设备管理_工业设备的安装和检校测量培训教材

第八章工业设备的安装和检校测量特点 1 保证每个部件之间的精密连接 精度要求高 2 有特殊的测量仪器和方法 3 不同对象安装要求的精度不同 4 伴随工程建设的全过程学习要点 精密微型安装测量控制网的建立设备安装和检校测量仪器与方法精密定线 短边方位传递和姿态准直三维工业测量系统大型天线安装测量实践 第一节精密微型安装测量控制网的建立 1 对小型设备的安装 一般不在需要建立专门的安装控制网了 2 大型设备的安装 特别是需要分段 分区安装的情况则必须建立安装测量控制网 这类网常布设成精密微型控制网的形式 其精度与设备安装的精度要求有关 对于大型和特种精密设备 测量精度甚至达到了计量级 3 控制网的形状根据安装对象确定 一 直伸三角形网 一 适用条件直线方向要求高的设备安装 二 误差分析1 边长观测误差分析设A为固定点 AB为固定方向 且设为x轴方向 其它控制点1 2 等基本上位于AB直线上 通过边角测量来确定各点的纵横向坐标 由于控制点基本上位于一条直线上 三角形内角接近0 和180 故三角网的图形条件很差 但边角网的图形条件是强的 这一结论可以从对边角观测值误差方程分析得出 边长观测误差的一般形式 其中 为 ij0为ij边的近似方位角 边长的近似值 Sij为观测值 由于各控制点近似在一条直线上 方位角接近0 或180 故有 因此直伸网边长误差方程可简化为 即边长误差方程仅用于求解x坐标 纵向 的改正数 2 方向观测误差分析方向观测误差方程的一般形式为 其中 d i为定向角改正数 为ij边近似边长 为ij方向近似值 Tij为观测值 Z0i为i测站定向角近似值 上式进一步简化为 上式中 xi0 xj0为i j点的近似坐标 因此方向误差方程仅用于求解y坐标 横向 的改正数 二 环形控制网环形控制网一般布设成测高环形三角网和大地四边形环锁等形式 一 测高环形三角网测高环形三角网的布网方案所示 除了测定每个三角形的二条短边外 在每一个狭长的三角形中 在长边上引张一条弦线 再用专用工具丈量三角形之高 根据两边和高可以推算出三角形的三个角值 在加速器工程中 采用专用因瓦测距仪Distinvar测距 精度可达0 03 0 05mm 因此能显著地改善方位角传递的精度 有效地克服了三角形因视线靠近隧道壁产生的旁折光影响 实质上是以测边 测高达到高精度测角 在直伸三角形abc中 三角形内角的计算公式为 微分上式之第一式 并转换成中误差可得 环形控制网的边长一般较短 三角形为狭长三角形 故有 上式化为 由此可见 在测边误差和边长一定的条件下 h越小 ma也随之变小 例如在某环形加速器工程中 环的半径为R 233 45mm 布设60个控制点 圆心角为6度 对应的弦切角3度 设ms 0 06mm mh 0 03mm 代入上式后可得ma 0 25 同样可得mb 0 25 而mc ma 0 35 如果只测量狭长三角形的三条边S1 S2 S3 那么可以推出三角形的角值 可得中误差公式为 当h 1 28m 设 ms1 ms2 ms3 0 04mm 则可得 mc 11 2 由此可见 用狭长三角形三条边长来推求角度的精度不高 证明了测量二条短边和高来求角的方案是最佳的 但测量底边长可以起到检核作用 也有助于减少相邻点的相对点位误差 三 大地四边形环锁四边形环锁的图形结构比较坚强 测量全部边不测角度 也是一种较好的布设方案 但它的工作量大 需要具备四种不同长度的铟瓦尺 在评定环形控制网的精度时 一般要求给出切向误差和径向误差 如果在直角坐标系下进行平差 则平差后要将x和y方向的误差转换成切向误差和径向误差 考虑到环形控制网的特点 可采用极坐标系 在平差时要建立大地四边形环锁在极坐标系下的边长误差方程 在高能粒子加速器环形控制网的测量中 现在也可以采用激光跟踪仪的测量方法 为了和其他设备采集的数据对应或便于归算 一般要研制相应的测量目标和配件 四 三维控制网三维控制网缺陷 三角高程测量的精度较低 与平面位置的精度不匹配 特别是在野外大气折射对垂直角的影响很大 三维控制网的优点 1 避免了二次布网 观测和平差的繁琐工作 2 避免了一些相关元素分开处理在精度上 时间上和信息上带来的损失 理论上更加完善 五 高程控制网目前几何水准仍然是精度最高的高程测量方法 因此安装测量的高程控制网一般仍布设成水准网的形式 第二节设备安装和检校测量仪器与方法以天线的安装和检校为例 介绍有关的测量手段和方法 一 传统的测量方法主要有 机械测量法 样板法 旋转样板法和固定样板法 和数控机床法光学测量法 双五棱镜法 经纬仪钢带尺法和五棱镜带尺法等电学测量法等 样板法1 旋转样板法原理 按给定的抛物线方程 用数控铣床或其他方法制造出抛物线样板 将样板安装到被检天线的轴心线上 当它回转一周时 测量样板曲线和抛物面的吻合间隙 并对天线作出评价 因此样板法成形及测量的关键是如何保持旋转轴与面板设计轴线的一致性 如果沿样板安装一排百分表 每一块表按抛物曲线调到零点 这样既能提高测量精度 也能提高测量速度 称之为样板百分表测量法 旋转样板法的优点 样板的设计制造比较容易 测量操作方便 读数直观 既可检测一般精度的反射面 又可检测较高精度的反射面 样板不仅是检测工具 而且还是用于定位安装和调整反射面的安装调整工装 旋转样板法的缺点 系统建立比较烦琐 并且需要其他仪器辅助调整 相应地引入的误差源多 对大尺寸天线测量困难 测量效率较低 易出错 旋转样板法对中 小型圆对称天线比较有效 口径10m以下 只适合天线朝天状态下的测量 典型的测量精度为 0 1 0 2 mm 2 固定样板法固定样板法不再需要旋转样板 而是充分利用天线的成形模具如拉伸模 拉弯模和铆装夹具等作为测量工具 实现单元面板在车间的自检 将单元面板自由贴合在上述模具上 用百分表或塞尺测量贴合间隙 然后评定面板精度 固定样板法也是一种比较测量 且只能测量单元面板 一般不超过3m 典型的测量精度为 0 2 0 4 mm 双五棱镜法双五棱镜法由一台准直望远镜T和两块五棱镜A和B组成 两块五棱镜可在导轨上沿y轴作直线运动 通过五棱镜A和B可同时观察到P处的标志 改变两棱镜的距离y1和y2 可以使待测点在两棱镜的像重合在一起 组成了一个测量三角形ABP 因 1 2 y1和y2已知 可以求出P点坐标 该法的优点 可以测量抛物面在不同仰角时的表面精度 测量精度为 0 15 0 7 mm缺点 要研磨多个五棱镜以适应天线不同区域的测量 结构上较为烦琐 且不能用于非圆对称天线的检测 经纬仪带尺法经纬仪带尺法用一台高精度的经纬仪 主要是垂直角精度要求高 和一把特制钢带尺作为检测工具 用经纬仪测垂直角 钢带尺测弧 弦 长 然后计算偏差并进行调整该法成功与否的关键是 必须保证经纬仪的垂直轴和天线的旋转轴重合 选用高精度的经纬仪和钢带尺 该法应用比较广泛 可用于毫米波天线测量 二 射电全息法工程背景 大中型毫米波 亚毫米波射电望远镜相继问世 望远镜的天线口径与表面精度之比已达105以上 天线安装精度要求高传统的天线表面精度测量方法缺陷 费时费力 要求天线指向天顶 测量结果是点 不能全面反映天线实际工作的状况 测量精度已基本达到极限 射电全息法是利用天线的远场复方向图与天线口面上的场分布间的傅立叶变换关系 由远场方向图的测量来反推天线口面上的场分布 振幅和相位分布 并由天线口面上场的相位分布 用光线追迹得到天线表面相对于理想抛物面偏差的信息测量误差 接收机噪音 指向和跟踪误差 大气闪烁 天线馈源的相位响应和信号源的偏振效应等 全息现象首先由英裔匈牙利物理学家GaborD 于1947年首先发现 1968年由前苏联人率先用于天线测量 常用的方法 1 方法1测量远场方向图的幅度并直接测量远场方向图的相位 这需要在被测天线附近设置另一台天线来提供参考相位 并需要具有相位稳定的双通道接收机 2 方法二 无相位测量方法 即采用某种相位恢复算法 由天线的聚焦和偏焦方向图的幅度来获得天线口面上场的振幅和相位分布 如美国GBT天线 通过射电全息法的测量 将表面精度从 1 1mm 由经纬仪和全站仪调整而成 提高到 0 53mm 日本 45mNobeyama天线 表面精度从最初的 0 2mm提高到 0 065mm 已接近单块面板的精度 0 051mm OSO 20 1m射电望远镜用该法进行了检测 其测量精度为 0 066mm Effelsberg 100m天线 用该法进行了升级 表面精度提高到 0 5mm IRAM 30m天线用该法进行了升级 测量精度为 0 035mm 表面精度提高到 0 08mm 缺陷 1 测量小口径天线时的测量精度低于光学测量系统2 由于可用射电源的数量和空间分布有限 不可能在天线的整个仰角范围内或最佳安装角位置进行测量3 不能用于天线的初装 也不能用于指向固定天线的精调 三 三坐标测量机三坐标测量机是工业部门应用最多的坐标测量仪器 在中小型工业设备的安装检测中发挥着重要的作用 三坐标测量机概述1 原理 将被测物置于三坐标测量机的测量空间 可获得被测物上各点的坐标位置 根据这些点的空间坐标值 经过数学运算 求出被测物体的集合尺寸 形状和位置 2 用途 机械制造 电子 汽车 航空和航天等工业中由于它的通用性强 测量范围大 精度高 效率高 性能好 能与柔性制造系统相连接 已成为一类大型精密仪器 有 测量中心 的美誉 三坐标测量机结构组成 主机 测头和电气系统1 主机主机由框架结构 标尺系统 导轨 驱动装置 平衡部件 转台与附件组成 框架结构可分为以悬臂式 桥框式和龙门式为代表的三坐标测量机 以坐标镗式和卧镗式为代表的万能测量机 由测量显微镜演变而成的仪器台式三坐标测量仪 还有按极坐标原理的极坐标式 共计七大类 YXB 桥式手动三坐标测量机 YXB 桥式三坐标测量机 标尺系统是坐标测量机的重要组成部分 也称为测量系统 主要有精密丝杠 高精度刻线尺 光栅 感应同步器 磁尺 码尺 激光干涉仪等 龙门式三坐标测量机操作简单易懂 界面可视化 功能强大 测量模块多 适用较大范围测量高稳定性机床式优质铸铁基础框架闭式 开式 贴附式光栅的选择 标准的数据采集软件 提供经修正后标准的各轴坐标示值 具测量精度 可达达2 6 m 高效率 与良好的操作可靠性 按其性质可分成机械式测量系统光学式测量系统电气式测量系统2 测头测头是一种传感器 主要用于测微和瞄准按测量方法可分为 接触式和非接触式按结构原理可分为 机械式 硬测头 光学式和电气式等 机械式主要用于手动测量 光学式多用于非接触测量 有三角法测头 激光聚焦测头 光纤测头和莫尔条纹等 电气式多用于接触式的自动测量 采用电触 电感 电容 应变片 压电晶体等作为传感器来接收测量信号 FARO三坐标测量机 激光扫描测量臂 3 电气系统组成 电气控制系统 计算机 测量机软件和打印绘图装置等作用 控制测量机采集数据 测量数据的处理及输出等 三坐标测量机的分类1 按自动化程度分类按自动化程度可分为数字显示及打印型 带有小型计算机的测量机和计算机数字控制型 CNC 三类 2 按测量精度分类按测量精度分类有低精度 中等精度和高精度三种测量机 低精度测量机主要是具有水平臂的三坐标划线机 其单轴最大测量不确定度在1 10 4L左右 空间最大测量不确定度 2 3 10 4L 其中L为最大量程 中等精度测量机的单轴最大测量不确定度在1 10 5L左右 空间最大测量不确定度 2 3 10 5L 高精度测量机称为精密型或计量型 其单轴最大测量不确定度小于1 10 6L 空间最大测量不确定度小于 2 3 10 6L 3 按测量范围分类三坐标机按其测量范围 可分为小型 中型和大型 小型坐标测量机 最长坐标方向 一般定义为X轴 长度小于500mm 其测量精度为高等 中型坐标测量机长度在500 2000mm之间 其精度为中 高等 大型坐标测量机长度应大于2000mm 精度为中 低等 三坐标测量机的局限性1 测量尺寸较小 范围小 2 接触测量 测量系统价格昂贵3 只能在室内测量 4 不便于移动等 亚微米级计量型三坐标测量机 flexi cms三坐标测量机X轴测量范围 200mm 2mY轴测量范围 150mm 2mZ轴测量范围 150mm 1m接触式扫描精度为 3 10um激光扫描精度为 20um 第三节精密定线和短边方位传递在设备的安装和调试中 直线的准直是轴线调整的主要内容 也是设备粗定线 轴线调整经常用到的一项测量工作 此外在一些特殊设备的安装中 如卫星上设备 制导设备等对方位和姿态角也提出了很高的要求 主要介绍精密定线和方位传递 卫星角度准直测量技术 一 精密定线的方法 一 外插定线已知A B两点 要在延长线上定出一系列待定点1 用盘左 盘右各定一点 取中值 可以仿此放样出2号点 用A 1两点来放样2号点 为什么不用1 B放2号点 如果要放样一批点 可一站站往前搬 称为逐点向前搬站外插定线 二 内插定线 正倒镜法 设地面上有A B两点 在AB直线上放样出P点 如A点或B点能设置经纬仪 那么望远镜照准B或A点后固定经纬仪照准部 即可放样出P点 如A B两点不便于设置经纬仪 如为设备上的两点等 可采用正倒镜法 在概略点P 架设经纬仪 P 基本位于AB直线上 采用外插定线的方法在B点附近放出一点为B 量出BB 的距离为 B 那么PP 的距离为 将P 点往P点方向改正距离即可得到P点 实际中还可以采用测大角的方法进行归化 三 机械法准直测量在高精度设备安装中 如北京正负电子对撞机工程中 加速器直线段的准直测量精度要求为 0 2mm 用经纬仪测角的方法是很难满足这一要求的 一般采用精密准直测量方法 准直测量分为 光学机械法激光束准直法波带板激光准直测量法等 1 机械法准直测量1 原理 是在二个给定的基准点间吊挂一条引张线 利用垂直投影仪测量各中间点偏离该引张线的偏离值 所以机械法准直也称为引张线法准直 2 引张线采用的材料钢丝 0 2 0 4mm的钢丝尼龙绳 0 2 0 5mm的尼龙绳3 误差来源 引张线不直的误差气流的影响垂曲的影响 二 短边方位传递用途 城市测量厂房测量安装测量等 一 短边测角的技术特点1 短边测角的主要误差仪器对中误差目标偏心误差望远镜调焦误差经纬仪垂直轴倾斜误差等 1 对中误差的影响 前面已经分析 2 望远镜的调焦误差 如图 O1为物镜光心 C2为分划板十字丝中心 x为调焦镜光心 O 偏离理论照准轴O1C2的距离 如果将C2看成物点 根据凹透镜的成像原理有 C2点可被调焦透镜成一虚像点C2 此时C2 O1就成了望远镜实际的照准轴 设C2 到O1C2的距离为x 到物镜光心的距离为l1 那么调焦误差a的公式为 设望远镜物镜焦距为f1 调焦透镜的像方焦距为f2 d为调焦镜至物镜的距离 那么调焦误差的计算公式还可化为 望远镜的调焦误差有如下性质 1 调焦误差 照准轴偏角 与调焦物镜光心偏离物镜光心和分划板十字丝中心连线的距离x成正比 2 望远镜对同一目标观测调焦 如果盘左 盘右调焦透镜的光心能处于同一位置 保持d和x不变 那么盘左 盘右a的绝对值相等 符号正好相反 因此 盘左盘右取中数可消除调焦误差的影响 3 对远近不同距离的目标调焦观测 调焦透镜沿望远镜套筒内壁滑行 因存在隙动差 即使对同一目标两次调焦 调焦轨迹也会发生微小的变化 x和 d 这种晃动属于偶然误差 不能通过盘左 盘右取中数的方法来消除 但多次观测取中数可以减弱 4 垂直轴倾斜误差由于边长较短 仪器与目标点之间的垂直角可能很大 因此 垂直轴倾斜误差的影响将不可忽略 由垂直轴倾斜误差的公式有 式中 iv为垂直轴在水平轴方向 横向 上的倾斜量 a为观测目标点的垂直角 不能通过盘左 盘右取中数来消除 因此在观测中应加入垂直轴倾斜改正 或在各测回之间 重新调整仪器汽泡居中 使iv呈现偶然性 2 照准标志照准标志应满足下列要求 1 便于精确瞄准 2 没有测量相位差 3 反差大 亮度好 4 目标图案或实体中心轴应与机械轴重合 没有偏心差 二 短边方位角传递短边方位传递一般采用三台仪器同时作业的角导线互瞄法 前面已经讲授 三 卫星安装的准直测量 自学 第四节三维工业测量系统1 用途 大型机器 设备的精密定位和准直测量 结构的检查 调整 装配 安装和维护等 2 定义 把与 正交坐标系 测量机相对应另一类 非正交坐标系 测量系统称为工业测量系统 3 分类 1 极坐标测量系统 包括全站仪测量系统 激光跟踪测量系统 激光雷达 扫描测量系统 2 经纬仪交会测量系统 3 摄影测量系统 4 距离交会测量系统 5 关节式坐标测量机 其测量原理分别为 极坐标 角度前方交会 距离前方交会和空间支导线 一 极坐标测量系统采用的仪器 全站仪 激光跟踪仪和激光扫描仪 1 测量原理全站仪测量系统的测量原理为极坐标 只需要测量一个斜距和二个角度就可以得到被测点的三维坐标 坐标系建立 以全站仪的三轴中心为原点 水平面为XOY平面 其中水平度盘零方向为Y轴 铅垂线反方向为Z轴 通过测量水平角 垂直角 和斜距S来计算出待测点P的坐标 其计算公式为 极坐标测量点位误差估算公式为 对TDA5005来说 如果取m 1 0 ms 0 3mm 那么在几十米的范围内 近距离内 点位精度可以达到亚毫米 2 系统构成 1 全站仪 TC2002 TC A 2003 TDM5005 TDA5005 2 高稳定度脚架 3 计算机 4 通讯和供电装置 5 测量目标 反射器 等附件组成 带 M 表示带有马达驱动模块 带 A 表示带有ATR模块 自动目标识别是测量自动化的前提条件 目前ATR只能识别圆棱镜 360 棱镜和球棱镜 但不能识别反射片 TDA5005全站仪 测距目标是影响测距精度的非常重要指标全站仪工业测量系统的常用目标有 1 圆棱镜 小棱镜 无法放到待测点上 较少使用 2 球棱镜 中心和球心是重合的 不管棱镜如何放置 其测量点均位于测量面的法线方向 且偏距始终为球的半径 因而数据归算和处理就比较简单 对球棱镜测量时全站仪需佩戴AP31装置 主要起减弱发光管相位不均匀误差的作用 3 反射片可以粘贴到被测点上 其厚度已知 数据处理也相对简单 为提高测量反射片的精度 需要双面观测 而且10m内全站仪需佩戴近距镜GDV3 可以在近距离上增强回光信号 系统软件 1 数据管理 处理模块 包括常用的点 线 面拟合计算和形位误差计算 坐标转换等功能 2 控制 测量模块 主要包括仪器的初始化参数设置 联机数据采集和测量数据误差修正等功能 3 提高系统精度的措施主要消除系统误差系统误差主要有 轴系误差双轴补偿器误差ATR误差调焦误差测距误差 加常数和乘常数 加常数 由于测距零点与仪器三轴交点不重合 以及棱镜中心和目标中心不重合而造成的 因此要根据所用仪器和棱镜精确测量出其加常数 乘常数 由测距频率 大气条件和投影改正所引起的 1 加常数的测定对一般工程测量所采用的圆棱镜而言 可用三段法来测量加常数 一般的加常数通过专门检测机构进行 2 乘常数改正1 大气条件 温度t 气压P和相对湿度H 引起的折射率变化所致当温度变化1 或气压变化4mbar 毫巴 millibar 实际将会引起1ppm的变化 例如 当t 22 P 997 6mbar H 60 计算得到的乘常数改正为14 2ppm 对应于10m的测量距离 将有0 14mm的改正 对于工业测量要求的精密测距来说 这一改正是不能忽略的 2 距离投影改正 在工业测量中距离很短 可以认为为零 4 测距精度及坐标测量精度 1 测距精度现有的全站型电子速测仪检定规程 JJG100 1994 仅适用于工程测量外业测量精度的检验 工业测量用全站仪近距离测距精度的检测尚无规程可以参考 实践中采用了和双频激光测量结果进行比对及通过内符合精度统计的方法 10m以上的测距精度明显优于10m以内的测距精度 2 坐标精度 全站仪设在双频干涉仪导轨的延长线上 因此棱镜常数及测角精度对测距精度几乎无影响 坐标差精度即测距精度 5 激光跟踪测量系统和全站仪一样 激光跟踪测量系统是由单台激光跟踪仪及其附件构成的极坐标测量系统 激光跟踪仪的测量原理和全站仪一样 但是测距方式 跟踪方式及结构设计不同 与全站仪不同的是激光跟踪仪本身没有精确整平装置 当需要和水平面 铅垂线相联系时 可选择电子气泡Nivel20来整平仪器 激光跟踪仪的测量精度主要决定于它的角度和距离测量精度及测量环境的影响 由于干涉法距离测量的精度高 测量速度快 因此整体测量性能和精度要优于全站仪 根据其物理意义 可将激光跟踪仪角度测量所有的系统误差分为15类 共有15个校准参数 再加上测距系统误差 基距误差C 测距零点误差 共计16项误差 这16个误差参数均有准确的数学模型对其进行改正 二 经纬仪交会测量系统经纬仪交会测量系统是由二台以上高精度电子经纬仪构成的空间角度前方交会测量系统 是在工业测量领域应用最早和最多的一种系统 主要商业系统有Leica公司 RMS2000 ManCAT ECDS3和Axyz MTM等军测 MetroInM系统电子经纬仪 手动 马达驱动 面采集的视频经纬仪 内置有CCD摄像机 通过图像处理可以同时得到一批点的坐标 1 测量原理角度交会测量系统是通过角度前方交会测量来求出空间点的三维坐标 1 坐标测量原理坐标测量前 确定A B二台电子经纬仪在空间的相对位置和姿态 称为系统定向系统定向完成后 可进行实时坐标测量 A B二台经纬仪同时观测待定点P 可获得4个角度观测量 1 1 2 2 经数据处理可最终得到P点的三维坐标 X Y Z 由于有一个多余的观测量 可以对测量结果进行质量控制 从而保证了测量结果的可靠性 2 系统定向是经纬仪测量系统的关键点和难点 它直接影响到坐标测量的精度 方法 基于大地测量控制网平差的互瞄法基于摄影测量的光束法平差技术 互瞄法定向可以互瞄内觇标或外觇标 但要求经纬仪严格整平 以保证各仪器间的旋转轴相互平行 而光束法平差技术不需整平经纬仪即可进行定向和三维坐标测量 2 系统构成1 硬件组成 两台以上T2000 T3000 TM5100电子经纬仪 多路串口转换卡 T LINK 基准尺 工业测量用脚架 联机电缆 激光目镜 照准标志 台式微机或便携机等组成 2 系统软件 数据管理 处理模块经纬仪控制 测量模块仪器的初始化参数设置 系统的相对定向 绝对定向 定向解算 联机数据采集和测量数据误差修正等功能 3 系统作业模式探讨以两台仪器为例 经纬仪测量系统最低配置 如果一次不能完成所有的测量工作 可以通过搬站 设置公共点等途径来弥补系统硬件的不足 实际上只用一台仪器也能进行测量 与摄影测量系统单台相机作业模式是一致的 1 单台仪器作业模式特点 优点 1 节省了一台仪器 整个系统费用可省30 2 测量精度不变 缺点 1 测量时间延长一倍2 对被测物的稳定性及外界条件的要求提高3 不能实时控制观测质量 单台仪器作业模式特别适合于对含有少量点 如100点以下 的被测物进行测量 对于需要实时测量并指导安装的情况 要采用两台以上的仪器 2 单台仪器作业步骤 1 先在其中一个仪器位置设站 概略互瞄另一仪器位置2 测被测物3 测基准尺4 将仪器搬至另一位置5 概略瞄准上一仪器位置6 测基准尺7 测被测物8 进行点坐标解算如果两个设站位置不够 还可通过搬站等途径继续进行测量 仪器和基准尺的放置位置及交会角的要求仍按现有规定执行 4 提高系统精度的措施 1 影响经纬仪测量系统的精度的因素1 仪器测角精度 通过选择最佳观测时间 晚11点至次日凌晨3点 和双面观测消除外界条件变化的影响2 系统定向精度 将待测工件置于定向点范围内 尽量避免过大或过小的交会角 一般应在60 120 最佳位置在90 附近 当基线较长而基准尺长度不够时 需要采取其他措施确保尺度精度 3 脚架的稳定性 使用稳定性好的铁质或铝合金脚架或采用特殊防护的观测墩4 外界条件的影响 避免侧风 光线 热源 振动源等5 观测标志 同心圆纸质标志和空间对称的球形标志6 观测员的操作技能等 三 近景摄影测量系统摄影测量系统在工业测量中的应用一般称为近景摄影测量 非地形摄影测量等 1 产品分类 1 单台相机的脱机测量系统2 多台相机的联机测量系统3 摄影基线固定的整体式测量系统等1 测量原理通过二台高分辨率的相机对被测物同时拍摄 得到物体的2个二维影像 经计算机图像匹配处理后得到精确的三维坐标 实际上是解空中三角形 2 系统构成对静态目标而言 脱机测量系统可采用单台数字相机 在二个或多个位置对被测物进行拍摄 然后将图像输入计算机即可进行图像处理 这是一种比较经济的配置 为了提高图像匹配的精度和速度 需要在物体上贴标志 一般采用特制的回光反射标志 RetroReflectiveTarget 以便于标志点的识别和自动提取 或者采用投点器 可以大批量投点 而且标志无厚度 是非常好的测量辅助工具 多台相机联机测量可以实时得到待测点的三维坐标 可以采用投点器投点 也可以通过特制的探棒 也称为光笔 作为测量标志 其探头和三坐标机的测头类似 探棒上有一些可以发光的标志 由于发光标志点到探头的几何关系是确定的 因此通过对发光点的测量即可求得探头点的坐标 一般在探棒上还有测量按钮 可同时启动标志点发光和数码相机拍摄 因此实现了测量过程的自动化 并且解决了光学测量设备需要对目标点的照明问题 3 提高系统精度的措施摄影测量系统的精度主要取决于相机的精度 相机一般分为格网量测相机 量测相机 半量测相机和非量测相机四类 其精度依次递减 提高精度的方法 1 选择高分辨率 高精度的专业型量测相机 2 对于非量测相机 可以通过误差补偿的方法来消除相机的系统误差 如镜头的畸变差等 从而提高测量精度和分辨率 目前这种方法比较多见 3 提高相机间的定向精度 实践中需要优化相机的设站位置 增加基准尺测量的个数 4 系统的应用优点 1 适合于动态物体的快速坐标测量 2 操作方便 3 对现场环境要求低 4 和经纬仪测量系统相比 其拍摄位置选择比较容易 不需要专门建造测量墩 相应节省了时间和费用 数字摄影测量系统的测量相对精度一般在1 10万左右 由于摄影比例尺的关系 测量范围一般比较小如果选择大幅面长焦距胶片相机 CRC1相机 平度达 1 m的承片框 配备后方投影格网标志和环形近轴闪光光源的格网量测摄影机 再加上Autoset 2视频扫描单像坐标量测仪 测点精度为 0 5 m 每秒种测2点 可实现在500m上获得 1mm左右的点位精度 1 50万 甚至达到1 100万 这是数字摄影测量系统不可企及的 美国GSI公司已完成几百套天线的测量 坐标分量的测量精度为 0 25mm 最后调整后的表面精度优于 2mm 四 距离交会测量系统通过距离交会测量同样可以得到三维坐标 这种系统称为三边法测量系统或距离交会测量系统 与极坐标和角度交会测量系统相比 距离测量可以得到更高的精度 特别对中 长距离上有突出的优越性 由于测量原理与GPS相近 在工业厂房内应用时 也称之为室内GPS系统 IndoorGPS 1 测量原理 1 平面定位的原理 通过测量S1 S2得到P点的平面坐标 X Y 计算公式如下 2 空间距离交会原理 设4号点不在1 2 3点构成的平面上 坐标为 X4 Y4 Z4 1点为坐标原点 1 2连线为X轴 123平面的法线为Z轴 因此系统的标定问题即为求出6个参数 X2 X3 Y3 X4 Y4 Z4 设i为观测点 j j 1 4 为仪器中心点 那么每测一个点可以得到4个如下的观测方程 测量n个点得到的观测方程数为4n 而未知数为3n 6 标定参数X2 X3 Y3 X4 Y4 Z4 因此测量点数超过6个就可以按最小二乘法求出需要标定的参数 如果考虑到每个激光干涉仪的测距零点误差Cj 那么测量点数要10个以上 和GPS一样距离交会测量系统的精度取决于距离测量的精度和测点的图形因子系数 GDOP值 在定位时GDOP值有一定的要求 2 系统构成 1 系统可分为 1 整体式 多杆式或超声式坐标测量机 多杆式是通过杆的伸长或缩短来测量距离 超声式则通过超声波发射和接收来测量距离 这两种结构的测量范围有限 2 组合式 用三台以上距离传感器 测距仪 全站仪或激光干涉仪 组成距离交会系统 通过系统定向方法确定每台仪器的三维坐标 目标点采用手持式测头传感器 因此只要将该测头放置到被测点上就可以得到测点的三维坐标 3 应用情况美国GBT天线主面安装就采用了距离交会测量系统 三台测距仪 2台TC2002和1台TDM5005 安置在馈源支撑结构上 其自身位置通过距离后方交会 观测地面上一系列已知点 获得 然后三台仪器对主面上的目标进行距离测量 可以得到待测点的三维坐标 测量精度优于 1mm 测量范围在100m左右 天线运营后 其变形观测也通过距离交会系统来完成 测距精度为 0 05mm 天线的主面精度在 0 24mm左右 其测量精度也是最高的 五 关节式坐标测量机 自学 六 工业测量系统软件工业测量系统软件是工业测量系统的重要组成部分和系统应用的关键 针对不同的测量系统 国际上已有多个商业化的系统软件 如LeicaAxyz SMXInsight等 国内也开发了一些类似的系统软件 虽然各系统硬件不同 应用领域有所区别 但软件的基本功能大部分是相同的 解放军信息工程大学测绘学院研制的最新的MetroIn软件来介绍工业测量系统软件的基本特点 MetroIn软件包括MetroIn D数据管理与分析模块 MetroIn M多台经纬仪模块 MetroIn S全站仪模块 MetroIn G图形模块以及MetroIn专用测量应用模块等 目前还缺摄影测量模块 激光跟踪仪模块以及CAD计算模块等 一 MetroIn的系统功能MetroIn是用VB5 0 6 0基于Win95 98 2000 XP平台开发的 它用数据库来组织与管理各种测量和非测量数据 直接对数据库操作 操作比较方便 简单 主要功能为 1 设备联机与控制设备联机包括与经纬仪的联接和经纬仪的初始化 由计算机控制经纬仪完成各项初始化参数的设置以及在测量时提供相应的提示信息等 2 系统定向定向测量完成后 进行定向平差解算 可以查看定向的精度 详细结果以及打印输出 3 坐标测量多台经纬仪的系统在定向完成后可以在二台或多台间构成多个测量系统同时开展测量 测量数据显示在屏幕的不同窗口中 全站仪和经纬仪的组合测量系统中 全站仪可单独采集坐标数据 亦可与经纬仪一起交会采集坐标 4 近距加常数修正通过将全站仪的测距值与两台仪器的交会值比较 求出近距加常数 并在随后测量过程 自动对距离值加以改正 或利用固定二点法现场检测CCR1 5 球棱镜的常数 5 数据管理及编辑进行各种数据管理 如工件 设站 基准尺 反射片 参考库 坐标系 点坐标 观测值等 可编辑 添加 删除数据记录和对记录进行排序 但原始观测值只可读 不可更改 每次操作即更改数据库中的内容 不会因突然 死机 造成数据丢失 6 坐标系的生成与转换通过平移 旋转 缩放 轴对准法和最小二乘转换法可生成一个新的坐标系 7 测量数据分析与计算依据坐标测量结果可进行各种点 线 面的分析 计算 拟合生成的各种几何形状可以以坐标系的形式存入数据管理器的坐标系库中 8 数据的输入 输出MetroIn系统不仅使用它本身的数据 也能兼容外部数据 可将外部数据直接输入到某指定工件并转换到特定坐标系中 点坐标及其观测值可以输出到相应类型格式的文件中 9 测量数据的可视化利用图形功能 可将测量数据以及拟合计算后的数据进行三维显示 平移 缩放和旋转 二 系统定向方法在工业测量系统软件中 系统定向是一个非常重要的模块 实际是建立多传感器或多测站之间的联系 建立的统一的测量坐标系 称为全局坐标系 主要方法 1 光束法平差方法 2 互瞄法 3 测站六自由度 算法 军测建立 光束法平差实质是依据来经纬仪 全站仪 激光跟踪仪的角度观测值化算为虚拟像平面坐标值 然后利用光束法平差原理来求解二台或多台经纬仪等传感器在空间的姿态和位置关系 因此摄影测量方法在原理上说来对经纬仪等没有整平的要求 当然经纬仪轴系间相互垂直的关系要保持正确 虽然高精度电子经纬仪可以精确整平 但事实上即使仪器精确整平后 也不能保证各仪器的垂直轴互相平行的几何关系 因此二台经纬仪的左测站坐标系与右测站坐标系的关系如图 此时右测站坐标系相对于左测站XYZ坐标系存在3个平移参数 XS YS ZS 和3个旋转参数 称为6个定向参数 由于这些参数无法直接测定 因此需用光束法平差进行定向 设物点P的空间坐标为 X Y Z 对应于左 右虚拟像点坐标分别为 x1 z1 x2 z2 右测站坐标系相对于左测站坐标系的角度旋转元素为 右测站坐标系的原点在测量坐标系中的坐标为 XS YS ZS 故左 右测站的共线方程为 式中 ai bi ci为旋转矩阵中的元素 是 的函数 很显然 右测站共线方程包含了定向参数的信息 对二台经纬仪的工业测量系统而言 每观测一个物点可列出4个共线方程 而物点坐标的未知数为3个 因此有一个多余观测 当物方至少有一条已知的距离时 如基准尺的二个端点间的距离为已知 就可解决6个参数的求解 即系统定向问题 摄影测量定向方法的精度与物方点的图形结构有关 因此用光束法平差定向对定向点的选取是非常重要的 对于传感器不带距离基准的情况 经纬仪 数码相机等 在系统定向过程中还需要基准尺来进行绝对定向 方法 用电子经纬仪对某一基准尺的两端点进行观测 在测站三维控制网中加入距离条件方程 解决网的尺度问题消除基准尺照准误差的方法 基准尺的位置要多测几个或多放几个基准尺 以提高绝对定向精度 三 坐标系及其相互转换1 坐标系的基本概念在工业测量系统中 会碰到多种坐标系 如 测站坐标系 物方坐标系 设计坐标系等 工业测量系统中缺省的测量坐标系 精确互瞄法系统相对定向 为测站1坐标系 即测站1为坐标系原点 0 0 0 测站1指向测站2在水平面内的投影 为X轴 Y轴在水平面内垂直于X轴 再以右手准则确定Z轴 测站1坐标系称为基本坐标系 工业测量系统所获得的物方点坐标是测量坐标系中的三维直角坐标 在实际使用中 需要将测量坐标系中的点坐标转换到其它坐标系 如工件的设计坐标系 任意两个空间坐标系都可以通过三个平移 三个旋转 一个缩放进行转换 2 坐标系的生成除了平移 旋转 缩放生成一个新坐标系外 另外还有两种方法 轴对准法和最小二乘转换法 轴对准法 由空间不在一直线上的三个点P1 X1 Y1 Z1 P2 X2 Y2 Z2 P3 X3 Y3 Z3 生成坐标P1 X Y Z 使得在新坐标系中点P1 P2 P3的坐标分别为 0 0 0 X2 0 0 X3 Y3 0 且X2 X3大于零 尺度保持不变 称为轴对准法生成坐标系 坐标系P1 X Y Z 是坐标系0 XYZ经过平移 X0 Y0 Z0 旋转 x y z得到 则有 X0 X1 Y0 Y1 Z0 Z1 而 轴对准法生成坐标系的另一种形式是两点轴对准 条件是坐标系0 XYZ的Z轴为铅垂直方向 XOY平面为水平面 点P1 P2生成的新坐标系P1 X Y Z 的轴平行于Z轴 P1为原点 X 轴过P2在水平面X Y Z 的投影P 坐标系P1 X Y Z 的三个旋转参数为 最小二乘转换法 所谓最小二乘转换就是利用一组在两个坐标系中的均有坐标值的公共点 进行最小二乘平差转换 求出两个坐标系间的转换参数 例如 在测量坐标系下测量了工件上的一组点 而这组点在工件的设计坐标系中的坐标是设计已知的 则利用最小二乘转换 把这组点的测量坐标转换到设计坐标系中去 即可分析比较它们的实测值与理论值的差异 设原坐标系0 XYZ经过平移 X0 Y0 Z0 再旋转 x y z和缩放K倍后 成为坐标系0 XYZ 在O XYZ中的点P X Y Z 相应变成p x y z 由于转换参数个数为7 而每点可列出三个误差方程 所以至少需3个公共点即可求解 由于误差方程是非线性化后得到的 故需要迭代求解3 坐标系间的转换空间任意两个坐标系均可以通过平移 旋转 缩放进行转换 而每一坐标系又可以用7个坐标系参数来表示 所以可以定义一个参考坐标系 它的平移参数为 0 0 0 三个旋转参数均为0 缩放系数为1 称该坐标系为当前坐标系或基本坐标系 记作0 XYZ 各坐标系的参数都是相对于当前坐标系而言的 当前坐标系是个相对概念 因此可选不同的坐标系为当前坐标系 而各坐标系的参数也随当前坐标系的不同而相应变化 设在当前坐标系中的另外两个坐标系为O X Y Z 和O X Y Z X01 Y01 Z01 T M1 K1和 X02 Y02 Z02 T M2 K2分别为它们的平移参数 旋转矩阵和缩放系数 则二个坐标系间的转换公式为 四 空间曲线和曲面拟合工业测量系统获得的坐标要用于几何元素的计算和分析 如形位误差分析等 由于工业测量系统只能获得被测物在测量坐标系中的三维直角坐标 不便于进行各种计算 如校正量 变形值等 因此拟合计算过程中需要将坐标转换参数和曲面参数一并进行求解 设曲面在设计坐标系中的标准方程为 式中 为曲面的参数 如在曲面上观测了n个点 各点的空间坐标为 xi yI zi I 1 2 n由于坐标观测值存在测量误差 因此可以得到如下误差方程 利用这n个点进行曲面拟合 需要对误差方程进行线性化处理 将上式在xi yi zi t0处展开有 式中 故按最小二乘平差可以求解曲面参数 由于测量坐标系与设计坐标系存在三个平移 X0 Y0 Z0 和三个旋转 参数 因此在测量坐标系中的曲面方程为 将误差方程线性化时 通常需已知近似的坐标转换参数及曲面近似参数 同样按最小二乘法一并求出坐标转换参数和曲面参数来 空间曲线的拟合实际上是拟合两空间曲面的交线 可采用一步拟合和二步拟合的方法 一般空间曲线的参数方程为 表示成二曲面的交线 其方程为 如构成二个误差方程 线性化后 同时利用最小二乘拟合 称为一步拟合法 MetroIn系统软件有平面拟合 平面圆拟合 球面拟合 椭球面拟合 圆锥拟合 抛物面拟合等 第三节大型天线安装测量实践大型多波束抛物环面天线安装和制造过程中涉及大地测量 精密工程测量 测绘已经成为天线制造不可或缺的重要环节和有机组成部分 一 天线的基本设计参数及曲面方程1 基本设计参数M为坐标系xoz中的标准抛物线 F为其焦点 抛物环面天线是抛物母线M以R为旋转半径 并绕与其焦轴成 2 夹角的轴线 即Z 轴 旋转而成的 f 焦距 R 旋转半径 和 偏转角 天线的生成轴与波束辐射方向之间的夹角 为天线的主要参数 其他参数还包括 D为有效口径 d为净空高 为描述天线的工作姿态 需要确定焦轴的大地方位角A 俯仰角E 焦轴与水平面的夹角 和姿态倾斜角TA Y轴与水平面的夹角 2 曲面方程抛物母线M的方程为 坐标系xoz与x oz 的关系为 坐标系x oz 与x o z 的关系为 根据上文描述的天线生成过程可得其曲面方程为 二 安装测量所用坐标系及相互关系该天线在测量过程中用到的坐标系很多 关系比较复杂 为了提供准确无误的测量数据必须明确定义各坐标系及其相互转换关系 1 设计坐标系和结构坐标系设计坐标系如图所示 O XYZ是抛物母线M所在的坐标系 用以描述天线的辐射特性 将其定义为设计坐标系 结构坐标系 坐标系O X Y Z 是天线结构设计的坐标系 在该坐标系中其数学模型和几何特征比较简单 定义为结构坐标系 与设计坐标系的关系如下 式中 为偏转角 2 施工坐标系施工坐标系OS XSYSZS 其原点OS为设计给定 可在实地选出 XSOSYS平面为 水平面 ZS为铅垂线的反方向 XS方向为天线中心波束的指向在水平面的投影 YS轴与XS垂直并按右手坐标系定出 该坐标系主要用于放样馈源楼 测量墩及座架基础等土建施工工作 3 设计坐标系的工作姿态如图所示 在工作姿态下 天线的设计坐标系的原点为V X轴 焦轴 的大地方位角为A 俯仰角 焦轴与水平面的夹角 为 Y 姿态倾斜角 Y轴与水平面的夹角 为 与施工坐标系的关系 在工作姿态下 天线原点V在施工坐标系下的坐标为 XV YV ZV 将施工坐标系平移到V点后 按下述坐标转换方法可以将施工坐标系转换到天线的工作姿态下 1 绕YS轴旋转 Y使XS与X轴重合 2 绕X轴旋转 X使YS与Y轴重合 F X Y Z V 从天线工作姿态定义可见 所给出的姿态倾斜角并不是需要的转动角 X 设姿态倾斜角为 它们之间的关系为 由此可以求出 X 按照坐标转换公式可以得到 需要注意的是 此处坐标旋转的顺序是绕Z Y和X旋转 4 测量坐标系测量坐标系是建立天线施工控制网而采用的坐标系 其原点OC可以任意选取 XCOCYC平面为水平面 ZC为铅垂线的反方向 XC方向为真北方向 YC轴与XC垂直并按左手坐标系定义定出 与施工坐标系的关系为 式中 X0 Y0为OS在测量坐标系中的平面坐标 Z0为土建施工零点的高程值 A为天线的天文方位角 三 测量控制网的布设 1 控制网主要作用 提供天线原点的大地坐标和方位基准完成与天线工程相配套的各项土建施工 天线地基 地脚螺栓和馈源楼 的工程测量保障 调整出表面精度和指向俱优的天线 并将天线各部件按设计要求高精度统一起来 2 控制网分类 大地测量控制网施工测量控制网安装测量控制网三者的区分除了作用不同 还有时间的先后顺序 1 大地测量控制网为了精确获得天线原点的大地坐标 计算到卫星的方位和俯仰角 和方位基准 需要在施工现场确定天线的原点 然后布设大地控制网进行定位和定向测量 1 测量墩的设计与施工天线原点 方位标点应在现场勘察阶段选好 为了保持方位基准并检验GPS方位测量的精度 在实地选取了三个方位标点 图b中的101 102和103点 另外为了施工放样的方便 在天线原点附近选择了104和105两个点用于土建施工的放样工作 图c 因此整个控制网由6个测量墩构成 103 选点完毕后就可设计并建立测量观测墩 观测墩采用强制对中装置 其安平精度要求为 2 结构为钢筋混凝土结构 高度为1 2m左右 观测墩于测量前三个月建好 以保证测量时点位稳定 2 观测方案设计及施测为了较精确地测定天线原点的大地坐标 为计算天线方位角和俯仰角等参数计算提供准确数据 需要和高等级GPS控制点相联测 以提高天线原点的定位精度 实际测量时选取了某GPS二级点作为控制网的已知点 同控制网中的原点0及定向点进行三级联测 引出原点0及定向点的坐标 图a 然后需要确定天线原点0到三个方位标点的大地方位角 以原点0及定向点作为起算点 按四级网的要求进行方位测量 求出三条方位边的大地方位角 见图b 3 数据处理结果观测数据经处理和转换后的大地坐标的精度为厘米到分米级 方位角的精度达到 5 另外观测值在高斯平面上进行平差解算 结果显示平面点位精度在 3mm以内 边长精度在 2mm以内 将GPS测量结果与用T3000测量结果比较可以看出 两者差不超过3 5 GPS观测提供了天线原点的大地坐标和方位边的大地方位角 但是其观测成果的边长及角度精度尚不能满足天线安装的要求 必须用高精度经纬仪和全站仪施测 建立达到亚毫米级的施工网 2 施工测量控制网施工测量控制网主要目的是为座架地脚螺栓的放样 馈源楼的放样及天线安装测量施工放样服务 分为平面网和高程网 1 平面网施工网平面网形如图所示 以边角网的形式施测 边长观测采用对向观测的形式 并实时加入气象改正 角度测量按国家三角网测