工业测量中各种三维测量仪简介
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于成浩 柯明
（中科院上海应用物理研究所，上海 201800）
EMAIL：yuchenghao@https://www.360docs.net/doc/4619159084.html,
[摘要] 本文介绍工业测量中常用的各种三维测量仪器，希望能为广大精密测量工作者
在选择仪器时提供参考，着重讲述激光跟踪仪的测量原理、精度及利用激光跟踪仪进
行三维控制网测量的若干问题。
[关键词] 工业测量；激光跟踪仪；三维控制网；精度
1简介
三维指的是在空间笛卡儿坐标系中的X、Y、Z三个方向的坐标分量，或者其它坐标系中的等效形式。三维测量技术是指利用测量仪器获取空间三维坐标的方法。随着现代测量仪器的发展，三维测量技术开始广泛应用，特别是在工业测量领域。
工业测量是指在制造工业和机器安装工业中，对部件和产品的形体进行精密的三维坐标测量[1]。其面临的测量对象多变，有的尺寸很小，有的形体较大或结构特别复杂。不同的仪器精度、量程很不一样，适用于不同的测量范围，测量工作者应根据任务的性质，选择合适的仪器。
本文拟就这些仪器的情况进行讨论，供各个行业中的测量工作者参考。特别介绍了激光跟踪仪及其进行三维控制网测量的情况，在测量通视性不能保证时，三维测量控制网测量技术非常有用。
2各种三维测量系统
在工业测量过程中，若要精确定位一个部件，需确定其六个自由度。通常在该部件上选取三个基准点，根据几何知识可知，这三个点可以代表该部件的位置、定向，从而保证六个自由度都被确定。这样，确定部件位置就转化为确定物体上三点空间位置的工作，即相对于某个特定空间坐标系的三维坐标。有时还需要拟合计算一些线、面、体等几何要素，这迫切需要三维测量仪器及配套软件。
在三维测量仪器出现以前，需要用经纬仪或工具经纬仪配合测距仪或铟瓦尺来确
定平面位置，用水准仪来确定高程位置。安装测量过程中，要依次进行观测或很多观测人员同时测量，平面位置、高程位置的相互影响导致多次重复测量，效率低下。
随着光、电、机械、控制、自动化等技术的突破，出现了很多三维测量仪器，配合测量软件，构成强大的测量系统，使得测量过程向着高精度、自动化的方向发展。
根据原始观测值的不同，能够实现三维测量的系统大致分为以下几类（见图1）： z经纬仪交会系统，多台精密经纬仪利用空间前方交会原理进行测量，
经纬仪之间的相互位置关系通过
互瞄或光束法平差来完成，系统的
绝对尺度通过基准尺确定。完成系
统定向之后就可以对目标进行观
测，经计算获得三维坐标。整个系
统在十几米范围内可以达到±
0.05mm的精度。其主要缺点是需要
人工瞄准，系统定向比较麻烦，速
度慢，效率低。
z全站仪极坐标系统，利用水平、垂直两个码盘及测距仪同时获得水
平角、垂直角、斜距，建立以测站
为中心的极坐标系。由于全站仪测
距精度较低（目前最高精度
0.3mm±1ppm），影响了系统的精度，
通常适用于精度要求不太高的场
合。本系统的效率要比经纬仪交会
系统高，因此，利用具有自动目标
图1 几种常见三维测量系统原理图
识别、马达驱动的全站仪来组成系
统，可以替代交会系统完成很多精
密测量工程。
z激光跟踪仪系统（Laser Tracker），它可以称之为更精密、自动化程度
更高的全站仪，详见后面介绍。 z近景摄影测量系统，利用数字近景摄影测量原理，通过对拍摄的图像
进行处理来获得精确的三维坐标。
已形成较成熟系统的公司包括
Leica（瑞士）及Metronor（挪威）
等。此外，利用多个CCD（10～20
个）组成系统，可以实现快速检测，
在汽车检测流水线应用较多。该系
统测量精度类似于经纬仪交会系
统，其测量速度更快，适合于动态、
快速测量，可以在有毒、有害环境
下操作，这是上述几个测量系统无
法比拟的。
z三维激光扫描系统（Laser Scanner），仪器的旋转中心发出的
光束，遇到物体即反射回来，可实
现距离测量，再通过编码度盘实现
角度测量，可获得任意点的三维坐
标，点坐标还可具有色彩属性，从
而得到彩色图像。其测量精度在几
个mm，特别适合于建筑、工程维护、
体积量测、犯罪现场鉴证、历史遗
迹记录等。应用较多的系统有：
Leica的HDS系列、Faro的LS。 z激光雷达系统，Leica的LR200融合雷达、激光及三维计算机技术，可
以实现快速、无接触的测量，从而
获取三维坐标，非常适合于表面检
测及逆向工程等[2]。
z测量臂系统，Faro公司的柔性测量臂精度高，其铂金1.2m型测量精度
可达0.018mm，但是测量范围较小，
在汽车、模具检测等行业应用非常
多[3]。
z局域GPS系统，由Arcsecond公司制造，接收器接受发射器发出的三种
光信号，并把它们转换成水平角和
垂直角，就像一台经纬仪。多个发
射器构成交会系统，经过系统定向
即可进行测量。该系统在近距离内
精度不如激光跟踪仪，在十几米时
精度要比激光跟踪仪高[4]。
在这些仪器中，激光跟踪仪无论从测量范围、测量精度，还是测量速度上都有较强的吸引力，得到了广泛的应用，下面就激光跟踪仪测量的若干问题进行深入讨论。
3激光跟踪仪
激光跟踪仪经过十几年的发展，主要形成了LTD（LT）、Faro、API 三种型号，分别由三个公司研制，其功能比较接近，各有千秋(图2)。其价格大约在15万～25万美元，它能够不受价格影响，在众多三维系统中脱颖而出，广泛应用，主要有以下几个原因：
z 速度快，其效率是经纬仪交会系统
的几倍，新的仪器每秒采样可达万次。 z 精度高，典型的仪器测量精度指标
为0.02mm ±1.1μm/m。
z 动态跟踪，可以实时跟踪测量，方
便动态、轨迹测量。
z 测量范围大。可测量半径不小于
35m 空间范围内的物体。
3.1 测量原理
激光跟踪仪的测量原理类似于全站仪，也是极坐标法，其跟踪头设计有水平度盘及垂直度盘，用于测量水平角及垂直角。斜距通过双频激光干涉来进行测量。在跟踪头中
有一个位置敏感探测器（PSD），可以测出激光束的位置变化量，通过软件精确计算并反馈给伺服马达控制跟踪头的转动，从而实现跟踪测量。双频激光干涉测量只能得到相对距离，要得到绝对距离，必须有一个基准位置，称之为基点（Home Point）。此外，只有通过反射球才能实现反射、跟踪，有猫眼（Cat Eye）、角偶棱镜（Corner Cube）、工具球（TBR）等各种类型，其测距常数及球半径各不相同，可结合工程实际情况，灵活
选择。
LTD500 Faro API
图2常见的几种激光跟踪仪
3.2 测量精度
和全站仪相比，激光跟踪仪的距离测量精度非常高，测距分辨率为微米级，因而可以实现点位精度的大幅度提高。假定以仪器为中心，对一点进行观测，激光跟踪仪的不确定度近似为一个圆（图2右边），而全站仪的不确定度近似为一个很扁的椭圆（图2左边），这是由于其边长、角度测量值精度不匹配造成的。
激光跟踪仪的精度是通过自校准保证的。现代测量仪器的设计强调的是稳定性，而不是轴系关系绝对的零误差。激光跟踪仪把所有重要的系统误差源（如度盘偏心、镜
图3 跟踪仪和全站仪点位误差示意图
校准的原理非常简单，度盘在盘左和盘右应该差180°，绕一点沿固定半径转动的反射球轨迹应该是一个圆。根据这些严密的几何关系，通过误差方程解算，可以求得各个系统参数。经过校准，呈现给用户的将是一个非常“精确”的仪器。自校准过程直接影响仪器测量的精度，因此应参考仪器操作手册，严格遵循校准周期定期校准。同时应经常检查仪器的状态，保证测量性能良好。
由于激光受环境影响较大，激光跟踪仪和目标之间距离不能过长，一般应小于15m。在上述范围内，激光跟踪仪可以单站完成测量，得到观测目标在仪器坐标系下的坐标及其精度。利用其功能强大的软件可以将仪器坐标系转换到物方坐标系，还可以进行各种拟合、计算、图形显示等。 3.3 三维控制网测量
在大型精密工程实践中，测量控制网通常按平面和高程分别布设，利用0.5″级的
角度测量仪器、亚毫米级的距离测量仪器可以建立起精密的平面控制网，获得精确的平面二维坐标；利用精密水准仪可以建立精密的水准网，获得高程方向精确的一维坐标。网点的三维坐标由平面、高程坐标共同组成。这种获取三维坐标的控制网测量方法完成了无数的测量任务，至今还广泛应用。但是，其最大的缺点是效率低，不同类型的仪器、不同的观测方法、规程，不同的计算方
法要求测量人员必须非常专业。此外，重复、枯燥的整平、对中、数据改正等步骤使得粗差的几率大大增加。
而激光跟踪仪三维控制网测量能以0.1～0.5mm的相对点位精度和无与伦比的效率提供三维坐标。当工件较大或进行组装时，因视线受阻需要进行激光跟踪仪转站测量，转站后新旧站之间要建立相互位置关系，需要进行定向、平差，一般采用光束法原理，即将观测值及仪器姿态、位置等参数都作为未知参数进行平差。根据光束法平差理论，定向控制网点应该空间分布，相邻站
之间至少有3个以上的重合点[5]
，其测量方式见图4。通过平差，新、旧网点就统一到同一个坐标系了，即可得到仪器及所有网点的三维坐标。
激光跟踪仪利用三维控制网测量原理可实现测量范围的较大扩展。一些大的加速器实验室利用激光跟踪仪转站建立周长几百米的三维控制网，完成加速器元件0.1mm
左右的相对安装定位。
图4激光跟踪仪三维控制网示意图
4 结语
本文简单介绍了各种三维测量系统，特别研究了激光跟踪仪的测量原理、测量精度及三维控制网测量的部分理论。
在工业测量领域，三维测量技术的发展将是一个必然的趋势。一些激光跟踪仪结合其它附件开始向着六维的方向发展，为工业测量提供了更好的技术手段。但是，目前为
参考文献
[1]李广云．工业测量系统进展 [C]．解放军出版社，1999：40-42．
[2]https://www.360docs.net/doc/4619159084.html,.2005.12
[3]https://www.360docs.net/doc/4619159084.html,．2005.12
[4]https://www.360docs.net/doc/4619159084.html,.2005.12
[5]Axyz Mathematics for users[CD] ． Switzerland： Leica Geosystems AG，
2002：
The Introduction of 3D Measurement Instruments in Industrial
Measurement
YU Cheng-Hao KE Ming ZHAO Zhen-Tang
(Shanghai Institute of Applied Physics, the Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800)
Abstract This paper introduces several 3D measurement instruments in industrial measurement with the hope of providing a reference to the mass precise engineering surveyors in selecting instrument. The emphasis is the principle
and accuracy of laser tracker, and some operation attentions about its 3D control network measurement.
Key words Industrial Measurement; Laser Tracker; 3D control network; Accuracy
作者简介：于成浩（1977－），男，河南新野人，工程师，在职博士生，目前承担国家重大科学工程上海光
源准直测量系统设计、实施任务。