工业精密测量

工业精密测量（精选八篇）

工业精密测量 篇1

由于设备基础不均匀沉降, 使得设备空间位置发生偏离, 引起带钢跑偏、褶皱现象, 严重影响产品质量, 甚至造成停机。经分析判断, 设备位置偏移使酸洗机组辊系水平度、垂直度超出了规范。为掌握现场设备的实际状态, 应用自行研究开发的辊系检测技术进行检测, 获得酸洗机组辊系三维空间位置状态数据, 然后对数据进行综合分析、判别, 提出轴辊调整方案和调整量, 使辊系三维空间状态满足生产工艺要求。

二、现场状况和现象

酸洗机组生产线轴辊安装和运行时的准确度的等级要求极高。其中, 下辊垂直度和水平度的偏差应在±0.3mm/m以内, 上辊垂直度的偏差应在±1.0mm/m以内。

随着设备运行时间的延长, 设备基础出现不均匀沉降, 造成在局部范围内, 辊系的空间位置与流水线整体的空间位置关系发生变化。同时由于设备在运行期间的设备检修、轴辊磨损与更换, 造成轴辊的三维空间位置关系与相应等级的要求相差甚远。

三、解决方法

由于酸洗机组现场情况较复杂, 检测准确度相应等级的要求又极高, 使用传统常规的工程测量技术手段难以解决。为此运用测量学与机械学有关原理, 自行研制开发出来的专项技术——轧机辊系三维状态检测系统, 以解决轴辊空间位置关系异常问题。

采用高精度检测仪器采集设备各目标点的观测数据, 即斜距S、竖盘值Z、水平度盘值R, 并结合计算机智能化控制系统, 使用掌上电脑进行数据采集。

为减少采集过程中偶然误差的影响, 每组计算数据进行四次采集, 对测距、水平角、垂直角等规定了一定的指标控制限差。在作业过程中, 对温度、气压、反射器常数等进行实时监测记录, 并使用计算机处理软件进行相应修正, 从而降低了外界环境对测量误差的影响。

最终成果应用相应的计算机数据处理软件进行三维空间坐标计算和数据综合处理, 从而准确获取各轴辊的三维空间状态数据。同时及时将检测结果提交检修人, 指导检修人员进行调整, 之后进行复测, 直至将各轴辊的位置精度调至要求范围内。

四、成果分析

1. 轴辊垂直度分析

按照项目设计书的要求, 下辊的垂直度偏差应在±0.3mm/m以内, 由于上辊为橡皮辊, 并且工作时处于伸缩活动状态, 对上辊垂直度的偏差要求比下辊低, 按生产工艺要求, 上辊的垂直度在±1.0mm/m以内就满足要求。

由表1可以看出, 原来的垂直度都比较大。根据检测数据对超限的轴辊进行调整以后, 辊系垂直度明显变小了, 除了受设备影响无法再进行调整外, 其余均调整到位。

2. 轴辊水平度分析

生产工艺要求下辊的水平度偏差在±0.3mm/m以内, 由于上辊在工作状态时处于上下活动状态, 因此不需要检测上辊水平度。

由表2可以看出, 调前水平度偏差值比较大。根据检测数据进行调整后, 辊系水平度均小于±0.23mm/m, 符合生产工艺的要求。

五、精度分析

建立机组中心线的平行轴线R1、R2 (见图1) , 作为测量的坐标系, 用极坐标法分别测定轴辊夹具上的目标点 (图1中的P1点) 的三维坐标。独立坐标系的X轴平行于辊筒轴, Y轴平行于机组中心线, Z轴为铅垂线。根据夹具上的目标点之间的X差值与辊筒轴之间的关系确定轴辊的垂直度。为了提高水平度的精度, 采用精密水准仪测量的方法进行。

1. 极坐标法测定空间点三维坐标的精度估算

设仪器两轴中心坐标为X0, Y0, Z0, 对目标P的观测角为:方位角α、天顶距β、斜距S, 则待定点P的空间坐标为

按照协方差传播定律, 得到P点坐标的方差和协方差为

mm/m

轴辊的垂直度精度与mx相关, 在一定的测角和测距精度条件下, 根据 (2) 、 (3) 式, 应限制ΔY、ΔZ的数值, 即严格选择架站位置, 保证全站仪视准轴与辊筒轴基本重合, 规定ΔY、ΔZ≤150mm。据此, 分别采用TCA2003型全站仪和NET1100型全站仪进行试验, 按各自达到的测角和测距精度及现场条件, 用极坐标法估算测定点位的误差, 列于表3, 经过分析比较, 决定采用方案2。

2. 由函数模型对目标点垂直度进行精度估算

将方案2中的已知数据代入 (2) 式, 得到目标点的精度为±0.8mm, 由于采用相同的方法观测轴辊夹具上的其他点, 因此点位精度也为±0.8mm。垂直度仅与目标点X坐标以及目标点间的距离有关, 建立相应的函数关系式如下 (在平面的情况下) 。

其中α表示辊筒轴线垂直角, sinα为垂直度, X1, X2为目标点纵坐标, L为轴辊专用夹具长度。对 (4) 式求微分得。

每点观测4次取平均值, 按照误差传播定律,

其中mx=±0.8mm, L=2 500mm, 代入 (5) 式, msinα′=±0.22mm/m, 满足轴辊垂直度测量的精度要求。

3. 水平度精度估算

用精密水准测量的方法测量轴辊操作侧与传动侧高差

其中H1为后视高程, H2为前视高程, L为轴辊测量长度, 水准仪倾角误差用i表示, i≤3″, 对水平度影响极小, 可以不考虑i角误差对水平度精度的影响。

对上式求微分得mΔH=姨2×m H=±0.14mm, 满足轴辊水平度测量的精度要求。

六、工业精密检测在产线测量中的作用

1. 经济效益

由于辊系空间状态检测技术的应用可准确地判断设备状态, 并进行及时调整, 提高了生产效率和产品质量, 故障停机时间下降七成, 降低了维修成本, 产生了巨大的经济效益。

2. 工业精密检测技术的发展产生的重大作用

国内工业精密检测技术起步于20世纪90年代初, 系统开发研究单位很少。采用轧辊在线状态检测系统将检测技术向自动化和高效率方面推进了一大步。有效把握设备辊系状态, 为准确判断设备状态提供了科学的依据, 填补了国内工业精密检测技术的空白并已获得多项发明专利。

摘要：检测酸洗机组辊系空间位置状态, 获得轴辊的水平度和垂直度, 找出辊系理论与实际位置的偏差值, 指导安装、检修, 提高生产线精度。

关键词：工业精密测量,辊系检测,精度推导

参考文献

[1]武汉测绘科技大学测量平差教研室.测量平差基础[M].测绘出版社, 1996.

精密测量学习报告 篇2

学习报告

学 号：061410248 姓 名：张铁棒 指导老师：魏 亮

河南城建学院测绘工程学院

2013年12月

目 录

一、精密工程测量的定义和特点...............................................................................................2 二、精密工程测量研究的主要内容...........................................................................................3 三、精密工程测量的发展与应用...............................................................................................5

1、长江三峡工程永久船闸闸墙变形测量中的精密工程测量.............................................5

2、高速铁路工程测量中的精密工程测量.............................................................................5

四、致谢...........................................................................................................................................6

五、参考文献...................................................................................................................................7 一、精密工程测量的定义和特点

以毫米级或更高精度以及相对精度高于1ppm进行的工程测量。精密工程测量主要是研究地球空间中具体几何实体的精密测量描绘和抽象几何实体的精密测设实现的理论、方法和技术。精密工程测量代表工程测量学的发展方向。

精密工程测量的最大特点是要求的测量精度很高。精度这一概念包含的意义很广 , 分相对精度和绝对精度。相对精度又有两种 , 一种是一个观测量的精度与该观测量的比值 , 比值越小 , 相对精度越高 ,如边长的相对精度。但比值与观测量及其精度这两个量都有关 ,同样是 1∶ 1 000 000 ,观测量是10 m和是 10 km 时 ,精度分别为 0.01 m m 和10 m m , 故有可比性较差的缺点;另一种是一点相对于另一点 ,特别是邻近点的精度 ,这种相对精度与基准无关 ,便于比较 ,但是各种组合太多 , 如有 100 个点 , 每一个点就有 99 个这样的相对精度。绝对精度也有两种 ,一是指一个观测量相对于其真值的精度 , 这一精度指标应用最多。由于真值难求 ,通常用其最或是值代替。但这一绝对精度指标也有弊病 , 有时 , 它也与观测量的大小有关 ,如长度观测量。另一种是指一点相对于基准点的精度 ,该精度与基准有关 , 并且只能在相同基准下比较。由于精度的含意较多 , 而且随测量技术的发展又在不断提高 ,有什么精度要求的测量才能称为精密工程测量就很难给出一个确切的定义。这里我们给出以下定义 : 凡是采用一般的、通用的测量仪器和方法不能满足工程对测量或测设精度要求的测量 ,统称精密工程测量。

大型工程、特种工程中并非所有的测量都是精密工程测量。因此 ,大型工程、特种工程不能与精密工程并列。但是 , 大型特种工程中一定包括一些或许多精密工程测量。3 维工业测量、工程变形监测中的许多测量也属于精密工程测量。就精度而言 ,在工业测量中 ,在设备的安装、检测和质量控制测量中 ,精度可能在计量级 , 如微米乃至纳米;在工程变形监测中 ,精度可能在亚毫米级;在工程控制网建立中 ,精度可能在毫米级。长、大隧道的横向贯通精度虽然在厘米、分米级 , 但对测量精度要求很高 , 仍属于精密工程测量。精密工程测量的另一个特点是对测量的可靠性要求也很高 ,包括测量仪器的鉴定检核、测量标志的稳定、测量方法的严密、测量方案的优选、观测量之间的相互检查控制 , 以及严密的数据处理和对测量的质量检查控制以及监理等等。

精密工程测量是工程测量的分支，是测绘科学在大型工程、高新技术规程和特种工程等精密工程建设中的应用。数百米高的特大型水电工程，特大跨距的斜拉桥、悬索桥、大型工业和民用建筑群体的纷纷涌现，对传统的工程测量在内容、精度、技术要求、测控技术等方面提出了众多急需解决的问题。精密工程测量要满足各种复杂大型工程、前沿科学研究中的实验工程、现代工业安装测量、变形监测工程等等应用的需要，确保这些大型工程建设的顺利实施和工程的优质。精密工程测量的突出特点是“高精度”和“高可靠性”。二、精密工程测量研究的主要内容

精密工程测量的研究内容主要包括精密工程测量的理论、技术、方法、专用的仪器设备以及测量软件研发等方面。精密工程测量的理论、技术和方法是以大地测量学为基础的。因为所有测量工作都要涉及参考面和线 , 如地球椭球体、大地水准面、垂线、经纬线、真北方向等。对于工程而言 , 小范围要求在几何平面上进行设计施工放样 , 范围有时要穿过好几个 3度带 ,而且高差也较大 ,就必须作椭球面向平面的归化计算 ,作局大地水准面的精化 ,以及换带和投影计算。归化、投影等改正计算误差必须小于测量误

差。因而 ,工程基准面和局部坐标系的设计是精密工程测量的重要问题。工程控制网在许多方面有别于国家大地测量控制网。网的优化设计、精度、可靠性、费用和灵敏度设计计算要求更加精细 , 如要求采用基于观测值内部可靠性的精密测量控制网模拟法优化设计、观测值多维粗差定位与定值和方差分量估计算法等。一般来说工程控制网的长短边相差悬殊 , 点之间高差也很大 , G PS 和地面观测条件都较差(顶空障碍大 ,受旁折光和垂直折光影响等),这就要求对网作精心布设。同时还涉及 G PS 边、地面边之间的精度匹配、地面边角测量精度匹配的影响。G PS 网、地面边角网以及混合网的布设问题涉及到测距三角高程测量、精密几何水准的选取以及对规范要求的理解等问题。G PS 网在很大程度上逐渐取代地面网 , 对于边长悬殊极大(从几十米到几十千米)的工程控制网 ,用精密星历解算基线 , 精度也可达毫米级 , 但对于许多精密工程来说 ,不能采用单纯的 G PS 网、G PS网与地面网、特别是与高精度测边相结合乃是最新的发展方向。在精密工程测量特别是工程变形分析中涉及到数据处理理论和方法的研究。如非线性随机模型的参数估计、非参数估计和半参数估计理论。对于海量变形监测数据处理 ,要研究数据挖掘理论与方法 ,即要从大量的、模糊的和随机的各种数据源中 ,提取隐含在其中的有用信息和知识。统计分析、模糊数学、人工神经网络、分形几何以及小波理论等是数据挖掘的基础理论。分类、模糊聚类、关联分析、回归分析、时序分析、偏差分析以及预测分析等是数据挖掘的常用方法。其中 ,分类用于规则描述 ,并用这种描述来构造模型;模糊聚类是把数据按相似性分成类 ,发现数据的分布模式以及数据属性间的关系;关联分析是寻找数据中隐藏的关联网、关联规则和相关性;预测分析是利用大量的已有数据通过建模找出变化规律 ,由此对未来数据及特征进行预测等等。采用人工神经网络技术可用于大坝变形预报 , 用模糊数学理论处理观测误差 , 采用模糊聚类分析可对大坝的安全进行评判。在变形的几何分析和物理解释基础上 ,要研究变形预报的理论和方法 ,涉及系统论、控制论、信息论、突变论、协同论、小波、分形、混沌理论和耗散结构等许多非线性学科变形预报的系统论方法。主要有两种 : 一种是输入2 输出模型法 ,即把变形体看作是一个具有非线性、耗散性、随机性、外界干扰不确定性等特点的复杂系统 ,各种外界影响因子为输入 , 而变形为输出 , 有回归分析法、时间序列法、卡尔曼滤波法和人工神经网络法等;另一种是动力学方程法 , 根据系统运动的物理规律建立确定的微分方程来描述系统的运动 , 在对系统受力和变形认识的基础上 , 用低阶、简化的 , 在数学上可求解和可分析的模型来模拟变形过程。在精密工程测量仪器方面 , 多传感器集成测绘系统、激光跟踪仪、激光扫描仪、测量机器人、各种高精度 G PS 接收机、电子全站仪、水准仪以及各种专用测量仪器 ,为精密测绘提供了技术保障。其中 ,激光扫描仪可对被测对象在不同位置扫描、建模并转换到 C A D 成图 , 在土木工程、建筑监测、路桥设计、3 维建模、工业设计制造以及 G I S 数据采集等方面有广阔的应用前景。车载、机载激光扫描测量将成为地面数据采集的主要手段。一种由测量小车、测量机器人、激光测距断面仪、激光扫描仪和轨距、轨道高差、轨道里程传感器组成的高速铁路轨道测量系统是一种典型的多传感器集成测量系统 , 可实现铁道轨道的自动化测量 , 轨道限界 2 维断面测量和隧道 3 维断面测量其轨距和轨道高差精度可达到0.5 m m(图 1)。由 G PS 接收机、激光测距仪组成的远程位移测量系统可实现无人值守的远距离遥控遥测遥传实时变形监测 , 可用于活动性滑坡临滑前的持续监测预报(图 2)。由各种专用监测仪器、现代大地测量仪器以及空对地观测仪器组成的立体监测系统 ,可实现对滑坡和各种工程建筑进行持续的自动监测和变形预报。

在现代测量中 , 软件的研发与测量仪器设备的=研制具有同等重要的意义。精密工程测量的软件包括三大方面 : 与测量仪器或多传感器集成的测量系统相配套的随机软件;用于科研的科研型软件;面向广大用户的商品化通用软件。随机软件由厂商开发 ,如 G PS 接收机的基线向量解算和网平差软件 ,电子全站仪的机载软件等 ,目前多已实现汉化 ,具有最常用的功能;科研型软件的专用性强 ,具有特殊的和高难的功能。一般来说使用较复杂 , 不易掌握。如用精密星历解算长基线的 G am it , Berness 软件。用于精密工程控制网数据处理和平差计算的科研型软件除了具有一般的常用功能外 ,还具备以下功能 :可作自由网平差或拟稳自由网平差;可对不同类型、不同精度观测值按不等权进行整体平差;可作距离改化、方向改化计算;能自动组成全部三角形并作计算闭合差和限差检验;自动组成测角、测边全部极条件 ,并计算其自由项及限值;自动计算坐标方位角、基线或测距边条件的自由项及其限值;还可以作观测值的可靠性因子(多余观测分量)计算、边角权匹配计算、粗差检验及灵敏度分析等。商用化通用软件的特点是功能强大 ,使用方便。

下面介绍几个典型的商品化软件 ：.现代精密工程测量控制网数据处理通用软件包 C os a-W in。可作任意网形(从导线、导线网到边角网、混合网、特殊网等)、任意规模(未知点数从 1～104)、任意等级平面网、水准网或三角高程网的各种严密数据处理 : 观测值改化、概算、近似坐标、闭合差自动计算、粗差探测、方差分量估计、隧道贯通误差影响值计算、地面网和 G PS 网优化设计、坐标转换、网图显绘、报表输出以及变形监测网的拟稳平差和变形分析等。.精密 G PS 控 制 网 通 用平差 软 件 包(C os aG PS)。可与各种 G PS 接收机的基线向量软件接口 ,读入基线向量及其方差协方差 , 在 WG S 2 84 坐标系下进行 3 维网的无约束平差 , 在高斯平面坐标系下进行 2 维无约束平差、约束平差 ,与地面测边网联合平差 ,进行 G PS 高程拟合。.测量机器人变形监测软件包。具有工程管理、系统初始化、学习测量、自动测量、数据处理、数据查询、成果输出、工具、帮助等功能。该软件包安装在便携机上 ,便携机和测量机器人连接 ,用软件包控制测量机器人工作。以基点(测量机器人的位置)为基准 ,一已知点定向 , 另一已知点检查 , 根据极坐标原理 ,可获得各个测点的坐标。该法外业观测简单省时 ,效率高。如对某滑坡监测 ,常规方法外业观测需 3 天 ,而采用该方法却不到 2 小时。数据处理也实现了自动化。.测量机器人控制网自动观测软件包。可实现工程管理、参数设置、测站设置、学习测量、自动观测和成果输出等功能。该软件包是直接植入测量机器人 ,实现测量机器人自动观测 ,进行设置和初始观测后 ,测量机器人就可按照设定的精度、测回数等进 行全自动观测。这样可大大节省外业观测的时间和人力 ,如某滑坡监测网有 15 个点 , 采用人工观测至少要 15 天 ,而用测量机器人仅需 5 天。还可与后续的软件相接 ,进行网平差。三、精密工程测量的发展与应用

1、长江三峡工程永久船闸闸墙变形测量中的精密工程测量

永久船闸的变形关系到永久船闸能否正常运行。变形除受开挖边坡的时间效应、岩体年周期变化的影响外 ,主要与船闸运行过程中充、泄水有关。如果变形太大 ,会影响人字门的启闭和船闸的正常运行。对闸墙变形监测的精度要求极高(± 0.02 m m),观测周

期可任意调整(最小周期为 1 m in)。为快速及时地监视永久船闸有水系统联合调试和运行初期的建筑物的变形工况 ,建立了正、倒垂线和引张线组成的半自动化监测系统。用正、倒垂线装置监测闸首边墙变形对人字门门枢垂直度的影响;用引张线法监测闸室边墙顶的水平位移;用几何水准测量法监测闸首基础和闸顶的垂直位移。其中正、倒 垂 线 测 点 均 采 用 遥 测 垂 线 坐 标 仪(精 度± 0.01 m m)。南五闸室充、泄水过程墙与中南边墙顶部位移 过程线见图 1。.闸室充满水后 ,闸顶背向闸室位移 ,泄水后 ,闸顶向闸室位移 ,变化在 0.5 m m 以内。泄水后不可回复的最大位移为 0.06 m m。.充水用时 10 m in ,墙顶在第 11 m in 时到达最大位移0.01 m m 位置。在闸室泄水到 86 %时 ,边墙的回复变形就已经完成 , 说明永久船闸运行初期建筑物变形工况良好。

图-1 闸室充、泄水与闸首边墙顶部位移过程线

2、高速铁路工程测量中的精密工程测量

根据铁道联盟的定义：高速铁路指允许速度达到２５０ｋｍ／ｈ的客运专线，或允许速度达到２００ｋｍ／ｈ的既有线。高速铁路的突出特点是高平顺性和少维修性。精密工程测量是指绝对测量精度达到

毫米量级，相对测量精度达到１０ｕｍ，在特殊条件下，采用先进的仪器设备和技术手段进行的一种特殊的工程测量工作。精密工程测量的主要内容是建立精密工程控制网。精密工程控制网的作用是在工程施工前、施工中以及施工后的各个不同的阶段对被测量点、线和面提供可靠的测量基准。

精密工程测量的最大特点是要求的测量精度很高。

精密工程测量的另一个特点是对测量的可靠性要求很高，包括测量仪器的鉴定检核，测量标志的稳定、测量方法的严密、测量方案的优选、观测量之间的相互检查控制，以及严密的数据处理和对测量的质量检查控制以及监理等等。

1、高速铁路那些测量属于精密工程测量

高速铁路工程变形监测和轨道板铺设、轨道精调属于精密工程测量，就其精度而言，其相对精度可能要求达到毫米至亚毫米级 高速铁路工程控制网从分级布设，最弱边长相对精度从几万分之一到上百万之一，临近点坐标精度一般10毫米左右

长大隧道的横向贯通精度虽然在厘米到分米级，但其对方向测量精度要求很高，也属于精密工程测量

2、高速建精密工程测量体系的必要性 高速铁路行车速度快，列车运行安全和舒适度对轨道的高平顺性和高稳定性要求高；高速铁路建设需要大量铺设无砟轨道，轨道板的铺设和轨道（道岔）精调都需要高精度、高可靠性的测量技术做保证；

高速铁路勘察设计、施工和运营检测过程中的测量很多都属于精密工程测量的范畴，“三网合一”建设的需要；高速铁路建设工程测量成套技术标准体系的建设需要。

3、高速铁路精密工程测量的特点

从控制网网形上看属于带状，CPI直接闭合到国家高等级GPS点（A/B级）困难，所以有时需要做CP0；

高速铁路精密工程测量最大的特点是精度要求高。轨道基准点和轨道（道岔）精调需要达到亚毫米级测量精度；轨道板的铺设需达到亚毫米～毫米级的测量精度；轨道控制网CPIII测量要求1毫米测量精度；

高速铁路精密工程测量层次多，领域广，工作量繁重，是铁路建设成败的关键技术之一。

4、高速精密工程测量的内容及方法

①主要技术支持性文件或规范②平面控制测量的内容和作业方法 ③高程控制测量的内容和作业方法④控制网复测及加密作业方法

⑤线下施工阶段的测量作业方法⑥无砟轨道铺设阶段的测量作业方法⑦构筑物变形测量作业方法⑧线路整理及竣工测量作业方法 运营及养护维修测量。

四、致谢

假如我能搏击蓝天，那是您给了我腾飞的翅膀；假如我是击浪的勇士，那是您给了我弄潮的力量；假如我是不灭的火炬，那是您给了我青春的光亮!用语言播种，用彩笔耕耘，用汗水浇灌，用心血滋润，这就是我们敬爱的老师崇高的劳动。敬爱的梁老师，感谢您对我的精心培育，衷心祝您健康幸福！

五、参考文献

[ 1 ]

张正禄 , 吴栋材 , 杨

仁.精密工程测量 [ M].北京 : 测绘出版社 ,1992.[ 2 ]

张正禄.工程测量学[ M].武汉 :武汉大学出版社 ,2005.[ 3 ]

张松林 , 张正禄 , 罗年学.G PS平面控制网的模拟设计计算方法及其应用 [J ].武汉大学学报(信息科学版),2004 ,29(8):711 2 714.[ 4 ]

张正禄 , 邓

勇 , 罗长林 , 等.精密三角高程代替一等水准测量的研究 [ J ].武汉大学学报(信息科学版),2006 ,(1):5 2 8.[ 5 ]

张正禄 ,张松林 ,张

军 ,等.特高精度水电站施工控制网分析与研究[J ].大坝与安全 ,2002(5):17 2 20.[ 6 ]

刘祖强 ,杨

工业精密测量 篇3

1 常规高程测量方法

高程测量被广泛应用到诸多工程施工中, 传统的测量方法主要是几何水准测量、常规三角高程测量等。两种方法具有各自的优势, 但是也有缺点存在。几何水准测量可以直接对高程进行测量, 对于高差的测定有着较高的精度, 但是地形因素会限制到水准测量, 有着较大的外业工作量, 没有较快的施测速度。三角高程测量则是间接测高法, 地形因素不会对其产生限制作用, 并且有着较快的施测速度, 因此被广泛应用到大比例地形图测绘、线型工程以及管网工程中。但是很多因素都会对三角高程测量精度造成影响, 如高度角观测精度、距离测量精度、大气垂直折光等。

2 精密三角高程测量的方法

具体来讲, 精密三角高程测量将自动照准的高精度全站仪给应用了过来, 同时对向观测, 以便对大气垂直折光的影响基本消除或者大大的消弱。在对向观测时, 需要在另一全站仪的把手上固定照准棱镜, 在一个测段上, 对向观测为偶数条边, 同时, 将高度不变的同一棱镜立在测段的起末水准点上, 这样仪器高就不会被量取到。对观测边的长度和高度角进行限制, 以便对相对垂线偏差的影响进行减少。

3 精密三角高程测量的应用

(1) 仪器改装:全站仪可以对目标自动识别, 标称精度需要在0.5`以上, 反射棱镜安装的误差需要在0.1毫米以内。

(2) 起末水准点观测方法:将全站仪架设到测段水准点附近, 通常需要控制在20米以内, 并且起末点需要大致相等, 将棱镜杆架设于水准点上, 起末点都为同一根杆, 长度需要控制, 保持在一定稳定的状态, 以便科学观测合理和高度角。低棱镜和高棱镜都是两测回。在观测之前, 各个站都需要对温度和气压进行测定, 设置于全站仪上, 以便科学的改正边长。

(3) 对向观测方法的实施:按照仪器前进方向, 首先进行后测站观测, 之后再进行前测站观测。对于每一个测段, 进行单棱镜往返测或者高低双棱镜观测, 高低双棱镜观测顺序是后低、前低、前高、后高等。利用单棱镜往返测支线测段。完成一条边的观测之后, 就进行下条边的观测, 在这个时候要特别注意, 前站仪器保持在不动的状态, 为下条边的后站, 在前面搬迁原来的后仪器, 为下条边前站, 在一个测段上, 对向观测需要将边的条数控制在偶数条。

(4) 精密三角高程测量进行二等水准测量中的主要技术要求:等级为二等, 边长为100米时, 为两回测回, 指标差较差、测回间垂直角较差、测回间测距较差分别为5、5、3。边长在100米到500米之间, 为四回测回;边长在500米到800米之间, 为6回测回;边长为800米到1000米之间, 为8回测回, 指标差较差、测回间垂直角较差、测回间测距较差以及测回间高差较差都维持不变。

(5) 精密三角高程观测注意事项:精密三角高程测量, 成像的稳定性会直接影响到观测时间的选择, 中午前后一段时间, 因为有太阳, 大气湍流会影响到观测, 望远镜成像会有跳动问题出现, 对观测高度角的精度造成了较为严重的影响。最好不要对观测边长进行缩短, 在日出日落时, 大气垂直折光系数有着较大的变化, 长边观测是不太合适的。在自动照准观测方面, 视场内棱镜之前不能够有草、树叶和电线, 对于烟火上空或者飘动的雾团, 不能够有视线通过。在对向观测的过程中, 如果一站有着过长的观测时间, 那么对向观测就需要重新进行。要架稳全站仪, 对测站位置合理选择, 测段起末水准点上, 需要放稳中杆。

4 案例说明

某铁路客运专线的一段路中, 将二等水准测量发展为了三角高程测量, 测量线路有着较大的长度, 可以达到400千米以上, 经过的地区地形较为复杂, 其中以丘陵和山区为多, 并且跨越了多条江河, 有着较为复杂的测量条件。在这种情况, 测量成果与二等水准测量精度要求所满足。施工单位按照二等水准来进行测量复测, 发现没有问题, 与相关要求所符合。按较差统计计算的每公里测量的全中误差为1.9毫米, 符合相关要求。

某大山精密三角高程测量, 线路长度在60公里左右, 经过了多个山口和低谷, 起伏总高差在2000米以上, 线路符合于两个一等水准点上, 闭合差为11.9毫米, 符合相关要求。

在这些事例中, 不管是水准路线闭合差, 还是每公里测量的高差全中误差, 都可以与二等水准的技术要求所满足。因此, 我们就可以在高速铁路中, 可以将二等水准测量方法发展为精密三角高程测量方法。

5 结语

通过上文的叙述分析我们可以得知, 在高铁测量中, 如今大部分依然采用的是几何水准测量方法, 虽然具有一系列的优势, 但是在实践过程中还是暴露出来了很多的问题;针对这种情况, 就可以将精密三角高程测量技术给应用过来, 实践研究表明, 取得了不错的效果。在具体的实践过程中, 需要结合具体情况, 科学设计测量方案, 控制每一个细节的质量, 避免有问题出现, 要严格控制各种误差, 以便得出较高的测量精度, 满足高铁测量的精度要求。相关的工作人员需要不断努力, 积极学习, 总结实践经验, 熟练掌握三角高程测量的方法, 结合具体情况, 积极的应用先进的仪器和技术, 提升测量质量和测量精度。

摘要：随着时代的进步和社会经济的发展, 我国道路交通运输事业发展迅速, 高铁在我国日趋普及。通过调查研究发现, 如今依然将几何水准测量应用到高速铁路高程控制测量中, 这种方法具有很多的优势, 如较高的测量精度、操作难度不大等, 但是也有着诸多的问题, 如视线较短、速度较慢, 有着较大的劳动强度等。针对这种情况, 就可以将先进的三角高程测量技术给应用过来。本文简要分析了高铁测量中精密三角高程测量技术的应用, 希望可以提供一些有价值的参考意见。

关键词：高铁测量,三角高程测量,应用

参考文献

[1]张继惠, 宁晓君, 吴侨生.精密三角高程测量技术在高铁测量中的分析与应用[J].活力, 2011, 2 (6) :123-125.

[2]王志章, 潘正峰, 刘冠兰.三角高程测量在高铁特大桥无砟轨道施工测量中的应用[J].工程勘察, 2009, 37 (6) :99-101.

[3]王文杰, 田丽雅, 刘立臣.中间法三角高程测量在高铁CPIII控制网中的应用[J].测绘地理信息, 2014, 39 (1) :77-79.

精密测量仪器的发展机遇 篇4

“十二五”期间, 科技部启动了“国家重大科学仪器设备开发专项”, 强调面向市场、面向应用、面向产业化, 重点支持包括精密光学仪器与系统在内的具有市场推广前景的重大科学仪器设备开发, 促进其更加高效、快速地发展和推广。其中, 国家重大科学仪器设备开发专项2014年度项目立项组织工作已经完成, 一大批精密测量仪器项目得以通过。

二、我国精密测量仪器的发展存在的问题

(一) 可靠性和外观设计还存在一定的问题。

在精密测量仪器用户的概念里, 国产精密测量仪器普遍存在可靠性差的问题, 与此同时, 由于经常要对国产精密测量仪器进行修理, 不但会影响到用户的正常工作, 而且整个维修过程费时费力。近几年来, 随着国家政策的大力扶持, 国产精密测量仪的质量也有所改进, 但国产精密测量仪器的质量和国外仪器相比较仍然存在较大的差距。针对这一问题, 国产精密测量仪器可以在装配仪器时采用贴装的高新技术提高国产精密测量仪器的使用可靠性。与此同时, 精密测量仪器的仪器造型美观对于国产精密测量仪器来说仍然是一个急需解决的难点问题。到目前为止, 国内的精密测量仪器依然主要是仿制国外产品外观, 但是这种情况就牵涉到精密测量仪器的知识产权问题。针对这样的情况, 精密测量仪器在进行仪器外观设计的时候就要充分注意到精密测量仪器的外观设计, 讲究精密测量仪器的外观设计美感。

(二) 优秀的科研成果难以转化为批量生产。

近几年来, 虽然我国精密测量仪器产业发展较为迅速, 但高档的精密测量仪器依然需要通过进口来获得。具体来说, 虽然我国高校、研究所所得出的关于精密测量仪器高新技术的科研成果硕果累累, 但是, 令人遗憾的是, 这些优异的科研成果之中, 有许多的科研成果没有转化成大批量的产品生产过程, 产生这种问题的根本原因就是科研成果产业化不够完善。科研成果产业化从技术上来说, 包括结构设计、生产调试、加工生产、工艺加工、市场开发等课题。另外一个方面, 科研成果的转化合作的关系也是难以解决的问题, 在利益分配的过程之中, 要做到平等互利, 解决这些问题不仅要靠法制去解决, 还需要从事精密测量仪器研发工作的相关人员改变传统的开发理念, 完善精密测量仪器的市场开发过程。

(三) 精密测量仪器研发工作人员的培养模式急需完善。

在传统的精密仪器测量仪器研发领域, 我国的精密测量仪器人才培养的培养模式主要集中在培养精密测量仪器的开发设计人员层面之上。但是, 在精密测量仪器用户之中存在着大批使用精密测量仪器的工程师, 这就有必要对这些精密测量仪器的使用人员进行开发培训工作, 帮助这些精密测量仪器的使用人员更加深刻地了解到精密测量仪器的测量方法。在他们使用精密测量仪器的过程之中, 更加深刻地了解到精密测量仪器领域的发展动态方向。只有采取这样的测量方式, 才能够更加有利于先进精密测量仪器的推广事业, 有效促进我国精密测量测量仪器行业的不断发展与进步。

根据相关部门的不完全统计, 截至目前, 我国将近半数以上的高档精密测量仪器用户并没有充分了解精密测量仪器的使用性能, 使得这些高档精密测量仪器的很多功能没有被工作人员充分利用起来, 精密测量仪器生产方更是很少利用仪器进行对精密测量仪器的二次应用开发工作, 这是对精密测量仪器资源的一种浪费行为。除此之外, 由于精密测量仪器信息相对比较闭塞, 对精密测量仪器的新技术也是不太了解, 这就导致不少用户提出要求购买已经过时的精密测量仪器。针对这样的情况, 就要求对仪器用户的培训工作充分重视, 这就可以通过精密测量仪器行业媒体的工作, 大力宣传推广精密测量仪器的新产品以及新技术。

三、精密测量仪器的未来发展趋势

随着测量技术的不断发展, 新的精密测量新技术不断发展变化, 这就对精密测量仪器提出很多新的需求。由于精密测量仪器有着先导作用的优势, 这就导致所有的精密测量技术的应用热点都会成为精密测量测试技术新的生长领域。目前, 国内精密测量仪器企业研制并成功向市场推出了许多的测量新技术、测量新型仪器产品, 以便于满足测量市场的真实需要。与此同时, 测量仪器以新型产业发展为契机, 全面带动了我国精密测量仪器产业的发展过程。数字电视技术、新一代移动通信技术以及下一代互联网技术等高新技术的出现也为精密测量仪器行业的不断发展提供了新的历史发展机遇。

截至目前, 我国测量仪器行业相对比较发达, 各种测量仪器产品的研制生产维修服务工作, 各种测量仪器用户的需求都越来越多, 这就提出了划分细致的各种精密测量仪器的需要。随着我国经济的进一步发展, 精密测量仪器行业市场前景相对乐观, 精密测量仪器的产品开发也将大有作为:第一, 要提倡国内精密测量仪器企业与科研院所、高校不断开展合作;第二, 要充分重视精密测量仪器基础技术的研发、基础测量部件的加工制造工作, 不断完善精密测量仪器的工作稳定性和工作可靠性;第三, 精密测量仪器生产企业应以满足精密测量仪器用户需求为根本目标, 尽量开发出能够在最大程度上满足用户需求的精密测量仪器产品。

关于精密测量仪器行业, 众所周知, 精密测量仪器之中的二次元影像测量仪以及三次元测量仪这两种测量仪器, 这两种仪器经历了从最初的简单 (例如, 粗糙的手动二次元三次元影像测量仪) , 到如今的综合复杂 (例如, 全自动二次元影像仪和三坐标测量仪) , 可以这么说, 精密测量仪器的每一步的发展中都存在一定的必然性。但是, 这些高精度测量仪从诞生到发展到现在, 是不是已经发展到了极限?可以肯定地说, 这是很多精密测量人都十分关注的话题。从精密测量仪器的发展中我们可以看出, 精密测量仪器影像测量仪的发展也是从二次元的平面测量的水平, 通过延伸到2.5次元水平的过渡阶段, 最终发展到三坐标的三维检测阶段。由此可见, 随着科学技术的不断发展, 精密测量仪器的未来发展趋势也应该会沿着更高次元的水准前进, 提供出更加精准的测量数据。

四、结语

综上所述, 经过我国广大精密测量仪器工作技术人员的共同奋斗, 也在我国相关政策的大力扶持之下, 我国精密测量技术和精密测量仪器产业水平有很大提高。在这样的历史时期, 我国精密测量仪器制造行业要把握机遇, 解决目前发展中存在的问题, 不断提升我国精密仪器行业的制造水平。

摘要：在测量仪器这个行业领域之中, 存在着各式各样的仪器种类, 这些仪器种类在各自的领域里都有着自己的广泛用途。精密作为仪器领域里比较特殊的行业, 精密仪器的发展轨迹和其他的仪器类别是有所不同的 (例如, 次元影像测量仪和三次元测量仪) , 它们各自的发展都经过了多年的积累, 从而发展到如今的地步。目前, 随着国家对测量数据精密性要求的进一步提升, 一系列相关的法律法规也随之颁布, 精密测量仪器迎来了又一轮的发展机遇。

关键词：精密测量仪器,发展机遇,科技产业

参考文献

[1] .向天明.振兴我国精密测量仪器[J].测量技术, 2013, 30 (11) :1~5

[2] .罗伟雄, 江柏森.精密测量仪器简述[J].电子世界, 2013 (7) :3~7

一种优化的精密温度测量方法 篇5

在工业控制领域中,温度检测的应用非常广泛。在不同的被测环境条件下,选用不同的温度传感器作为温度检测的探头。为了达到检测水蒸汽温度范围0 ℃～140 ℃、精度要求0.1 ℃的目的,可选用Pt100铂电阻作为温度传感器;CPU选用Freescale公司的微处理器MC9S12C64[1],内带10位A/D转换器。然而在实际的温度测量中,发现很多现有的方法不尽如意。

本研究经过大量的试验、测试、验证,提出一种优化的恒流源加电压-频率(V-F)转化器电路的精密温度测量方法。

1 优化的精密温度测量方法

本研究所述的温度检测采用Pt100铂电阻温度传感器。它利用铂电阻的电阻值随温度变化的非线性特性来测量环境温度[2,3]。由于铂电阻的非线性特性,对电路的采集、检测、微处理器的计算带来了很大的困难。同时,由于选用的微处理器只含10位的A/D采样,精度不能满足0.1 ℃的要求。因此本研究经过试验,提出了一种优化的精密温度测量方法。电路原理图如图1所示,采用恒流源的采样电路,经差分放大,送给V-F转换电路,转化成频率信号fout之后,送给微处理器,最后由微处理器采样、分析、处理,并显示温度。

2 电路具体分析

2.1 采用恒流源的采样电路

一般的桥式电桥采集数据的方法[4,5,6],如图2所示。R1、R2、R3、RPt100组成电桥,R1=R2=R3=R0。为了避免流过Pt100传感器的电流过大使其发热进而导致非线性失真增大,电桥电压不宜太高,一般要求Im<5 mA,电桥电压Vbrg=1 V。电桥输出压差为:

$V{}_D=\frac{R{}_{\text{Ρ}\text{t}100}+R{}_0-2R{}_0}{2(R{}_{\text{Ρ}\text{t}100}+R{}_0)}V{}_{\text{b}\text{r}\text{g}}=\frac{R{}_{\text{Ρ}\text{t}100}-R{}_0}{2(R{}_{\text{Ρ}\text{t}100}+R{}_0)}V{}_{\text{b}\text{r}\text{g}}(1)$

令RPt100-R0=ΔR,则有:

$V{}_D=\frac{\text{Δ}R}{2(2R{}_0+\text{Δ}R)}V{}_{\text{b}\text{r}\text{g}}(2)$

由于桥式电路在测量的温度范围内是非线性的,对后面信号的采集、软件处理造成困难,所以将桥式电路改为恒流源的电路(如图1所示),只要流过Pt100(即Rpt)铂电阻的电流恒定,那么在不同的温度下,两端输出的电压差与电阻值是线性输出关系。

如图1所示,U4、R7、R8、Rpt、R9、Vdd(比如:Vdd=5 V)等构成一个恒流源。由于U4的正极由R7与R8分压得到,恒定2 V,则负极也为2 V。这样保证了加在R9上的电压为2 V,流过R9上的电流恒定为2/2=1 mA。这样不论Rpt如何改变,但流过其上的电流为1 mA,远高于原来的小于5 mA的要求,保证了不因电流过大,导致Rpt自身发热而影响测量结果。而且恒流源电路采用四线制接线方法(1、2、3、4线),优于前面的桥式电路的两线制接线方法。由于后极运放的高阻抗,中间的1、2线实际上是不产生压降的,也不会分流电流,故可以抵消由于接线的长短影响的阻值误差,达到高精度的测量,同时也使得Rpt两端的电压Vi输出与被测电阻成良好的线性关系。

2.2 采用带差分的三运放放大电路

实际使用中发现(如图2所示)由R4、R5、R6、R7、LM634组成的一级运算放大电路的线性度较差。因而本研究由U1～U3与R21～R29等组成的差分三运放放大电路,如图1所示。其中,U1、U2构成前级对称的同相、反相输入放大器,后极为差动放大器。采用这样的电路,可以抑制同相共模干扰,抗干扰能力较强。

为保证放大器的高性能,参数的对称性与一致性显得尤为重要,不仅包括外围的电阻元件,还包括放大器的一致性。将输入的Vi信号经放大之后成为Vo输出。

2.3 用V-F替代10位的A/D采样

由于微处理器只含有10位的A/D,无法满足测量精度的要求,而选用高精度的A/D转换器无疑需要增加很多的成本。所以采用一个低成本的用于A/D转换的精确的电压-频率(V-F)转换集成块(LM331),其输出频率与输入电压成线性关系。应用电路的典型方案[7]如图3所示。

在频率f=10 Hz～11 kHz范围内的线性度可达±0.03%。该电路在Pin7端的输入串接电阻Rin=100 kΩ±10%,这样Pin7的基本电流(80 nA)将删除Pin6端的基电流的影响,帮助提供最小的频率偏移。

Pin2端的电阻Rs由12 kΩ固定电阻和5 kΩ(最好是金属膜)可变电阻组成。这个调节功能可调整LM331的增益误差,而且误差由Rt、RL、Ct决定。

为取得最好的结果,电阻采用低温度系数的金属膜电阻;电容用低电介质、良好温度特性的NPO陶瓷、聚苯乙烯、特氟龙、聚丙烯等。在Pin7与地之间,加入电容Cin,对Uin滤波,并可选择0.01 μF～0.1 μF之间的值;为了更好的过滤,也可选1 μF;当RC时间常数匹配Pin6和Pin7,Uin的波动将造成fOUT的波动;如果Cin太小于CL,Uin的波动会造成fOUT立即停止;1 μF的CL串接47 Ω电阻,以增加滞后,并帮助输入比较器提供极好的线性(±0.03%)。

(V-F)转换电路,即电平信号从LM331 IC的Pin7输入,从Pin3输出,转化成频率后,将信号送给微处理器,最后由微处理器采样、分析、处理,并显示。

在实际使用中,根据测量要求对应的V-F输出频率的最大覆盖范围,如果需要精确到0.1 ℃的温度分辨率,那么只要采集足够多的周期数,就可以保证频率的偏移符合允许的范围。

2.4 信号之间的关系

理论上:差分运放电路是线性放大,其输出电压Vo与输入电压Vi之间的关系是:

Vo=Vi×K1=Ipt×Rpt×K1=K2×Rpt (3)

式中 K1,K2—倍数,Ipt=1 mA,输出电压Vo与被测电阻Rpt成正比例关系。

V-F电路中,输出频率与输入电压的关系为:

$\{\begin{array}{l}f{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}=V{}_{\text{o}}\times R{}_s/(2.09\times R{}_{\text{L}}\times R{}_{\text{t}}\times C{}_{\text{t}})=1/{\rm T}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}\\ V{}_{\text{o}}=(2.09\times R{}_{\text{L}}\times R{}_{\text{t}}\times C{}_{\text{t}})/(R{}_{\text{s}}\times {\rm T}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}})={\rm K}{}_3/{\rm T}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}}\end{array}(4)$

式中 K3—倍数,输出电压Vo与输出周期Tout成反比例关系。

被测电阻与输出频率的关系:

Rpt=Vo_pt/K2_pt=(K3_pt/Tout_pt)/k2_pt=k4_pt/Tout_pt (5)

式中 K3_pt,K2_pt,K4_pt—倍数,被测电阻的阻值Rpt与输出周期Tout_pt成反比例关系。

由此可以发现,只要选用高精密的电阻和低温度系数的电容,这样微处理器检测到的输出周期与被测铂电阻的阻值将保持较好的线性关系。

2.5 采样方法

微处理器通过定期采样输出周期,根据输出周期确定输入电压的大小,从而推算出被测电阻的大小,再通过查表得知被测温度的大小。

2.6 软件补偿

由于前面多级电路的线性化处理比较好,测量得到的温度与标准温度的误差非常小而且呈线性放大,所以,软件的补偿变得非常简单,可以采用测温范围上、下限的精密电阻采集数据,并进行校准。

(1) 当被测电阻接入所需测温范围中已知的最小电阻Rpt_l时:

$\{\begin{array}{l}V{}_{\text{o}\_\text{l}}={\rm K}{}_{2\_\text{l}}\times R{}_{\text{p}\text{t}\_\text{l}}\\ V{}_{\text{o}\_\text{l}}={\rm K}{}_{3\_\text{l}}/{\rm T}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}\_\text{l}}\end{array}(6)$

(2) 当被测电阻接入所需测温范围中已知的最大电阻Rpt_h时:

$\{\begin{array}{l}V{}_{\text{o}\_\text{h}}={\rm K}{}_{2\_\text{h}}\times R{}_{\text{p}\text{t}\_\text{h}}\\ V{}_{\text{o}\_\text{h}}={\rm K}{}_{3\_\text{h}}/{\rm T}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}\_\text{h}}\end{array}(7)$

(3) 当被测电阻接入所需测温范围中未知的被测电阻Rpt_x时:

$\{\begin{array}{l}V{}_{\text{o}\_\text{x}}={\rm K}{}_{2\_\text{x}}\times R{}_{\text{p}\text{t}\_\text{x}}\\ V{}_{\text{o}\_\text{x}}=k{}_{3\_\text{x}}/{\rm T}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}\_\text{x}}\\ R{}_{\text{p}\text{t}\_\text{x}}={\rm K}{}_{3\_\text{x}}/({\rm K}{}_{2\_\text{x}}*{\rm T}{}_{\text{o}\text{u}\text{t}\_\text{x}})\end{array}(8)$

(4) 在环境温度不变的情况下,可以假设放大倍数之间的关系为:

$\{\begin{array}{l}{\rm K}{}_{2\_\text{x}}={\rm K}{}_{2\_\text{h}}={\rm K}{}_{2\_\text{l}}\\ {\rm K}{}_{3\_\text{x}}=({\rm K}{}_{3\_\text{l}}+{\rm K}{}_{3\_\text{h}})/2\end{array}(9)$

由式(6)～式(9)就可以得出被测电阻的值,从而查表得出对应的温度值。

2.7 如何精确测量

适当调整电路的外围参数,可得到较好的输出电压(Vo)范围。比如:在实际测量中,在测温范围(0 ℃～140 ℃)对应的铂电阻条件下,输出电压Vo的范围为:2.5 V～3.677 V,对应输出频率折成一个周期的值的范围为T=54 μs～152 μs。周期间隔ΔT=152-54=98 μs。

如果采样足够多的周期(400个),则此时总的周期间隔为:400×98=39 200 μs。假如测温范围为0 ℃～140 ℃,则:39 200/140=280 μs/℃,每度间隔是280 μs。那么每0.1 ℃的间隔是:280/10=28 μs。

经过实际观察,测量中每个测试点的频率波形信号波动约为8 μs,远低于28 μs的要求,所以达到0.1 ℃的分辨率精度要求是完全可以的,而且是稳定的。

2.8 注意事项

使用中应注意,由于热惰性会使热电阻阻值变化滞后,为消除误差,应尽可能地减少热电阻保护管外径,适当增加热电阻的插入深度使热电阻受热部位增加。要经常检查保护状况,发现氧化或变形应立即采取措施,并定期进行校验。热电阻应避免放置在炉旁或距加热体太近,应尽量安装在振动小的地方。

3 结束语

本研究详细分析了恒流源电路、电压-频率(V-F)转换器电路的原理及特性,并将两者结合用于温度的测量。研究结果表明,应用该优化方法只需要关注测温范围最大值、最小值的参数的采集,简化了微处理器的数学计算方法,同时在测温范围内的线性度很好,可以达到0.1 ℃的测量精度。

参考文献

[1]Freescale Semiconductor飞思卡尔半导体公司.HCS12 Mi-crocontrollers MC9S12C Family[EB/OL].[2007-01-23].http://www.freescale.com/files/microcontrollers/doc/data_sheet/MC9S12C128V1.pdf?fsrch=1.

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[4]王传旭.石油倾点温度测试Pt100温度传感器的标定[J].传感器世界,2004,10(9):28-30.

[5]常健生.检测与转换技术[M].机械工业出版社,1999.

[6]朱宇光.单片机应用新技术[M].电子工业出版社,2001.

超精密直径和形状综合测量标准装置 篇6

中国计量科学研究院成功研制出国内首台超精密直径和形状综合测量标准装置。精密回转体零件是构成现代精密机械的最基本、最主要零件之一，是保证精密装备精度的关键部件。近年来，随着超精密制造业的高速发展，我国现行的测量水平和装置，已不能满足超精密制造业对精密回转体零件的尺寸精度、几何形状精度、表面质量等的测量需求，限制了超精密仪器生产链的形成。为打破这一困境，中国计量科学研究院的科研人员承担了“超精密直径和形状综合测量标准装置”课题，选择了对生产制造影响最广泛、最急需统一的关键量———直径和形状进行研究。通过对仪器设计的多项共性关键技术的研究，目前课题组已成功研制出超精密直径和形状综合测量标准装置，完成了基于误差分离技术的超精密直径和相关形状评价方法的研究，可实现对回转体类零件的直径、截面圆度、母线直线度、圆柱度等的精密测量，填补了我国在超精密直径和形状综合参数测量的空白，达到国际先进水平，可为我国高端制造领域提供技术支撑。

该装置的成功研制及相关形状评价方法的研究，为降低直径和形状测量不确定度、提高我国直径和形状测量水平、有效监控与实现直径和形状量仪的进口及使用提供强有力的技术支撑。对于我国GPS标准的制订和实施、提高我国精密仪器制造业的核心竞争力具有重要意义。

深入探讨精密水准测量中的误差 篇7

显然, 要提高地面高程点的精度, 关键是要提高其测定的精度, 减小外业测量工作的误差。与常规的测量工作一样, 精密水准测量的误差来源主要有三个, 即测量仪器误差、观测者受生理条件限制而造成的人为误差以及外界条件的影响。按其对观测成果影响的性质来考虑, 测量误差又分为偶然误差与系统误差两类。在主要误差来源中, 一、三项误差的影响基本上具有系统误差的性质, 而第二项造成的测量误差为偶然误差。过去由于受到仪器制造技术的限制, 精密水准测量的精度受偶然误差的影响较大, 因此对测量误差的分析多为对偶然误差的分析。随着高精度电子水准仪的问世, 使得精密水准测量工作的自动化程度大大提高, 同时基本上克服了过去水准观测过程中所存在的人为误差, 使水准测量的精度有了明显提高, 偶然误差对测量成果的影响与系统误差相比, 已处于次要地位。因此, 从误差理论的角度来看, 要进一步提高地面高程点的精度, 就需要对精密水准测量中存在的各项系统误差进行研究分析, 根据其对观测成果的影响规律, 提出减弱或消除系统误差影响的措施。

1 精密水准测量中的系统误差

在精密水准测量工作中, 造成系统误差的因素很多, 现就主要的几种分析如下。

1.1 水准面曲率的影响

由水准测量的原理可知, 水准测量是利用水准仪提供一条水平视线, 根据水平视线在前后标尺上所截取的读数, 求得地面上两点之间的高差。在这里, 高差的含义为分别通过两地面点的水平面之间的垂直距离。

然而, 从理论上来讲, 两点间的高差是指分别通过这两点的水准面之间的铅垂距离, 因此, 在水准测量中, 用水平面代替水准面将对高差测定产生影响, 其影响结果见图1。

图中, 为用仪器的水平视线代替通过仪器中心的水准面在A尺上的读数差, 是在B尺上的读数差, 设仪器至A、B两点的距离分别为Sa和Sb, 得到:

式中, R为地球半径, hAB为A、B两点间高差。

由此可知, 用水准测量的方法测定的两点间高差与实际高差之差为:

1.2 大气折光的影响

在精密水准测量中, 仪器提供的水平视线通过不均匀的空气介质, 经连续折射后形成一条曲线, 并向密度大的一方弯曲。

在平坦地区进行水准观测时, 由于视线离开地面的高度基本相等, 垂直折光影响基本相同。因此, 在保证前后视距相等的条件下, 视线弯曲的程度也相同, 在观测高差中可以基本消除这种误差的影响。在山区或丘陵地区进行水准观测时, 由于前后视线离开地面的高度不同, 视线通过大气的密度也不同。因此, 垂直折光对观测高差将产生系统性的影响。

1.3 仪器、标尺点沉降的影响

水准仪和水准标尺的自重对地面施加了一定的荷载, 使得在一个测站的水准观测过程中, 仪器和标尺随安置时间的延长而产生连续的沉降。下面根据一个测站上仪器下沉的示意图来分析仪器沉降对观测高差的影响。

由图可见, 当后视尺读数与前视尺读数之间仪器发生下沉, 其结果是前视读数比应有读数小, 使所测得的高差大于两点间的实际高差。对于某条水准线路而言, 仪器下沉的影响具有系统性, 结果是单程观测成果大于理论值。

水准标尺沉降对于观测成果的影响可以分两种情况来考虑, 在一个测站的高差观测过程中, 当后视尺读数与前视尺读数之间立尺点下沉了△h后后, 其结果是前视读数变大, 观测高差小于实际高差, 有:

在相邻两个测站的观测过程中, 当仪器转站时, 前一站的前视标尺下沉了△h前, 使得后一站的后视读数中包含了△h前, 即为, 结果是相邻两站的观测高差之和大于实际高差, 有:

将两种情况综合进行考虑, 得出水准标尺下沉对某条水准线路的单程观测成果影响计算公式。

设单程观测高差之和为

式中, n为测站数, △为标尺点下沉的影响值。

1.4 标尺不竖直误差的影响

水准标尺的竖立, 当利用标尺上的水准器且用手支撑时, 其倾斜误差可达±25′, 标尺无论向哪个方向倾斜, 都使标尺读数增大, 其误差的大小与标尺读数的位置有关。对于单根标尺的读数而言, 标尺倾斜误差的影响具有系统误差的特性。但对于某条水准线路来说, 标尺不竖直误差对各测站观测高差的影响, 由于前后视标尺倾斜程度及读数位置不一而表现出偶然性。

1.5 前后视标尺锢瓦带受热不均的影响

外业观测中, 须两根水准标尺交替前进, 每根标尺受太阳照射的方向不同, 前后标尺锢瓦带的温度也不同, 温度差别最大可达11℃;外业受地形起伏的影响, 每站的前后视读数不可能同在标尺的中部, 而标尺受地面热辐射的影响, 上、中、下不同部位的温度也不同, 温差最大可达1.5℃。由于前后视标尺锢瓦带受热不均, 使其所产生的长度变形不一致, 因而导致前后视读数误差不等, 影响高差观测成果的质量。

2 减弱系统误差的相应措施

在精密水准测量中, 影响观测成果质量的系统误差来源很多。本文在着重对几项主要误差的来源及其影响进行分析的基础上, 就如何消除或减弱系统误差对水准测量的影响提出以下看法。

(1) 为了提高精密水准测量成果的精度, 要求在外业观测过程中做到前后视距相等。这样可以消除水准面曲率对观测成果的影响。

(2) 为了减弱大气折光的影响, 水准线路应布设在坡度较缓的地带, 注意避免通过湖泊、沼泽、树林等折光影响严重的地区。视线离开地面应有足够的高度。在有条件的情况下, 可以考虑阴天观测。

3 结语

精密水准测量中的系统误差, 将直接影响地面点的高程精度。只要对水准测量的仪器、工具及作业方法、外界条件等进行研究, 分析产生系统误差的原因, 制订出相应的措施, 则有可能避免或削弱这种误差的影响。当然, 影响地面点高程精度的因素很多, 尚待进一步深入的探讨。

摘要：精密水准测量仍然是当前获取高精度地面点高程的最为有效的方法, 笔者从实际工作经验出发, 分析了精密水准测量中出现系统误差的原因, 而后在总结前人研究成果的基础上, 给出了改进的措施, 相信对从事相关工作的同行有着重要的参考价值和借鉴意义。

工业精密测量 篇8

京沪高速铁路精密控制测量网的布设由设计单位按分级布网的原则, 分基础控制网C PⅠ和线路控制网C PⅡ布设, 精度分别为B级和C级G P S网, 高程控制网为二等水准网。

1 投入的测量仪器

(1) GPS接收机, 具体参数见表1。

(2) 精密水准仪, 具体参数见表2。

2 工作流程

根据实际复测的工作量, 制定严格的作业计划, 具体工作流程见图1。

3 精密控制测量网复测内容及精度等级要求

3.1 复测内容

复测内容包括:

(1) CPⅠ控制网复测;

(2) CPⅡ控制网复测;二等水准高程控制网复测。

3.2 复测精度

根据规范要求, 控制网复测按以下精度实施复测:

(1) 基础控制网CPⅠ按GPS网B级精度要求进行;

(2) 线路控制网CPⅡ按GPS网C级精度要求进行;

(3) 高程控制网按二等水准测量精度要求进行。

4 平面控制网复测

4.1 GPS测量网形设计

控制网复测前首先应进行现场勘查, 检查标识的完好性及点位分布情况。构网原则应与设计控制网的构网方式相同, G P S网以C PⅠ对点作为联结边, 采用边联式构网, 控制网以大地四边形为基本图形组成带状网, CP0与CPⅠ的联测组成大地四边形 (见图2) 。CPⅡ控制网沿线路形成带状网, 约束至相邻的C PⅠ控制点构成附合网, 全网采用边联式构网 (见图3) 。本标段有3个CP0坐标框架基站点X C Z3、X D Z4和J N05。其中, X C Z3位于京沪高速铁路JHTJ-1标段内距JHTJ-2标段约40 km处;XDZ4位于本标段中部;J N05在济南站附近距本标段约7 k m。为了使复测成果与设计成果的比较准确可靠, 平面控制网复测时联测至这3个C P0坐标框架基站点上, 作为本标段C PⅠ平面控制网整体平差的依据。

4.2 GPS内业处理

4.2.1 平差软件

G P S网基线解算采用T r i m b l e后处理软件T r i m b l e Geomatics Office 1.63, 网平差计算采用武汉大学COSAGPS后处理软件。

4.2.2 基线解算

控制网基线解算采用广播星历, 外业观测结束后首先对观测基线进行处理和质量分析, 检查基线质量是否符合规范要求。基线处理时, 删除工作状态不佳的卫星数据和观测条件差的时段, 不让其参与平差。

4.2.3 CPⅠ控制网平差

基线解算完成后, 固定1个C P0控制点, 然后在W G S-84空间直角坐标系下进行C PⅠ控制网的无约束平差, 检查GPS基线向量网本身的内符合精度, 并剔除含有粗差的基线边。三维无约束平差后即可进行二维网约束平差。

二维网约束平差时, 先采用C O S A G P S后处理软件将3个C P0控制点X C Z3、X D Z4、J N05的三维空间直角坐标转换到中央子午线经度为116°45′、投影面大地高程为0、高程异常为0、参考椭球为W G S-84椭球的高斯坐标 (本标段所采用的坐标系) , 然后将C P0控制点X C Z3、X D Z4、J N05转换后的二维平面坐标作为已知点对复测的CPⅠ控制网进行整网约束平差。

4.2.4 CPⅡ控制网平差

C PⅡ控制网附合到C PⅠ上, 以复测后确认精度可靠的C PⅠ设计坐标为起算数据, 对C PⅡ控制网进行约束平差。

5 二等水准复测

5.1 复测方法

逐点复核相邻水准点间的高差, 通过复测高差与设计高差进行比较, 确认设计单位所交的高程控制点精度是否满足要求, 点位是否稳固可靠。

5.2 水准复测的数据处理及精度评定

(1) 二等水准复测以各水准路线测段往返测高差不符值计算每千米高差中数的偶然中误差, 合格后方可进行高差比对。否则应重测该段水准路线。每条水准路线应按测段往返测高差不符值计算偶然中误差MΔ。MΔ按公式 (1) 计算。

式中:Δ——测段往返高差不符值, mm;

L——测段长, km;

n——测段数。

(2) 由于标段属于区域地面沉降区, 存在水准点整体下沉的可能, 只对相邻水准点间的高差进行比较, 有时无法反映水准点的下沉情况。因此除逐点对相邻水准点间复测高差与设计高差进行比较外, 还将水准路线联测至济南基岩点、德州基岩点、沧州基岩点, 并将此3个基岩点作为已知点。采用《科傻地面控制测量数据处理系统》平差软件, 对本标段水准点进行平差计算, 进行各水准点高程比较。

6 复测应提交成果和资料

测量作业前应提交的资料包括:

(1) 《京沪高速铁路精测网复测技术设计书》;

(2) 测量单位的测绘资质证书、测量人员的测量作业证书。

测量作业结束后应提交的资料包括:

(1) 《京沪高速铁路精密工程控制测量网复测成果报告》;

(2) 《京沪高速铁路精密工程控制测量网复测G P S平差报告》;

(3) GPS网原始观测数据的文件拷贝;

(4) 测量单位的测绘资质证书、测量人员的测量作业证书;

(5) 仪器设备的鉴定证书;

(6) 水准测量的原始记录复印件 (上报存档) 。

7 结束语

此复测方法在京沪高速铁路精密控制测量网复测工作中得到了充分应用, 复测精度等级与设计一致, 成果可靠, 可应用于建网方式相同的高速铁路等铁路精密控制测量网的复测工作。

参考文献

[1]铁建设[2006]189号客运专线无碴轨道铁路工程测量暂行规定[S]

[2]BT10054—1997全球定位系统 (G P S) 铁路测量规程[S]

[3]GB/T12879—2006国家一、二等水准测量规范[S]

[4]铁道第三勘察设计院集团有限公司.新建铁路京沪高速铁路北京至徐州段平面控制测量技术总结[R], 2007