工业测量的复习资料

工业测量的技术手段和仪器设备，伴随着科学技术的发展与应用，其名目繁多。但归纳起来，最主要是以电子经纬仪或全站仪，摄影仪或显微摄影仪，激光扫描仪等传感器，在电子计算机和软件的支持下形成的三维测量系统，系统大概可分为三大类，以电子经纬仪或全站仪为传感器的工业大地测量系统；以摄影仪或显微摄影仪为传感器的工业摄影测量系统；以激光扫描仪为传感器的激光扫描测量系统。除此以外，还有基于莫尔条纹的工业测量系统，基于磁力场的三维量测系统，用于空间抛物体运动轨迹测定的全球定位系统等。5．1工业大地测量系统工业大地测量系统发展最早，应用较广5．2工业摄影测量系统工业摄影测量系统，是借助目标的影像，通过图像处理和摄影测量处理过程，以获取目标的几何状态和运动状态。其优点是通过像片提供大量信息，施测周期短，可在瞬间完成测量全过程，可对动态目标进行测量，可多重摄影，有多余观测值，精度可靠，相对精度可达百万分之一。特别适用于待测点密集的目标，适用于目标环境不甚稳定，乃至剧烈变化的目标，适用于工业生产流水线上产品的快速检测5．3地面激光雷达系统，前面3．2节中所说的地面激光雷达系统，最初是为工业测量设计的三维工业测量系统，如瑞士研制Cyrax激光扫描仪，具有扫描范围大，速度快，分辨率高、建模快，拼接好的特点，激光扫描“点阵”可再现所测物体的三维立体景观，可直接用于点对点的量测，利用拟合软件，点阵可以转换成三维模型，二维平面图，等高线图或断面图。它的问世，使三维工业测量系统加速向自动化、智能化、多用途方向发展。三维工业测量系统是在制造业和机械安装检测行业中，利用各种测量仪器包括电子经纬仪、全站仪、激光跟踪仪、扫描仪、专业相机等组合，在计算机的控制下，对工件和产品进行精密三维坐标测量的复杂系统。根据测量数据的获取方式不同总体上可分为接触式和非接触式两类。接触式测量设备的主要代表是三坐标测量机(CoordinateMeasuringMachine，CMM)，它是传统的通用坐标精密测量设备，在制造业乃至世界范围内得到了很广泛的应用，并已经成为3D检测工业标准设备。该设备主要是通过探头在被检测物体上移动的方式获取工件特征点的三维坐标。在逆向工程应用的初期，CMM是数据采集的主要手段，它的优点是测量精度高(三维空间精度可达1．2u叫，成本低，适应性强，可对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行测量，缺点是测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量，数据需进行测头半径补偿，且受到直线型导轨运动的限制，测量范围有限，一般不超过2米。此外，采用非接触式测量方法的还有基于机器人的柔性坐标测量系统，该系统是以机器人本体为运动平台，配合精密测头，实现空间测量。它是将CMM的直线导轨形式转化为灵活的关节运动形式，因而具有很好的运动效率和紧凑的安装空间，缺点是受到运动形式的影响，测量精度和测量范围受到了很大的限制。非接触式测量方法是利用某种与物体表面发生相互作用的的物理现象来获取三维信息，根据测量原理的不同可以分为：反射式和投射式两类，在反射式中根据采用媒介的不同又可分为：光学测量、超声波测量、电磁测量等方式，其中较为成熟的是光学测量，包括三角形法、激光扫描、结构光法、莫尔条纹、摄影视觉图像处理等方法。使用反射式测量方法的三维工业测量系统主要有：经纬仪工业测量系统、近景数字摄影测量系统、激光跟踪测量系统等，本文研究的主要对象一地面三维激光扫描系统也属于这一范畴。以上各系统的原理及特点归纳总结如下：1)经纬仪工业测量系统以空间交会三角测量原理为基础，采用多经纬仪组合，结合精密定向技术，理论上可实现10um／m的精度，且便于携带，但测量效率低，需人工瞄准，工作强度大，测量结果易受到人为因素影响。代表设备有美国制造的解析工业测量系统_AIMSRT。2)近景数字摄影测量系统采用类似于经纬仪系统的空间交会三角测量模型，不同的是它采用高性能数字成像器作为传感元件，结合图像处理及模式识别技术实现对目标物体的自动识别、瞄准和测量。优点是测量过程实现了自动化，消除人为误差，有效提高了测量的精度，施测周期短，测量效率大大提高。我国近景数字摄影测量系统一般精度较低，但也得到较多的应用并卓有成效，如北京市测绘设计研究院将其用于测绘大飞机外型；武汉测绘科技大学将其用于葛洲坝船闸变形监测、龙口及上下游水面流速动态测量等。3)激光跟踪测量系统是建立在激光干涉长度测量和角度精密测量基础上的极坐标测量系统。该系统是基于空间极坐标测量原理，给定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，以及反射镜到跟踪头的距离S来计算，它具有快速、动态、精度高等优点，在航空航天、机械制造、核工业等测量领域应用广泛，Leica公司、API公司、以及SMX公司都先后推出了各具特色的激光跟踪测量系统。4)三维激光扫描系统也是建立在长度精密测量和角度精密测量基础上的极坐标测量系统，具有快速、动态、精度高的优点，它通过用户主动设置扫描区域、扫描间隔等参数进行自动化扫描，扫描数据的单点位精度可达到毫米级。目前国内外使用较多的设备有Leica的HDS系列、北京荣创兴业科技发展有限公司的ViScan系列、美国的FARO等公司推出的产品。本文研究的主要对象——三维激光扫描系统，也称为三维激光成图系统，主要由三维激光扫描仪硬件和数据后处理软件组成。一般来讲，测绘用激光扫描仪根据扫描的空间位置或者系统的运行平台来划分可以分为三类：机载型激光扫描系统。这类系统由激光扫描仪、飞行惯导系统、DGPS定位系统、成像装置、计算机以及数据采集器、记录器、处理软件和电源等构成。DGPS系统给出成像系统和扫描仪的精确空间三维坐标，惯导系统给出其空中的姿态参数，由激光扫描仪进行空对地式的扫描来测定成像中心到地面采样点的精确距离，再根据几何原理计算出采样点的三维坐标。地面激光扫描仪系统。此类别又可划分为两类，一类是移动式扫描系统，一类是固定式扫描系统。所谓移动式扫描系统是集成了激光扫描仪、CCD相机及数字彩色相机的数字采集和记录系统、GPS接收机、基于车载平台，由激光扫描仪和摄影测量获得原始数据作为三维建模的数据源。而固定式的扫描仪系统类似于传统测量中的全站仪，它有一个激光扫描仪和一个内置或外置的数码相机以及软件控制系统组成，二者的不同之处在于固定式扫描仪采集的不是离散的单点三维坐标，而是一系列的“点云数据，这些点云数据可以直接用来进行三维建模，而数码相机的功能是提供对应模型的纹理信息。手持型激光扫描仪。这是一种便携式的激光测距系统，可以精确的对物体进行长度、面积、体积测量。可以帮助用户在数秒内快速的测得精确可靠的成果，此类型的仪器配有联机软件和反射片，如Leica的迪士通系列产品。工业测量的内容、技术、手段、特点(精度和适用场合)多种工业测量的实际作业方法和过程工业摄影测量方法的应用场合1）目标上待测点密集，单一目标上有很多待测点；2）目标处于震动、水下、高速运动、有毒害、难以接近等环境，即便是待测点数不多的情况。测角仪器的应用场合经纬仪、电子经纬仪和全站仪等测角仪器，在工业测量中适用于目标上待测点稀疏但精度要求较高，而又无法或不利于使用专用传感器和摄影测量方法的场合。工业测量的内容任务：工业测量(IndustrialMeasurmentSystem)：工业测量是将测量方法和技术应用于精密制造工业、精密机械安装工业和精密变形监测等，对部件、产品及构筑物的形体进行精密的一维到三维坐标的测量。通过数据处理与分析来解决设计、仿制（含仿真）、检测、放样、质量控制（含流水线和机器人运动轨迹测定）和动态监测中与目标的形状尺寸及运动状态等有关的问题。内容：——外形测量——放样、安装、变形测量——风洞试验室、水工实验室中、汽车碰撞试验——油船舱体容积的测定；——大量人工构筑物内结构测量，如铁路公路隧道、城市地下铁道、海底或水下髓道、矿山大型巷道和采空区、各类地下军事工程、地下防空工程、舰艇洞库、飞机洞库、油库与弹药库、水电站的排水泄水洞、排沙洞、机组叶片和坝内结构、各类运输车船的内结构等；——文物测量——质量检测iGPS特点——与工程测量的比较常规工程测量：①土木工程等露天目标，空间坐标和几何尺寸②全站仪，GPS，水准仪为主要设备③点位绝对精度低，目标尺寸大工业测量：①几何量：坐标，长度同轴度、跳动..几何点位精度高②绝对精度高，目标尺寸小，测量频率较高工业测量技术一维、二维测量技术①角度测量②倾斜测量③精密高程测量④准直测量⑤距离测量⑥长度测量机械法（温度，拉力）：游标卡尺、千分尺①用于测量孔、轴的内、外直②径或者物体的厚度③电子读数的分辨率达到几个微米电磁波测距法（大气）④测程超过100米毫米级精度⑤高精度远程测距仪测程5km+-0.2mm⑥双色测距仪消除大气影响100m0.2mm电磁波测距影响因素⑦仪器本身的误差：加常数、乘常数、周期误差⑧大气折光引起的误差：温度、湿度、气压激光干涉法（大气）⑨激光绝对干涉测距⑩距离变化测量检测孔和轴的同轴度及跳动度；检测工件的平行度和直线度或用作某些测量装置的测量元件。角度测量11经纬仪角度测量---绝对编码法\增量编码法12角度测量精度有限13动态测角法0.1秒14激光干涉角度测量0.082秒15圆光栅测量法可获得运动物体的角度16测角仪法全站仪\经纬仪原理17自准直仪法18正弦规测量3秒到5秒高程测量1)精密几何水准2)3)三角高程准直测量①光学准直②机械准直③波带板激光准直④光学自准直30m1-2“三维坐标测量技术1)经纬仪系统2)极坐标系统3)工业摄影测量激光跟踪测量系统坐标测量机关节臂测量机iGPS激光扫描测量系统经纬仪系统1)经纬仪交会系统的特点设备简单，价值低精度高（亚毫米）基准尺精度优于0.01mm测角精度高0.5”有内觇标及照准标志望远镜焦距长，利于清晰照准目标自准直功能(平面镜)可以进行无接触测量操作较复杂速度慢需要合适空间，需要可视精度不均匀，与距离有关适合于小空间、少量点的高精度测量极坐标系统（全站仪测量系统）高经济性灵活性定向测角测距工业全站仪的特点精度高，120m范围内测距绝对精度为0.5mm左右；增加目标自动识别功能，可用于目标跟踪不存在构型问题应用在线质量控制自动化操作远程控制工业摄影测量工业摄影测量是重要手段，特别适用于目标上待测点众多、目标不可接近、目标处于运动状态、目标处于变形、震动、有害环境、无稳定的传感器架设平台等情况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瞬间获取被测物体大量表面信息，动态测量和形状测量非接触手段，适合在恶劣环境的测量常用交向摄影测量，保证测点的有较大的重叠度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测量设备按照摄影设备的的测量功能：量测相机：多用于各种高精度的测量任务（工业测量）；半量测相机；非量测相机：适是用于各种中、低精度的测量任务按照摄影设备的结构：模拟相机；数码相机按照摄影作业方法：单个相机；立体相机方法流程测量计划（要求、测量方案等）测量物体范围和工作量；能达到的精度；是否需要人工标志；环境条件如何（摄影地点，闪光、干扰等）；检验方法或者精度验证；现场允许测量的时间；数据处理时间；成果递交形式（坐标、图像、接口、实时等）摄影测量与数据处理测量结果的后续处理对水下人工构筑物（如钻井平台、沉船、古建筑）以及其他目标的精确测量，惟一的方法是水下摄影测量数字近景摄影测量系统V-STARS系统技术特点（1）高精度：单相机系统在10m范围内测量精度可以达到0.08mm，而双相机系统则可以达到0.17mm；（2）非接触测量：光学摄影的测量方式，无需接触工件；（3）测量速度快：单相机几分钟即可完成大量点云测量，双相机实时测量；（4）可以在不稳定的环境中测量（温度，震动）：测量时间短受温度影响小，双相机系统可以在不稳定环境中测量；（5）特别适合狭小空间的测量：只要0.5m空间即可拍照、测量（6）数据率高，可以方便获取大量数据：像点由计算机软件自动提取并量测，测量1000个点的速度几乎与10个点的