。w a t e rt r e a t i n ga n du s e d o no i lp r o d u c t i o np l a t f o r mn o w a d a y st ob er e p a i r e da n dr e p l a c e db e c a u s eo fc o r r o s i o n p e r f o r a t i o na n di m p r o v e m e n t i n t e c h n o l o g i e s t h e t r a d i t i o n a lm e t h o du s e df o r m a i n t e n a n c ea n dr e p l a c e m e n ti st oi s o l a t e ，d i s m a n t l ea n dc l e a np i p e l i n e su n d e rt h e c o n d i t i o no fo f fp r o d u c t i o n ，w h i c hi n v o l v e sg r e a t e rh u m a n ，m a t e r i a lr e s o u r c e sa n di s m o r et i m e c o n s u m i n g a sf o rc o n s t r u c t i o ns a f e t y , m u c hh i d d e nt r o u b l ea l s oe x i s t s b a s e d o nt h ea b o v eq u e s t i o n s ，t h i sp a p e rp r e s e n t st h eq u i c km e a s u r i n gt e c h n i q u eo fo i l g a s p i p e sa c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo f l a s e rt e l e m e t e r t oa c h i e v et h eq u i c km e a s u r e m e n to fo i l - g a sp i p e s ，t h ep a p e rp u t sf o r w a r dt h e d i g i t a lm o d e la n dm e a s u r e m e n ts c h e m eb a s e do nt h ea n a l y s i so fm e a s u r ee l e m e n t so f o i l g a sp i p e s p r e f a b r i c a t e df l a n g ep i p es e c t i o n sa r ep r a c t i c a l l yt e s t e dw i t ht h eh e l po f l a s e rt o t a ls t a t i o n n i k o nd t m 5 3 2 c ，i ta l s oi n t r o d u c e st h em e t h o dt ot u r nt h em e a s u r e d d a t ab a c ki n t ot h eo r i g i n a ls i z ea n dt h ec e n t r a l 1 i n es p e c i a lc u r v ed i a g r a mo ff l a n g ep i p e s e c t i o n sb a s e do nt h ed a t aa n a l y s i sw i t ht h eh e l po fm a t r i xt r a n s f o r m a t i o na n ds o l i d g e o m e t r yk n o w l e d g e a n dt h e n ，t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t sw i l lb ec o m p a r e dw i t ht h e d a t ao ft h eo r i g i n a ls i z ea n dt h ec e n t r a l - l i n eg r a p h so fp r e f a b r i c a t e df l a n g ep i p es e c t i o n s t ot e s tt h ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h ee x p e r i m e n t a lm e a s u r i n gs c h e m e t h ep a p e r a l s o a n a l y z e s v a r i o u sf a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n t e x p e r i m e n ta n dg i v e ss o m es u g g e s t i o n sa b o u th o w t or e d u c et h em e a s u r e m e n te r r o r s t h em a i nr e s e a r c hr e s u l t so ft h ep a p e ra r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 ) i td i s c u s s e st h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nt h ef i e l do fn o n - c o n t a c tm e a s u r e m e n ta th o m e a n da b r o a ds y s t e m a t i c a l l ya n di n t r o d u c e st h es c h e m ea n dp r i n c i p l eo fm e a s u r i n g p r e f a b r i c a t e df l a n g ep i p es e c t i o nw i t ht h ee x p e r i m e n t s i ta n a l y s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f f l a n g ep i p es e c t i o na n dm e a s u r ee l e m e n t s ，c o n s t r u c t st h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ff l a n g e d i p es e c t i o n sw h i c hi sc o m p o s e do ft h ec e n t e rc u r v e a n d f l a n g es u r f a c eo ff l a n g e p i p es e c t i o n ，l i n e a ra n db o l th o l el o c a t i o nl i n e a ra n di sc a l l e dt h es t a n d a r dc u r v ef o rs h o r t i tt h e o r e t i c a l l yr e s e a r c h e sh o wt om e a s u r eo i l g a sp i p e sw i t hs o l i dg e o m e t r ya n ds p a c e p h a s ea n di n v o l v e st h ea c t u a l m e a s u r e m e n to ft h el a s e rt o t a ls t a t i o n s w i t hn i k o n d t m 5 3 2 ca n da c q u i s i t i o no ft h ed a t ao fw i t ht h eh e l po fm e a s u r e m e n to b j e c t s 2 、c a r t e s i a i lt h r e e d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t e w h i c hi su s e f u lf o r f u r t h e rd a t a p r o c e s s i n gc a nb eo b t a i n e da f t e rt h ef o r m a tc o n v e r s i o no ft h ed a t aa c q u i r e dw i t ht o t a l s t a t i o n s t h ek e yd a t a ，s u c ha st h et h r e e - d i m e n s i o n a lc o o r d i n a t eo ft h es t a n d a r dc h i v e k e yp o i n t so ft h ep r e f a b r i c a t e dp i p e l i n e s ，t h ec e n t r a la n g l ea n dr a d i u so ft h es t a n d a r d c u r v ec a nb eg o t t e nb yu s i n gt h es p a t i a l r e l a t i o no fm e a s u r e m e n to b je c t s a n d p r e f a b r i c a t e df l a n g ep i p es e c t i o n sa n dt r a n s f o r m i n gc o o r d i n a t e s w i t ht h e s ed a t a ，t h e s t a n d a r dc u r v eo fp r e f a b r i c a t e df l a n g ep i p es e c t i o n sc a nb ed r a w n i na u t o c a d ，w h i c hi s i n t r o d u c e dt os o l i d w o r k st oa s s e m b l eb e n dp i p e s ，s t r a i g h tp i p e sa n df l a n g ep i p e s ，a n dt h e 3 dd r a w i n go ff l a n g ep i p es e c t i o n sc o m e si n t oe x i s t e n c e t h e nt h e3 dd r a w i n g c a nb e t r a n s f o n l l e di n t o2 dw o r k i n gd r a w i n gw i t ht h eh e l po ft h es t a n d a r do r t h o g r a p h i cv i e w si n s o l i d w o r k s t h ea u t o m a t i cw r i t t e nd i m e n s i o n sn e e dt ob ea d ju s t e dt ob ec o n s i s t e n tw i t h t h ec o n s t r u c t i o nn o r m s 3 ) i ts h o w st h ef a c t o r si n f l u e n c i n gt h ea c c u r a c yo ft h em e a s u r e m e n tb a s eo nt h e a n a l y s i so ft h ea c t u a l m e a s u r e m e n to ft h ep r e f a b r i c a t e dp i p e l i n e s ，i n c l u d i n g t h e m a n u f a c t u r i n ge r r o r so fm e a s u r e m e n to b j e c t sa n df l a t n e s se r r o r so f m e a s u r e m e n to b j e c t s a n ds u r f a c e so ff l a n g ep i p e sa n dp u t sf o r w a r d t h es u g g e s t i o n st oa m e n dt h ee r r o r s 4 、i tc o m l ： a r e st h et h e o r e t i c a ls i z eo ff l a n g ep i p es e c t i o n sw i t ht h ef i n d i n g so f e x p e r i m e n t a lm e a s u r e m e n td a t aa n a l y s i st o f i n do u tt h et h e o r yi sc o n s i s t e n tw i t ht h e e x p e r i m e n tf i n d i n g s ，w h i c hm e e t st h ed e m a n d so ft h ea c c u r a c yf o ra c t u a lm e a s u r e m e n t o fp i p e s t h ep a p e rs h o w st h ea c c u r a c ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h em e a s u r e m e n tm o d e lo f o i l g a sp i p e s 5 1t h eq u i c km e a s u r i n gt e c h n i q u eo fo i l g a sp i p e sp o i n t e do u ti nt h ep a p e rp r o v i d e s s c i e n t i f i cb a s i sf o rt h eo f f s h o r em a n u f a c t u r i n g ，o n l i n eo rh a l fo f fp r o d u c t i o nq u i c k r e p l a c e m e n to fp i p e l i n e s ，w h i c hc a np r o v i d eag u a r a n t e ef o rr e d u c i n gf i e l dc o n s t r u c t i o n e n h a n c i n gp r o d u c t i o ns a f e t ya n dh a sg r e a te c o n o m i ca n ds o c i a lb e n e f i t s k e y w o r d s ：o i l g a sp i p e s ，m e a s u r e m e n tm o d e l ，d a t aa c q u i s i t i o n a n dp r o c e s s i n g ， r e p l a c e m e n t i v 目录 1 引言l 1 1 研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 光学法测量3 1 2 2 激光测距仪介绍6 1 2 3 非光学法7 1 2 4 其它测量方法8 1 3 应用前景8 1 4 论文主要研究内容一9 2 替换管线测量的理论分析和测量方案设计1o 2 1 管线测量模型的建立1 0 2 1 1 油气管线特征及测量要素分析1o 2 1 2 油气管线测量数学模型1l 2 2 测量仪器选用12 2 3 测量标的物的设计1 3 2 4 管线快速替换测量方案”1 6 2 5 本章小结- 18 3 数据的采集与处理1 9 3 1 数据处理方法19 3 2 油气管线i 维图绘制2 l 3 3 油气管线施工图绘制2 2 3 4 误差分析与修讵2 2 3 5 本章小结2 4 4 油气管线快速测量实验评价2 5 4 1 预制法兰管段测量要求2 5 4 2 预制法兰管段测量方案2 5 4 3 数据处理2 8 4 4 油气管线三维图绘制3 2 4 5 油气管线施工图绘制3 4 4 6 误差分析与修正3 4 4 7 本章小结3 6 5 结论与讨论3 7 参考文献3 8 攻读硕士学位期间发表的学术论文4 2 致谢4 3 附录“4 4 作者简介5 7 导师简介5 8 广东海洋大学硕士学位论文 1 引言 1 1 研究目的和意义 中国海洋石油勘探开发已有多年历史，目前海上钻井、采油平台、油气处理 终端等装备中的油气管线常因腐蚀穿孔( 图1 1 所示) 或工艺改进需要维修、更换。 通过中国海洋石油公司湛江分公司调研情况发现，海上钻井，采油平台，油气处 理终端等装备中的油气管线替换安装，改造，维修工作量非常大。图1 2 是正在运 行中的平台油气管线。 目前，油气管线维修替换方法是在停产状态下，将管线隔离、拆除、清洗， 在离岸条件下进行预置，再运送到平台安装，维修改造时需投入较大的人力、物 力， 图1 1 油气管线管壁腐蚀与减薄缺陷图 f i g 1 1t h ew a l lc o r r o s i o na n dt h i n n i n go fo i l g a sp i p e s 图1 2 平台油气管线 f i g 1 2o i l - g a sp i p e l i n e so nt h ep l a t f o r m 针对上述问题，考虑平台不能动明火、无法使用大型设备等施工条件的限制，实 油气管线快速替换测量技术及误差分析 现管线的准确定位与快速更换，丌发、研究一套先进的、多功能、多规格、智能的管 线快速替换技术，提高工效及保证质量，减少对平台生产作业影响显得尤为迫切，也 具有重大的经济效益! 通过现场调研，结合现场施工条件制定管线快速替换测量的技术要求如下： 1 、替换管线法兰中心轴线与配合法兰面中心轴线同轴度偏差不超过o 3 m m ； 2 、替换管线法兰平面和配合法兰平面平行度偏差不超过1 。； 3 、替换管线法兰平面中心点和配合法兰平面中心点轴线位置误差不超过3 m m ： 4 、替换管线法兰平面螺栓孔和配合法兰平面螺栓孑l 轴线位置误差不超过2 m m 。 本论文研究的目的是研究丌发一套从现场替换管线快速准确测量、通过汁算机专 用软件进行数据处理，自动生成测量管线的三维实体图，确定替换管线的法兰盘位置、 方向、以及法兰盘上螺栓孔的周向位置，并转化为替换管线的施j 1 一：图。实现平台油气 管线改造维修时，在不影响平台正常生产的情况卜实现替换管线的准确测量，然后在 安全位置或陆地制作，再在不停产或短时间停产作业时快速准确安装或替换，减少现 场施工，提高安全性，同时大量减小对平台生产作j i k 的影响。 1 2 国内外研究现状 通过对国内外相关文献收集整理及相关：号利的检索，并未发现有直接涉及油气 管线快速测量替换的科研课题及学术文献。通过分析，解决油气管线快速测量的关 键i u j 题是通过测量的方法获得油气管线的原始数据，为管线的还原制造提供数据支 撑。这其实可以归结为目前流行的逆向工程或者称之为反求二 程的一种类型。广义 的产品“反求工程”包括形状( 几何) 反求和材料反求等诸多方面，而如何重建产 品实物的c a d 模型是反求工程的关键技术，在这一意义下，“反求工程”可定义为： “反求工程”是将实物转变为c a d 模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的 总称i l 】，本论文所指的反求工程即局限于这一概念。测量作为整个原型反求的基础， 在逆向工程中有着举足轻重的作用。考虑到油气管线的测量需要快速、精确，以及 现场测量条件的限制，故测量方法选用反求测量中的非接触测量。因为非接触式方 法采集实物样件的表面数据时，探头不与实物表面接触，它们利用某种与实物表面 发生相互作用的物理现象来获取被测物体的三维信息，并且非接触测量由于其良好 的精确性，实时性，已成为测量领域的热点。因此这里就对反求测量中涉及的非接 触测量目前的国内外发展现状做一个简要的介绍。 随着科学技术的不断发展，测量技术也随着新的物理原理，新的技术成就的不 断引入而获得长足发展，有很多测量方法可以用于逆向工程以获取样本模型的形状 数据，非接触测量是以光电、电磁等技术为基础，在不接触被测物体表面的情况下， 得到物体表面参数信息的测量方法。典型的非接触测量方法如激光三角法、电涡流 法、超声测量法、机器视觉测量等等【2 j 。 2 广东海洋大学硕十学位论文 非接触测量根据测量原理不同，其测量方法也多种多样，即使是同样的测量原 理，也因其使用的特性不同而呈现差异。各种方法在不同领域有不同的应用，例如 红外线法适用于温度的非接触测量；电涡流法适用于振源的振幅非接触测量；在三 维几何测量领域使用较多的是激光法【3 l 。因此，根据不同的非接触测量方法适用的 领域，将适合于油气管线测量的非接触测量方法进行归纳总结，从中选择适用于油 气管线在线测量的方法。图1 2 为非接触测量方法的分类。下文针对每一类别的非 接触测量方式从测量原理、应用、测量精度及基于对应测量原理开发的测量仪器在 实际应用中具有的优缺点加以评述，为油气管线测量仪器的选择提供适当的参考。 图1 2 非接触式测量方法分类 f i g 1 2c a t e g o r i z a t i o no fl i o n c o n t a c tm e a s u r e m e n t 1 2 1 光学法测量 当复杂的，自由彤念的物件表面需要在短时f h j 内完成测量并提供相关轮廓数 据，当精度要求不太高的情况卜，大范围的激光十二l 描设备同全场光学显示设备成为 了三坐标测量仪之外另一种选择，这样的设备测量速度更快，使在短时间内直接获 取实物样件三维轮廓成为可能，并且费用比传统的三坐标测量设备更低【4 刮。 非光学测量由于其成本较高，应用上有局限性，目自订在逆向工程的数据采集中 很少使用，随着计算机技术，光学和光电子技术的迅猛发展，光学三维轮廓测量技 术有了极大的改变。光学三维轮廓测量技术具有非接触，高精度，高效率的特点， 它在机械视觉，自动加工，实物模型，工业检测，生物医学等领域有着重要的应用 价值和广阔的应用前景。结构光法，激光三角法，激光测距法，干涉测量法及图像 分析法是常用的五种光学方法。 1 、结构光法 机构光法【7 】是由激光投影器把条形光，栅格状的光，投影到被测工件的表面，被 测工件表面高度受到调制，光线在工件表面发生变形，通过解调变形的光线，就可以 得到被测工件表面高度信息，这样就可以通过解码来确定工件的空间三维坐标，这种 方法最典型的应用是投影光栅法。原理如下图1 3 ，入射光线p 照射到参考平面上的a 油气管线快速替换测量技术及误差分析 点，放上被测样件后，p 就照射剑样件的d r ，此时，从图示方向看，a 点就移到了新 的位置点c 点，距离a c 就携带了高度信息z - h ( x ，y ) ，高度受到了样件表面形状的调 制，利用傅立叶分析法或相移法就可以解调变形的光栅影线，从而得到工件的形状数 据。 l 么 图1 3 光栅投影法原理图 f i g 1 3s c h e m a t i cd i a g r a mo ff r i n g ep r o j e c t i o n 光栅投影法目前采用较多的是线性结构光像位移动投影，如德国的g o m 公司 的a t o s 光学扫描测量系统，它采用矩形光栅投影，测量数据的加密是通过一组空 间频率为整数倍的矩形光栅的分时投影测量实现的，其测量速度4 3 0 0 0 点m i n ，精 度为0 0 3 m m 。光栅投影法的主要具有测量范围大，速度快，成本低，易于实现及 精度高等优点，不过对于表面变化剧烈，在陡峭处往往会发生相位突变，使测量精 度大大降低，适宜表面起伏不大的，较平坦的物体的测量1 8 l 。 2 、激光三角法 激光三角法1 9 - 1 3 ，它的原理是采用激光作为光源，发 的一束激光照射在待测 样件平面上，通过反射最后在检测器上成像。当物体表面的位置发生改变时，其所 成的像在检测器上也发生相应的位移。通过像移和实际位移之间的关系式，按照三 角形原理，真实的物体位移可以由对像移的检测和计算得到。如图1 4 ，如果目标 平面相对于参考平面的高度为s ，则两者在探测器上的位移是： e ：导旦掣- 式中a ，b 分别为前后焦距。 s s i n i i + kj 。a 。s i n k 目标乎面 参考平面 图1 4 激光三角法基本原理图 f i g 1 4b a s i cs c h e m a t i cd i a g r a mo fl a s e rt r i a n g l em e a s u r e m e n t 4 广东海洋大学硕士学位论文 激光三角法是目前应用最广泛，技术最成熟的一种方法，对该方法的研究主要 集中在精度的提高上，测量精度受本身系统非线性影响外，还受! i ! l i 贝1 量环境，激光 光强，光束直径大小和被测物体表面特性，如表面卡h 糙度，表面颜色，曲率半径和 被测物体表面倾斜度的影响，对激光光源照射不到的位置不i i i i 量，对样件的突变 台阶和深孔结构经行测量时，数据易丢失，它的优点是测量速度快，精度高( + 5 p m ) ， 适用于软，硬质的样件，数据点密集，因此非常适合测量大尺寸且具有复杂外部曲 线的样件【l4 1 。从非接触三维轮廓测量方法的实际应用来看，基于漫反射光接收的激 光三角法是目前主流的非接触测量法。 3 、激光测距法 激光测距法【l5 j 是利用激光的单色性和相干性好，方向性强等特点，将激光束的 飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离，实现长度，距离，速度，高精度的计 量和检测，激光i i i i 在技术途径上分为脉冲式i i ! l l l l 幂u 连续波相位式测距。原理均是 一个激光信号从发射器发出，经物体表面漫反射后，沿几乎相同的路径反向传回到 接收器，检测光脉冲从发出到接收之间的时间延迟或相位变化就可以计算出距离， 考虑到精度的问题，实践中多采用单一频率调制的激光束，比较发射光束和接收光 束之i 自j 位相，计算距离。 测相系统的测相误差可以直接造成测距误差，因此提高测相精度至关重要 1 6 - 2 1 j 。相位变化与信号频率有关：信号频率越低，其相位变化所需要的时问就越长， 这样就越便于对相位的测量。所以中、低频率的相位测罱精度总足远远高于高频信 号的相位测量精度。因而高频信号相位著的测量大都采用差频的方法，把高频信号 转化为低频信号即“同步解调”，再进行相位差测量就是所谓的“差频测相”。 实现差频测相，主要采用模拟测相电路和数字测相电路。传统的相位计测量方 法有两种：平衡式移相鉴相法测相和数字测相。这两种方法都存在电路复杂， 体积较大、功耗大、使用不便的特点。在相位测量中有三个环节对测量精度有很大 影响。首先，必须保证主振和本振频率的准确，无频率漂移和相位抖动，一般使用 带温度补偿的高精度石英震荡器获得主振和本振正弦波。第二，必须保证差频频率 的准确，通常采用压控振荡器来控制调节本振频率，以获得稳定的差频输出。第三， 必须保证检相的准确。由于回波强度，检相系统噪音和大气扰动等因素会引起测相 信号抖动，造成检相误差和错误。因此，在现在的激光测距仪的电路设计中，借助 于现代数字信号处理技术，都采用数字测相电路。数字测相电路简化了电路结构， 提高了测量精度，获得了较好的结果。 近年来随着二元光学、微光学和非球面技术的快速发展，相位激光测距仪的光 学系统不断微型化、性能不断提高。并且由于深亚微米加工技术的不断成熟、高速 发展的电子器件性能的不断提高和采用中频采样的测相方法，精简了测相系统，避 免了高采样频率所带来的测量困难，电路处理部分的集成化和数字化的程度更高。 油气管线快速臀换测量技术及误差分析 相位激光测距整机的复杂度也随之降低，促使相位激光测距仪朝小型化，高精度方 向发展。特别是在短距离范围内的精密测距( o 1 毫米量级) 和超高精度测距( 微米量 级) 的应用方面更具优势，如在机械视觉系统，自动检测系统和三维距离测量系统中 具有广泛的应用前景。 4 、干涉测量法 干涉测量法【2 2 j 的原理是由一个光源射出的一束光经分光后产生的两束分别射 向参考平面和目标平面，反射后的两束光相互干涉，呈现出相应的干涉图样，通过 测量两束相干光的光程差来计算物体的高度分布。按照干涉光路不同，可以分为分 光路和共光路。激光干涉法的共同特点是测量精度相当高，但测量范围小，不适合 测量凹凸变化大的复杂曲面，所以在逆向工程中应用不是很广。 5 、图像分析法 图像分析法【2 3 】又叫市体视觉，是利用一点在多个图像中的成像点的位置差异， 通过视差计算距离，从而得剑点的空间位置坐标，近几年来多采用一个或多个摄像 机或数码相机，从不同的角度获取被测物体的两幅或者多幅二维图像，利用交会原 理和模式识别，提取特征点，综合出物体的三维曲面轮廓。随着数字化技术和计算 机立体视觉的快速发展，通过图像分析提墩实物三维的精度逐渐提高，这就使得这 种测量方法应用到逆向工程中成为可能，目前近景摄影测量已经在逆向工程中得以 应用，测量距离在几十米到几十厘米之间。全数字化近景摄影测量系统由计算机立 体视觉模式识别和图像处理等组成，足多个学科的综合应用。此方法的优点是速度 快，测量范围大，可以测量复杂曲面的物体，不受环境影响，成本低。其缺点是完 全利用摄像机和数码相机测量被测样件轮廓时，精度较低，这三是这种测量方法目 前急待解决的问题。 通过上文对光学非接触方法从原理、应用到测量精度的评述，不难发现激光测距 法在高精度要求的非接触测量领域具有更大的优势。灵活而紧凑的基于激光的测量方 法，可以高速测量表面和检查关键尺寸。谈到计量和检测，很少有设备具有现代激光 测量系统那样的万能性。快速、非接触式的激光技术可以在零件上测量许多点而不产 生变形或留下痕迹1 2 4 。3 。鉴于激光测量在非接触测量方面的诸多优点，下文就对基于 激光测量为原理的激光测量设备进行介绍。 1 2 2 激光测距仪介绍 非光学测量由于其成本较高，应用上有局限性，目前在逆向工程的数据采集中 很少使用，随着计算机技术，光学和光电子技术的迅猛发展，光学三维轮廓测量技 术有了极大的改变。光学三维轮廓测量技术具有非接触，高精度，高效率的特点， 它在机械视觉，自动加工，实物模型，工业检测，生物医学等领域有着重要的应用 价值和广阔的应用前景。目前国内外非接触测量领域技术最为成熟、相应测量设备 选择空间最大、应用范围最广的唯有激光测量。 6 广东海洋大学硕士学位论文 激光测距技术与一般光学测距技术相比，具有操作方便、系统简单及白天和夜 晚都可以工作的优点。与雷达测距相比，激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精 度，而且激光具有良好的抵抗电磁波干扰的能力，尤其在探测距离较长时，激光测 距的优越性更为明显【3 2 1 。激光测距技术是指利用射向目标的激光脉冲或连续波激光 束测量目标距离的距离测量技术。比较常用的激光测距方法有脉冲法、相位法、三 角法和干涉法激光测距。 一些激光测距仪产品介绍： 1 9 9 6 年下半年，美国b u s h n e l l 公司推出了测距能力为4 0 0 码的4 0 0 型小型、轻 便、省电、对人眼安全、低价的脉冲半导体l d 激光测距仪y a r d a g e 4 0 0 ( 8 0 0 ) ，被评 为19 9 7 年世界一百项重要科技成果之一。 1 9 9 7 年b u s h n e l l 公司在i n t e r n e t 网上又推出测距能力为8 0 0 码的8 0 0 型激光测 距仪。 1 9 9 8 年美国t a s c o 公司也推出测距能力为8 0 0 码的摄像机型l a s e r s i t e l d 激光 测距仪。 近年来，我国也进行了一系列相关的研究，并研制成l f l 系列半导体l d 激光 测距仪等产品。 1 2 3 非光学法 1 、声学测量 声学方法用于测距已有几十年的历史了，其中应用最多的是超声波测距，它的 原理足超声波在空气中的传播速度为已知，当超声波脉冲到达被测物体时，在被测 物体的两种介质交界表面会发生回波反射，通过测量波与零点脉冲的时问1 1 j j 隔， 即可计算出各面到零点的距离。声纳测鼍仪和声波定位仪是两个典型的例子，目自订 超声波测距的量程能到达百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级【3 3 粕l 。 用超声波测距设备作为非接触测量装置，具有测量距离较远，设备体积小，成 本低，不受光线以及被物颜色干扰等优点。但是，常用声波测距装置是以空气作为 传输介质的，外界环境温度和湿度的变化都会对声波传输速度带来干扰，引起测量 结果的误差，且声波测量速度较慢，精度也比较低。由于超声波在高频下具有很好 的方向性，它在三维扫描测量中的应用自订景讵在受到重视【3 7 4 4 】。 2 、磁学测量 磁学测量方法是通过测试样件所在的空问磁场强度