激光跟踪仪测量精度的评定

1、激光跟踪仪概述

近年来，在精密制造、装配及检测等工业测量和精密工程测量领域，激光跟踪仪以其测量速度快、精度高、测量范围大的优点得到了广泛应用，被称为移动的三坐标测量机。其基本原理是极坐标法，通过测量目标的水平角、垂直角及斜距，建立以测站为ZX的极坐标系。其精度主要是由测距保证的，因为斜距利用激光干涉原理测量。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眼踪头的转动，从而实现跟踪测量，使操作者无需进行繁琐的目标瞄准，提高了测量的效率。

采用激光跟踪仪测量有两种测量方式：一是单站测量，仪器不动，测量所有目标，其标准测量半径为35m;二是转站测量(通常称为蛙跳)，完成一次测量任务需要多次移动仪器的位置，其优点是可以避免外界环境的影响，改善通视条件。一般通过对3个以上的定向点测量，利用光束法平差原理建立起相邻站之间的姿态、定向关系，同时实现仪器测量范围的较大扩展，也可避免测量精度随距离增大而快速下降。

无论采用单站或转站测量，都需要对仪器的测量精度进行正确的评定。由于仪器受外界及自身的各种因素影响较大，有必要在现场确定仪器的实际测量精度，本文将就精度评定的若干问题进行讨论，供激光跟踪仪测量工作者参考。

2、影响激光跟踪仪测量精度的因素

影响激光跟踪仪测量精度的因素主要来自外界环境和仪器自身。由于仪器的高度自动化，对操作者经验、技巧的要求大为降低，但也需要正确操作。

2.1外界环境

外界环境包括温度变化、温度梯度、大气抖动、外界振动、仪器支架和被测物的稳定性等。不同环境下得到的测量结果可能大相径庭，在高精度测量中必须严格控制。

(1)温度、气压和湿度等气象条件会影响大气折射率，温度1℃、气压lmmHg及40℃时40%的相对湿度变化会引起折射率百万分之一的计算误差，从而影响距离测量的精度。

(2)激光光路方向上的温度梯度、大气抖动会影响光的方向，使得角度测量误差增大。

(3)外界的振动会导致粗差的出现及仪器和被测物相对位置的缓慢变化。

(4)仪器和支架的不稳定将导致测量精度的严重下降。

2.2仪器

仪器本身由很多电子元件组成，它们的散热会导致仪器结构随时间而产生细微变化。而且激光频率也会随时间发生漂移，在刚开机预热后的一段时间内非常明显。

激光跟踪仪包括两个度盘及各种反射光路组成的测角系统、激光干涉测距系统及各种复杂的马达、反馈系统。仪器的加工装配误差、运输及外界环境的变化都会造成光路的改变及轴系关系的变化，影响仪器的性能。

为保证仪器的稳定性，配套软件应提供自校准程序。在软件中存在着包含各种误差(如度盘偏心、镜轴倾斜、轴系倾斜等)参数的数学模型，通过特定的校准步骤，计算出误差值，对测量结果进行补偿。校准结果受实际条件影响较大。

2.3操作

激光跟踪仪的操作不仅是会使用仪器，而且应能够根据测量任务的具体情况，选择合适的方案，并采取措施使得仪器自身及外界因素对测量结果的影响Z小。

3、激光跟踪仪精度评定方法

精度评定方法有两种：比对法和统计分析法。比对法是将测量结果和更精确的仪器或标准进行比较的方法;统计分析法是根据概率及统计学原理，利用误差传播定律估计测量精度的方法。二者在激光跟踪仪精度评定中均有所应用。

3.1比对法

比对法是激光跟踪仪精度评定中Z常用的方法，常用的标准物有标准尺、“球杆”等。

标准尺采用膨胀系数非常低的锢瓦合金或碳纤维制造，其长度一般在2m以内，精确尺寸由生产厂家或计量单位的精密测长设备给出。用仪器测量标准尺的长度和尺长比较，在一定程度上，差值可以反映仪器的测量精度。

球杆能够产生一个精确定义的圆，其原理是：在一个平面内，物体绕一点作固定半径的转动时，其运动轨迹是圆。球杆通过马达驱动，反射球的轨迹将是一个标准圆。由于仪器的测量误差，反射球的轨迹将不再是一个圆，可通过圆拟合的方法，计算拟合误差，根据误差情况，可用于检验仪器的精度或修正仪器参数。

此外，还有其它一些标准物，如步距轨、标准平面、标准圆柱等，由于现场使用不便，本文不做介绍。除了标准物外，两面测量也是一种非常好的精度评定办法。度盘在两面测量同一个目标时，其测量值之和应等于360°'差值反映仪器的轴系误差。FARO和API仅利用若干点的两面测量即可完成仪器的现场检查和校准，LEICA采用两面测量和球杆相结合进行上述工作。

从精度评定的角度来说，激光跟踪仪的激光干涉测距技术是一个国际认可的长度标准，在一定程度上可替代标准尺。

3.2统计分析法

比对法中的各种办法可以比较直观的给出仪器的测量精度，但是对于激光跟踪仪来说，由于其测量范围非常大，比较法给出的仪器精度是局部、片面的信息。统计分析法则可以给出较为全面的信息，基本思路是：利用一系列空间点形成一个相对位置关系确定、但参数未知的标准空间参考系统。

利用跟踪仪从不同位置对该空间系统进行测量，在合理的测量布置下，获得两组信息：一是空间点的相对位置关系及其测量精度，二是仪器之间的相对位置。测量精度信息反映了各种因素的影响，可以评定激光跟踪仪的测量精度，对精度的分析是建立在均方根误差或方差等统计值之上，故称之为统计分析法，该方法可较为实际的反映仪器在空间范围内的测量精度情况。从仪器操作的角度来看，该方法是利用转站测量评定仪器的精度。由于空间点的数目、相对位置关系、仪器设站次数等均会影响结果，所以应根据实际测量情况布设空间点及仪器位置。

相对于比对法来说，统计分析法给出的精度信息非常综合，但提供的只是仪器的验后精度，无法为测量提供验前信息及指导。二者各有利弊，所以在实际工作中可结合使用，根据要求灵活掌握，给出正确的精度评定。

4、结束语

激光跟踪仪测量精度的正确评定会影响测量方案的制定、仪器的选购及使用中仪器所能达到的实际测量精度。本文比较系统的阐述了用于激光眼踪仪的各种精度评定方法，希望能对广大仪器使用者提供一定的参考和指导。