非接觸式測量技術(shù)

1、非接觸式測量技術(shù)學(xué)習(xí)綜述 目錄摘 要11 引言12 非接觸式測量技術(shù)簡介12.1 非接觸式測量方法的定義12.2 非接觸式測量方法的分類23 非接觸測量技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀23.1 光學(xué)法23.1.1 結(jié)構(gòu)光法23.1.2 激光三角法33.1.3 激光測距法43.1.4 光學(xué)干涉法53.1.5 圖像分析法63.2 非光學(xué)法73.2.1 聲學(xué)測量法73.2.2 磁學(xué)測量法83.2.3 X射線掃描法93.2.4 電渦流測量法103.3 非接觸測量技術(shù)存在的不足和總結(jié)114 非接觸式機器人測量系統(tǒng)115 非接觸測量技術(shù)在船體分段測量中的應(yīng)用145.1 非接觸測量技術(shù)在船廠的應(yīng)用情況145.2 船體分段測量

2、方法介紹145.2.1 傳統(tǒng)測量方法系統(tǒng)145.2.2 激光經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)145.2.3 近景攝影測量系統(tǒng)155.2.4 全站儀測量系統(tǒng)175.2.5 三維掃描測量系統(tǒng)185.3 測量方法的比較196 非接觸測量技術(shù)的發(fā)展趨勢217 結(jié)束語21參考文獻22摘 要非接觸測量方法以光電、電磁、超聲波等技術(shù)為基礎(chǔ)，在儀器的感受元件不與被測物體表面接觸的情況下，即可獲取被測物體的各種外表或內(nèi)在的數(shù)據(jù)特征。 詳細闡述了部分常用的光學(xué)法和非光學(xué)法測量技術(shù)及相應(yīng)的測量儀器，并結(jié)合船體分段測量方法說明了這些非接觸測量方法的原理、優(yōu)缺點、精度及適用范圍，指出了未來非接觸測量技術(shù)的發(fā)展趨勢。關(guān)鍵詞：非接觸測量;

3、光學(xué)法; 非光學(xué)法；船體分段1 引言開展船體分段測量技術(shù)研究的意義在于首先它是實現(xiàn)分段無余量對接的保證,可以大大縮短分段吊裝搭接的船臺占用時間,其次采用這項技術(shù)有助于實現(xiàn)船舶建造的信息流閉環(huán),以及生產(chǎn)狀態(tài)下的船體建造的“動態(tài)虛擬裝配”。最后精確、快速、可靠的船體分段測量技術(shù)的突破有助于提升我國造船企業(yè)的國際競爭力1。 建造精度直接影響船舶建造的總周期,建造質(zhì)量也將影響后道工序的質(zhì)量,影響船舶的航運性能。船體建造的精度控制技術(shù)是以船體建造精度標(biāo)準(zhǔn)為基本準(zhǔn)則,通過科學(xué)的管理方法與先進工藝手段,對船體零部件、分段和全船艦裝件進行尺寸精度控制,最大限度的減少船臺船塢修整工作量,并為提高預(yù)舶裝率、降低涂

4、裝破損率創(chuàng)造有利條件。它對保證船體建造質(zhì)量、縮短造船周期、提高生產(chǎn)效率等諸多方面都有不容置疑的作用,是船舶建造技術(shù)的重要組成部分。推進造船精度控制技術(shù)需要更加完善的管理體制與先進的測量手段。因此,對先進測量手段的研究具有重要意義。測量方法包括傳統(tǒng)測量方法和非接觸式測量方法。隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，非接觸式測量技術(shù)逐漸成為研究熱點。2 非接觸式測量技術(shù)簡介2.1 非接觸式測量方法的定義非接觸測量2是以光電、電磁、超聲波等技術(shù)為基礎(chǔ)，在儀器的感受元件不與被測物體表面接觸的情況下，得到物體表面參數(shù)信息的測量方法。2.2 非接觸式測量方法的分類典型的非接觸測量方法可分為光學(xué)法和非光學(xué)法。光學(xué)法包括結(jié)構(gòu)光

5、法、激光三角法、激光測距法、干涉測量法和圖像分析法等；而非光學(xué)法包括聲學(xué)測量法、磁學(xué)測量法、X射線掃描法、電渦流測量法等。3 非接觸測量技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀3.1 光學(xué)法3.1.1 結(jié)構(gòu)光法結(jié)構(gòu)光法作為一種主動式非接觸的三維視覺測量新技術(shù)，在逆向工程質(zhì)量檢測數(shù)字化建模等領(lǐng)域具有無可比擬的優(yōu)勢3，投影結(jié)構(gòu)光法是結(jié)構(gòu)光測量技術(shù)的典型應(yīng)用?；驹? 用投射儀將光柵投影于被測物體表面，光柵條紋經(jīng)過物體表面形狀調(diào)制后會發(fā)生變形，其變形程度取決于物體表面高度及投射器與相機的相對位置，再由接收相機拍攝其變形后的圖像并交與計算機依據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)作進一步處理，從而獲得被測物體的三維圖像。特點：結(jié)構(gòu)光視覺檢測具有大

6、量程非接觸速度快系統(tǒng)柔性好精度適中等優(yōu)點3，但是由于其原理的制約，不利于測量表面結(jié)構(gòu)復(fù)雜的物體（見圖1）。圖1 投影結(jié)構(gòu)光三維測量系統(tǒng)原理圖焊縫的三維測量技術(shù)是當(dāng)今焊接智能化、自動化發(fā)展的重要方向之一，基于結(jié)構(gòu)光視覺焊接機器人已經(jīng)成為焊接智能化和自動化的發(fā)展方向，也是目前應(yīng)用比較多的焊接過程控制方法。將線結(jié)構(gòu)光主動視覺檢測技術(shù)引入焊縫檢測就可以有效推動焊接領(lǐng)域的高速發(fā)展。基于線結(jié)構(gòu)光視覺技術(shù)的焊縫檢測，即利用激光和CCD圖像傳感器拍攝并采集焊縫表面的原始圖像信息，通過數(shù)字圖像處理手段可以獲取焊縫表面的三維信息，并計算其尺寸參數(shù)。該檢測具有直觀性、非接觸性、高效性等優(yōu)點，因而現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于激光焊

7、接的焊縫檢測。但是，由于焊接過程的復(fù)雜性，導(dǎo)致焊縫表面因材質(zhì)反光特性不同，以及復(fù)雜的輪廓結(jié)構(gòu)都會造成激光條紋的粗細不均、灰度變化強烈、噪聲較多等問題，因此選取合適的光學(xué)成像系統(tǒng)和圖像處理算法是整個焊縫三維測量的關(guān)鍵，這將直接影響到后期焊縫計算的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性。圖2 國外線結(jié)構(gòu)光測量產(chǎn)品3.1.2 激光三角法激光三角法是非接觸光學(xué)測量的重要形式，應(yīng)用廣泛，技術(shù)也比較成熟?；驹?由光源發(fā)出的一束激光照射在待測物體平面上，通過反射最后在檢測器上成像。當(dāng)物體表面的位置發(fā)生改變時，其所成的像在檢測器上也發(fā)生相應(yīng)的位移。通過像移和實際位移之間的關(guān)系式，真實的物體位移可以由對像移的檢測和計算得到4。圖3

8、 激光三角法測距系統(tǒng)原理圖特點：該方法結(jié)構(gòu)簡單，測量速度快，精度高，使用靈活，適合測量大尺寸和外形復(fù)雜的物體。但是，對于激光不能照射到的物體表面無法測量，同時激光三角法的測量精度受環(huán)境和被測物體表面特性的影響比較大，還需要大力研究高精度的三角法測量產(chǎn)品。3.1.3 激光測距法激光具有良好的準(zhǔn)直性及非常小的發(fā)散角，使儀器可以進行點對點的測量，適應(yīng)非常狹小和復(fù)雜的測量環(huán)境5?；驹恚杭す鉁y距法利用激光的這些特點，將激光信號從發(fā)射器發(fā)出，照射到物體表面后發(fā)生反射，反射后的激光沿基本相同的路徑傳回給接收裝置，檢測激光信號從發(fā)出到接收所經(jīng)過的時間或相位的變化，就可以計算出激光測距儀到被測物體間的距離。

9、圖4 相位式激光測距原理特點：激光測距主要分為脈沖測距和相位測距兩大類。對于脈沖測距法來說，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，探測距離遠，但是傳統(tǒng)的測距系統(tǒng)采用直接計數(shù)來測量光脈沖往返時間，精度低6。相位測距系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，但是其精度較高，隨著光電技術(shù)的快速發(fā)展，相位激光測距技術(shù)得到不斷優(yōu)化和提升，已能滿足超短距離和超高精度的測量需求。隨著激光測距儀朝著小型化、智能化的方向發(fā)展，由于激光測距技術(shù)特有的優(yōu)點，將在各類距離測量領(lǐng)域有越來越廣闊的應(yīng)用前景。3.1.4 光學(xué)干涉法干涉測量法通過相干光照射到被測表面，之后通過與參考光進行比較測得粗糙度數(shù)值?；驹恚撼Ｓ玫募す飧缮鎯x是以激光為光源的邁克爾遜干涉儀，即由光

10、源射出的一束光由分光鏡分為測量光和參考光，分別射向參考平面和目標(biāo)平面，反射后的兩束光在分光鏡處重疊并相互干涉。當(dāng)目標(biāo)平面移動時，干涉圖樣的明暗條紋會變化相應(yīng)的次數(shù)并由光電計數(shù)器記下其變化次數(shù)，由此可計算出目標(biāo)平面移動的距離。圖5 激光干涉測距技術(shù)原理框圖圖6 分光路干涉顯微鏡光路圖特點：按照光路不同，有分光路和共光路兩種類型。激光干涉測量法的特點是測量精度非常高，測量速度快，但測量范圍受到光波波長的限制，不適于大尺度物體的檢測，也不適合測量凹凸變化大的復(fù)雜曲面6，只能測量微小位移變化。3.1.5 圖像分析法圖像分析法也叫立體視覺，其研究重點是物體的幾何尺寸及物體在空間的位置、姿態(tài)7?；驹恚?/p>

11、立體視覺測量是基于視差原理，視差即某一點在兩副圖像中相應(yīng)點的位置差。通過該點的視差來計算距離，即可求得該點的空間三維坐標(biāo)。一般從一個或多個攝像系統(tǒng)從不同方位和角度拍攝的物體的多幅二維圖像中確定距離信息，形成物體表面形貌的三維圖像，單目、多目視覺。立體視覺測量屬于被動三維測量方法，常常用于對三維目標(biāo)的識別和物體的位置、形態(tài)分析，采用這種方法的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，在機器視覺領(lǐng)域應(yīng)用較廣。立體視覺的基本幾何模型如圖7所示。圖7 立體視覺的基本幾何模型圖特點：雙目立體視覺是由不同位置的兩臺攝像機經(jīng)移動或旋轉(zhuǎn)拍攝同一場景，通過計算空間點在兩幅圖像中的視差，獲得該點的三維坐標(biāo)值8，其測量原理如圖3所示一個完整的

12、立體視覺系統(tǒng)通常包括圖像采集攝像機標(biāo)定特征提取圖像匹配三維信息恢復(fù)后處理6大部分立體視覺法廣泛應(yīng)用于航空測量機器人的視覺系統(tǒng)中，雙目多目以及多幀圖像序列等立體視覺問題已經(jīng)成為國際學(xué)術(shù)研究的重點和熱點。圖8 雙目立體視覺三維測量原理3.2 非光學(xué)法3.2.1 聲學(xué)測量法聲學(xué)測量法主要用于測距，其中超聲波測距技術(shù)應(yīng)用比較廣泛。為了以超聲波為檢測手段，必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波9。要求使用高頻聲學(xué)換能器10，來進行超聲波的發(fā)射和接受。超聲波的指向性很強，在固體介質(zhì)中傳播時能量損失小，傳播距離遠，因此常用于測量距離?；驹恚撼暡y距的原理是在已知超聲波在某介質(zhì)中的傳播速度的情況下，當(dāng)超聲波脈沖通過

13、介質(zhì)到達被測面時，會反射回波，通過測量儀器測量發(fā)射超聲波與接收到回波之間的時間間隔，即可計算出儀器到被測面的距離。特點：利用超聲波檢測速度快，靈敏度高，儀器體積小，精度也能達到大部分工業(yè)應(yīng)用的要求。傳統(tǒng)的聲學(xué)儀器大部分為模擬信號儀器，精度不高，穩(wěn)定性和可靠性不盡人意。數(shù)字化聲學(xué)測量技術(shù)卻可以彌補這些缺點，而且具有容易升級更新、可獲得很高的性能指標(biāo)、存儲數(shù)據(jù)方便等優(yōu)點，逐步被人使用。圖9 聲學(xué)信號分析工作站的組成框圖3.2.2 磁學(xué)測量法磁學(xué)測量法是通過測試物體所在特定空間內(nèi)的磁場分布情況，來完成對物體外部或者內(nèi)部參數(shù)的測量。核磁共振成像技術(shù)是磁學(xué)測量法的代表技術(shù)?；驹?利用核磁共振原理，在

14、主磁場附加梯度磁場，用特定的電磁波照射放入磁場的被測物體，使物體內(nèi)特定的原子核磁發(fā)生核磁共振現(xiàn)象從而釋放出射頻信號，將這些信號經(jīng)過計算機處理后，就能得知組成該物體的原子核的種類和在物體內(nèi)的位置，從而構(gòu)建出該物體的內(nèi)部立體圖像。特點：成為研究高分子鏈結(jié)構(gòu)的最主要手段10，相比其他傳統(tǒng)檢測方法，核磁共振法能夠保持樣品的完整性11。同時在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域廣泛采用，用于提取人體內(nèi)部器官的三維輪廓，為醫(yī)生制定醫(yī)療方案提供有力證據(jù)。但核磁共振技術(shù)精度依然不及高精度的機械測量技術(shù)，而且測量速度較慢，對被測物體也有材質(zhì)、體積方面的要求。3.2.3 X射線掃描法X射線是19世紀(jì)末20世紀(jì)初物理學(xué)的三大發(fā)現(xiàn)之一，標(biāo)志著現(xiàn)

15、代物理學(xué)的產(chǎn)生。工業(yè)CT，即工業(yè)計算機斷層掃描成像，主要用于工業(yè)構(gòu)件的無損檢測12，基于射線掃描技術(shù)?；驹?用X射線束在一端沿一定方式照射被測物體，高靈敏度的檢測器在另一端接收透過被測物體的X射線，將所得信號交由計算機進行處理后，重構(gòu)出被測物體的三維圖像或者斷層圖像。圖10 X射線掃描相機動態(tài)范圍標(biāo)定裝置圖11 X射線掃描相機強度標(biāo)定裝置圖特點：工業(yè)CT系統(tǒng)的檢查對象是大型高密度物體13，不需要精密的固定設(shè)備和其他前期處理措施，不受被測物體表面復(fù)雜程度的限制，就能夠無損地測量物體內(nèi)外表面;缺點是成本高，獲取數(shù)據(jù)的時間較長，X 射線對人體有一定的危害，同時工業(yè)CT 的分辨率與被測工件的外形有

16、關(guān)，對不同的工件分辨率也不盡相同。高靈敏度的檢測器和用于提高射線功率的直線加速器是工業(yè) CT 的發(fā)展重點。3.2.4 電渦流測量法根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)原理，塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場中或在磁場中作切割磁力線運動時，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生呈渦旋狀的感應(yīng)電流，此電流叫電渦流，以上現(xiàn)象稱為電渦流效應(yīng)。電渦流傳感器是基于電渦流效應(yīng)工作的一種傳感器，具有可靠性高、靈敏度高、響應(yīng)速度快等特點14?；驹恚簜鞲衅骶€圈通入交變電流產(chǎn)生磁場使金屬導(dǎo)體產(chǎn)生感應(yīng)電流，感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁場會削弱線圈產(chǎn)生的磁場，影響線圈的電感量，金屬導(dǎo)體與線圈距離的變化引起感應(yīng)電流的變化，相應(yīng)改變傳線圈的電感量，通過測量該電感量的變化值，即可測出

17、線圈與導(dǎo)體的距離。圖12 電纜偏心測量裝置的原理框圖特點：電渦流傳感器體積小，連續(xù)工作可靠性高，能對位移、速度、應(yīng)力、厚度、表面溫度、材料損傷等進行非接觸測量，特別是在高速運動機械的狀態(tài)分析中應(yīng)用較廣。其中具有代表性的是電渦流測速傳感器和電渦流厚度傳感器。電渦流測量技術(shù)的缺點是被測物體必須是一定厚度的金屬導(dǎo)體且表面光滑，傳感器線圈周圍不允許有其他金屬端面。溫嘉斌等15利用電纜偏心與物理場數(shù)值模擬結(jié)合電路瞬態(tài)仿真和相似理論，解決電渦流傳感器設(shè)計中許多用等效電路概念不能解決的問題。3.3 非接觸測量技術(shù)存在的不足和總結(jié)激光三角法測距技術(shù)比較適合用于較短位移的測量,主要應(yīng)用于機器人視覺系統(tǒng)和汽車倒車

18、系統(tǒng),對于躲避障礙有比較好的效果。激光脈沖測距技術(shù)適合用于較遠距離的測量；激光相位法測距技術(shù)適合用于中遠距離的測量；激光干涉測距技術(shù)適合用于微小位移變化的測量；而激光三角法測距技術(shù)適合于較短距離的精密測量,特別是當(dāng)激光光斑照射到粗糖的物體表面時,激光三角法測距技術(shù)就是一種非常行之有效的技術(shù)。非光學(xué)測量方法具有更新快，數(shù)據(jù)以存儲等眾多優(yōu)點，然而對工件和環(huán)境要求較光學(xué)測量方法高，成本也較高2。經(jīng)過幾十年來的發(fā)展，非接觸測量技術(shù)得到了長足的提高，但除了有不與測量物體接觸這一突出優(yōu)點外，也有各種各樣的不足。(1) 較接觸測量儀關(guān)節(jié)臂、三坐標(biāo)機等，精度不算高非接觸測量技術(shù)由于量儀的感應(yīng)元件不與被測物體相

19、接觸，中間的間隔介質(zhì)和距離大大影響了測量精度，大多數(shù)情況下測量精度均低于接觸測量技術(shù)。(2) 價格較高非接觸測量技術(shù)大量使用高精密的光學(xué)電子元器件，價格相對接觸式測量產(chǎn)品來說高出太多，不利于非接觸測量技術(shù)的普及。(3) 部分非接觸測量方法對工件和環(huán)境有特殊要求非接觸測量方法因其特殊性，對工件和環(huán)境也有一些特殊要求。如核磁共振儀不能測量磁金屬物體，超聲波測量技術(shù)對于環(huán)境溫度比較敏感，而基于光學(xué)測量技術(shù)的量儀不能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。4 非接觸式機器人測量系統(tǒng)隨著科學(xué)技術(shù)和現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展,工件的制造精度越來越高,因此對測量設(shè)備的精度和功能的要求也越來越高,而且新型專用的測量設(shè)備的需求也日益增多。傳

20、統(tǒng)的測量機,大都基于一種幾何坐標(biāo)系,如笛卡兒坐標(biāo)系,柱坐標(biāo)系等。這些測量機,機械結(jié)構(gòu)比較直觀,控制算法簡單,測量精度高,系統(tǒng)的誤差模型經(jīng)多年的研究已完善。但在有些特殊場合,這些測量機不能適應(yīng)。而非正交坐標(biāo)測量系統(tǒng)由于其所具有高的靈活性已經(jīng)成為坐標(biāo)測量機的發(fā)展趨勢。經(jīng)大量的調(diào)查研究,方案比較,參數(shù)的計算與優(yōu)化,計算機仿真。充分考慮精度,效率,可靠性,操作性,空間的兼容性等,在基于直角坐標(biāo)系與原柱坐標(biāo)系的固定橋式,關(guān)節(jié)機器人測量機等多種方案的基礎(chǔ)上,為在有限的空間實現(xiàn)半球自動非接觸測量,將機器人測量機與激光非接觸測量傳感器技術(shù)相結(jié)合,研制了一種新型的非接觸式測量機器人16。圖 13 測量機器人機械

21、結(jié)構(gòu)西安交通大學(xué)邵偉16等研制了一種新型的非接觸式測量機器人系統(tǒng),該測量系統(tǒng)以串聯(lián)機器手作為測量主體,可以對球殼類、回轉(zhuǎn)類部件的幾何尺寸、表面缺陷進行非接觸式、高精度測量。為了提高機器人旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)角位移的測量分辨率,將對角位移的測量轉(zhuǎn)換成弧長的測量。在此基礎(chǔ)上,對機器人運動學(xué)參數(shù)的誤差對機器人末端執(zhí)行器位置精度的影響進行了詳盡分析,這對提高測量機器人的精度有很大的指導(dǎo)意義。非接觸浮體六自由度測量系統(tǒng)在大連理工大學(xué)海動實驗室得到了應(yīng)用17。在應(yīng)用過程中首先將發(fā)光標(biāo)志點放置在所測模型上，然后使用造波機在大水池里產(chǎn)生各種模擬波浪，如規(guī)則波、橢余波、不規(guī)則波、破碎波、孤立波及聚焦波，作用于船模，通過本測

22、量系統(tǒng)分析各種模擬波浪對船模六自由度的影響。圖6為一次實測數(shù)據(jù)顯示，其中圖6(a)為模型在運動過程中的角度變化，圖6(b)為模型在運動過程中的位移變化。實驗過程中首先用彈性繩索拉伸模型記錄初始位姿，然后下按約23cm(下沉)，隨后做六自由度運動。實驗結(jié)果經(jīng)實際比對，與觀測數(shù)據(jù)相符，且變化規(guī)律明顯。圖14 實物圖圖15 實際測量數(shù)據(jù)顯示利用圖像處理和立體視覺技術(shù)對水池模型試驗海洋平臺的運動進行非接觸式測量，實時地得到了平臺六自由度的運動軌跡，且對浮體的移動沒有任何影響，精度相對較高，測量結(jié)果令人滿意。這為海洋工程領(lǐng)域的模型試驗測量引入了新的技術(shù)手段，也為海洋平臺穩(wěn)定性的研究提供了準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)。

23、5 非接觸測量技術(shù)在船體分段測量中的應(yīng)用5.1 非接觸測量技術(shù)在船廠的應(yīng)用情況目前中國造船業(yè)主要應(yīng)用激光經(jīng)緯儀,全站儀已經(jīng)開始使用,但是還處于擴大應(yīng)用的階段。船廠造船業(yè)的測量技術(shù)根據(jù)采用儀器不同大致分為以下五個階段傳統(tǒng)測量、基于激光經(jīng)緯儀的測量、基于近景攝影的測量、基于全站儀的測量、基于三維掃描儀的測量。目前,國外很多船廠己經(jīng)開始采用三維掃描技術(shù)用于船體測量,而我國造船業(yè)基于全站儀的測量尚未完全普及1。前三種測量方式用于船體測量,在某種層面上是有較大缺陷的。目前,雖然國內(nèi)部分船廠已經(jīng)采用全站儀作為測量儀器,但是全站儀測量中主要還是應(yīng)用全站儀自帶的測量軟件,屬于通用軟件,導(dǎo)致全站儀的許多功能沒有

24、開發(fā)出來。由于沒有專用軟件進行坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換,測量時需要將分段調(diào)平。此外,全站儀屬于單點測量,測量之前需要在關(guān)鍵點上貼靶標(biāo),這在一定程度上也影響了測量速度。船廠推進造船精度管理需要更加完善的管理體制與先進的測量手段,需要堅定不移的讓先進的測量方式在船舶制造業(yè)中應(yīng)用起來。因此,開發(fā)建立一套用于船體測量的精確、快速的測量系統(tǒng),對中國造船業(yè)有著及其重要的作用。5.2 船體分段測量方法介紹5.2.1 傳統(tǒng)測量方法系統(tǒng)傳統(tǒng)測量方法18是船舶工業(yè)早期應(yīng)用的主要和大量的方法。傳統(tǒng)測量方法中,常用量儀主要有鋼卷尺、吊線錘、水平軟管、光學(xué)水平儀、經(jīng)緯儀等。有些場合需要先確定測量基準(zhǔn),如用線錘、經(jīng)緯儀、光學(xué)水平儀來

25、構(gòu)造光學(xué)基準(zhǔn)直線或光學(xué)基準(zhǔn)平面,再用鋼卷尺連續(xù)測量。另外,采用樣板、樣棒、樣箱作為相對基準(zhǔn)進行比較測量也是常用方法。5.2.2 激光經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)1、系統(tǒng)構(gòu)成激光經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)由經(jīng)緯儀、激光管、激光啟動電源及其附件米準(zhǔn)直波帶片和可調(diào)兩向支座四部分組成,如圖所示。經(jīng)緯儀應(yīng)用光的直線傳播特性,通過一定的光學(xué)機械裝置獲得所需直線或角度或點在空間的位置。因此,在船體測量中,經(jīng)緯儀完全可以代替線錘、水平管等測量工具的作用。圖16 激光經(jīng)緯儀的系統(tǒng)組成2、垂直斷面測繪圖17 采用激光經(jīng)緯儀劃分段垂直斷面線（1） 確定分段的中心線為OO1，由此確定分段尺寸AB；（2） 過A（B）點分別作OO1的垂線C1C2

26、、D1D2；（3） 將激光經(jīng)緯儀放置于直線C1C2（D1D2）上對中整平，發(fā)射激光束與C1C2（D1D2）上任意一點重合；（4） 回轉(zhuǎn)望遠鏡，向分段余量上發(fā)射激光束得到一條線,即為所需一舷的垂直斷面線；（5） 將儀器移到另一舷重復(fù)以上步驟，即得另一舷的垂直斷面線。5.2.3 近景攝影測量系統(tǒng)近景攝影測量又叫非地形攝影測量是通過攝影手段確定目標(biāo)地形以外的外形和運動狀態(tài)的學(xué)科。它是攝影測量與遙感學(xué)科的一個分支。也有人認為,攝影距離大約小于米的攝影測量應(yīng)稱之為近景攝影測量。近景攝影測量經(jīng)歷了模擬攝影測量、解析攝影測量,進入全數(shù)字近景攝影測量時代。1、測量原理近景攝影測量,是通過在不同位置和方向獲取同

27、一物體兩幅以上的數(shù)字圖像,經(jīng)捆綁調(diào)整、計算機圖像匹配等處理及相關(guān)數(shù)學(xué)計算后得到待測點精確的三維坐標(biāo)值。測量原理為三角形交會法。圖18 攝影測量原理2、系統(tǒng)組成系統(tǒng)一般分為單臺相機的脫機測量系統(tǒng)和多臺相機的聯(lián)機測量系統(tǒng),系統(tǒng)組成如圖圖19 測量系統(tǒng)組成單臺相機脫機測量系統(tǒng)的測量精度較高,攜帶方便。多臺相機聯(lián)機測量系統(tǒng),主要用于在不穩(wěn)定的測量條件下提供實時測量。攝影測量影響其測量精度的主要因素有相機拍攝相片的質(zhì)量、圖像處理得到點的坐標(biāo)算法的優(yōu)劣、點的空間分布位置和標(biāo)志點輔助控制點的分布19。3、測量流程描述（1）在分段或者結(jié)構(gòu)上布置一定數(shù)量的標(biāo)志點；（2）利用攝像機獲取目標(biāo)物體的多張圖像；（3）通

28、過姿態(tài)估計優(yōu)化算法確定標(biāo)志點的空間坐標(biāo)；（4）根據(jù)圖像匹配算法確定被測點的空間三維坐標(biāo)。5.2.4 全站儀測量系統(tǒng)全站儀由電子測角系統(tǒng)、電子測距系統(tǒng)和控制系統(tǒng)三大部分組成。全站儀測量系統(tǒng)的基木理念是從設(shè)計軟件系統(tǒng)、中導(dǎo)出分段的理論模型,利用三維測量系統(tǒng)軟件將建模數(shù)據(jù)導(dǎo)入到三維分析程序中生成相應(yīng)的分段關(guān)鍵點,關(guān)鍵點就是分段的理論數(shù)據(jù),現(xiàn)場實際測量操作獲取的實際測量數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)相對比的過程即為三維測量。1、坐標(biāo)測量原理全站儀測量系統(tǒng)采用空間極球坐標(biāo)測量原理。電子測角系統(tǒng)獲取目標(biāo)點的水平角和天頂角,電子測量系統(tǒng)獲取目標(biāo)點到坐標(biāo)原點的斜距,由此計算目標(biāo)點的三維坐標(biāo)。測量原理如圖所示。圖20 全站儀測

29、量原理2、系統(tǒng)組成（1）全站儀,標(biāo)靶,標(biāo)準(zhǔn)尺,通訊供電控制接口,聯(lián)機電纜等；（2）用于生產(chǎn)現(xiàn)場的三維測量程序。將它與現(xiàn)場所使用的測定儀器全站儀連接,由全站儀測得的分段的測量數(shù)據(jù)與設(shè)計數(shù)據(jù)對比,同時軟件還提供了分段測定、分析、附加計算等功能,以便對實物分段的變形進行分析。（3）一個機上的基于三維的分段變形分析程序,用來呈現(xiàn)結(jié)果圖和數(shù)值?？梢詫Ρ仍O(shè)計資料,對實物分段的變形進行分析。5.2.5 三維掃描測量系統(tǒng)三維掃描技術(shù)20（3D LaserScanning Technology）是集光、機、電與計算機技術(shù)于一體的全自動高精度立體掃描技術(shù),主要用于對物體外形與結(jié)構(gòu)進行掃描以獲得物體表面的空間三維坐

30、標(biāo),又稱之為“實景復(fù)制技術(shù)”。它是從傳統(tǒng)的測繪計量技術(shù)并經(jīng)過精密傳感工藝整合以及多種現(xiàn)代高科技手段集成而發(fā)展起來的,是對多種傳統(tǒng)測繪技術(shù)的概括及一體化。1、坐標(biāo)測量原理21三維激光掃描測量一般使用儀器內(nèi)部坐標(biāo)系統(tǒng)以激光發(fā)射點為坐標(biāo)原點,軸在橫向掃描面內(nèi),軸在橫向掃描面內(nèi)與軸垂直,軸與橫向掃描面垂直,如圖所示。圖21 采用脈沖測距法的點坐標(biāo)2、系統(tǒng)組成由三維掃描儀、信息后處理軟件、電源及便攜三腳架、線纜、定標(biāo)球及標(biāo)尺等附屬設(shè)備組成。該系統(tǒng)采用非接觸式高速激光測量方式,獲取地形或者復(fù)雜物體的幾何圖形數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù),然后由后處理軟件對采集到的點云數(shù)據(jù)和影像數(shù)據(jù)處理,最終轉(zhuǎn)換為絕對坐標(biāo)系中的空間位置坐

31、標(biāo)或模型。圖22 掃描儀的分類3、在船廠的應(yīng)用前景三維掃描儀在船廠將會有很大的應(yīng)用前景。例如,用它將帶有余量的分段攝像出來轉(zhuǎn)化為二維圖或者三維圖,在分段未上船臺之前進行余量修正。利用三維掃描儀對各種板材、結(jié)構(gòu)件和分段的尺寸與精度進行管理,形成三維模型數(shù)據(jù)庫。采用三維激光掃描系統(tǒng),使得船體裝配成為簡單的要素作業(yè),大大降低了工人的熟練化程度。造船各分段內(nèi)部管道林立,在拼裝焊接時保證其準(zhǔn)確性非常重要。在上船臺前,測量好對接部分各管道的位置精度,在分段上船臺之前設(shè)計出連接彎管的結(jié)構(gòu),可以為相應(yīng)分段提前加工彎管。由于環(huán)境溫度的變化如船體曝曬在日光下,工件的尺寸會產(chǎn)生較大的變化,給裝配焊接過程中的精度控制

32、帶來不便?？赏ㄟ^掃描儀采集不同溫度下的整船的膨脹系數(shù)數(shù)據(jù)庫,建立分段的膨脹系數(shù)檔案,從而設(shè)計合理的裝配方案。將各個分段的三維模型自動拼接,形成整船的三維模型。分析船舶制造總體精度,對于全船的光順性等內(nèi)容給予直觀的評價。通過以上手段,均有利于大大減少工作量,縮短船臺周期,降低建造成本。5.3 測量方法的比較測量方法的優(yōu)劣是通過各種測量方法的大量總結(jié)得到的。為了便于比較,下而從安全性、精確性、快速性、經(jīng)濟性四個方面分析它們在船體測量上的優(yōu)缺點,借此找到一種最佳測量方法。表1 五種測量方法的對比性能參數(shù)測量方式安全性精確性快速性經(jīng)濟性傳統(tǒng)方法對分段進行測量采用拉尺、吊佗的方法，需要登高作業(yè)，存在安全

33、隱患受人為因素影響較大；對分段測量精度低效率非常低,而且受天氣的影響比較大主要依靠仁作人員完成測量作,測量費川最低激光經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)非接觸式測量，減小安全隱患具有經(jīng)緯儀的全部測量功能；受天氣冷熱變化引起激光束產(chǎn)生微動現(xiàn)象；露天情況下，激光束的散失較重屬于單點逐點測量，總體看測點速度較慢。費用較高高近景攝影測量系統(tǒng)測量船體分斷時，難免喪失部分幾何信息；攝像機視場范圍有限，畸變更大、更難校正22全站儀測量系統(tǒng)坐標(biāo)測量精度高，范圍大費用高三維掃描測量系統(tǒng)單點坐標(biāo)測量原理與全站儀相同；激光接受不充分使得單點精度較低,但經(jīng)特定的擬合算法處理,模型可以達到很高的精度數(shù)據(jù)采集速度快,能夠在短時間內(nèi)獲取大量的

34、數(shù)據(jù)用于曲面擬合和三維建模,并和理論模型輪廓度比對進行誤差分析費用最高為了更直觀的上述測量方法的優(yōu)劣,設(shè)定優(yōu)（4分）、良（3分）、中（2分）、及格（1分）四個評分等級，具體分析如表所示：表2 各種測量方法比較性能參數(shù)測量方式安全性精確性快速性經(jīng)濟性合計傳統(tǒng)方法11147激光經(jīng)緯儀測量系統(tǒng)422311近景攝影測量系統(tǒng)422311全站儀測量系統(tǒng)442212三維掃描測量系統(tǒng)444113顯然，三維掃描測量系統(tǒng)在船體分段的測量上為最佳測量方式。6 非接觸測量技術(shù)的發(fā)展趨勢通過對國內(nèi)外各種非接觸測量技術(shù)和產(chǎn)品的分析，非接觸測量技術(shù)發(fā)展趨勢主要有以下幾點。1、高度集成化非接觸測量技術(shù)原理成熟，但是現(xiàn)階段的測

35、量產(chǎn)品功能大多單一，不能夠?qū)崿F(xiàn)一機多用 以后的非接觸測量儀器將會實現(xiàn)高度集成化以立體視覺相機為例，集成非接觸溫度測量位移測量振動測量等將會大大提高產(chǎn)品的適用性，有利于降低企業(yè)購置量儀的成本，加快非接觸測量技術(shù)的推廣應(yīng)用。2、高精度高準(zhǔn)確性現(xiàn)階段的非接觸測量技術(shù)產(chǎn)品的測量精度依然不及接觸測量技術(shù)，還需要大力發(fā)展高精度的光學(xué)元件電子元件和優(yōu)良的分析處理軟件來提高儀器的測量精度，在適當(dāng)考慮成本的情況下，最終能夠?qū)崿F(xiàn)全面超越接觸測量技術(shù)產(chǎn)品。3、對工作環(huán)境的要求降低非接觸測量技術(shù)大部分依賴于光學(xué)元件，惡劣環(huán)境對于光學(xué)元件的工作精度和準(zhǔn)確性有較大的影響，在惡劣的工作環(huán)境下，光學(xué)測量儀器甚至不能夠正常工作，這是亟待解決的技術(shù)難題，也是非接觸測量技術(shù)的一個發(fā)展方向。4、高度智能化隨著工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，要求測量儀器對于所測物體進行高度智能化的分析，這就要求非接觸測量技術(shù)朝著智能化的方向發(fā)展，如非接觸測量儀器能夠智能化地分析被測物體從而自動選擇最優(yōu)化的測量方法。7 結(jié)束語非接觸測量技術(shù)在造船業(yè)中有著越來越廣泛的應(yīng)用。由于接觸式測量所需測量時間長，對超大尺寸或者超小尺寸、表面輪廓復(fù)雜的物體難以測量或者測量周期長,同時隨著光學(xué)技術(shù)和電子電路技術(shù)的發(fā)展，非接觸測量的精度越來越高，某些情況下精度甚至超過接觸式測量，因此非接觸式測量將在未來成為工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的主要