工业测量教学课件

一、工业测量的概况,1、定义,工业测量是在工业生产和科研各环节中，为产品的设计、制造、安装、放样、仿制、监测、质量控制、动态目标的形状尺寸及运动状态，提供测量技术支撑的一门学科,3、特点,工作空间小精度要求高从0.01mm几mm尺寸差异大从工业零件到天文望远镜天线技术手段多大地测量方法、摄影测量方法、传感器数据处理复杂,4、精度要求与方法选取,测量必要的精度不应该超过产品规定限差的0.10.3倍,方法的选择要考虑的两个因素：精度和成本,2.1长度测量,1、米的定义（参考文章“计量学的世纪变迁长度单位米定义的变迁”）,2.1长度测量,1、米的定义,2.1长度测量,1、米的定义,2.1长度测量,1、米的定义,2.1长度测量,1、米的定义,2.1长度测量,2、长度测量方法分类,机械法电磁波测距法激光干涉法,接触测量非接触测量,绝对长度距离变化量,机械法测距位移传感器,2.1长度测量,机械法测距游标卡尺,2.1长度测量,机械法测距游标卡尺,2.1长度测量,机械法测距游标卡尺千分卡,2.1长度测量,位移传感器,微米级位移传感器又称为线性传感器，它分为：电感式位移传感器电容式位移传感器光电式位移传感器超声波式位移传感器霍尔式位移传感器,2.1长度测量,位移传感器电感式位移传感器,原理：接通电源后，在开关的感应面将产生一个交变磁场，当金属物体接近此感应面时，金属中则产生涡流而吸取了振荡器的能量，使振荡器输出幅度线性衰减，然后根据衰减量的变化来完成无接触检测物体的目的,2.1长度测量,位移传感器电容式位移传感器,原理：位移引起电容的变化，电路检测电容换算位移,2.1长度测量,位移传感器光电式位移传感器,原理：光学三角法。半导体激光器被镜片聚焦到被测物体。反射光被镜片收集，投射到CMOS阵列上；信号处理器通过三角函数计算阵列上的光点位置得到距物体的距离。精度：线性度最高0.1%，分辨率最高0.03%,2.2角度测量,方法分类,编码法绝对编码法增量编码法动态测角法圆光栅测量法激光干涉角度测量法角度仪法自准直法正弦规测量,2.2角度测量,方法分类,编码法绝对编码法增量编码法动态测角法圆光栅测量法激光干涉角度测量法角度仪法自准直法正弦规测量,2.2角度测量,1、绝对编码法,由编码器、光电/磁感应及处理器组成编码法是直接将度盘按二进制制成多道环码，用光电的方法或磁感应的方法读出其编码，根据其编码直接换算成角度值,2.2角度测量,2、激光干涉角度测量法,基于迈克耳逊干涉测长仪，通过一个转台，将物体转动角度转换成长度，从而来实现方便、精确的角度测量记录干涉条纹的移动量优点：能克服外界震动、转台不平稳等影响,如R=4cm，=632.8nm，N=1，n=1，k=20，则系统的分辨率约为8.210-2秒,2.3高程测量,高程测量分类,精密水准测量三角高程测量静力水准测量（连通管测量）,2.3高程测量,1、几何水准测量,常规的精密水准悬钢带传递,2.三角高程测量三角高程测量,同时对向观测时，双向观测方程即可写成,如何解决不量测仪器高和目标高？,线路观测示意图,对向观测示意图,起点,终点,A,B,A,2.3高程测量,3、静力水准测量,一个可以自由流动的静止液面上各个点的重力影响是相同的，或者说液面是等高的当两个盛有液体的容器用一根橡皮管连接起来后，静止状态下，两个容器中液面的高度是相同的，这就是流通管原理，也是流体静力水准测量系统的基础,2.4准直测量,准直的定义与方法分类,光学准直（准直望远镜、自准直系统、经纬仪准直）机械准直（引张线）激光准直（激光束准直、波带板激光准直）,准直测量定义：沿着一条参考直线，校准各测点或测量各测点与参考线的偏差（距离）适应距离范围：从几米到几百米精度：从亚毫米到几微米应用：直线度测量、变形监测等,2.4准直测量,1、光学准直-基本知识,几何光学原理：无限远处的物体经过透镜后将成像在焦平面上;反之,从透镜焦平面上发出的光线经透镜后将成为一束平行光。如果将一个物体放在透镜的焦平面上,那么它将成像在无限远处平行光管、分划板,2.4准直测量,1、光学准直-准直望远镜,2.4准直测量,1、光学准直-自准直,自准直原理:光线通过位于物镜焦平面的分划板后，经物镜形成平行光。平行光被垂直于光轴的反射镜反射回来，再通过物镜后在焦平面上形成分划板标线像与标线重合。当反射镜倾斜一个微小角度角时，反射回来的光束就倾斜2角,2.4准直测量,1、光学准直-经纬仪准直,小角度法中间设站法活动觇牌法,2.4准直测量,1、光学准直-经纬仪准直,小角度法中间设站法活动觇牌法,2.4准直测量,1、光学准直-经纬仪准直,小角度法中间设站法活动觇牌法,2.4准直测量,1、光学准直-经纬仪准直,小角度法中间设站法活动觇牌法,2.4准直测量,2、机械准直法,2.4准直测量,3、激光准直,定义：利用激光束、波带板或干涉测量方法，将点位安置在一条直线上，或测定点位偏离直线上的距离激光由于具有亮度高、方向性强、单色性好，相干性强等特点,2.4准直测量,3、激光准直-激光束准直,利用激光束的指向性受激光本身的漂移影响，适用于短距离准直测量组成：激光光源、光接收板,2.4准直测量,3、激光准直-波带板激光准直,核心是为了解决激光束本身的漂移影响，已适用于长距离的基线测量精度达到10-7组成：激光点光源、波带板（聂菲耳透镜）、光接收板,2.4准直测量,3、激光准直-波带板激光准直,2.5倾斜测量,1、基本知识,定义：通过相应的技术手段测量一个面或者一条线相对于水平面和垂直面的偏离程度倾斜仪分类：固定摆式倾角传感器液体摆式倾角传感器气体摆式倾角传感器量程10度左右精度千分之一秒几分,2.5倾斜测量,1、基本知识,定义：通过相应的技术手段测量一个面或者一条线相对于水平面和垂直面的偏离程度倾斜仪分类：固定摆式倾角传感器液体摆式倾角传感器气体摆式倾角传感器量程10度左右精度千分之一秒几分,2.5倾斜测量,2、固定摆式倾角传感器,利用重力垂直向下的方向线分类：应变式、点位式、电感式,2.5倾斜测量,2、液体摆式倾角传感器,测量电阻或电容的改变，根据之间的线性关系式，以求倾斜量,测量方法分类,经纬仪测量系统全站仪测量系统摄影测量系统激光测量系统结构光测量系统三坐标量测机关节臂坐标测量系统IndoorGPS测量系统,3-1经纬仪测量系统,原理由两台或两台以上的高精度电子经纬仪与计算机联机构成，根据角度空间前方交会测量原理获取空间点三维坐标特点系统的尺度基准通过对基准尺测量来确定；高精度；无接触,1977年HP公司生产的HP3820A，2”、4”；1979年用一台计算机将2台电子经纬仪连接，第一次组成了“实时三角测量系统”；20世纪80年代中期以来，美国K+E厂推出AIMS系统，德国Zeiss厂推出IMS系统，瑞士Kern厂推出ECDS和SPACE系统Leica公司推出RMS2000、ECDS3、Axyz系统索佳公司的STMS系统。,Axyz系统,是目前世界上最先进的经纬仪测量系统电子经纬仪：T2000/T3000/TM5000测角精度：0.5”坐标精度：几米十几米范围内精度达（0.020.05）mm,典型的工业测量经纬仪,T3000A电子经纬仪TM5100A电子经纬仪,系统组成以及其作用,定向原理,A,B,b,h,A,B,X,Z,Y,注意的问题：坐标系的选择：已知值：b，h观测值：水平角，垂直角待求值：待定点坐标影响精度的元素：起始值，观测值，构型,确定设备的起始方向,相对定向,绝对定向,确定b，h（优于0.1mm），实际上是给出经纬仪测量系统的尺度基准,L,b,A,B,M,N,基准尺放置与基线精度的关系,基准尺与基线平行基准尺在水平面内垂直于基线铅直放置,当基线尺长度L1m，mL0.001mm，基线长度b10m，角度观测精度0.5秒，且两台仪器基本同高、基线尺中心与仪器基本等高,当基准尺平行于基线时，最好将基准尺置于基线的一端，即0.3m、10m、3m的位置；,当基线尺垂直于基线时，最好将基准尺放在基线中间；,当基准尺铅垂放置时，将基线尺放在中间位置最好,基准尺与不同长度基线的精度关系,当基线尺长度L1m，mL0.001mm，角度观测精度0.5秒，且两台仪器基本同高、基线尺中心与仪器基本等高,不同长度基准尺对基线精度的影响,若基准尺的长度可以选择，当基准尺平行于基线时，取基准尺长度与基线长度一致为最佳,在水平面内，若基准尺垂直于基准线，则基准尺应中心对称于基线位置；,当Lb/2时，选择不同的基准尺长度对基线的精度影响很明显。当Lb/2时，对于水平面内基准尺垂直于基线的情形，基准尺长度对基线精度的影响不显著；而对L/b的情形，基准尺长度对基线精度仍然有显著影响,基于光束法平差的相对定向、绝对定向,基本思想将电子经纬仪工业测量系统模拟成摄影测量系统（事实上，经纬仪前方交会与摄影测量前方交会原理是一样的），把经纬仪水平角和垂直角观测值化算为虚拟像点坐标观测值，按摄影测量光束法平差进行二台或多台经纬仪间的系统定向和空间坐标解算。,涉及的坐标系经纬仪测站坐标系虚拟像平面坐标系空间测量坐标系,首先建立虚拟像平面坐标系，把经纬仪的水平角和垂直角观测值、化算为像平面坐标（x，z）,三个平移量,三个旋转量,1、相对定向,为定向参数改正数；为物方点坐标改正数；,2、绝对定向当物方二点间有一条已知距离（如基准尺）L0时，即可实现绝对定向（尺度）,微型控制网的建立,二、全站仪测量系统,1、基本原理,二、全站仪测量系统,2、主要的高精度全站仪,二、全站仪测量系统,3、主要的工业测量系统,二、全站仪测量系统,3、主要的工业测量系统,二、全站仪测量系统,3、主要的工业测量系统,三、近景摄影测量系统,1、近景摄影测量的定义与特点,当被测物体距摄影机的距离小于100米左右时称之为近景摄影测量特点：可以瞬间获取被测物体大量表面信息，特别适合于测量点众多的目标，也适合于测量动态目标，包括高速运动的目标；它是一种非接触手段，不干扰物体的自然状态，适合在恶劣环境下的测量（如噪音、放射性、有毒等）；注重测量物体的形状、大小，而不注意物体的绝对位置；常用交向摄影测量，保证测点的有较大的重叠度；有严谨的理论和现代化的硬件软件，可以快速提供高精度的测量成果，相对精度可达到千分之一到百万分之一,摄影机模拟相机数码相机摄影全站仪摄影测量标志普通人工标志回光反射标志编码标志偏心标志光学标志,三、近景摄影测量系统,2、摄影机、标志及摄影方式,提高精度的措施：1、要尽可能增大比例尺。或者说尽可能增大主距或缩小摄影距离2、要尽可能提高像点量测精度3、要尽可能增大像对的基线长度,三、近景摄影测量系统,3、近景摄影测量的坐标系,像平面坐标系o-xy像空间辅助坐标系S-UVW像空间坐标系S-xyz物方空间坐标系D-XYZ,三、近景摄影测量系统,4、内外方位元素,内方位元素描述投影中心在相机固有像平面坐标系中的位置和中心透视畸变偏差外方位元素确定光束在给定的物方空间坐标系D-XYZ中的位置和朝向的参数,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法-空间后方交会,定义根据像片上一定数量的控制点的像点坐标(x,y)和控制点的物方坐标(X,Y,Z)计算该像片的外方位元素、内方位元素以及附加参数影响精度的因素空间上控制点的数量、质量以及分布；控制点在像片上成像的数量、质量与分布；像点本身的测量精度和系统误差改正程度,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法-空间前方交会,定义在已知至少两张像片的内、外方位元素和各项系统误差改正系数的前提下，根据物方点在这些像片上的像点坐标解算物方点三维坐标的过程影响精度的因素各个像片之间的几何构型，包括像片数量、设站空间布局及交会角度；像点的成像质量，包含了像点坐标测量本身的精度以及各项系统误差的改正程度；每张像片内、外方位元素以及附加参数的精度,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法-光束法平差,定义把控制点的物空坐标及其像点坐标、待定点的像点坐标以及其它内外业测量数据一部分或者全部视为观测值，以整体方式同时解求所有参数的最或然值的解算方法观测值同名像点、控制点坐标、相对控制（长度、角度、平面等）等解算值外方位元素、内方位元素、待定点坐标,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法-自检校光束法平差,定义在解求待定点空间坐标的同时，将像机内参数和畸变参数作为附加参数，实现像点坐标参与系统误差自动补偿的一种算法，自检校光束法平差以无需额外的附加观测值来实现系统误差的自动补偿为特点观测值同名像点、控制点坐标、相对控制（长度、角度、平面等）等解算值外方位元素、内方位元素、待定点坐标、其他参数,三、近景摄影测量系统,6、相对控制,定义相对控制可以是已知的边长、角度、水平面、铅直面等,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法,三、近景摄影测量系统,5、基于共线条件的数据处理方法,空间后方交会-前方交会,光线束法平差,自检校光线束法平差,三、近景摄影测量系统,6、相对控制,定义相对控制可以是已知的边长、角度、水平面、铅直面等,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,问题的提出用共线条件式解算时需满足的条件：量测以像片主点为原点的像片坐标x、y需提供内、外方位元素的初始值非量测像机在应用中的特点：无法直接量测以像片主点为原点的像片坐标，只能量测以任意点为原点、任意坐标轴系内的坐标仪坐标不能提供内方位元素及外方位元素,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,推导思路（非量测像机所摄影像仍满足共线条件式）建立坐标仪坐标与以像片主点为原点的像片坐标的关系式系统误差仅包含坐标轴不垂直性误差d和比例尺不一致误差ds引起的线形误差,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,其他推到思路把坐标仪坐标转化为像平面坐标，代入共线条件方程式，整理,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,几点说明只有x向不受线性变形的影响时，fx才与主距f相等引起x向线性变形的原因：底片变形，光学畸变差的线性部分，x、y单位长度不一引起比例尺不一致误差ds原因：底片不均匀变形，x、y单位长度不一引起坐标轴不垂直性误差d原因:坐标轴不垂直各L系数独立,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,DLT的本质：建立了像点的坐标仪坐标与物空间坐标的直接的、线性的关系,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,*求解近似值：L参数近似值、物方待定点坐标近似值,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,*精确解求：(1)L参数（有多余观测时，以像点坐标为观测值，考虑像点坐标的非线性改正）,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,迭代运算，以fx相邻两次运算的差值是否小于0.01mm作为判断结束,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,*精确解求：(2)像点坐标改正,三、近景摄影测量系统,7、直接线性变换（DLT）,*精确解求：(3)待定点物方空间坐标,迭代运算，以物方空间坐标精度要求的十分之一作为迭代判据,一些技术问题DLT解法建立了坐标仪坐标（x、y）与物方空间坐标（X、Y、Z）的直接的、线性的关系式，是一种以共线条件方程式为理论基础的方法不如光线束解法严密，只能提供中、低精度的成果摄站点不能与物方空间坐标系原点重合对空间控制点的要求：控制点的数量，每个像片内至少六个控制点应均匀分布，环绕目标，且各控制点在相片上的构像范围越大越好控制点不能布设同一平面上，引起解的不定性（系数矩阵M不是一个列满秩阵）,影响精度的主要因素：像点量测误差两相片主光轴间交会角像片张数非线性畸变差的改正程度像机的像场角控制点的精度控制点的数量及分布,二维DLT目标为二维，如Z是某一常数，将含Z的项合并一维DLT目标为一维，如Y、Z是常数,三、近景摄影测量系统,8、基于共面条件的解法,内定向相对定向绝对定向待定点坐标解求,光束法未知数近似值获取方法后交前交组合连续模型计算相对定向绝对定向DLT方法其它,三、近景摄影测量系统,9、摄影机检校,摄影机检校的内容内方位元素光学畸变系数的确定压平装置及像框坐标系的设定调焦后主距变化的测定与设定调焦后畸变差变化的测定摄影机偏心常数的测定立体摄影机内、外方位元素的测定多台摄影机同步精度的测定,三、近景摄影测量系统,9、摄影机检校,摄影机检校的内容内方位元素光学畸变系数的确定压平装置及像框坐标系的设定调焦后主距变化的测定与设定调焦后畸变差变化的测定摄影机偏心常数的测定立体摄影机内、外方位元素的测定多台摄影机同步精度的测定,三、近景摄影测量系统,9、摄影机检校,摄影机检校方法光学实验室检校：附加设备（准直管、测角仪）实验场检校：三维空间分布大量的人工标志点，以后方交会解内方位元素、光学畸变系数自检校法在任检校法与任务同时进行物空间分布高质量控制点,三、近景摄影测量系统,9、摄影机检校,摄影机检校方法光学实验室检校：附加设备（准直管、测角仪）实验场检校：三维空间分布大量的人工标志点，以后方交会解内方位元素、光学畸变系数自检校法在任检校法与任务同时进行物空间分布高质量控制点,三、近景摄影测量系统,9、摄影机检校,单像空间后方交会的摄影机检校,三、近景摄影测量系统,9、摄影机检校,多像空间后方交会的摄影机检校,三、近景摄影测量系统,9、摄影机检校,直接线性变换的摄影机检校,检校精度与单像空间后方交会相当，适用于量测相机和非量测相机,三、近景摄影测量系统,9、摄影机检校,自检校法,V-STARS（,三、近景摄影测量系统,V-STARSS,V-STARSM,V-STARSD,V-STARSN,0.07mm4m，or1:60,000,0.025mm4m,or1:160,000,0.07mm4m，or1:60,000,1:80,000(Silver)1:115,000(Gold)1:160,000(Platinum),四、三坐标测量机（CMM）,参见网站：,组成主机、测头、电气系统等典型结构悬臂式、桥式、龙门式等几种测量范围2000mm精度（23）10-4L（23）10-5L（23）10-6L(计量型)应用机械制造、仪器制造、汽车工业、电子工业、航空和航天工业等,五、激光跟踪仪,组成激光跟踪头、控制器、用户计算机、反射器及测量附件等典型仪器厂家Leica公司、Faro公司API公司.测量的绝对精度0.05mm应用大型制造业的安装及检测、工业计量,六、关节臂式坐标测量机,组成测量臂、码盘、测头（激光扫描头或探针扫描）等原理空间支导线精度（0.020.17）mm应用模具、汽车零部件、钣金件、塑料制品、木制品、雕塑的快速检测和逆向工程,六、关节臂式坐标测量机,七、激光扫描仪,1、分类,按维数分类：二维和三维按平台分类：手持、地面、车载、机载按测距原理分类：三角法、脉冲式、相位式按应用范围分类：工业级、工程级按测程分类：短程（最长扫描距离小于3m）中程远程按光源分类：气体、固体、半导体,八、激光扫描仪,2、主要生产厂家,青岛恒准（中国），Z+F(德国)，Surphaser（美国），I-site(澳大利亚maptek)，Riegl（奥地利），徕卡（瑞士），天宝（美国），Optech（加拿大），拓普康（日本），Faro等产家。,八、激光扫描仪,3、地面三维激光扫描仪的组成,地面三维激光扫描系统主要由扫描头、控制器、计算机和电源供应系统组成,八、激光扫描仪,4、地面三维激光扫描仪的测量原理,三维坐标确定采用空间极坐标法本,八、激光扫描仪,5、测距方式,脉冲测距相位测距（相位式测量是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长换算此相位延迟所代表的距离）三角法测距,八、激光扫描仪,6、扫描仪的有关的几个概念,1）分辨率：表征了仪器探测目标的最高解析能力两个基本的参数：相邻采样点间的最小角度间距一定距离上光斑的最小尺寸这两个参数直接决定了激光光斑的尺寸和光斑的点间距，对模型的构建精度有着直接的影响2）点云：扫描仪测量的密集数据就是点云3）点云数据包含的内容：坐标、反射强度、颜色等4）扫描速度：现在脉冲扫描仪最大速度已经达到50000点每秒，相位式扫描仪Surphaser三维激光扫描仪最高速度已经达到120万点每秒,八、激光扫描仪,7、数据采集流程,计划准备粗扫拼接精扫拍照8.数据处理流程数据预处理数据分块滤波与光顺孔洞修补点云重采样三维建模可视化,八、激光扫描仪,9、应用-Overview,八、IndoorGPSiGPS,组成硬件（激光发射器、光电接收器、放大器、处理器），软件（定位网络软件、移动客户端软件）原理光电接收器根据激光发射器投射光线的时间特征参数，计算接收器相对于发射器的方位和俯仰角，发给中心控制服务器，由定位网络软件计算坐标精度亚毫米级应用大型制造业的安装及检测、工业计量,七、IndoorGPSiGPS,参见：,工业测量数据处理,误差理论,曲线拟合,曲面拟合,坐标变换,工业测量中对离散点的几何分析主要体现在点、线和面及其相互关系上。如点到面和线的距离；线、面之间平行性；圆度、直线度等。因此，对测量的离散点进行线与面的拟合是经常碰到的问题,一、形位误差等基本概念,1、形位误差加工所得零件的实际形状和位置对图样上所给出的理想形状和位置的变动量，称做形状和位置误差，简称形位误差2、形位公差形位公差是指图样上所给出的，用以限制零件的实际形状和位置相对于理想形状和位置的变动范围。3、形位误差检测要求（1）相对准确性（2）经济性,1）直线度表示零件上的直线要素与理想直线的保持状态。由形状（理想包容形状）、大小（公差值）、方向、位置四个要素组成2）平面度被测实际表面对其理想平面的保持状态3）圆度是指工件的横截面接近理论圆的程度，圆度是限制实际圆对理想圆变动量的一项指标4）同轴度是表示零件上被测轴线相对于基准轴线，保持在同一直线上的状态。同轴度误差是反映在横截面上的圆心的不同心5）平行度指一平面（边）相对于另一平面（边）平行的程度,5、形位测