经纬仪全站仪工业测量系统精度分析

1、信息工程大学毕业设计（论文）任务书（地方学生）课题名称 经纬仪/全站仪工业测量系统精度分析 学 生 姓 名 所在院、系（队） 专 业 学 号 申请学位级别 指导教师单位 指导教师姓名 技 术 职 务 二一 年 五 月课题名称经纬仪/全站仪工业测量系统精度分析其他指导老师姓名、单位课题主要任务与要求：工业测量系统是指利用精密工程测量的仪器和方法并结合计量仪器，构成精密三维坐标测量与分析系统，对工业部件的几何尺寸进行精密安装，定位，检测和变形测量。工业测量系统以空间交会为基础，借助于任选基线端点上的两台经纬仪同一个未知点的交会而产生三维坐标，计算技术和电子技术的进步为这种系统应用三角测量，后方交会

2、，前方交会等传统的原理提供了新的动力，并使得各部件都能与主机连接，允许实时采集，显示，处理和评价三维坐标的数据，而且使短程上的精度达到百万分之一以上。在理论方法发展方面，重点对平差理论、工程网优化设计、变形观测数据处理方法进行了归纳和总结。备 注系（或教研室）审批意见：签（章） 年 月 日学院训练部审批意见：签（章） 年 月 日信息工程大学毕业设计（论文）报告（地方学生）课题名称 经纬仪/全站仪工业测量系统精度分析 学 生 姓 名 所在院、系（队） 专 业 学 号 申请学位级别 指导教师单位 指导教师姓名 技 术 职 务 二一 年 五 月指导教师评语：签（章） 年 月 日答辩小组意见： 负责人

3、签（章） 年 月 日学院答辩委员会意见： 负责人签（章） 年 月 日学院训练部审核意见： 盖 章 年 月 日摘 要工业测量系统是指利用精密工程测量的仪器和方法并结合计量仪器，构成精密三维坐标测量与分析系统，对工业部件的几何尺寸进行精密安装，定位，检测和变形测量。随着电子技术的发展，测量学从光学手段进入了电子时代，随后，又是电子经纬仪和全站型电子测速仪生产相对稳定和探索的时候，八十年代是电子经纬仪高速发展的时期，也是工业测量系统不断成熟的时期，这便为工业检验与装配的高精度，自动化提供了切实有效的手段。工业测量系统以空间交会为基础，借助于任选基线端点上的两台经纬仪同一个未知点的交会而产生三维坐标，

4、计算技术和电子技术的进步为这种系统应用三角测量，后方交会，前方交会等传统的原理提供了新的动力，并使得各部件都能与主机连接，允许实时采集，显示，处理和评价三维坐标的数据，而且使短程上的精度达到百万分之一以上。本文指出了该学科的地位和研究应用领域；阐述了工业测量学领域通用和专用仪器的发展；在理论方法发展方面，重点对平差理论、工程网优化设计、变形观测数据处理方法进行了归纳和总结。扼要地叙述了大型特种精密工程测量在国内外的发展情况。关键词：工业测量系统，电子经纬仪，全站仪，精度分析 目 录摘 要I目 录III第一章 绪论11.1工业测量系统的简介11.2 工业测量系统的特点11.3 工业测量系统的发展

5、历程1第二章 经纬仪工业测量系统32.1系统的配置32.2 经纬仪的分类32.3 经纬仪的原理42.4 空间前方交会4坐标系的定义5系统定向5第三章 全站仪工业测量系统73.1 系统的配置73.2 全站仪的分类83.3 全站仪的测角原理9第四章 相关仪器设备的发展144.1 激光跟踪仪144.2 激光扫描仪164.3 三坐标测量机17第五章 近景摄影测量205.1近景摄影测量205.2 近景摄影测量的特点205.3近景摄影测量的发展方向20第六章 总结与展望22参考文献23致谢24第一章 绪论1.1工业测量系统的简介在现代工业生产中，为了保证产品质量，都需要进行必要的有关测试。包括对零部件的质

6、量检验、装配架的控制以及整机安装后的总体测试，以检验各项指标是否达到设计的要求。以往都是通过用三维坐标测量机、气动测量法、激光干涉仪，全息术等进行质量检验。这些方法的缺点是测量范围有限。而且只能在室内进行测试，无法顾及装配后的变形及环境影响的真实情况。而对产品的装配，主要是用光学经纬仪、水准仪、测距仪和钢卷尺等按设计图纸的要求进行放样、指挥安装。其速度和精度都受到了较大的限制。至于整机装配后总体外形的检测通常是用近景摄影测量的方法进行，缺乏实时性。经纬仪工业测量系统也叫遥测系统，电子坐标测算系统，是指用于工业产品的质量检验及装配的经纬仪交会系统。它利用电子经纬仪空间前方交会原理，通过连接到计算

7、机或电子数据记录器实时的获取被测物上各点的空间坐标，然后经过数据处理求得被测物体的有关参数，完成工业产品的质量检验以及指导装配工作。1.2 工业测量系统的特点 (1) 实时性。由于数据采集和处理的设备都是高技术的电子产品，数据传输都实现了自动化，且采集和处理的速度极快。这样可以实时的获得现场结果，对于真实的反映被测物的现状和控制装配有显著的意义。(2) 非接触性。是指测量过程中对被测物的“无损性”，即避免了接触而引起的物体变形、干扰、工作中断等不良影响，并允许对难以接近的目标进行测量。(3) 机动性。它不受固定观测站的制约，而且可对任何形状的物体进行测量，另外，也可以在仪器无法整平的情况下对被

8、测物体进行测量。这表明用工业测量系统进行测量是有较优越的解算能力，所以有时也称之为“三维测量与解算系统”。1.3 工业测量系统的发展历程七十年代是电子经纬仪和全站型电子速测仪生产相对稳定和探索的时候。典型产品为1977年美国Hewlett Parckard生产的HP3820A。1979年该公司用一台计算机将两台电子经纬仪连接起来，第一次组成了“实时三角测量系统”，这就是工业测量系统的雏形。八十年代是电子经纬仪高速发展的时期，也是工业测量系统不断成熟的时期。1982年瑞典Geotronics AB生产的全站仪Geodimeter 140和1983年瑞士Wild厂生产的T2000电子经纬仪，都采用

9、了对径扫描的动态测角原理，消除了角度测量中的偏心差和分划误差的影响，同时轴系补偿技术的不断完善，使电子测角获得了很高的精度（0.5）。这也给工业测量系统真正在工业方面的应用提供了有力的手段。另外，整个测量过程都有完善的软件来支持，大大地减轻了计算的工作量。八十年代末期，瑞士的Kern和Wild生产的伺服电子经纬仪E2-SE和TM3000是工业测量系统的全自动化成为可能。由此构成的工业测量系统，如Kern SPACE和Wild ATMS，既解决了人工照准目标的误差，又提高了观测速度。另外，工测量系统的软件不断完善，可以自动检测粗差，实时控制测量并计算被测点的坐标、拟合计算被测物的有关参数的任何几

10、何元素，以及其它辅助功能软件包。这给工业测量系统的广泛应用提供了有利的条件。目前，工业测量系统已广泛地应用于制造业、工程建筑业等领域。如飞机、轮船、汽车制造中的质量检验和安装都用工业测量系统来完成。我们坚信，工业测量系统作为工业产品质量保证的有效途径之一，将会在我国各行业得到广泛应用。第二章 经纬仪工业测量系统2.1系统的配置经纬仪（如下图2-1）是测量任务中用于测量角度的精密测量仪器，可以用于测量角度、工程放样以及粗略的距离测取。它由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成。测量时，将经纬仪安置在三脚架上，用垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上，用水准器将仪器定平，用望远镜瞄准测

11、量目标，用水平度盘和竖直度盘测定水平角和竖直角。图2-1 2.2 经纬仪的分类（如下图2-2）（如下图2-3）图2-2 电子经纬仪 图2-3 光学经纬仪2.3 经纬仪的原理 经纬仪是望远镜的机械部分，使望远镜能指向不同方向。经纬仪具有两条互相垂直的转轴，以调校望远镜的方位角及水平高度。此类架台结构简单，成本较低，主要配合地面望远镜（大地测量、观鸟等用途）使用，若用来观察天体，由于天体的日周运动方向通常不与地平线垂直或平行，因此需要同时转动两轴并随时间变换转速才能追踪天体，不过视场中其它天体会相对于目标天体旋转，除非加上抵消视场旋转的机构，否则不适合用於长时间曝光的天文摄影。但由于电子科技的发展

12、，上述问题已获得解决，而且经纬仪使望远镜指向不同方向时的空间姿态改变最小，因此不少专业天文台的大口径望远镜均使用经纬仪，以减轻由机械变形所引起的精度下降。甚至一些天文爱好者自制的专门用于低倍率目视观测的天文望远镜。2.4 空间前方交会类似于测量学中的前方交会原理（如下图2-4），在两个已知点A和B上架设仪器，来观测未知点N上的目标，在两个测站上分别得到水平角和垂直角的观测值，再由基线长b来求得未知点N的三维坐标。图2-4 前方交会原理图2-5 坐标系示意图2.4.1坐标系的定义在工业测量系统中一般只关心被测物体内部各部件的相对位置关系，不要求与外部基准之间的坐标关系或方位相连，因此常采用局部坐

13、标系。如（图2-5）所示，一般定义为：A经纬仪的中心为坐标系原点，A与B的连线在水平面上的投影为X轴，过A的铅垂线方向为Z轴，以右手坐标系法则确定Y轴，形成局部坐标系A-XYZ。因此，在该局部坐标系中，A经纬仪的坐标为（0,0,0）, B经纬仪的坐标为（b,0,h），b为A、B两经纬仪中心间的水平距离，h为两经纬仪中心的高度差。 2.4.2系统定向图 2-6 系统定向要完成上述坐标系的建立，是通过系统定向（如右图 2-6）来完成的。系统定向分为相对定向和绝对定向。相对定向即是通过两台经纬仪相互瞄准对方的仪器中心，以确定两经纬仪间的相对方位。由于仪器中心是不可见的，在实际测量中，可通过互瞄经纬仪

14、中安装的内觇标后外觇标来完成。绝对定向是为了获取两经纬仪中心之间准确的水平距离。同样由于仪器中心不可见，因此通过两台经纬仪分别测量一根高精度的基准尺L（基准尺长度已知）来反算两仪器中心间的水平距离b，在依据两仪器互瞄时的垂直角计算出高差h。因此通过相对定向和绝对定向，可获得两台仪器的中心在所定义的局部坐标系中的空间三维坐标。第三章 全站仪工业测量系统3.1 系统的配置 全站仪（如下图3-1）是一种集光、机、电为一体的新型测角仪器，与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。同电子经纬仪、光学经纬仪相

15、比，全站仪增加了许多特殊部件，因此而使得全站仪具有比其它测角、测距仪器更多的功能，使用也更方便。这些特殊部件构成了全站仪在结构方面独树一帜的特点。 1同轴望远镜 全站仪的望远镜实现了视准轴、测距光波的发射、接收光轴同轴化。同轴化的基本原理是：在望远物镜与调焦透镜间设置分光棱镜系统，通过该系统实现望远镜的多功能，即既可瞄准目标，使之成像于十字丝分划板，进行角度测量。同时其测距部分的外光路系统又能使测距部分的光敏二极管发射的调制红外光在经物镜射向反光棱镜后，经同一路径反射回来，再经分光棱镜作用使回光被光电二极管接收；为测距需要在仪器内部另设一内光路系统，通过分光棱镜系统中的光导纤维将由光敏二极管发

16、射的调制红外光传也送给光电二极管接收 ，进行而由内、外光路调制光的相位差间接计算光的传播时间，计算实测距离。 同轴性使得望远镜一次瞄准即可实现同时测定水平角、垂直角和斜距等全部基本测量要素的测定功能。加之全站仪强大、便捷的数据处理功能，使全站仪使用极其方便。 2双轴自动补偿 在仪器的检验校正中已介绍了双轴自动补偿原理，作业时若全站仪纵轴倾斜，会引起角度观测的误差，盘左、盘右观测值取中不能使之抵消。而全站仪特有的双轴（或单轴）倾斜自动补偿系统，可对纵轴的倾斜进行监测，并在度盘读数中对因纵轴倾斜造成的测角误差自动加以改正(某些全站仪纵轴最大倾斜可允许至6）。，也可通过将由竖轴倾斜引起的角度误差，由

17、微处理器自动按竖轴倾斜改正计算式计算，并加入度盘读数中加以改正，使度盘显示读数为正确值，即所谓纵轴倾斜自动补偿。 3键盘 键盘是全站仪在测量时输入操作指令或数据的硬件，全站型仪器的键盘和显示屏均为双面式，便于正、倒镜作业时操作。4存储器 全站仪存储器的作用是将实时采集的测量数据存储起来，再根据需要传送到其它设备如计算机等中，供进一步的处理或利用，全站仪的存储器有内存储器和存储卡两种。 全站仪内存储器相当于计算机的内存(RAM)，存储卡是一种外存储媒体，又称PC卡，作用相当于计算机的磁盘。5通讯接口 全站仪可以通过BS232C通讯接口和通讯电缆将内存中存储的数据输入计算机，或将计算机中的数据和信

18、息经通讯电缆传输给全站仪，实现双向信息传输。全站仪具有角度测量、距离(斜距、平距、高差)测量、三维坐标测量、导线测量、交会定点测量和放样测量等多种用途。内置专用软件后，功能还可进一步拓展。 3.2 全站仪的分类全站仪按其外观结构可分为两类：1.积木型（Modular，又称组合型）早期的全站仪，大都是积木型结构，即电子速测仪、电子经纬仪、电子记录器各是一个整体，可以分离使用，也可以通过电缆或接口把它们组合起来，形成完整的全站仪。2.整体性（Integral）随着电子测距仪进一步的轻巧化，现代的全站仪大都把测距，测角和记录单元在光学、机械等方面设计成一个不可分割的整体,其中测距仪的发射轴、接收轴和

19、望远镜的视准轴为同轴结构。这对保证较大垂直角条件下的距离测量精度非常有利。全站仪按测量功能分类，可分成四类： 1.经典型全站仪 经典型全站仪也称为常规全站仪，它具备全站仪电子测角、电子测距和数据自动记录等基本功能，有的还可以运行厂家或用户自主开发的机载测量程序。2机动型全站仪 在经典全站仪的基础上安装轴系步进电机，可自动驱动全站仪照准部和望远镜的旋转。在计算机的在线控制下，机动型系列全站仪可按计算机给定的方向值自动照准目标，并可实现自动正、倒镜测量。徕卡TCM系列全站仪就是典型的机动型全站仪。3.无合作目标性全站仪无合作目标型全站仪是指在无反射棱镜的条件下，可对一般的目标直接测距的全站仪。因此

20、，对不便安置反射棱镜的目标进行测量，无合作目标型全站仪具有明显优势。如徕卡TCR系列全站仪，无合作目标距离测程可达200m，可广泛用于地籍测量，房产测量和施工测量等。4.智能型全站仪在机动化全站仪的基础上，仪器安装自动目标识别与照准的新功能，因此在自动化的进程中，全站仪进一步克服了需要人工照准目标的重大缺陷，实现了全站仪的智能化。在相关软件的控制下，智能型全站仪在无人干预的条件下可自动完成多个目标的识别、照准与测量，因此，智能型全站仪又称为“测量机器人”典型的代表有徕卡的TCA型全站仪等。全站仪按测距仪测距分类，还可以分为三类：1. 短测程全站仪测程小于3KM，一般精度为（5mm+5ppm），

21、主要用于普通测量和城市测量。2.中测程全站仪测程为3-15km,一般精度为（5mm+2ppm）-，（2mm+2ppm)通常用于一般等级的控制测量。3.长测程全站仪测程大于15km，一般精度为（5mm+1ppm），通常用于国家三角网及特级导线的测量。全站仪几乎可以用在所有的测量领域。3.3 全站仪的测角原理光电度盘一般分为两大类：一类是由一组排列在圆形玻璃上具有相邻的透明区域或不透明区的同心圆上刻得编码所形成编码度盘进行测角；另一类是在度盘表面上一个圆环内刻有许多均匀分布的透明和不透明等宽度间隔的辐射状栅线的光栅度盘进行测角。也有将上述二者结合起来，采用“编码与光栅相结合”的度盘进行测角。1、编

22、码度盘测角原理 在玻璃圆盘上刻划几个同心圆带，每一个环带表示一位二进制编码，称为码道（如下图3-1）。如果再将全圆划成若干扇区，则每个扇形区有几个梯形，如果每个梯形分别以“亮”和“黑”表示“0”和“1”的信号，则该扇形可用几个二进数表示其角值。例如，用四位二进制表示角值，则全圆只能刻成2416个扇形，则度盘刻划值为360o/16=22.5o，如图所示，这显然是没有什么实际意义的。如果最小值为20”，则需刻成(3606060)/20=64800个扇形区，而64800216个码道。因为度盘直径有限，码道愈多，靠近度盘中心的扇形间隔愈小，又缺乏使用意义，故一般将度盘刻成适当的码道，再利用测微装置来达

23、到细分角值的目的。 图3-1 码道2、 增量式光栅度盘测角原理均匀地刻有许多一定间隔细线的直尺或圆盘称为光栅尺或光栅盘。刻在直尺上用于直线测量的为直线光栅（如下图 3-2 ），刻在圆盘上的等角距的光栅称为径向光栅。设光栅的栅线（不透光区）宽度为 a ，缝隙宽度为 b ，栅距 d a b ，通常 a b ，它们都对应一角度值。在光栅度盘的上下对应位置上装上光源、计数器等，使其随照准部相对于光栅度盘转动，可由计数器累计所转动的栅距数，从而求得所转动的角度值。因为光栅度盘上没有绝对度数，只是累计移动光栅的条数计数，故称为增量式光栅度盘，其读数系统为增量式读数系统。 图3-2 增量式光栅度盘测角原理

24、（如下图3-3）所示。指示光栅、接收管、发光管位置固定在照准部上。当度盘随照准部移动时，莫尔条纹落在接收管上。度盘每转动一条光栅，莫尔条纹在接收管上移动一周，流过接收管的电流变化一周。当仪器照准零方向时，让仪器的计数器处于零位，而当度盘随照准部转动照准某目标时，流过接收管电流的周期数就是两方向之间所夹的光栅数。由于光栅之间的夹角是已知，计数器所计的电流周期数经过处理就刻有显示处角度值。如果在电流波形的每一周期内再均匀内插n个脉冲，计算器对脉冲进行计数，所得的脉冲数就等于两个方向所夹光栅数的n倍，就相当于把光栅刻划线增加了n倍，角度分辨率也就提高了n倍。使用增量式光栅度盘测角时，照准部转动的速度

25、要均匀，不可突快或太快，以保证计数的正确性。 图3-3 增量式光栅度盘测角原理3、动态光栅度盘测角原理 动态光栅度盘测角原理（如下图3-4）所示。度盘光栅可以旋转，另有两个与度盘光栅交角为的指标光栅S和R，S为固定光栅，位于度盘外侧；R为可动光栅，位于度盘内侧。同时，度盘上还有两个标志点a和b，S只接收a的信号，R只接收b的信号，测角时，S代表任一原方向，R随着照准部旋转，当照准目标后，R位置已定，此时启动测角系统，使度盘在马达的带动下，始终以一定的速度逆时针旋转，b点先通过R，开始计数。接着a通过S，计数停止，此时计下了RS之间的栅距（0）的整倍n和不是一个分划的小数0，则水平角为=n0+0

26、。事实上，每个栅格为一脉冲信号，由R、S的粗测功能可计数得n；利用R、S的精测功能可测得不足一个分划的相位差0，其精度取决于将0划分成多少相位差脉冲。 图3-4 动态光栅度盘测角原理1、水平角测量 （1）按角度测量键，使全站仪处于角度测量模式，照准第一个目标A。（2）设置A方向的水平度盘读数为00000。（3）照准第二个目标B，此时显示的水平度盘读数即为两方向间的水平夹角。2、距离测量 （1）设置棱镜常数测距前须将棱镜常数输入仪器中，仪器会自动对所测距离进行改正。（2）设置大气改正值或气温、气压值光在大气中的传播速度会随大气的温度和气压而变化，15和760mmHg是仪器设置的一个标准值，此时的

27、大气改正为0ppm。实测时，可输入温度和气压值，全站仪会自动计算大气改正值（也可直接输入大气改正值），并对测距结果进行改正。（3）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。（4）距离测量照准目标棱镜中心，按测距键，距离测量开始，测距完成时显示斜距、平距、高差。全站仪的测距模式有精测模式、跟踪模式、粗测模式三种。精测模式是最常用的测距模式，测量时间约2.5S，最小显示单位1mm；跟踪模式，常用于跟踪移动目标或放样时连续测距，最小显示一般为1cm，每次测距时间约0.3S；粗测模式，测量时间约0.7S，最小显示单位1cm或1mm。在距离测量或坐标测量时，可按测距模式（MODE）键选择不同的测距模式。3、坐标测量

28、（1）设定测站点的三维坐标。（2）设定后视点的坐标或设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。当设定后视点的坐标时，全站仪会自动计算后视方向的方位角，并设定后视方向的水平度盘读数为其方位角。（3）设置棱镜常数。（4）设置大气改正值或气温、气压值。（5）量仪器高、棱镜高并输入全站仪。（6）照准目标棱镜，按坐标测量键，全站仪开始测距并计算显示测点的三维坐标。第四章 相关仪器设备的发展4.1 激光跟踪仪激光跟踪仪的实质是一台能激光干涉测距和自动跟踪测角测距的全站仪，区别之处在于它没有望远镜，跟踪头的激光束、旋转镜和旋转轴构成了激光跟踪仪的三个轴，三轴相交的中心是测量坐标系的原点。系统的硬件主要组成部分包

29、括：传感器头、控制器、电动机和传感器电缆、带LAN电缆的应用计算机以及反射器。1、传感器头：读取角度和距离测量值。激光跟踪器头围绕着两根正交轴旋转。每根轴具有一个编码器用于角度测量和一只直接供电的DC电动机来进行遥控移动。传感器头的油缸包含了一个测量距离差的单频激光干涉测距仪（IFM），还有一个绝对距离测量装置（ADM）。激光束通过安装在倾斜轴和旋转轴交叉处的一面镜子直指反射器。激光束也用作为仪器的平行瞄正轴。挨着激光干涉仪的光电探测器（PSD）接收部分反射光束，使跟踪器跟随反射器。2、 控制器: 包含电源、编码器和干涉仪用计数器、电动机放大器、跟踪处理器和网卡。跟踪处理器将跟踪器内的信号转化

30、成角度和距离观测值，通过局域网卡将数据传送到应用计算机上，同理从计算机中发出的指令也可以通过跟踪处理器进行转换再传送给跟踪器，完成测量操作。3、电缆：传感器电缆和电动机电缆分别用来完成传感器和电动机与控制器之间的连接。LAN电缆则用于跟踪处理器和应用计算机之间的连接。4、应用计算机：经过专业人员的配置后，加载了工业用的专业配套软件，用来发出测量指令和接收测量数据。 5、 反射器：采用球形结构，因此测量点到测量面的距离是固定的。本系统中采用三面正交镜的三重镜反射器。6、 气象站：记录空气压力和温度。这些数据需要用来在计算激光反射时是必需的，并通过串行接口被传送给联机的计算机应用程序。7、 测量附

31、件：包括三角支架、手推服务小车等。支架用来固定激光跟踪仪，调整高度，保证各种测量模式的稳定性，且三角支架底座带轮子，可方便地移动激光跟踪仪。手推服务小车则可装载控制器等设备，运送方便快捷。激光跟踪测量系统的工作基本原理是在目标点上安置一个反射器，跟踪头发出的激光射到反射器上，又返回到跟踪头，当目标移动时，跟踪头调整光束方向来对准目标。同时，返回光束为检测系统所接收，用来测算目标的空间位置。简单的说，激光跟踪测量系统的所要解决的问题是静态或动态地跟踪一个在空间中运动的点，同时确定目标点的空间坐标。激光跟踪仪的坐标测量是基于极坐标测量原理的。测量点的坐标由跟踪头输出的两个角度，即水平角H和垂直角V

32、，以及反射器到跟踪头的距离D计算出来的。系统的工作原理从以下几个部分进行讨论：1、 角度测量部分：其工作原理类似于电子经纬仪、马达驱动式全站仪的角度测量装置，包括水平度盘、垂直度盘、步进马达及读数系统，由于具有跟踪测量技术，它的动态性能较好。2、 距离测量部分：由IFM装置和ADM装置分别进行相对距离测量和绝对距离测量。IFM是基于光学干涉法的原理，通过测量干涉条纹的变化来测量距离的变化量，因此只能测量相对距离。而跟踪头中心到鸟池的距离是已知固定的，称为基准距离。ADM装置的功能就是自动重新初始化IFM，获取基准距离。ADM通过测定反射光的光强最小来判断光所经过路径的时间，来计算出绝对距离。当

33、反射器从鸟池内开始移动，IFM测量出移动的相对距离，再加上ADM测出的基准距离，就能计算出跟踪头中心到空间点的绝对距离。3、 激光跟踪控制部分：由光电探测器（PSD）来完成。反射器反射回的光经过分光镜，有一部分光直接进入光电探测器，当反射器移动时，这部分光将会在光电探测器上产生一个偏移值，光电探测器根据偏移值会自动控制马达转动直到偏移值为零，实现跟踪反射器的目的。 在航天航空制造业领域，飞行器具有外形尺寸及重量大、外部结构特殊、部件之间相互位置关系要求严格等特点，因此必须要确保航天航空领域测量的精确性。激光跟踪测量系统的现场性和实时性以及它的高精度性都满足了飞机行架的定位安装，飞机外形尺寸的检

34、测，零部件的检测，飞机的维修等工程项目的需要。 科研领域中，激光跟踪测量系统已在机器人的制造校准过程使用。在校准机器人的实际应用中，操作人员通过计算机控制定位，激光跟踪测量系统可以检测两个工作小组的测量工作。在一组操作人员利用激光跟踪仪检测机器人配件的同时，另一组工作人员则负责装配已经经过检测的工件，装配完后再利用激光跟踪仪进行校准。依此类推，大幅提高了机器人生产安装的工作效率，也节省人力物力。4.2 激光扫描仪激光扫描仪是借着扫描技术来测量工件的尺寸及形状等工作的一种仪器，激光扫瞄仪必须采用一个稳定度及精度良好的旋转马达，当光束打射到由马达所带动的多面棱规反射而形成扫瞄光束。由于多面棱规位于

35、扫瞄透镜的前焦面上，并均匀旋转使激光束对反射镜而言，其入射角相对地连续性改变，因而反射角也作连续性改变，经由扫瞄透镜的作用，形成一平行且连续由上而下的扫瞄线。 由于扫瞄法系以时间为计算基准，故又称为时间法。它是一种十分准确、快速且操作简单的仪器，且可装置于生产在线，形成边生产边检验的仪器。激光扫瞄仪的基本结构包含有激光光源及扫瞄器、受光感测器、控制单元等部分。激光光源为密闭式，较不易受环境的影响，且容易形成光束，目前常采用低功率的可见光激光，如氦氖激光、半导体激光等，而扫瞄器为旋转多面棱规或双面镜，当光束射入扫瞄器后，即快速转动使激光光反射成一个扫瞄光束。光束扫瞄全程中，若有工件即挡住光线，因

36、此可以测知直径大小。测量前，必须先用两支已知尺寸的量规作校正，然后所有测量尺寸若介于此两量规间，可以经电子信号处理后，即可得到待测尺寸。因此，又称为激光测规。激光扫描仪的工作原理并不复杂，从它的工作过程就能够基本反映出来。其扫描的一般工作过程是：1、开始扫描时，机内光源发出均匀光线照亮玻璃面板上的原稿，产生表示图像特征的反射光(反射稿)或透射光(透射稿)。反射光经过玻璃板和一组镜头，分成红绿蓝3种颜色汇聚在CCD感光元件上，被CCD接受。其中空白的地方比有色彩的地方能反射更多的光。2、步进电机驱动扫描头在原稿下面移动，读取原稿信息。扫描仪的光源为长条形，照射到原稿上的光线经反射后穿过一个很窄的

37、缝隙，形成沿x方向的光带，经过一组反光镜，由光学透镜聚焦并进入分光镜。经过棱镜和红绿蓝三色滤色镜得到的RGB三条彩色光带分别照到各自的CCD上，CCD将RGB光带转变为模拟电子信号，此信号又被AD转换器转变为数字电子信号。3、反映原稿图像的光信号转变为计算机能够接受的二进制数字电子信号，最后通过 USB等接口送至计算机。扫描仪每扫描一行就得到原稿x方向一行的图像信息，随着沿y方向的移动，直至原稿全部被扫描。经由扫描仪得到的图像数据被暂存在缓冲器中，然后按照先后顺序把图像数据传输到计算机并存储起来。当扫描头完成对原稿的相对运动，将图稿全部扫描一遍，一幅完整的图像就输入到计算机中去了。4、数字信息

38、被送入计算机的相关处理程序，在此数据以图像应用程序能使用的格式存在。最后通过软件处理再现到计算机屏幕上。所以说，扫描仪的简单工作原理就是利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟数字转换器转化为数字信号传输到计算机中。无论何种类型的扫描仪，它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以，光电转换是它们的核心工作原理。扫描仪的性能取决于它把任意变化的模拟电平转换成数值的能力。4.3 三坐标测量机三坐标测量机 (Coordinate Measuring Machine, CMM) （如下图4-3） 是指在一个六面体的空间范围内，能够表现几何形状、长度及圆周分度等测量能力的仪器，又称

39、为三坐标测量仪或三次元。图4-3 三坐标测量机CMS-554M移动桥架型，为最常用的三坐标测量仪的结构，x轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿水平梁在方向移动，此水平梁垂直轴且被两支柱支撑于两端，梁与支柱形成“桥架”，桥架沿着两个在水平面上垂直和轴的导槽在轴方向移动。因为梁的两端被支柱支撑，所以可得到最小的挠度，且比悬臂型有较高的精度。2. 床式桥架型(Bridge bed type)床式桥架型，x轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直轴的梁而移动，而梁沿着两水平导轨在轴方向移动，导轨位于支柱的上表面，而支柱固定在机械本体上。此型与移动桥架型一样，梁的两端被支撑，因此梁的挠度为最少

40、。此型比悬臂型的精度好，因为只有梁在轴方向移动，所以惯性比全部桥架移动时为小，手动操作时比移动桥架型较容易。3. 柱式桥架型(Gantry type)柱式桥架型，与床式桥架型式比较时，柱式桥架型其架是直接固定在地板上又称为门型，比床式桥架型有较大且更好的刚性，大部分用在较大型的三坐标测量仪上。各轴都以马达驱动，测量范围很大，操作者可以在桥架内工作。4. 固定桥架型(Fixed bridge type)固定桥架型，x轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直x轴的水平横梁上做方向移动。桥架被固定在机器本体上，测量台沿着水平平面的导轨作 轴方向的移动，且垂直于x和y轴。每轴皆由马达来驱动，可确

41、保位置精度，此机型不适合手动操作。5. L 形桥架型(L-Shaped bridge type)L 形桥架型，这个设计乃是为了使桥架在轴移动时有最小的惯性而作的改变。它与移动桥架型相比较，移动组件的惯性较少，因此操作较容易，但刚性较差。6. 轴移动悬臂型(Fixed table cantilever arm type)轴移动悬臂型，x轴为主轴在垂直方向移动，厢形架导引主轴沿着垂直x轴的水平悬臂梁在y轴方向移动，悬臂梁沿着在水平面的导槽在y轴方向移动，且垂直于x轴和y轴。此型为三边开放，容易装拆工件，且工件可以伸出台面即可容纳较大工件，但因悬臂会造成精度不高。此型早期很盛行，现在已不普遍。7.单

42、支柱移动型(Moving table cantilever arm type)单支柱移动型，x轴为主轴在垂直方向移动，支柱整体沿着水平面的导槽在x轴上移动，且垂直y轴，而y轴连接于支柱上。测量台沿着水平面的导槽在 y轴上移动，且垂直x轴和y轴。此型测量台面、支柱等具很好的刚性，因此变形少，且各轴的线性刻度尺与测量轴较接近，以符合阿贝定理。8. 单支柱测量台移动型(Single column xy table type)单支柱测量台移动型，x轴为主轴在垂直方向移动，支柱上附有y轴导槽，支柱被固定在测量仪本体上。测量时，测量台在水平面上沿着x轴和y轴方向作移动。9. 水平臂测量台移动型(Movin

43、g table horizontal arm type)水平臂测量台移动型，厢形架支撑水平臂沿着垂直的支柱在垂直的方向移动。探头装在水平方向的悬臂上，支柱沿着水平面的导槽在x轴方向移动，且垂直y轴，测量台沿着水平面的导槽在y轴方向移动，且垂直于x轴和y轴。这是水平悬臂型的改良设计，为了消除水平臂在轴方向，因伸出或缩回所产生的挠度。10. 水平臂测量台固定型(Fixed table horizontal arm type)水平臂测量台固定型，其构造与测量台移动型相似。此型测量台固定，x和y轴均在导槽内移动，测量时支柱在x轴的导槽移动，而y轴滑动台面在垂直轴方向移动。11. 水平臂移动型(Movi

44、ng arm horizotal arm type)水平臂移动型，x轴悬臂在水平方向移动，支撑水平臂的厢形架沿着支柱在x轴方向移动，而支柱垂直y轴。支柱沿着水平面的导槽在x轴方向移动，且垂直x轴和y轴，故不适合高精度的测量。除非水平臂在伸出或回收时，对因重量而造成的误差有所补偿。目前应用在车辆检验工作。12.闭环桥架型(Ring bridge type)闭环桥架型，由于它的驱动方式在工作台中心，可减少因桥架移动所造成冲击，为所有三坐标测量仪中最稳定的一种。第五章 近景摄影测量5.1近景摄影测量近景摄影测量是指利用摄影机或其他传感器采集近距离范围内（一般指100米以内）非地形目标的图像信息，通过加工，处理和分析，确定其形状，大小，位置及性质等有价值的可靠信息的理论和技术。近景摄影测量包括近景摄影和图像处理两个过程。近景摄影一般使用量测摄影机，它是框标、内方位元素已知并且物镜畸变小的专用仪器，有的还备有外