工业测量系统
摘要:工业测量是现代工业技术的主要组成部分，是测绘学科的重要分支。目前主要介绍了除经纬仪外的五种工业测量系统包括全站仪极坐标测量系统、坐标测量机系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统的原理、特点及最新进展。
关键词：工业测量系统；全站仪极坐标测量系统；坐标测量机系统；数字近景摄影测量系统；激光跟踪测量系统；激光扫描测量系统
1.前言
随着现在科技的迅猛发展，特别是计算机技术、通信技术等的发展，在我们测绘领域出现了很多的技术创新。其中工业测量系统就是应用广阔、测量精度高、简单方便的一种测量新技术。
2.工业测量系统分类
二十世纪八十年代开始，工业测量系统在现代工业部门得到广泛的应用。根据所用的测
量仪器的不同，可分为三坐标测量机系统、电子经纬仪工业测量系统、全站仪极坐标测量系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统等。
2.1.三坐标测量机系统
三坐标测量机系统又包括了固定式的三坐标测量机（如图1）和便携式的关节式坐标测量机（如图2）。
三坐标测量机是指在一个三维空间内，能够对几何形状、长度等进行测量的仪器，它是传统通用三维坐标测量仪器的代表，通过测头沿导轨的直线运动来实现精确的坐标测量。目前，通过计算机自动控制的运用，计算机数字控制测量机已经出现并在生产实践中得到广泛的应用。具有自动瞄准定位的功能同时能按照预先编制好的程序自动完成全部测量和计算过程。其优点是测量精度高、效率高、操作便捷、应用广；其不足是属于接触式测量，对非刚体的测量误差大，同时是固定的，只适合室内作业，适用性弱。因此，一般测绘单位已经不配备这类仪器，只在工厂等生产单位使用。
便携式-关节臂式三坐标测量机取代传统的直尺/卷尺/测径器/千分尺/深度计/直径仪器/测隙规/厚薄规/柱形测孔规/显示测径器/标尺角度测量器甚至
小型台式三坐标测量机。是专为现场测量而设计，是当下通用的在线检测、数字化和质量验证的现代化检测工具。
图1坐标式测量机
图2臂式三坐标测量
2.3 全站仪测量系统
特点：极坐标法坐标测量系统的仪器设站非常方便和灵活，测程较远，实际上在100m 范围内的精度可达到士0.5mm 左右，因此特别适用于钢架结构测量和造船工业等中等精度要求的情况
发展：早在1990年之前，瑞士Leica 二公司就推出了商业化系统PCMSplus ，其全站仪采用TC2002,测角精度为0. 5”测距标称精度为1mm+lpp 。用掌上计算机配合微机推出的一个产品为DCA-TC 。其中DCP10软件装入掌上计算机用于控制TC2002进行数据采集和一般性处理，DCP20软件运行在微机上进行测量数据的综合处理和分析。
目前，被称为测量机器人的带自动照准和自动识别目标
(ATR)技术的全站仪如图己出现并广为应用 (如图 3
TDA5005)。Leica 的构成的系统在120米范围内使用精密角偶
棱镜(CCR)的测距精度能达到0. 2mm;日本SOKKIA 公司推出了
MONMOS 全站仪测量系统，采用NET1200全站仪在100
米范围内对反射片测量精度优于0. 7mm 。由于一般必
须要有合作目标(如棱镜或反射片)才能测距，所以它无法直接测量目标点测距固定误差的存在，使其在短距离(<20m) 测量时相对精度较低。现在已出现了无需棱镜测距的全站仪Leica 的TCR1101)，但测距精度均很低，低于3mm 。
2.4 激光跟踪测量系统
图4
工作原理：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标空间中运动的点，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 ，以及反射器到跟踪头的距离D 计算出来的。本系统在实际应用中采用的一站法激光跟踪测量系统。
系统的工作原理从以下几个部分进行讨论：
图3
1)距离测量部分
包括激光干涉法距离测量装置和放置在被测物体上的逆反射器等。干涉测距是利用光学干涉法原理，通过测量干涉条纹的变化来测量距离的变化量。一般的干涉测距只能测量相对距离，如果激光束被打断，则必须重新回到基点以重新初始化。最新研制的激光跟踪系统已经能够实现绝对距离的测量。
2)角度测量部分
包括方位角和高度角的角度编码器。
3)跟踪控制部分
包括控制器、力矩电机和位置监测器。逆反射器反射回的光束经过分光镜时，有一部分光进入位置检测器，当逆反射器移动时，这一部分光将会在位置探测器上产生一个偏移置，根据偏移值，位置检测器输出偏移信号至控制器控制力矩电机转动直到偏移值趋向零，从而达到跟踪的目的。因此当逆反射器在空间运动时，激光跟踪头能一直跟踪逆反射器。
4)测量电路部分
该部分用于读出距离变化量和两个编码器的输出脉冲数。与计算机之间进行大量的数据交换，计算机进行数据处理，实时显示运动目标的三维位置。
图5 激光跟踪测量原理图
特点：激光跟踪测量系统（Laser Tracker System）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量。
发展概况：最新的激光跟踪测量系统为Axyz-LTM，它的硬件为LT500/LTD500激光跟踪仪（如图6），其测量速度比SMART310快一倍，而LTD500为带绝对测距仪的激光跟踪仪，在测量信号遮挡后，绝对测距仪能及时测出绝对距离，保证跟踪仪能继续测量。
图6激光跟踪仪LTD500
应用实例：激光跟踪仪在车床精度检测中的应用
利用激光跟踪仪精度高、测量范围大、可进行现场测量等优点对一大型机床进行现场检测。机床误差的监测方法可以分为单项误差测量和综合误差测量两种，单项误差测量就是检测各项误差的分量，而综合误差是检测机床做圆插补运动时的轮廓精度。一般来讲，单项误差测量更精确，其测量原理更简单明了。因此，我们测量车床溜板箱上工作平台在横向（X 轴）和纵向（Y 轴）方向的移动直线度。被检测车床为CW61140卧式车床，车身长一米车床工作台在X 轴向上移动的水平面直线度最大允许差为0.050mm ，在Y 轴方向上导轨方向移动时距离在（500mm,1000mm ）内的水平面直线度为0.030mm,以后每增加1000mm 允许差增加0.020mm,但不能超过0.054mm 。如图所示为激光跟踪测量仪用于生产现场车床检测时的系统机构。
根据检测方案，具体方法为：使机床溜板箱工作台分别沿X 轴运动和沿Y 轴运动。靶镜固定在车床溜板箱工作平台上，车床提供标准长度，激光跟踪仪测出个点的空间位置，并拟合成直线，用CAM2measure 软件功能得出各段直线的水平面直线度。
将靶镜放置在第一个被测点A 1上利用激光跟踪仪测量出极径R 与两个方位角Vt 和Hz ，即可算出该被测点A 1的空间坐标（x ，y ，z ）。在测出点A 1后，根据卧式车床自带的刻度以及车床的横向和纵向行程范围，确定X 向进给距离为6mm ，Y 向进给距离为20mm ，这样靶镜移动到第二点A 2
的空间坐标。依此步骤就可以测出100个点的三维坐标。然后利用激光跟踪仪自带的软件CAM2measure 以A 1点为基准，依次确定A A 21，A A A 321，···，A A A N 121..... A N 并拟合出一系列直线。用软件对直线进行分析，确定各段直线的水平面直线度，并与机床的允差水平面直线进行比较，依次确定车床是否满足加工要求。
工作台沿X 轴方向水平面直线度变化曲线
图7
图8
工作台沿Y轴方向水平面直线度变化曲线
图9
2.5激光扫描测量系统
原理：
由激光脉冲二极管发射的激光脉冲，经过旋转棱镜，射向目标。然后通过探测器，接收并记录反射回来的激光脉冲。激光束的垂直偏转角（“线扫描”），是通过一个包含几个反射表面的多面体来控制的。通过不断改变和调整多棱镜的旋转速度，可以得到不同的高速扫描速度，并可按不同的垂直扫描角θ进行扫描, θ最大可达到80°。激光束的垂直偏转角（“线扫描”），是通过一个包含几个反射表面的多面体来控制的。通过不断改变和调整多棱镜的旋转速度，可以得到不同的高速扫描速度，并可按不同的垂直扫描角进行扫描。如果想获取慢的扫描速度或以小的扫描角进行扫描，将多棱镜进行上下线性振荡就行。而通过将光学面进行360°圆周旋转，可实现水平面内的全方位扫描。
特点：
（1）实时、动态、主动性
（2）高密度、高度灵活性、高稳定性
（3）无需和被测物体接触，适应性好
（4）可扩展性
发展概况：随着数字地球和数字城市的发展，三维数据获取工具和手段的不断进步，促进三维空间数据获取朝集成化、实时化、动态化、数字化和智能化的方向发展，现实世界的立体信息快速地转换为计算机可以处理的数据将成为可能。三维激光扫描技术是一种先进的全自动高精度立体扫描技术, 又称为“实景复制技术”,它采用非接触式高速激光测量方式，完整并高精度地重建扫描实物及快速获得原始测绘数据。是继GPS 空间定位技术后的又一项测绘技术革新,将使测绘数据的获取方法、服务能力与水平、数据处理方法等进入新的发展阶段。长江科学院引进了目前世界最先进的三维激光扫描测量系统，该系统可以进行水平360 度、垂直 80 度、距离1200m 范围内的快速扫描。通过直接与数码相机及GPS 的结合，能在几分钟内获取测量范围内的目标详尽的、高精度的三维地物地貌数据。（如图10）
图10
2.6数字近景摄影测量系统
lensphoto是超越以往的近景摄影测量系
统。
该系统是基于摄影测量专家张祖勋院士最
新提出的以计算机视觉原理（多基线）代替人
眼双目视觉（单基线）传统摄影测量原理，从空
间一个点由两条光线交会的摄影测量基本法则
变化为空间一个点由多条光线交会而成的全新
概念，从而研发产生的一套全新的数字近景摄影
测量系统。图11 Lensphoto软件它能对普通单反数码相机获得的影像，完成从自动空三测量到测绘各种比例尺的线划地
形图(DLG)的生产，及对普通数码相机所获的近景影像完成三维重建，同时也可以作为直接由地面摄影的数字影像中获取测绘信息的软件平台。
它使近景摄影测量技术发生了质的巨大飞跃，并为其打开了巨大的应用空间它不同于以往任何近景摄影测量系统，由于它是突破了传统理论的新技术，因而具有强大的处理近景数据的能力，极高的精度，极强的功能，方便灵活及高度自动化，使过去不可能的事变成了可能！是一种高技术带来的简便，精确，可信的测量新手段，是一个应用前景远大的测量新技术。（如下图）
图 12 近景摄影测量突破性全新技术
3.结束语
本文主要是介绍了六种工业测量系统，分别从它们的原理、特点、发展、应用进行了分析。工业测量系统精度高、测量灵活等优点。工业测量任务的多样性，更要求测量系统以及与之相配套的测量软件的灵活性和完善性。
工业测量系统的优点已被越来越多的工业部门所认可，并得到了广泛的应用。可见，进行工业测最系统的理论研究和国产化工业测量系统的开发已成为当务之急。
参考文献
【1】厉东伟工业测量系统在国内外的发展现状科技信息，2011
【2】陈静，李清泉，李必军激光扫描测量系统的应用研究测绘工程，2011
【3】黄桂平，李广云基于多台电子经纬仪/全站仪的工业测量系统测绘学院学报 2000
【4】徐忠阳.全站仪原理与应用.解放军出版社[M]，2003.
实验题目： 某一化工生产过程中需要对储气罐内的气体压力进行精度控制及安全保护，压力设定值为8Mpa，其中压力采集使用压阻式压力传感器，压力控制采用电动V型调节球阀调节。此外，当压力高于10Mpa时必须关断调节球阀。请结合本门课所学知识及选用的相关仪器设备，查阅相关文献，给出采用工业控制计算机作为控制器的设计方案。 压阻式压力传感器的主要技术参数： 1、工作电源10v 2、测量范围0~20Mpa 3、全程线性度好 4、灵敏度20mv/ Mpa 电动调节球阀的主要技术参数： 1、工作电源：AC220V; 2、控制信号：0~10V. (对应阀的开度：0％－100％). 一、系统总体结构框图： 二、系统工作原理：
该系统属于闭环PID控制系统，利用反馈通道和控制通道对储气罐中的气体压力进行动态快速、稳定和准确的控制。其具体工作原理是工控机首先设定储气罐中理想压强re ,然后根据反馈的数字信号和理想值进行比较得到差值 e 。然后利用PID 控制算法根据e 算出控制信号的算法控制信号的电压大小u ，通过数据通道D/A 转换把u 这一数据量转换成模拟量，这一模拟量直接控制电动V型调节球阀，进而控制储气罐的气压。然后是反馈通道，首先通过压阻式传感器，得到电压信号，再通过信号调理，调理后的信号经过数据通道A/D转换，转换成数字量，把数字信号送入工控机，工控机再根据这个信号输出符合要求的控制信号对电压V型调节阀进行控制，进而控制储气罐的气压。 三、传感器测量电路： 四、仪器设备和元器件： 一台工控机、一块数据采集板卡、一个电动V型调节球阀、一个扩散硅压阻式压力传感器、两个10KΩ电阻、两个500KΩ电阻、一个差动放大器、一台稳压电源及导线若干。 五、软件流程图：
工业测量系统 摘要:工业测量是现代工业技术的主要组成部分，是测绘学科的重要分支。目前主要介绍了除经纬仪外的五种工业测量系统包括全站仪极坐标测量系统、坐标测量机系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统的原理、特点及最新进展。 关键词：工业测量系统；全站仪极坐标测量系统；坐标测量机系统；数字近景摄影测量系统；激光跟踪测量系统；激光扫描测量系统 1.前言 随着现在科技的迅猛发展，特别是计算机技术、通信技术等的发展，在我们测绘领域出现了很多的技术创新。其中工业测量系统就是应用广阔、测量精度高、简单方便的一种测量新技术。 2.工业测量系统分类 二十世纪八十年代开始，工业测量系统在现代工业部门得到广泛的应用。根据所用的测 量仪器的不同，可分为三坐标测量机系统、电子经纬仪工业测量系统、全站仪极坐标测量系统、数字近景摄影测量系统、激光跟踪测量系统、激光扫描测量系统等。 2.1.三坐标测量机系统 三坐标测量机系统又包括了固定式的三坐标测量机（如图1）和便携式的关节式坐标测量机（如图2）。 三坐标测量机是指在一个三维空间内，能够对几何形状、长度等进行测量的仪器，它是传统通用三维坐标测量仪器的代表，通过测头沿导轨的直线运动来实现精确的坐标测量。目前，通过计算机自动控制的运用，计算机数字控制测量机已经出现并在生产实践中得到广泛的应用。具有自动瞄准定位的功能同时能按照预先编制好的程序自动完成全部测量和计算过程。其优点是测量精度高、效率高、操作便捷、应用广；其不足是属于接触式测量，对非刚体的测量误差大，同时是固定的，只适合室内作业，适用性弱。因此，一般测绘单位已经不配备这类仪器，只在工厂等生产单位使用。 便携式-关节臂式三坐标测量机取代传统的直尺/卷尺/测径器/千分尺/深度计/直径仪器/测隙规/厚薄规/柱形测孔规/显示测径器/标尺角度测量器甚至 小型台式三坐标测量机。是专为现场测量而设计，是当下通用的在线检测、数字化和质量验证的现代化检测工具。 图1坐标式测量机 图2臂式三坐标测量
工业过程测量和控制系统标准体系 The standard scheme for industrial process measurement and control system 梅恪1张桂玲2 (1.机械工业仪器仪表综合技术经济研究所，北京 100055) (Instrumentation technology & Economy institute P.R.China Beijing 100055) [摘要] 本文在分析了我国工业自动化仪表现状的基础上,提出了我国工业过程测量和控制系统标准体系框架和实施计划。 [关键词] 标准体系框架工业过程测量和控制系统 Abstract: Based on the present situation of industrial automation devices in our country, the article illustrates the standard scheme for industrial process measurement and control system and puts forward the plan of implementation. Key word: standard scheme industrial process measurement and control system 收稿日期：2010-01-11 作者简介：梅恪（1973-），男，北京市人，硕士，北京理工大学计算机科学与技术专业毕业，教授级高级工程师，全国工业过程测量和控制标准化技术委员会工业通信（现场总线）及系统分委会秘书长，长期从事工业自动化标准化工作。 引言 工业过程测量和控制系统广泛应用于石油、化工、电力、煤炭、冶金、纺织、轻工、食品、烟草等各个领域，是工业生产高产、稳定、优质、低耗、安全、环保的重要保障。“走新型工业化道路，以信息化带动工业化，以工业化促进信息化”是中央在全面总结我国工业化历史经验和深刻洞察世界经济与科技发展趋势的基础上，做出的一项重大战略决策。工业过程测量和控制系统是工业化与信息化融合的桥梁和手段。标准体系研究作为国家重要基础研究工作，是一项涉及经济、技术、管理等诸多因素的工作，其目的是为了指导开发、推荐技术、规范市场、保证质量、方便用户使用，为用户建立信心。 1、我国工业自动化仪表发展概况 我国工业自动化仪表产业在70年代形成了上海、西安、重庆、安徽、北京几个基地，并以系统带单表的发展战略带动了许多工程项目的实施。80年代，我国在DCS制造生产方面有了新的突破，开始打破了国外DCS全面占领中国市场的局面。90年代，现场总线技术和实时以太网技术蓬勃发展，国际上流行的现场总线通信协议有FF、PROFIBUS、WORLDFIP、P-NET等40多种，每一种
提高工业视觉测量系统精度的途径 一、引言 工件三维曲面或三维轮廓测量技术广泛应用于工业、科研、国防等领域。汽车车身、飞机机身、轮船船体、汽轮机叶片等加工制造中的在线检测，特别是大型工件的曲面检测一直是生产中的关键技术难题。该类工件在车间条件下一般采用靠模法测量，但可测截面少，测量精度低；在计量室条件下采用三坐标测量机测量虽然精度较高，但数据采集速度慢，测量成本高，且难于实现在线测量。鉴于接触式测量方法的局限性，激光三角法、莫尔投影法、工业视觉测量法等多种非接触测量方法日益受到重视，其应用也渐趋广泛。 工业视觉测量技术（或称数字近场摄影测量技术）是一种立体视觉测量技术[1]，其测量系统结构简单，便于移动，数据采集快速、便捷，操作方便，测量成本较低，且具有在线、实时三维测量的潜力，尤其适合于三维空间点位、尺寸或大型工件轮廓的检测。 二、测量原理 利用CCD摄像机可以获得三维物体的二维图像，即可以实现实际空间坐标系与摄像机平面坐标系之间的透视变换。通过由多个摄像机从不同方向拍摄的两帧（或两帧以上）的二维图像，即可综合测出物体的三维曲面轮廓或三维空间点位、尺寸。 为便于说明，设物空间坐标系为O-XYZ，CCD像面的像平面坐标系为o-xy。 现以双摄像机为例说明系统的透视变换关系。如图1所示，P为任一空间三维物点，设该点的物空间坐标为P（X，Y，Z），其在摄像机Ⅰ和摄像机ⅡCCD像面上的像点坐标分别为P1（x1，y1）和P2（x2，y2）。 图1 物空间坐标系和双摄像机的像平面坐标系 对于摄像机Ⅰ，像点坐标与物点坐标的变换关系为[2] （1） 其中w1为非零参数，a1，a2，…，a11为系统变换矩阵的元素，与摄像机Ⅰ的安放位置及成像系统Ⅰ的参数有关，可通过系统定标来确定。 对于摄像机Ⅱ，像点坐标与物点坐标的变换关系为 （2）
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。