现代精密工程测量技术及仪器

1、现代精密工程测量技术及仪器【摘 要】在现代工程测量中，由于工程的各项技术指标要求越来越高，相应地对测量也提出更高的要求。本文总结了现代精密工程测量中的常见技术及设备，具有一定的参考价值。【关键词】精密工程测量；工业测量系统；激光跟踪仪；激光扫描仪；全站仪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 引言伴随着现代科学技术的飞速发展，设计、制造及工艺水平得到了极大的的提高。在高精度测量、检测领域中的的测量设备、测量手段及测量方法也得到迅速发展1。新的更高精度的精密工程测量硬件设备相继面世，

3、软件也不断完善，并很快应用于精密工程测量的各个领域，使现代精密工程测量的手段和方法发生了突破性的变化。继高精度的经纬仪、测距仪问世以后，在20 世纪80 年代后期出现了先进技术高度集成的高精度、自动化的全站仪以及激光跟踪仪。这些仪器使用方便，自动化程度高，而且具有很高的测量精度。在角度测量方面，以Leica TDM5005 为首的最高测量精度达到了0.5，采用干涉法原理的激光跟踪仪距离测量精度达到了微米级，比如Leica 绝对跟踪仪的干涉距离精度是±0.5m/m 。这些高精度、自动化的测量设备在大型精密工程测量的诸多领域中得到了广泛的应用。例如，将高精度的LTD500 激光跟踪仪以及

4、TDM5005 全站仪应用于上海光源工程，其精密控制网精度达±0.3 mm，设备定位精度优于±0.2 mm，200m 直线段漂移管直线精度达±0.1mm2。将高精度的自动化全站仪应用于水库大坝变形监测，实现了大坝变形的定期实时不间断自动监测，并可获得亚毫米级的点位测量精度，为大坝变形提供了详细的监测及预报数据。我国首先于20 世纪90 年代中期引进激光跟踪测量系统，将其应用于飞机、船舶等大型制造业的计量检测中1，随后将其应用到了加速器工程测量中，作为加速器工程准直测量的主要仪器，从根本上改变了加速器工程准直测量传统的测量方法和技术手段。2 传统技术及仪器2.1 测

5、距仪距离测量从原理上可分为脉冲法、相位法和干涉法，这些方法在常规工程测量及精密工程测量中均有较广泛的应用。脉冲法测量距离最远，但缺点是精度低，满足不了精密工程测量的要求。相位法精度相比脉冲法较高，在精密测量中经常使用。干涉法测距精度最高，在精密工程测量领域应用最为普遍，激光跟踪仪是最典型的干涉法测距仪器。就目前的测距仪器而言，测程可以从几厘米到几十千米，精度可以达到毫米级，在大气条件较好的近距离测量中可以达到亚毫米级甚至微米级的测量精度1。精密工程测量中，传统的高精度距离测量方法主要是因瓦尺量距（DistInvar 测距）。由于自动化程度低、劳动量大，伴随光电技术的不断发展出现了精度更高、速度

6、更快、操作更方便的电子测距仪。电子测距仪的出现，不仅可以代替因瓦尺量距，而且使测量工作变得非常简单，提高了工作效率，还可获取更高精度的测量成果。由于激光具有能量集中、单色性好、方向性好、不易发散的特点，在距离测量方面有极大的优势，激光测距仪由此诞生。精密激光测距仪ME5000 以及双频激光干涉仪ML10gold 都是这类仪器的典型代表，另外出现了一种基于多普勒效应的双频激光干涉仪，精度能达到0.01m。3激光干涉仪采用干涉原理测距，以干涉条纹作为距离的最小计量单位，测量分辨率可以达到亚毫米级甚至微米级。目前国外生产激光干涉仪的公司有美国的Aglen(前身为HP)、ZYGO、英国的Renisha

7、w 等公司4。这些产品各具特点，售价也都很昂贵。图 1 干涉仪测距原理2.2 经纬仪经纬仪一直是角度测量的基本工具，目前测角精度能达到亚秒级。电子经纬仪在度盘分划、测微方式、读数方式、照准方式等实现了自动化，消除了中间环节引起的误差并实现了系统误差的软改正，可以得到比光学经纬仪更高的测量精度，因此取代了传统的光学经纬仪，在精密工程测量中得到了广泛的应用。目前的电子经纬仪逐渐实现了马达驱动和自动目标识别等功能，更多地减少了测量中的人工干预。由于全站仪将测角和测距功能集成，其测角精度达到了经纬仪的测量精度，因此已经很少单独使用经纬仪。2.3 全站仪全站仪也称之为电子速测仪，是一种兼有电子测距、电子

8、测角、计算和数据自动记录及传输功能的自动化、数字化的三维坐标测量与定位系统。它是测角与测距功能的高度集成精度较高，在生产实践等诸多领域得到了广泛的应用，比如控制测量、地形测量、地籍与房产测量、施工放样、工业测量和海洋定位等。全站仪不只是测距仪和经纬仪硬件功能的结合，其测量精度也实现了两者的较好结合，最新的全站仪还融合了自动目标照准和跟踪的功能，利用最新科技造就快速、易用、精确的单人测量系统。Leica、索佳、天宝等公司均生产研制这类仪器，表1 列出了索佳SRX 系列全站仪的精度指标。表 1 索佳SRX 全站仪精度指标2.4 水准仪继传统的光学水准测量后，诞生了现代高精度数字水准仪技术，实现了水

9、准测量的电子化、自动化，使得读数、数据记录及后处理更加智能。1）电子水准仪在传统普通光学水准仪的基础上，融合最新计算机技术、图像获取及处理技术，并匹配与之对应的数字条形编码水准标尺，就构成了电子水准仪测量系统。水准仪通过摄取标尺图像并与内部存储的编码进行匹配，实现了水准仪读数的自动化。因为实现了自动读数，消除了人工读数产生的视觉误差，并且技术的融合对各项系统误差进行了软改正，电子水准仪水准测量可以达到很高的测量精度，可以代替常规的高精度光学水准仪。2）液体静力水准仪液体静力水准仪的结构原理如图2，当两地点的高程变化时，容器内的液面高度会发生变化，通过传感器可以感知变化量，由此得出高程变化值5。

10、液体静力水准仪根据原理的不同分为连通管系统和差压系统6。图 2 液体静力水准仪通过改进静力水准仪的高差探测系统，采用超声传感器及激光等技术，使得静力水准仪对高差的分辨率已经达到亚微米级的测量精度。双液体静力水准仪在同一仪器中装入两种液体，利用差分法测量高差，还可以消除外界温度、气压梯度等因素对静力水准测量精度的影响，可以获取更高的高差测量精度1。3 激光测量仪器及技术3.1 激光跟踪仪图3 描述了激光跟踪仪测量原理，通过极坐标法测得空间点的三维坐标。目前激光跟踪系统有两种测量模式，一种是干涉法距离测量模式（IFM），另一种是绝对距离测量模式（ADM）。干涉法测量模式是由激光器发出一束激光，经过

11、干涉光路、半透半反镜，以及可在水平和垂直方向转动的双轴转镜，射向目标反射器。入射光线原路返回，在半透半反镜的作用下一部分光束进入干涉光路，与参考光束进行干涉，测量目标位置的改变量；另一束光进入位置检测器，测出进入逆反射器的入射光束与逆反射器主光轴的偏差，将此偏差信号输入控制电路，并由马达驱动双轴转镜沿水平轴和垂直轴旋转，使激光始终入射到反射器，从而实现激光跟踪仪对目标的连续跟踪。如果在跟踪过程中激光被打断，则需要将反射器放回鸟巢初始化，然后重新测量。而绝对距离测量模式则是采用了一种“相位偏移”技术计算出双轴转镜到断光处的距离，当反射器接收到激光后自动初始化距离参数，从而继续测量。国外激光跟踪仪

12、生产公司主要有瑞士Leica、美国Faro 和API 公司。图3 激光跟踪测量系统原理激光跟踪测量系统与常规经纬仪测量系统不同，它的优点是测量结果与操作人员无关，不需人员瞄准即可全自动跟踪反射装置。激光跟踪测量系统的测量速度是其它系统无法比拟的，每秒读数可达1000 次，特别适合于动态目标的检测。这种快速、动态、远距离、高准确度的特点使其在飞机、汽车和轮船部件的外形测量、飞机装配型架等设备及核工业精密设备的安装测量方面有广泛应用。激光跟踪仪测角精度较低，但测距精度是最高的，其采用干涉法测距，测距范围从几米到几十米。表2 给出了Leica 绝对跟踪仪的精度指标。表2 Leica 绝对跟踪仪精度指

13、标3.2 激光扫描仪工程测量中的激光扫描仪测距范围能从几米到几千米，通过提高测距调制信号的频率（达到100GHz），在无合作目标的情况下测量精度可以达到微米量级。目前国际上生产扫描仪的公司主要有Optech、Leica、Trimble、Faro 以及Rigel 等，比如Leica 的ScanStation2 脉冲型扫描仪，扫描速度达到5 万点/秒，测程达到300m, 如图3。由于其具有先进的计时器，通过徕卡专利技术的微芯片激光器，能完成高精度、低噪音的距离测量。由于激光扫描仪测程远，速度快、精度高，因此它在地形测量和现状测量工程项目中具有很大的优势。1.图 3 ScanStation24 其他

14、测量技术4.1 准直测量用于建立水平的或竖直的基准线或基准面，测量目标点相对于基线（或基准面）的偏距（垂距），称为基准线测量或准直测量4。准直测量方式主要有波带板准直和激光束准直。激光束准直测量范围一般小于10m，精度在1/100 000 左右，存在激光束漂移。波带板是常用的直线准直测量手段，采用三角法测量原理，精度达1/1000 000，但该法需要大量的人工干预。随着传感器的发展和广泛应用，准直测量中也充分应用了传感器技术，出现了电场式引张线直线准直系统及CCD 感应激光准直测量系统。准直测量仪器较多，比如金属丝引张线、激光准直仪、铅垂仪、自准直仪以及尼龙丝等。1）电场式引张线直线准直测量系

15、统在两点引张一条细钢丝，给钢丝引入强电流，钢丝周围就会产生柱状空间电场，在需要准直的位置安装上电场感应传感器，通过测量传感器感应到的电场强度的变化量即可得到垂直偏离值。由于引张线不受气流的影响，其测量精度优于0.1mm。2）CCD 感应激光准直测量系统该测量系统发射一束激光作为基准直线，在需要准直的位置安装CCD 摄像头，通过摄取激光束的像，经过图像处理即可得到竖向和横向的垂直偏离值。4.2 倾斜测量由于仪器安置并不能严格保证垂直轴铅垂，所以在测角时需要进行倾斜测量及补偿。这类仪器有专用倾斜测量仪，如徕卡的Nivel 20 倾斜测量仪。倾斜仪与计算机连接起来，可以实时监测物体两个方向上的倾斜量，并可获得0.3的倾斜测量精度1。5 结束语综上所述，精密工程测量技术及仪器随着科学的进步而不断发展，在检测、设计、制造及工艺上已经达到很高的水平7。但随着经济的发展，各种工程建设规模巨大，高精度特种工程越来越多，对测量的精度、速度、可靠度以及可操作性等方面提出了更高的要求，精密测量技术及硬件设备将有更大的发展空间。参考文献1 陈继华激光跟踪仪和全站仪测量系统在上海光源（SSRF）工程中的应用研究D信息工程大学测绘学院，20012 张正禄工程测量学的发展评述(续)J测绘通报，2000，（2）：9-103 所睿，范志军