精密定位与垂准测量分解.ppt

1 第6章精密定位与垂准测量 6 1精密定位测量一 概述设备定位的实质是利用精密测量的仪器和方法满足它们的几何轴线或物理轴线之间的关系 这些轴线关系包括直线度 曲线度 水平度 倾斜度 平行度和铅直度等 设备精密定位的基本过程一般是根据固定在设备上用以表示其几何或物理轴线的测量标志与控制网点的位置关系 计算出定位元素 然后按照计算出的定位元素进行设备的实地定位 2 大型精密仪器设备和结构安装要求相当高的定位和找平精度 为了保证各种大型精密设备和结构顺利安装 安全运行 用常规的测量仪器和工具就显得力不从心 必须借助精密工程测量技术 GPS技术和工业测量技术等使之达到所要求的安装精度 1 精密测距技术精密测距技术主要是以各种定长杆尺和定长铟瓦线尺配合测微装置组成的测量仪 测量距离变化的应变仪和伸缩仪等短距离和微距离机械测量技术和以采用红外光电测距仪和精密激光测距仪等中长距离光电测量技术 3 2 精密测平技术安装工程设备找平 大间距范围内的相对高程测量是利用导电法连通管水平仪和可调平尺 在长距离 大跨度 异形面的高精度找平中 用精密水准仪测平 精密高程测量技术主要采用微水准测量 激光扫平水准测量和液体静力水准测量 前者采用专用微型水平尺和激光水准仪 而后者是则是根据连通管原理 通过各种类型的传感器测量容器的液面高度 同时获取树十至数百个测点的高程 具有高精度 遥测 自动化 可移动和持续测量等特点 4 3 精密安装基准线测量技术精密基准线测量又称精密准直测量 是直线型设备精密安装或水平位移精密测量的一种方法 其基本原理是在两个基准点之间通过光学视准线 机械引张线或激光束建立一条基准线 以测出设备上观测点偏离该基准线的偏离值 从而把设备调整安装到该基准线或者测出水平位移量 5 4 安装施工精密定位测量技术在安装工程中 广泛应用高精度经纬仪 激光水准仪 激光经纬仪和激光准直仪找中 定位和定向 尤其是对成套机组设备 用激光测量仪器检测明显优于拉钢丝法 普通水准仪法和经纬仪法 而且操作简单 6 6 1精密定位测量 平面定位常采用的方法 基准线法 弦线偏距法 距离交会法 极坐标法等 而设备的高程定位时 短视线的几何水准测量仍是一种广泛采用的行之有效的方法 此外 也有采用液体静力水准测量和微水准测量方法 利用计算机配合电子测角系统 采用空间交会的方法进行三维坐标的测量 同时定位和自动定位 7 6 1精密定位测量 定位精度要求 定位精度要求视各种设备的工艺特点和要求而异 有时要求最终定位的精度高达0 1 0 15mm 因此 在进行精密定位之前 要拟订合理的定位方案 根据最后的限差要求和拟订的定位方法进行误差分析 以确定定位过程中每一单项操作的精度要求 这些单项操作的精度有时仅为最终要求的几分之一 甚至高达0 05 0 02mm 8 6 1精密定位测量 对于某些工艺构件有时提出先将各单个构件在专用的组装台上装配成一个组体 这样可以在一个局部范围内 保证组体内各构件之间有很高的相对精度 然后将组体安装到设计位置上去 无论是单个构件的组装还是组体定位 一般都是先以较低的精度进行初定位 然后进行精密定位 以至可能要进行多次循环 在最终的精密定位之前 应考虑到设备重量对地基的影响 一般要求在地基和基础的变形趋于稳定之后在进行精密定位 9 6 1精密定位测量 二 环形粒子加速器的磁件定位下面以环形粒子加速器的构件定位和机械制造工业中的设备定位为例 说明其定位方法和特点 某环形粒子加速器由120块磁件组成 它们分布在半径为236m的圆周上 每块磁件长约11m 由5个构件按一定的曲率半径放置在一金属梁上 在进行磁件定位之前 先根据单个构件同侧边缘上固定的两个轨道标志 在金属梁上进行初步定位 然后将5个构件组装为一块磁件 其组装方法如下 10 6 1精密定位测量 根据磁件的曲率半径 和单个构件之间的间隙 当采用弦线偏距法组装时 先计算出组装元素 即2 9轨道点 相对于轨道点1和10的连线的偏距 2 3 9在轨道点1和10之间用一根拉紧的细钢丝作弦线 在中间点2 9上放置与偏距 i长度相应的专用杆尺 以测定各点相对于弦线的偏距 当测得的偏距与计算值不一致时 移动构件使各杆尺上读得的偏距正好等于计算的偏距值 即表示把各构件组装到半径为 的一段设计圆周上 11 6 1精密定位测量 有时为了减少专用杆尺的长度 可利用轨道点2和9的连线作为弦线 分别计算其余各点相对于轨道点2和9的连线的偏距 再按上法进行组装 在单个构件组装完成之后 将其固定在金属梁上构成一块磁件 这时轨道点2和9 前者1和10 即为这磁件的轨道标志 它们是磁件定位的依据 在进行磁件定位时 为保证各磁件的相互位置精度 通常先根据安装控制网采用极坐标法对部分磁件进行初定位 然后 再利用弦线偏距法进行精密定位 这时 为保证各磁件之间的平滑度 应采用逐渐趋近的方法 尽可能使所有磁件都位于设计位置 12 6 1精密定位测量 下面以一段圆弧上的磁件定位为例 说明其作业程序如下 13 6 1精密定位测量 作业程序如下 1 如图 根据控制点1 2 3 和磁件轨道点 设计值 坐标之间的关系 计算出角度 1 2 3 和长度L1 L2 L3 放样数据 用极坐标法初步放样出单号磁件 1 3 的右轨道点1右 3右 2 在单号磁件的右轨道点 1右 3右 之间拉弦线 用弦线偏距法和专用杆尺放样出 1右 2左以及偏距 2左 2右 从而确定了 2磁件的位置 同法确定其余各双号 4 6 磁件的位置 3 以双号磁件的轨道点 2右 4右 的连线为弦线 同法放样出 3左 3右和 2右 3左确定出 3磁件的位置及其余各单号磁件的位置 4 重复步骤2进行检查 14 6 1精密定位测量 从上述作业程序可以出 在步骤2和3中 由单号磁件的右轨道点放样双号磁件 再由双号磁件的左右轨道点放样单号磁件时 未与控制点发生联系 只是求得它们的平滑度 利用这种将单号磁件和双号磁件进行互相联系 逐渐趋近的定位方法 不仅可以保证整个圆环上各相邻磁件有很高的相对位置精度 并减弱控制点坐标误差的影响 而且在控制点发生位移时 没有必要重新计算放样元素 需要指出 在磁件定位过程中 由于磁件设计位置的径向精度要求比切向高 因此 可根据不同的精度要求来计算放样元素 和 及 对 应计算到微米 而 只要计算到0 1mm即可 15 6 1精密定位测量 在进行磁件平面位置定位的同时 还应进行磁件的高程定位 通常在磁件进行初步定位时 测定磁件标志的高程 当磁件进行平面精密定位时 同时调整支撑金属架的千斤顶 使磁件位于设计高程上 这一过程也需要逐渐趋近 以保持磁件在高程上相互位置的平滑度 16 6 2精密垂准测量 一 概述在精密工程测量中 常常需要将一个高程面上的点垂直投影到另一个高程面上 其投影精度要求有时高达几十微米 例如 在大型粒子加速器工程的施工测量中 需要将地面上的控制点的坐标通过竖井垂直投影到地下隧道的控制点上 在进行设备构件的安装定位时 常常根据底层控制点来安装上部构件 又需要进行向上的垂直投影 为保证各类仪器设备能在同一标志上对中 也要用到各种精密对点器 17 对于数百米高的大厦 信号转播塔 烟囱及数百米深的竖井等工程 在施工中或在运营过程的检测中必须以较高的精度控制垂直度 有的工程如核电站 火箭发射架等机械设备的安装中 其垂直精度通常要求达亚毫米级 目前常用的投点方法有 机械法和光学法两大类 机械法投点的实质是改进了的正垂线或倒垂线 当它们与传感器和电子系统相结合时 可以实现自动化投点 光学投影仪器按其投影高度 应用的光源等可分为光学对点仪 投影仪 激光铅直仪 激光垂准仪等 普通的光学垂直仪较好的精度大约为1 40000 200m高度的误差为 5mm左右 可以满足一般工程的精度要求 而高精度的垂准仪相对精度要求达到1 100000 1 200000 因此在仪器结构及操作程序应做相应改变 18 高层建筑物施工及安全监测主要包括两个方面 一方面是沉降观测 另一方面是垂直度监测 当前 国内高层建筑施工中 常用的轴线竖向传递测量方法有经纬仪投点测量法 激光测量法 挂吊线锤法等 经纬仪投点测量法是目前建筑施工中使用比较普遍的方法 其缺点是当建筑物高度较高时 由于仰角关系 测设距离要远 在城区建筑密集处施工 场地狭小 现场测设工作有一定难度 受气候影响较大 不宜在太阳下 刮风及雨天进行测量操作 地面控制桩受到破损就无法测量 19 用经纬仪投点测设时 应特别注意仪器的整平精度 测设时 应采用正 倒镜的测设方案 同时应操控视线仰角的大小 般不宜大于45度 否则 应在经纬仪上配制弯管目镜 改善观测条件 因为仰角过大 不但操作不便 而且会降低测设精度 激光经纬仪 激光铅直仪 在建筑施工中应用的日益普及 用来作轴线竖向传递测量 除具有测量方法简单 测量速度快 测量精度高等优点外 还可进行夜间测量定位工作 此外 它在室内作业不受风振与日照等自然环境影响 能保证竖向传递测量的精度 但要注意因基础不均匀沉降造成的测量误差 吊线锤测量法的缺点是测量精度低 受风力影响大 不宜在建筑物外部操作 高楼层远距测量时操作难度大 20 吊锤线法 经纬仪投测法仪器设备简单 施工方法简便的优点 被施工单位广泛采用 但该方法受外界风力 场地条件影响较大 特别在高层建筑中操作起来比较困难 激光铅垂仪进行投测 利用仪器发射的垂直激光束形成的投测光斑 逐层投点 从而确定逐层轴线的偏差 这种方法精度较高 方便快捷 对施工场地没有特殊要求 因此 这种方法在高层建筑中逐步得到广泛应用 21 一 JC100激光垂准仪 苏州一光 电子自动安平 自动提供高精度的向上和向下的铅垂线 具有自动超范围报警等功能 配有红外遥控器 可对仪器所有的功能实行遥控产品功能描述上对点精度 2 中误差 下对点精度 2 中误差 自动安平范围 3 工作范围上 下150米遥控距离30米激光波长635nm电源4 8V可充电电池连续工作时间约12小时工作温度 20 50 仪器尺寸mm 160 x230仪器重量Kg4 5Kg 二 几种垂准仪介绍 22 二 DZJ2激光铅垂仪 苏一光 23 如图为JZY 40型立井激光投点仪 它是在矿山立井建设中掘进砌壁时采用激光投点代替中心垂球线的专用仪器 主要技术指标 投点距离800m光斑直径 40mm 800m处 电池供电DC3V外接电源AC220V激光功率4 8mW水准管格值20 mm垂直精度1 40000工作环境温度 10 40 仪器重量6 8kg稳压电源重量0 5kg 三 JZY 40型立井激光投点仪 24 下图为北京欧普光学仪器有限责任公司生产的LC10激光投线仪 1 结构 由投线仪主体 磁阻尼自动安平系统 电路控制系统和控制面板等部分组成 投线仪主体悬挂于安平机构壳体支架上 在主体上装有一个垂直下投点激光器 四个互成90 的垂直面激光器和五个水平面激光器共十个激光器 四 LC10激光投线仪 25 在自动安平状态 仪器投射出一个下投点 四个互成90 的垂直面和五个水平面互相搭接成的水平环面 还可由四垂线在天顶相交形成上投点 磁阻尼自动安平系统可使仪器在倾角小于3 5 时自动安平 电路系统保证十支激光器的正常开关 并能实现自动安平系统倾角超范围时输出的激光闪烁提示报警 仪器还带有观察镜 外接电源 三脚架 调制激光接收器 充电器 也可用做电源适配器 充电电池盒等附件 2 性能方面 26 3 仪器的基本参数 仪器的投射型式 一点 一水平环线 四垂线 光源 半导体激光器 下投点 半导体调制激光器 波长 635nm 650nm 输出功率 1mW 垂直投射角 水平线下2 天顶相交 水平面的水平精度 1mm 5m 铅垂线的精确度 1mm 5m 四垂线互成90 的精度 1mm 5m 使用电池连续工作时间 8小时 工作温度 10 40 仪器外型 140 245mm 仪器重量 1 8kg 可旋转 360 27 4 仪器的精度检查仪器新购进或已经使用了一段时间以后 应对仪器的主要参数进行一次精度检查 检查的项目和方法如下 水平环面处于同一平面内的检查接通电源 五个水平激光器在墙面上投射出水平环线 观察五个激光管投射出的光线所构成的环线是否首尾重合 如不重合 环线中将出现双线 设双线的间距为a 仪器到墙面的距离为L 则 a L 0 0002为合格 28 水平环面水平性的检查该项检查是为了核查激光光束沿光束前进方向的水平性 仪器置于房间 距墙L 接通电源 仪器在墙上投射出一条水平线 在墙上做出高度标记A1 将仪器旋转180 以同样的方法在墙上做出标记B1 则 A1 B1 2L就是水平环面和水平面夹角的正切值 若 A1 B1 2L 0 0002 则为合格 四铅垂面铅垂性的检查在墙面上悬挂重锤建立一个垂线基准 长为L 仪器投射出的铅垂面与墙面相交形成的激光垂线 四条垂线与铅锤基准一一与其比较即可找出激光垂面铅垂性的角误差 e L是角误差的正切值 e为激光垂线与铅垂基准在L长时的偏差值 要求 e L 0 0002 29 三 垂准测量的误差1 仪器的竖轴倾斜误差普通的光学垂准仪采用格值为20 2mm的长水准器整平仪器 若设仪器整平误差为1 4气泡格值 那么竖轴的倾斜能达到5 200m高度的垂准误差达 5mm 竖轴误差无法利用观测方法进行消除 属系统误差分量 因此要提高垂准精度就必须提高竖轴的置中精度 2 竖轴的加工精度在垂准测量中 为克服视准轴与竖轴不严格重合而产生的投影误差 应旋转照准部在相隔120 的三个方向上投点 取重心作为最终结果 30 3 垂准仪的调焦误差因测量不同的高度 深度 垂准仪必须调焦 而调焦会使视准轴发生变化而产生投点误差 但采取在互为120 的三个方向投点取重心时 该项误差可以得到有效的消除 4 目标的标定误差目标的标定有各种方法 最常用的是用铅笔尖画小圆点 这种方法的误差可能达 2 3 如果采用有机玻璃片画细十字线的方法其误差大约在 1 以内 5 竖直面内的大气折光在竖直方向 大气结构有着固有的特点 有时受环境条件影响 可能使竖直方向的各个不同高度处有横向温度梯度场存在 使垂准光线发生偏折 而垂直方向的大气的交换及湍流运动 使垂准光线发生漂移 影响垂准精度 31 关于竖直面内垂准光线漂移的方差 根据湍流大气波的传播理论并考虑折射率结构函数的高程分布模式 可得式中 a为常数 这里取0 71 C2n0为参考平面的折射率结构函数值 h0为参考高程 H为测量的高度 b为大气系数 按照Hufnagel模式 取参考高程320m 且白天的C2n0 3 6 10 13 b s b 夜间的C2n0 1 6 10 13 b 1 考察高程H 200m的情况 则H h0 0 6 1则得到 白天的 r 2