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αij0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，dξi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。第二节设设备安安装和检检校测量量仪器与与方法以天线的的安装和和检校为为例，介介绍有关关的测量量手段和和方法。。一、传统统的测量量方法主要有：：机械测量量法———样板法法（旋转转样板法法和固定样板板法）和和数控机机床法光学测量量法———双五棱棱镜法、、经纬仪仪钢带尺法和和五棱镜镜带尺法法等电学测量量法等。。㈠样板法法1、旋转转样板法法原理:按按给定的的抛物线线方程，，用数控控铣床或或其他方方法制造造出抛物物线样板板；将样样板安装装到被检检天线的的轴心线线上，当当它回转转一周时时，测量量样板曲曲线和抛抛物面的的吻合间间隙，并并对天线线作出评评价。因因此样板法成成形及测测量的关关键是如如何保持持旋转轴轴与面板板设计轴轴线的一一致性如果沿样样板安装装一排百百分表，，每一块块表按抛抛物曲线线调到零零点，这这样既能能提高测测量精度度，也能能提高测测量速度度，称之之为样板板百分表表测量法法。旋转样板板法的优点：样板的的设计制制造比较较容易，，测量操操作方便便，读数数直观；；既可检检测一般般精度的的反射面面，又可可检测较较高精度度的反射射面；样样板不仅仅是检测测工具，，而且还还是用于于定位安安装和调调整反射射面的安安装调整整工装。。旋转样板板法的缺点：系统建建立比较较烦琐，，并且需需要其他他仪器辅辅助调整整，相应应地引入入的误差差源多；；对大尺尺寸天线线测量困困难；测测量效率率较低，，易出错错。旋转样板板法对中中、小型型圆对称称天线比比较有效效（口径径10m以下下），只只适合天天线朝天天状态下下的测量量，典型型的测量量精度为为（0.10.2））mm。。2、固定定样板法法固定样板板法不再再需要旋旋转样板板，而是是充分利利用天线线的成形形模具如如拉伸模模、拉弯弯模和铆铆装夹具具等作为为测量工工具，实实现单元元面板在在车间的的自检。。将单元元面板自自由贴合合在上述述模具上上，用百百分表或或塞尺测测量贴合合间隙，，然后评评定面板板精度。。固定样板板法也是是一种比比较测量量，且只只能测量量单元面面板（一一般不超超过3m），，典型的的测量精精度为（0.20.4））mm。。㈡双五棱棱镜法双五棱镜镜法由一一台准直直望远镜镜T和两两块五棱镜A和B组成。两两块五棱棱镜可在在导轨上沿y轴作直线线运动，，通过五五棱镜A和B可同时观观察到P处的标志志，改变变两棱镜的距距离y1和y2，可以使使待测点点在两棱镜的的像重合合在一起起，组成成了一个个测量三三角形ABP，因1、2、y1和y2已知，可可以求出出P点坐标。。该法的优点：可以测量抛抛物面在不同同仰角时的表表面精度，测测量精度为（0.150.7）mm缺点：要研磨磨多个五棱镜镜以适应天线不同区域的的测量，结构构上较为烦琐，且不能用用于非圆对称称天线的检测测。㈢经纬仪带尺尺法经纬仪带尺法法用一台高精精度的经纬仪仪（主要是垂垂直角精度要要求高）和一一把特制钢带带尺作为检测测工具，用经经纬仪测垂直直角、钢带尺尺测弧（弦））长，然后计计算偏差并进进行调整该法成功与否否的关键是：：必须保证经纬纬仪的垂直轴轴和天线的旋旋转轴重合、、选用高精度度的经纬仪和和钢带尺。该法应用比较较广泛，可用于于毫米波天线测测量。工程名称组装精度(mm)表面精度为IRAM30m天线0.127台22m望远镜0.110.25mmEffelsberg天线，口径100m1mm二、射电全息息法工程背景:大大中型毫米波波、亚毫米波波射电望远镜镜相继问世，，望远镜的天天线口径与表表面精度之比比已达105以上——天线线安装精度要要求高传统的天线表表面精度测量量方法缺陷：：费时费力；；要求天线指指向天顶；测测量结果是点点，不能全面面反映天线实实际工作的状状况；测量精精度已基本达达到极限。射电全息法是是利用天线的的远场复方向向图与天线口口面上的场分分布间的傅立立叶变换关系系，由远场方方向图的测量量来反推天线线口面上的场场分布（振幅幅和相位分布布），并由天天线口面上场场的相位分布布，用光线追追迹得到天线线表面相对于于理想抛物面面偏差的信息息测量误差：接接收机噪音、、指向和跟踪踪误差、大气气闪烁、天线线馈源的相位位响应和信号号源的偏振效效应等。全息现象首先先由英裔匈牙牙利物理学家家GaborD.于于1947年年首先发现，，1968年年由前苏联人人率先用于天天线测量。常用的方法:1)方法1测测量远场方方向图的幅度度并直接测量量远场方向图图的相位，这这需要在被测测天线附近设设置另一台天天线来提供参参考相位，并并需要具有相相位稳定的双双通道接收机机；2)方法二:无相位测量量方法，即采采用某种相位位恢复算法，，由天线的聚聚焦和偏焦方方向图的幅度度来获得天线线口面上场的的振幅和相位位分布。如美国GBT天线，通过过射电全息法法的测量，将将表面精度从从1.1mm（由经纬仪和和全站仪调整整而成）提高高到0.53mm；日本45mNobeyama天线，，表面精度从从最初的0.2mm提高到0.065mm，已接近单块块面板的精度度（0.051mm）；OSO20.1m射电望远镜镜用该法进行行了检测，其其测量精度为为0.066mm；Effelsberg100m天天线，用该法法进行了升级级，表面精度度提高到0.5mm；IRAM30m天线线用该法进行行了升级，测测量精度为0.035mm，表面精精度提高到0.08mm。缺陷:1）测量小口口径天线时的的测量精度低低于光学测量量系统2）由于可用用射电源的数数量和空间分分布有限，不不可能在天线线的整个仰角角范围内或最最佳安装角位位置进行测量量3）不能用于于天线的初装装，也不能用用于指向固定定天线的精调调。三、三坐标测测量机三坐标测量机机是工业部门门应用最多的的坐标测量仪仪器，在中小小型工业设备备的安装检测测中发挥着重重要的作用。。㈠三坐标测量量机概述1、原理：将被测物置于于三坐标测量量机的测量空空间，可获得得被测物上各各点的坐标位位置，根据这这些点的空间间坐标值，经经过数学运算算，求出被测测物体的集合合尺寸、形状状和位置。2、用途：机械制造、电电子、汽车、、航空和航天天等工业中由于它的通用用性强、测量量范围大、精精度高、效率率高、性能好好，能与柔性性制造系统相相连接，已成成为一类大型型精密仪器，，有“测量中中心”的美誉誉。㈡三坐标测量量机结构组成：主机、、测头和电气气系统1、主机主机由框架结结构、标尺系系统、导轨、、驱动装置、、平衡部件、、转台与附件件组成。框架结构可分分为以悬臂式、桥框框式和龙门式式为代表的三三坐标测量机机，以坐标镗式和卧卧镗式为代表表的万能测量量机，由测量显微微镜演变而成成的仪器台式式三坐标测量量仪，还有按按极坐标原理理的极坐标式式，共计七大大类。YXB-桥式式手动三坐标标测量机YXB-桥桥式三坐标测测量机标尺系统是坐坐标测量机的的重要组成部部分，也称为为测量系统。。主要有精密密丝杠、高精精度刻线尺、、光栅、感应应同步器、磁磁尺、码尺、、激光干涉仪仪等。龙门式三坐标标测量机操作简单易懂懂.界面可视视化.功能强强

大.测量量模块多.适适用较大范围围测量高稳定性机床床式优质铸铁铁基础框架闭闭式、开式式、贴附式光光栅的选择.标准的数据采采集软件、提提供经修正后后标准的各轴轴坐标示值.具测量精度(可达达2-6µm)高效率、与良良好的操作可可靠性.按其性质可分分成机械式测量系系统光学式测量系系统电气式测量系系统2、测头测头是一种传传感器，主要要用于测微和和瞄准按测量方法可可分为：接触触式和非接触触式按结构原理可可分为：机械械式（硬测头头）、光学式式和电气式等等。机械式主要用用于手动测量量；光学式多用于于非接触测量量，有三角法法测头、激光光聚焦测头、、光纤测头和和莫尔条纹等等；电气式多用于于接触式的自自动测量，采采用电触、电电感、电容、、应变片、压压电晶体等作作为传感器来来接收测量信信号。FARO三坐标测量机机激光扫描测量量臂3、电气系统统组成：电气控制系统统、计算机、、测量机软件件和打印绘图图装置等作用：控制测量机采采集数据、测测量数据的处处理及输出等等。㈢三坐标测量量机的分类1、按自动化化程度分类按自动化程度度可分为数字字显示及打印印型、带有小小型计算机的的测量机和计计算机数字控控制型（CNC）三类。。2、按测量精精度分类按测量精度分分类有低精度度、中等精度度和高精度三三种测量机。。低精度测量机机主要是具有有水平臂的三三坐标划线机机，其单轴最最大测量不确确定度在110-4L左右，空间最最大测量不确确定度（23）10-4L，其中L为最大量程；；中等精度测测量机的单轴轴最大测量不不确定度在110-5L左右，空间最最大测量不确确定度（23）10-5L；高精度测量量机称为精密密型或计量型型，其单轴最最大测量不确确定度小于110-6L，空间最大测测量不确定度度小于（23）10-6L。3、按测量范范围分类三坐标机按其其测量范围，，可分为小型型、中型和大大型。小型坐坐标测量机（（最长坐标方方向，一般定定义为X轴）长度小于于500mm，其测量量精度为高等等；中型坐标标测量机长度度在500~2000mm之间，，其精度为中中、高等；大大型坐标测量量机长度应大大于2000mm，精精度为中、低低等。㈣三坐标测量量机的局限性性1）测量尺寸寸较小（范围围小）2）接触测量量，测量系统统价格昂贵3）只能在室室内测量。4）不便于移移动等亚微米级计量量型三坐标测测量机flexi-cms三坐坐标测量机X轴测量范围围：200mm~2mY轴测量范围围：150mm~2mZ轴测量范围围：150mm~1m接触式扫描精精度为：3-10um激光扫描精度度为：≦20um第三节精密密定线和短边边方位传递在设备的安装装和调试中，，直线的准直直是轴线调整整的主要内容容，也是设备备粗定线、轴轴线调整经常常用到的一项项测量工作。。此外在一些些特殊设备的的安装中，如如卫星上设备备、制导设备备等对方位和和姿态角也提提出了很高的的要求，主要要介绍精密定线和方方位传递、卫卫星角度准直直测量技术。。一、精密定线线的方法（一）外插定定线已知A、B两两点，要在延延长线上定出出一系列待定定点1。用盘盘左、盘右各各定一点，取取中值。可以仿此放样样出2号点，，用A、1两两点来放样2号点（为什么不用1、B放2号号点）。如果要放放样一批点，，可一站站往往前搬，称为为逐点向前搬搬站外插定线线。（二）内插定定线（正倒镜镜法）设地面上有A、B两点，，在AB直线线上放样出P点。如A点点或B点能设设置经纬仪，，那么望远镜镜照准B或A点后固定经经纬仪照准部部，即可放样样出P点。如如A、B两点点不便于设置置经纬仪（如如为设备上的的两点等），，可采用正倒倒镜法。在概略点P’’架设经纬仪仪，P’基本本位于AB直直线上，采用用外插定线的的方法在B点点附近放出一一点为B’，，量出BB’’的距离为εεB,那么PP’’的距离为：：将P’点往P点方向改正正距离即可得得到P点,实实际中还可以以采用测大角角的方法进行行归化。（三）机械法法准直测量在高精度设备备安装中，如如北京正负电电子对撞机工工程中，加速速器直线段的的准直测量精精度要求为±±0.2mm，用经纬仪仪测角的方法法是很难满足足这一要求的的。一般采用用精密准直测测量方法。准直测量分为为：光学机械法激光束准直法法波带板激光准准直测量法等等。（1）机械法法准直测量1）原理：是是在二个给定定的基准点间间吊挂一条引引张线，利用用垂直投影仪仪测量各中间间点偏离该引引张线的偏离离值，所以机机械法准直也也称为引张线法准直直。2）引张线采采用的材料钢丝——0.2～0.4mm的钢丝丝尼龙绳——0.2～0.5mm的尼尼龙绳3）误差来源源：引张线不直的的误差气流的影响垂曲的影响二、短边方位位传递用途：城市测量厂房测量安装测量等等（一）短边边测角的技技术特点1、短边测测角的主要要误差仪器对中误误差目标偏心误误差望远镜调焦焦误差经纬仪垂直直轴倾斜误误差等。（1）对中中误差的影影响——前前面已经分分析（2）望远远镜的调焦焦误差如图：O1为物镜光心心，C2为分划板十十字丝中心心，x为调调焦镜光心心（O）偏偏离理论照照准轴O1C2的距离。如如果将C2看成物点，，根据凹透透镜的成像像原理有：：C2点可被调焦焦透镜成一一虚像点C2’此时C2’O1就成了望远远镜实际的的照准轴。。设C2’到O1C2的距离为x’，到物物镜光心的的距离为l1’，那么调调焦误差a的公式为为：设望远镜物物镜焦距为为f1’，调焦透镜的的像方焦距距为f2’，d为调焦镜镜至物镜的的距离，那那么调焦误误差的计算算公式还可可化为：望远镜的调调焦误差有有如下性质质：（1）调焦焦误差（照照准轴偏角角）与调焦焦物镜光心心偏离物镜镜光心和分分划板十字字丝中心连连线的距离离x成正比比。（2）望远远镜对同一一目标观测测调焦，如如果盘左、、盘右调焦焦透镜的光光心能处于于同一位置置，保持d和x不变变，那么盘盘左、盘右右a的绝对对值相等，，符号正好好相反，因因此，盘左盘右取取中数可消消除调焦误误差的影响响。（3）对远远近不同距距离的目标标调焦观测测，调焦透透镜沿望远远镜套筒内内壁滑行，，因存在隙动差，即使对同同一目标两两次调焦，，调焦轨迹迹也会发生生微小的变变化Δx和和Δd，，这种晃动动属于偶然然误差，不不能通过盘盘左、盘右右取中数的的方法来消消除，但多多次观测取取中数可以以减弱。（4）垂直直轴倾斜误误差由于边长较较短，仪器器与目标点点之间的垂垂直角可能能很大，因因此，垂直直轴倾斜误误差的影响响将不可忽忽略，由垂垂直轴倾斜斜误差的公公式有：式中，iv为垂直轴在在水平轴方方向（横向向）上的倾倾斜量，a为观测目目标点的垂垂直角。不不能通过盘盘左、盘右右取中数来来消除，因此在观测测中应加入入垂直轴倾倾斜改正，，或在各测测回之间，，重新调整整仪器汽泡泡居中，使使iv呈现偶然性性。2.照准准标志照准标志应应满足下列列要求：（1）便于于精确瞄准准；（2）没有有测量相位位差；（3）反差差大，亮度度好；（4）目标标图案或实实体中心轴轴应与机械械轴重合，，没有偏心心差（二）短边边方位角传传递短边方位传传递一般采采用三台仪仪器同时作作业的角导导线互瞄法法。前面已已经讲授。。三、卫星安安装的准直直测量（自自学）第四节三三维工业测测量系统1、用途：：大型机器、、设备的精精密定位和和准直测量量、结构的的检查、调调整、装配配、安装和和维护等，，2、定义：：把与“正交交坐标系””测量机相相对应另一一类“非正正交坐标系系”测量系系统称为工工业测量系系统。3、分类：：（1）极坐坐标测量系系统（包括括全站仪测测量系统、、激光跟踪踪测量系统统、激光雷雷达/扫描描测量系统统）（2）经纬纬仪交会测测量系统（3）摄影影测量系统统（4）距离离交会测量量系统（5）关节节式坐标测测量机。其测量原理理分别为：：极坐标、、角度前方方交会、距距离前方交交会和空间间支导线。。一、极坐标标测量系统统采用的仪器器：全站仪、激激光跟踪仪仪和激光扫扫描仪。1、测量量原理全站仪测量量系统的测测量原理为为极坐标，，只需要测测量一个斜斜距和二个个角度就可可以得到被被测点的三三维坐标。。坐标系建立立：以全站仪的的三轴中心心为原点，，水平面为为XOY平面，其中中水平度盘盘零方向为为Y轴，铅垂线线反方向为为Z轴。通过测量水水平角、垂直角和斜距S来计算出待待测点P的坐标，其其计算公式式为：极坐标测量量点位误差差估算公式式为：对TDA5005来来说，如果果取m=1.0″，，ms=0.3mm，那么在几几十米的范范围内（近近距离内））点位精度度可以达到到亚毫米。。2、系统构构成（1）全站站仪（TC2002、TC（（A）2003、TDM5005、TDA5005）（2）高稳稳定度脚架架（（3）计算算机（（4）通通讯和供电电装置（5）测量量目标（反反射器）等等附件组成成。带“M”表表示带有马马达驱动模模块，带““A”表示示带有ATR模块。。自动目标识识别是测量量自动化的的前提条件件，目前ATR只能能识别圆棱棱镜、360棱镜和球棱棱镜，但不不能识别反反射片。TDA5005全站仪测距目标是是影响测距距精度的非非常重要指指标全站仪工业业测量系统统的常用目目标有：（1）圆棱棱镜、小棱棱镜—无法法放到待测测点上，较较少使用（2）球棱棱镜，中心心和球心是是重合的，，不管棱镜镜如何放置置，其测量量点均位于于测量面的的法线方向向，且偏距距始终为球球的半径，，因而数据据归算和处处理就比较较简单。对球棱镜测测量时全站站仪需佩戴戴AP31装置，主主要起减弱弱发光管相相位不均匀匀误差的作作用。（3）反射射片可以粘粘贴到被测测点上，其其厚度已知知，数据处处理也相对对简单。为为提高测量量反射片的的精度，需需要双面观观测，而且且10m内全站仪仪需佩戴近距镜GDV3，可可以在近距离上增强强回光信号号。系统软件：：（1）数据据管理/处处理模块（（包括常用用的点、线线、面拟合合计算和形形位误差计计算、坐标标转换等功功能）（2）控制制/测量模模块。主要要包括仪器器的初始化化参数设置置、联机数数据采集和和测量数据据误差修正正等功能。。3、提高系系统精度的的措施主要消除系系统误差系统误差主主要有：轴系误差双轴补偿器器误差ATR误差差调焦误差测距误差———加常数数和乘常数数。加常数—由由于测距零零点与仪器器三轴交点点不重合，，以及棱镜镜中心和目目标中心不不重合而造造成的，因因此要根据据所用仪器器和棱镜精精确测量出出其加常数数；乘常数———由测距频频率、大气气条件和投投影改正所所引起的。。（1）加常常数的测定定对一般工程程测量所采采用的圆棱棱镜而言，，可用三段段法来测量量加常数。。（一般的的加常数通通过专门检检测机构进进行）(2)乘乘常数改正正1）大气条条件（温度度t，气压压P和相对对湿度H））引起的折折射率变化化所致当温度变化化1℃，或或气压变化化4mbar(毫毫巴，millibar)，，实际将会会引起1ppm的变变化。例如如，当t=22℃，P=997.6mbar，H=60%，计计算得到的的乘常数改改正为14.2ppm，对对应于10m的测测量距离，，将有0.14mm的改正正，对于工工业测量要要求的精密密测距来说说，这一改改正是不能能忽略的。。2）距离投投影改正。。在工业测测量中距离离很短，可可以认为为为零。4、测距精精度及坐标标测量精度度（1）测距距精度现有的全站站型电子速速测仪检定定规程《JJG100-1994》仅仅适用于工工程测量外外业测量精精度的检验验，工业测测量用全站站仪近距离离测距精度度的检测尚尚无规程可可以参考。。实践中采用用了和双频频激光测量量结果进行行比对及通通过内符合合精度统计计的方法。。10m以以上的测距距精度明显显优于10m以内内的测距精精度。（2）坐标标精度全站仪设在在双频干涉涉仪导轨的的延长线上上，因此棱棱镜常数及及测角精度度对测距精精度几乎无无影响，坐坐标差精度度即测距精精度。5、激光跟跟踪测量系系统和全全站站仪仪一一样样，，激激光光跟跟踪踪测测量量系系统统是是由由单单台台激激光光跟跟踪踪仪仪及及其其附附件件构构成成的的极极坐坐标标测测量量系系统统。。激激光光跟跟踪踪仪仪的的测测量量原原理理和和全全站站仪仪一一样样，，但但是是测测距距方方式式、、跟跟踪踪方方式式及及结结构构设设计计不不同同。。与全站仪不同同的是激光跟跟踪仪本身没没有精确整平平装置，当需需要和水平面面、铅垂线相相联系时，可可选择电子气气泡Nivel20来来整平仪器。。激光跟踪仪的的测量精度主主要决定于它它的角度和距距离测量精度度及测量环境境的影响，由于干涉法距距离测量的精精度高，测量量速度快，因因此整体测量量性能和精度度要优于全站站仪。根据其物理意意义，可将激激光跟踪仪角角度测量所有有的系统误差差分为15类类，共有15个校准参数数，再加上测测距系统误差差（基距误差差C，测距零零点误差），，共计16项项误差，这16个误差参参数均有准确确的数学模型型对其进行改改正。二、经纬仪交交会测量系统统经纬仪交会测测量系统是由由二台以上高高精度电子经经纬仪构成的的空间角度前前方交会测量量系统，是在在工业测量领领域应用最早早和最多的一一种系统。主要商业系统统有Leica公公司：RMS2000、、ManCAT、ECDS3和Axyz-MTM等军测：MetroInM系统电子经纬仪（（手动）→马马达驱动→面面采集的视频频经纬仪（内内置有CCD摄像机，通通过图像处理理可以同时得得到一批点的的坐标）1、测量原理理角度交会测量量系统是通过过角度前方交会测量来求求出空间点的的三维坐标。。（1）坐标测测量原理坐标测量前，，确定A、B二台电子经纬纬仪在空间的的相对位置和和姿态，称为为系统定向系统定向完成成后，可进行行实时坐标测测量。A、B二台经纬仪同同时观测待定定点P，可获得4个个角度观测量量1、1、2、2，经数据处理理可最终得到到P点的三维坐标标(X，Y，Z)。由于有一一个多余的观观测量，可以以对测量结果果进行质量控控制，从而保保证了测量结结果的可靠性性。（2）系统定定向是经纬仪测量量系统的关键点和难点点，它直接影响响到坐标测量量的精度。方法：基于大地测量量控制网平差差的互瞄法基于摄影测量量的光束法平平差技术互瞄法定向可可以互瞄内觇觇标或外觇标标，但要求经经纬仪严格整整平，以保证证各仪器间的的旋转轴相互互平行，而光光束法平差技技术不需整平平经纬仪即可可进行定向和和三维坐标测测量。2、系统构成成1）硬件组成成：两台以上T2000/T3000/TM5100电子经纬纬仪、多路串串口转换卡、、T-LINK、基准尺尺、工业测量量用脚架、联联机电缆、激激光目镜、照照准标志、台台式微机或便便携机等组成成，2）系统软件件：数据管理/处处理模块经纬仪控制/测量模块仪器的初始化化参数设置、、系统的相对对定向、绝对对定向、定向向解算、联机机数据采集和和测量数据误误差修正等功功能。3、系统作业业模式探讨以两台仪器为为例（经纬仪仪测量系统最最低配置），，如果一次不不能完成所有有的测量工作作，可以通过过搬站、设置置公共点等途途径来弥补系系统硬件的不不足。实际上上只用一台仪仪器也能进行行测量，与摄摄影测量系统统单台相机作作业模式是一一致的。（1）单台仪仪器作业模式式特点：优点：1）节节省了一台仪仪器，整个系系统费用可省省30；2）测量精度度不变；缺点：1）测测量时间延长长一倍2）对被测物物的稳定性及及外界条件的的要求提高3）不能实时时控制观测质质量。单台仪器作业业模式特别适适合于对含有有少量点（如如100点以以下）的被测测物进行测量量。对于需要要实时测量并并指导安装的的情况，要采采用两台以上上的仪器。（2）单台仪仪器作业步骤骤：1）先在其中中一个仪器位位置设站，概概略互瞄另一一仪器位置2）测被测物物3）测基准尺尺4）将仪器搬搬至另一位置置5）概略瞄准准上一仪器位位置6）测基准尺尺7）测被测物物8）进行点坐坐标解算如果两个设站站位置不够，，还可通过搬搬站等途径继继续进行测量量。仪器和基准尺尺的放置位置置及交会角的的要求仍按现现有规定执行行4、提高系统统精度的措施施（1）影响经经纬仪测量系系统的精度的的因素1）仪器测角角精度——通过选择择最佳观测时时间（晚11点至次日凌凌晨3点）和和双面观测消消除外界条件件变化的影响响2）系系统定定向精精度——①①将待待测工工件置置于定定向点点范围围内，，②②尽量量避免免过大大或过过小的的交会会角，，一般般应在在60120，最佳佳位置置在90附近。。③③当基基线较较长而而基准准尺长长度不不够时时，需需要采采取其其他措措施确确保尺尺度精精度。。3）脚脚架的的稳定定性——使使用稳稳定性性好的的铁质质或铝铝合金金脚架架或采采用特特殊防防护的的观测测墩4）外外界条条件的的影响响——避避免侧侧风、、光线线、热热源、、振动动源等等5）观观测标标志——同同心圆圆纸质质标志志和空空间对对称的的球形形标志志6）观观测员员的操操作技技能等三、近近景摄摄影测测量系系统摄影测测量系系统在在工业业测量量中的的应用用一般般称为为近景摄摄影测测量、、非地地形摄摄影测测量等。（1））产品品分类类：1）单单台相相机的的脱机机测量量系统统2）多多台相相机的的联机机测量量系统统3）摄摄影基基线固固定的的整体体式测测量系系统等等1、测测量原原理通过二二台高高分辨辨率的的相机机对被被测物物同时时拍摄摄，得得到物物体的的2个个二维维影像像，经经计算算机图图像匹匹配处处理后后得到到精确确的三三维坐坐标，，实际际上是是解空空中三三角形形。2、系系统构构成对静态态目标标而言言，脱脱机测测量系系统可可采用用单台台数字字相机机，在在二个个或多多个位位置对对被测测物进进行拍拍摄，，然后后将图图像输输入计计算机机即可可进行行图像像处理理，这这是一一种比比较经经济的的配置置。为为了提提高图图像匹匹配的的精度度和速速度，，需要要在物物体上上贴标标志，，一般般采用用特制制的回回光反反射标标志（（RetroReflectiveTarget）），以以便于于标志志点的的识别别和自自动提提取；；或者者采用用投点点器，，可以以大批批量投投点，，而且且标志志无厚厚度，，是非非常好好的测测量辅辅助工工具。。脱机测量系统回光反射标志多台相相机联联机测测量可可以实实时得得到待待测点点的三三维坐坐标，，可以以采用用投点点器投投点，，也可可以通通过特特制的的探棒棒（也也称为为光笔笔）作作为测测量标标志，，其探探头和和三坐坐标机机的测测头类类似，，探棒棒上有有一些些可以以发光光的标标志，，由于于发光光标志志点到到探头头的几几何关关系是是确定定的，，因此此通过过对发发光点点的测测量即即可求求得探探头点点的坐坐标。。一般般在探探棒上上还有有测量量按钮钮，可可同时时启动动标志志点发发光和和数码码相机机拍摄摄，因因此实实现了了测量量过程程的自自动化化，并并且解解决了了光学学测量量设备备需要要对目目标点点的照照明问问题。。联机测量系统Metronor系统采用的探棒3、提提高系系统精精度的的措施施摄影测测量系系统的的精度度主要要取决决于相相机的的精度度。相机一一般分分为格网量量测相相机、、量测测相机机、半半量测测相机机和非非量测测相机机四类，，其精精度依依次递递减。。提高精精度的的方法法：1）选选择高高分辨辨率、、高精精度的的专业业型量量测相相机；；2））对于于非量量测相相机，，可以以通过过误差差补偿偿的方方法来来消除除相机机的系系统误误差（（如镜镜头的的畸变变差等等），，从而而提高高测量量精度度和分分辨率率，目目前这这种方方法比比较多多见。。3））提高高相机机间的的定向向精度度，实实践中中需要要优化化相机机的设设站位位置，，增加加基准准尺测测量的的个数数。INCA相机固定基线摄影测量系统CRC2相机4、系系统的的应用用优点：：（1））适合于于动态态物体体的快快速坐坐标测测量（（2））操作作方便便（3））对现现场环环境要要求低低（4））和经经纬仪仪测量量系统统相比比，其其拍摄摄位置置选择择比较较容易易，不不需要要专门门建造造测量量墩，，相应应节省省了时时间和和费用用。数字摄摄影测测量系系统的的测量量相对对精度度一般般在1/10万万左右右，由由于摄摄影比比例尺尺的关关系，，测量量范围围一般般比较较小如果选选择大大幅面面长焦焦距胶胶片相相机（（CRC1相机机），，平度度达1m的承承片框框、配配备后后方投投影格格网标标志和和环形形近轴轴闪光光光源源的格格网量量测摄摄影机机，再再加上上Autoset-2视视频扫扫描单单像坐坐标量量测仪仪（测测点精精度为为0.5m，每每秒种种测2点）），可可实现现在500m上获获得1mm左右的的点位精精度（1/50万），，甚至达达到1/100万，这这是数字字摄影测测量系统统不可企企及的。。美国GSI公司司已完成成几百套套天线的的测量，，坐标分分量的测测量精度度为0.25mm，最后后调整后后的表面面精度优优于2mm。四、距离离交会测测量系统统通过距离离交会测测量同样样可以得得到三维维坐标，，这种系系统称为为三边法法测量系系统或距距离交会会测量系系统。与极坐标标和角度度交会测测量系统统相比，，距离测测量可以以得到更更高的精精度，特特别对中、长长距离上上有突出出的优越越性。由于测量量原理与与GPS相近，，在工业业厂房内内应用时时，也称称之为室室内GPS系统统（IndoorGPS））。1、测量量原理（1）平平面定位位的原理理：通过过测量S1、S2得到P点的平面面坐标（（X，Y），计算算公式如如下：（2）空空间距离离交会原原理：设设4号点点不在1、2、、3点构构成的平平面上，，坐标为为（X4，Y4，Z4），1点点为坐标标原点，，1、2连线为为X轴，123平面面的法线线为Z轴。因此此系统的的标定问问题即为为求出6个参数数（X2，X3，Y3，X4，Y4，Z4）。设i为观测点点，j（j=1~4）为仪仪器中心心点，那那么每测测一个点点可以得得到4个个如下的的观测方方程：4测量n个点得到到的观测测方程数数为4n，而未知知数为3n+6（标标定参数数X2，X3，Y3，X4，Y4，Z4），因此此测量点点数超过过6个就就可以按按最小二二乘法求求出需要要标定的的参数。。如果考考虑到每每个激光光干涉仪仪的测距距零点误误差Cj，那么测测量点数数要10个以上上。和GPS一样距距离交会会测量系系统的精精度取决决于距离离测量的的精度和和测点的的图形因因子系数数（GDOP值值），在在定位时时GDOP值有有一定的的要求。。2、系统统构成（1）系系统可分分为：1）整体体式———多杆式式或超声声式坐标标测量机机，多杆杆式是通通过杆的的伸长或或缩短来来测量距距离，超超声式则则通过超超声波发发射和接接收来测测量距离离，这两两种结构构的测量量范围有有限。2）组合合式———用三台台以上距距离传感感器（测测距仪、、全站仪仪或激光光干涉仪仪）组成成距离交交会系统统，通过过系统定定向方法法确定每每台仪器器的三维维坐标。。目标点采采用手持持式测头头传感器器，因此此只要将将该测头头放置到到被测点点上就可可以得到到测点的的三维坐坐标。3、应用用情况美国GBT天线线主面安安装就采采用了距距离交会会测量系系统，三三台测距距仪（2台TC2002和1台TDM5005））安置在在馈源支支撑结构构上，其其自身位位置通过过距离后后方交会会（观测测地面上上一系列列已知点点）获得得，然后后三台仪仪器对主主面上的的目标进行行距离测测量，可可以得到到待测点的三三维坐标标，测量量精度优优于1mm，测量量范围在在100m左左右。天线运营营后，其其变形观观测也通通过距离交会会系统来来完成，，测距精精度为0.05mm，天线线的主面面精度在0.24mm左右，，其测量量精度也是最高高的。五、关节节式坐标标测量机机（自学学）六、工业业测量系系统软件件工业测量量系统软软件是工工业测量量系统的的重要组组成部分分和系统统应用的的关键，，针对不不同的测测量系统统，国际际上已有有多个商商业化的的系统软软件，如如LeicaAxyz、SMXInsight等，，国内也也开发了了一些类类似的系系统软件件。虽然然各系统统硬件不不同，应应用领域域有所区区别，但但软件的的基本功功能大部部分是相相同的，，解放军军信息工工程大学学测绘学学院研制制的最新新的MetroIn软软件来介介绍工业业测量系系统软件件的基本本特点。。MetroIn软件包包括MetroIn/D数据据管理与与分析模模块、MetroIn/M多多台经纬纬仪模块块、MetroIn/S全站站仪模块块、MetroIn/G图形形模块以以及MetroIn专专用测量量应用模模块等。。目前还还缺摄影影测量模模块、激激光跟踪踪仪模块块以及CAD计计算模块块等。（一）MetroIn的系统统功能MetroIn是用VB5.0/6.0基基于Win95/98/2000/XP平平台开发发的，它它用数据据库来组组织与管管理各种种测量和和非测量量数据，，直接对对数据库库操作，，操作比比较方便便、简单单。主要要功能为为：（1）设设备联机机与控制制设备联机机包括与与经纬仪仪的联接接和经纬纬仪的初初始化。。由计算算机控制制经纬仪仪完成各各项初始始化参数数的设置置以及在在测量时时提供相相应的提提示信息息等。（2））系统统定向向定向测测量完完成后后，进进行定定向平平差解解算，，可以以查看看定向向的精精度、、详细细结果果以及及打印印输出出。（3））坐标标测量量多台经经纬仪仪的系系统在在定向向完成成后可可以在在二台台或多多台间间构成成多个个测量量系统统同时时开展展测量量，测测量数数据显显示在在屏幕幕的不不同窗窗口中中。全全站仪仪和经经纬仪仪的组组合测测量系系统中中，全全站仪仪可单单独采采集坐坐标数数据，，亦可可与经经纬仪仪一起起交会会采集集坐标标。（4））近距距加常常数修修正通过将将全站站仪的的测距距值与与两台台仪器器的交交会值值比较较，求求出近近距加加常数数，并并在随随后测测量过过程，，自自动对对距离离值加加以改改正。。或利利用固固定二二点法法现场场检测测CCR1.5″球球棱镜镜的常常数。。（5））数据据管理理及编编辑进行各各种数数据管管理，，如工工件、、设站站、基基准尺尺、反反射片片、参参考库库、坐坐标系系，点点坐标标、观观测值值等。。可编编辑、、添加加、删删除数数据记记录和和对记记录进进行排排序，，但原原始观观测值值只可可读，，不可可更改改。每每次操操作即即更改改数据据库中中的内内容，，不会会因突突然““死机机”造造成数数据丢丢失。。（6））坐标标系的的生成成与转转换通过平平移、、旋转转、缩缩放，，轴对对准法法和最最小二二乘转转换法法可生生成一一个新新的坐坐标系系。（7））测量量数据据分析析与计计算依据坐坐标测测量结结果可可进行行各种种点、、线、、面的的分析析、计计算。。拟合合生成成的各各种几几何形形状可可以以以坐标标系的的形式式存入入数据据管理理器的的坐标标系库库中。。（8））数据据的输输入、、输出出MetroIn系统统不仅仅使用用它本本身的的数据据，也也能兼兼容外外部数数据。。可将将外部部数据据直接接输入入到某某指定定工件件并转转换到到特定定坐标标系中中；点点坐标标及其其观测测值可可以输输出到到相应应类型型格式式的文文件中中。（9））测测量量数数据据的的可可视视化化利用用图图形形功功能能，，可可将将测测量量数数据据以以及及拟拟合合计计算算后后的的数数据据进进行行三三维维显显示示、、平平移移、、缩缩放放和和旋旋转转。。（二二））系系统统定定向向方方法法在工工业业测测量量系系统统软软件件中中，，系系统统定定向向是是一一个个非非常常重重要要的的模模块块，，实实际际是是建建立立多多传传感感器器或或多多测测站站之之间间的的联联系系，，建建立立的的统统一一的的测测量量坐坐标标系系，，称称为为全全局局坐坐标标系系。。主要要方方法法：：（1））光光束束法法平平差差方方法法（2））互互瞄瞄法法（3））““测测站站六六自自由由度度””算算法法————军军测测建建立立光束束法法平平差差实实质质是是依依据据来来经经纬纬仪仪/全全站站仪仪/激激光光跟跟踪踪仪仪的的角角度度观观测测值值化化算算为为虚虚拟拟像像平平面面坐坐标标值值，，然然后后利利用用光光束束法法平平差差原原理理来来求求解解二二台台或或多多台台经经纬纬仪仪等等传传感感器器在在空空间间的的姿姿态态和和位位置置关关系系。。因因此此摄摄影影测测量量方方法法在在原原理理上上说说来来对对经经纬纬仪仪等等没没有有整整平平的的要要求求。。当当然然经经纬纬仪仪轴轴系系间间相相互互垂垂直直的的关关系系要要保保持持正正确确。。虽然然高高精精度度电电子子经经纬纬仪仪可可以以精精确确整整平平，，但但事事实实上上即即使使仪仪器器精精确确整整平平后后，，也也不不能能保保证证各各仪仪器器的的垂垂直直轴轴互互相相平平行行的的几几何何关关系系，，因因此此二二台台经经纬纬仪仪的的左左测测站站坐坐标标系系与与右右测测站站坐坐标标系系的的关关系系如如图图。。此此时时右右测测站站坐坐标标系系相相对对于于左左测测站站XYZ坐坐标标系系存存在在3个个平平移移参参数数(XS,YS,ZS)和和3个个旋旋转转参参数数（（φφ，，ωω，，κκ）），，称称为为6个个定定向向参参数数。。由由于于这这些些参参数数无无法法直直接接测测定定，，因因此此需需用用光光束束法法平平差差进进行行定定向向。。设物点P的空空间坐标为（（X，Y，Z），对应于于左、右虚拟拟像点坐标分分别为（x1,z1）,(x2,z2)。右测站坐坐标系相对于于左测站坐标标系的角度旋旋转元素为（（φ，ω，κκ），右测站站坐标系的原原点在测量坐坐标系中的坐坐标为(XS,YS,ZS)，故左、右右测站的共线线方程为：式中：ai,bi,ci为旋转矩阵中中的元素，是是（φ，ω，κκ）的函数。很显显然，右测站站共线方程包包含了定向参参数的信息。。对二台经纬仪仪的工业测量量系统而言，，每观测一个个物点可列出出4个共线方方程，而物点点坐标的未知知数为3个，，因此有一个个多余观测。。当物方至少少有一条已知知的距离时，，如基准尺的的二个端点间间的距离为已已知，就可解解决6个参数数的求解，即即系统定向问问题。摄影测量定向向方法的精度度与物方点的的图形结构有有关，因此用用光束法平差差定向对定向向点的选取是是非常重要的的。对于传感器不不带距离基准准的情况（经经纬仪/数码码相机等），，在系统定向向过程中还需需要基准尺来来进行绝对定定向。方法：用电子经纬仪仪对某一基准准尺的两端点点进行观测，，在测站三维维控制网中加加入距离条件件方程，解决决网的尺度问问题消除基准尺照照准误差的方方法：基准尺的位位置要多测几几个或多放几几个基准尺，，以提高绝对对定向精度。。（三）坐标系系及其相互转转换1、坐标系的的基本概念在工业测量系系统中，会碰碰到多种坐标标系，如：测测站坐标系、、物方坐标系系、设计坐标标系等。工业业测量系统中中缺省的测量量坐标系（精精确互瞄法系系统相对定向向）为测站1坐标系，即即测站1为坐坐标系原点（（0，0，0），测站1指向测站2在水平面内内的投影为X轴，Y轴轴在水平面内内垂直于X轴轴，再以右手手准则确定Z轴。测站1坐标系称为为基本坐标系系。工业测量系统统所获得的物物方点坐标是是测量坐标系系中的三维直直角坐标，在在实际使用中中，需要将测测量坐标系中中的点坐标转转换到其它坐坐标系（如工工件的设计坐坐标系）。任任意两个空间间坐标系都可可以通过三个个平移、三个个旋转、一个个缩放进行转转换。2、坐标系的的生成除了平移、旋旋转、缩放生生成一个新坐坐标系外，另另外还有两种种方法：轴对准法和最最小二乘转换换法。轴对准法：由空间不在一一直线上的三三个点P1(X1,Y1,Z1)，P2(X2,Y2,Z2)，P3(X3,Y3,Z3)，生成坐标标P1-X′Y′Z′，使得在在新坐标系中中点P1，P2，P3的坐标分别为为（0，0，，0），（X2′，0，0）），（X3′，Y3′，0），，且X2′、X3大于零零，尺尺度保保持不不变，，称为为轴对对准法法生成成坐标标系。。坐标系系P1-X′′Y′′Z′′是坐坐标系系0-XYZ经经过平平移（（X0，Y0，Z0），旋旋转εεx、εy、εz得到，，则有有：X0=X1，Y0=Y1，Z0=Z1。而：：轴对准准法生生成坐坐标系系的另另一种种形式式是两两点轴轴对准准。条条件是是坐标标系0-XYZ的Z轴为为铅垂垂直方方向，，XOY平平面为为水平平面；；点P1、P2生成的的新坐坐标系系P1-X′Y′Z′的的轴平平行于于Z轴轴，P1为原点点，X′′轴过过P2在水平平面X′Y′Z′的的投影影P′′。坐标系系P1-X′Y′Z′的三个个旋转参数数为：：最小二二乘转转换法法：所谓谓最小小二乘乘转换换就是是利用用一组组在两两个坐标系系中的的均有有坐标标值的的公共共点，进行行最小小二乘乘平差差转换换，求求出两两个坐坐标系系间的的转换换参数数。例例如，，在测测量坐坐标系系下测测量了了工件件上的的一组组点，，而这这组点点在工工件的的设计计坐标标系中中的坐坐标是是设计计已知知的。。则利利用最最小二二乘转转换，，把这这组点点的测测量坐坐标转转换到到设计计坐标标系中中去，，即可可分析析比较较它们们的实实测值值与理理论值值的差差异。。设原坐坐标系系0-XYZ经经过平平移（（X0，Y0，Z0），再再旋转转εx、εy、εz和缩放放K倍倍后，，成为为坐标标系0-XYZ。在在O-XYZ中中的点点P（（X，，Y，，Z））相应应变成成p(x,y,z)。由由于转转换参参数个个数为为7，，而每每点可可列出出三个个误差差方程程，所所以至至少需需3个个公共共点即即可求求解。。由于于误差差方程程是非非线性性化后后得到到的，，故需需要迭迭代求求解3、坐坐标系系间的的转换换空间任任意两两个坐坐标系系均可可以通通过平平移、、旋转转、缩缩放进进行转转换，，而每每一坐坐标系系又可可以用用7个个坐标标系参参数来来表示示；所所以可可以定定义一一个参参考坐坐标系系，它它的平平移参参数为为（0，0，0），，三个旋旋转参参数均均为0，缩缩放系系数为为1，，称该该坐标标系为为