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1、工 程 测 量 学,第八章 工业设备的安装和检校测量,2,第八章 工业设备的安装和检校测量,为了进行工业设备的安装和检校，测量工作的主要任务是根据设计和工艺的总要求，将大量的工艺设备构建按规定的精度和工艺流程的需要安置到设计的位置、轴线、曲面上，同时在设备运转过程中进行必要的检测和校准测量。工业设备的安装大到高能粒子加速器磁铁安装准直、大型水轮发电机组安装调试、民用客机整体安装、飞船对接，小到一般工业部件的组装等，针对不同的服务对象，安装测量涉及的测量仪器、设备和方法也不相同，特别是会使用一些专用的测量工具等。 在测量难易程度、测量时间长短方面也存在很大的差异，在精度方面，有些安装测量精度已经
2、达到测量甚至大尺寸计量的极限，安装工作伴随工程建设的全过程，有时甚至需要几年的时间。 本章节介绍安装测量的一般要求、方法和使用的仪器设备、精密定线和定向方法、三维工业测量系统以及典型的安装测量实践。,中国地质大学 工程学院 工程测量学,3,第八章 工业设备的安装和检校测量,学习要点精密微型安装测量控制网的建立设备安装和检校测量仪器与方法精密定线、短边方位传递和姿态准直三维工业测量系统大型天线安装测量实践,中国地质大学 工程学院 工程测量学,8.1 精密微型安装测量控制网的建立,一、直伸三角形网 在线状设备的安装，可建立直伸边角测量网,如高能粒子加速器直线段的安装中，需要建立直线控制。当采用常规
3、测角、测距方法时，可建立直伸边角测量网。如图8-1所示。,图8-1 直伸边角控制网,8.1 精密微型安装测量控制网的建立,二.环形控制网 测高环形三角网 大地四边形环锁,8.1 精密微型安装测量控制网的建立,三、3维控制网 采用全站仪/激光跟踪仪可以同时获得精度相匹配的斜距、水平角、天顶距等观测元素，经过三维网整体平差可一次性得到网中各待定点的三维坐标（x、y、z）。 意义：避免了二次布网、观测和平差的繁琐工作；也避免了一些相关元素分开处理在精度上、时间上和信息上带来的损失，理论上更加完善。四、高程控制网 安装测量的高程控制网一般仍布设成水准网的形式,8.2 设备安装和检校测量仪器与方法,一、
4、传统的测量方法 主要有机械测量法、光学测量法和电学测量法等。 机械测量法是用机械的方法对天线进行检测，主要有样板法（旋转样板法和固定样板法）和数控机床法两种，至今还为天线行业所应用； 光学测量法主要有双五棱镜法、经纬仪钢带尺法和五棱镜带尺法等； 其他测量方法还有钢丝测距法、激光测距法、微波测距法和小车测量法等。二、射电全息法 是利用天线的远场复方向图与天线口面上的场分布间的傅立叶变换关系，由远场方向图的测量来反推天线口面上的场分布（振幅和相位分布），并由天线口面上场的相位分布，用光线追迹得到天线表面相对于理想抛物面偏差的信息。 测量误差：接收机噪音、指向和跟踪误差、大气闪烁、天线馈源的相位响应
5、和信号源的偏振效应等。在测量小口径天线时的测量精度要低于光学测量系统。,8.2 设备安装和检校测量仪器与方法,三、坐标测量机测量原理： 将被测物置于三坐标测量机的测量空间，可获得被测物上各点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过数学运算，求出被测物的几何尺寸、形状和位置。,8.3精密定线、短边方位传递和姿态准直测量,一.精密定线的方法外插定线：内插定线：归化法定线：,8.3精密定线、短边方位传递和姿态准直测量,一.精密定线的方法 机械法准直测量：是在二个给定的基准点间吊挂一条引张线，利用垂直投影仪测量各中间点偏离该引张线的偏离值，所以机械法准直也称为引张线法准直。 如果在测点处安装位移传感器
6、（如电感位移传感器），也可实现引张线测量的自动化：,8.3精密定线、短边方位传递和姿态准直测量,二、短边方位传递 主要误差来源及对策： 仪器和目标对中误差采用强制对中 望远镜调焦误差 （1）互瞄十字丝 （2）互瞄内觇标 经纬仪垂轴倾斜误差 （1）加入垂直轴倾斜改正 （2）在各测回之间，重新调整仪器汽泡居中 （3）双轴补偿功能对垂直轴倾斜进行自动改正,8.3精密定线、短边方位传递和姿态准直测量,三、卫星安装姿态准直测量方法（一）准直测量中各坐标系的定义：1、星体坐标系 由转台上的定位销w1、w2、w3确定。 坐标系原点为三个定位销所确定的空间圆 之圆心o，w1、w2的连线确定某一轴线方 向，一般
7、为Z轴正向；w3到该连线的垂线 方向确定另一轴线方向，一般为Y轴正向； 按照右手规则确定第三轴线方向。,8.3精密定线、短边方位传递和姿态准直测量,三、卫星安装姿态准直测量方法（一）准直测量中各坐标系的定义：2、立方镜坐标系 由立方镜几何中心及表面法线确定， 坐标系原点为立方镜几何中心，以其中 两个相互垂直的表面法线确定某两个坐 标轴方向，右手规则确定第三轴。立方 镜正面法线确定轴正向，左侧面法线确 定轴正向。,8.3精密定线、短边方位传递和姿态准直测量,三、卫星安装姿态准直测量方法（二）准直测量方法： 准直测量方法基于三台或三 台以上的高精度电子经纬仪测量 系统，通过系统定向和角度准直 测量
8、，依据数学解算获取星体坐 标系和立方镜坐标系的转换关系。（三）立方镜坐标系的建立（四）星体坐标系建立（五）立方镜坐标系与星体坐标系的转换,8.4 三维工业测量系统,一、极坐标测量系统测量原理,8.4 三维工业测量系统,二、经纬仪交会测量系统1、测量原理,8.4 三维工业测量系统,二、经纬仪交会测量系统2、系统构成 硬件主要由两台以上T2000/T3000/TM5100 电子经纬仪、多路串口转换卡、T-LINK、基准尺、工业测量用脚架、联机电缆、激光目镜、照准标志、台式微机或便携机等组成，目前的主流仪器是TM5100A马达电子经纬仪。3、系统作业模式探讨4、提高系统精度的措施,8.4 三维工业测
9、量系统,三、近景摄影测量系统 1、测量原理 近景摄影测量原理如图，通过二台高分辨率的相机对被测物同时拍摄，得到物体的2个二维影像，经计算机图像匹配处理后得到精确的三维坐标。,8.4 三维工业测量系统,三、近景摄影测量系统 2、系统构成 脱机测量系统可采用单台数字相机，在二个或多个 位置对被测物进行拍摄，然后将图像输入计算机即可进行图像处理。 多台相机联机测量可以实时得到待测点的三维坐标。,8.4 三维工业测量系统,四、距离交会测量系统 1、测量原理 原理同样是解三角形，首先考虑平面定位的原理。其次是多台仪器空间距离交会。,8.4 三维工业测量系统,四、距离交会测量系统 2、系统构成整体式有多杆
10、式或超声式坐标测量机，多杆式是通过杆的伸长或缩短来测量距离，超声式则通过超声波发射和接收来测量距离。,8.4 三维工业测量系统,组合式系统用三台以上距离传感器（测距仪、全站仪或激光干涉仪）组成距离交会系统，通过系统定向方法确定每台仪器的三维坐标，就可以建立起测量系统。,8.4 三维工业测量系统,四、距离交会测量系统 3、系统应用 以天线测量为例，美国GBT天线主面安装就采用了距离交会测量系统，三台测距仪（2台TC2002和1台TDM5005）安置在馈源支撑结构上，其自身位置通过距离后方交会（观测地面上一系列已知点）获得，然后三台仪器对主面上的目标进行距离测量，可以得到待测点的三维坐标，测量精度
11、优于1mm，测量范围在100 m左右。,8.4 三维工业测量系统,五、关节式坐标测量机 1、测量原理 利用空间支导线的原理实现三维坐标测量。,8.4 三维工业测量系统,五、关节式坐标测量机 2、系统构成 是一种便携的接触式测量仪器，对空间不同位置测量点的接触实际上模拟人手臂的运动方式。仪器由测量臂、码盘、测头等组成，各关节之间测量臂的长度是固定的，测量臂之间的转动角通过光栅编码度盘实时得到，转角读数的分辨力可达1.0。 3、提高系统精度的措施 4、系统应用,8.4 三维工业测量系统,六、工业测量系统软件 系统功能主要包括以下九个方面内容： （1）设备联机与控制 （2）系统定向 （3）坐标测量
12、（4）近距加常数修正 （5）数据管理及编辑 （6）坐标系的生成与转换 （7）测量数据分析与计算 （8）数据的输入、输出 （9）测量数据的可视化,8.5 大型天线安装测量实践,一、天线的基本设计参数及曲面方程1、基本设计 参数抛物环面天线的几何结构如图，M为坐标系xoz中的标准抛物线，F为焦点。抛物环面天线是抛物母线M以R为旋转半径、并绕与其焦轴成2+夹角的轴线（即Z轴）旋转而成的。 主要参数： f（焦距） R（旋转半径） （偏转角，天线的生成轴与波束辐射方向之间的夹角）。2. 曲面方程,8.5 大型天线安装测量实践,二、安装测量所用坐标系及其相互关系1、设计坐标系和结构坐标系设计坐标系： O-
13、XYZ是抛物母线M所在的坐标系，用以描述天线的辐射特性，将其定义为设计坐标系。 结构坐标系：坐标系O-XYZ是天线结构设计的坐标系，在该坐标系中其数学模型和几何特征比较简单，定义为结构坐标系，与设计坐标系的关系如下（式中为偏转角）：,8.5 大型天线安装测量实践,二、安装测量所用坐标系及其相互关系2、施工坐标系 施工坐标系OS-XSYSZS服务于天线的现场施工，如图，施工坐标系的原点OS为设计给定，可在实地选出，XSOSYS平面为水平面，ZS为铅垂线的反方向，XS方向为天线中心波束的指向在水平面的投影，YS轴与XS垂直并按右手坐标系定出。 该坐标系主要用于放样馈源楼、测量墩及天线座架基础等土建
14、施工工作。,8.5 大型天线安装测量实践,二、安装测量所用坐标系及其相互关系3、设计坐标系的工作姿态 在工作姿态下，天线的设计坐标系的原点为V，X轴（焦轴）的大地方位角为A，俯仰角（焦轴与水平面的夹角）为 ，姿态倾斜角（Y轴与水平面的夹角）为。,8.5 大型天线安装测量实践,二、安装测量所用坐标系及其相互关系 与施工坐标系的关系：在工作姿态下，天线原点V在施工坐标系下的坐标为（XV、YV、ZV）,将施工坐标系平移到V点后，按坐标转换方法可以将施工坐标系转换到天线的工作姿态下：(1)绕YS轴旋转 使XS与X轴重合；(2)绕X轴旋转 使YS与Y轴重合。,8.5 大型天线安装测量实践,二、安装测量所用坐标系及其相互关系 测量坐标系是建立天线施工控制网而采用的坐标系，其原点OC可以任意选取，XCOCYC平面为水平面，ZC为铅垂线的反方向，XC方向为真北方向，YC轴与XC垂直并按左手坐标系定义定出。与施工坐标系的关系如图8-60所示，公式为：,
