無反射棱鏡電子全站儀的應(yīng)用

李 鵬

新疆維吾爾自治區(qū)特種設(shè)備檢驗(yàn)研究院，新疆 烏魯木齊 830011

電子全站儀把無反射棱鏡測距功能融入了傳統(tǒng)全站儀，無反射棱鏡全站儀可以實(shí)現(xiàn)無反射棱鏡測距，且精度都較高，給測量工作帶來了很大方便。

一、測距原理和測距結(jié)構(gòu)

光照射到物體表面自然會發(fā)生漫反射，無反射棱鏡全站儀測距就是利用這一原理，變測量距離為測量時(shí)間。如果光以速度v在空氣中傳播，在A、B兩點(diǎn)間往返一次所需時(shí)間為t，則A、B兩點(diǎn)間距離D可用下列式子表示：

式中：D—測站點(diǎn)A、B兩點(diǎn)間距離；

v—光在大氣中傳播的速度；

t—光往返A(chǔ)、B一次所需的時(shí)間。

由上式可知，要測量A、B距離實(shí)際上是要測量光傳播的時(shí)間t，根據(jù)測量時(shí)間方法的不同，激光測距通常可分為脈沖式和相位式兩種。

二、無反射棱鏡電子全站儀的特點(diǎn)

1.降低勞動(dòng)強(qiáng)度，使用效率高

使用無反射棱鏡全站儀最大的優(yōu)勢在于不需要接觸被測點(diǎn)，就可獲得被測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，作業(yè)強(qiáng)度和危險(xiǎn)性大大降低。此外，還提供了可見激光的無反射棱鏡方式。可見激光光束可以作為指向器使用，即可根據(jù)光斑的位置確定測量位置。利用這一特性，就可以節(jié)約測量時(shí)間，降低勞動(dòng)強(qiáng)度。

2.測距速度快，測程較遠(yuǎn)

無反射棱鏡電子全站儀的激光返回并示值的時(shí)間一般在2～3s，遠(yuǎn)比現(xiàn)有的掌上型激光測距儀要快，減輕了檢驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度，提高了工作效率。

不同顏色的目標(biāo)對全站儀的最大測程有影響但不大，無棱鏡模式下測量，最大斜距測程可以滿足對起重機(jī)械檢測的測量要求，不受距離限制。如SOKKIA SET1130R電子全站儀最大斜距測程可達(dá)599.999m。

圖1 橋門式起重機(jī)主梁上拱度測定

三、無反射棱鏡電子全站儀在起重機(jī)械檢測中應(yīng)用

1.在橋門式起重機(jī)主梁上拱度及靜剛度檢測中的應(yīng)用

通常在起重機(jī)主梁檢測上拱度的方法有鋼絲檢測法、水準(zhǔn)儀檢測法等。其中利用鋼絲檢測法測量拱度，兩名操作人員在起重機(jī)上高空配合作業(yè)。水準(zhǔn)儀檢測法也需要兩個(gè)人配合作業(yè)并且人為誤差較大。測量靜剛度時(shí)，一名人員爬上起重機(jī)利用磁鐵固定卷尺一端，倒掛鋼卷尺，吊載時(shí)利用水準(zhǔn)儀觀察記錄刻度變化值，即為靜剛度值。

利用無棱鏡電子全站儀對橋門式起重機(jī)主梁上拱度及靜剛度進(jìn)行檢測，可降低檢驗(yàn)人員高空檢驗(yàn)作業(yè)的危險(xiǎn)性，同時(shí)還可避免測量基準(zhǔn)點(diǎn)變化時(shí)測量數(shù)據(jù)如何處理的問題，檢測方法快捷，提高工作效率。

圖1為橋門式起重機(jī)主梁上拱度測量現(xiàn)場示意圖，在主梁上各測量點(diǎn)安置電子全站儀，依次測定P1，P2，P3，P4，P5點(diǎn)的三維坐標(biāo)，其Z坐標(biāo)值的變化即反映梁的上拱度。記錄Z1，Z2，Z3，Z4，Z5值，通過Z坐標(biāo)各點(diǎn)的相對變化量可算出主梁的拱度值。

測量靜剛度時(shí)，吊鉤行至主梁中間位置，起吊額定載荷重物。電子全站儀測量主梁中間點(diǎn)吊載前后Z坐標(biāo)值的變化量，即可記錄靜剛度試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

現(xiàn)場對跨度為22.5m的通用橋式起重機(jī)一主梁進(jìn)行拱度測量時(shí)，對傳統(tǒng)的鋼絲檢測法和電子全站儀檢測法進(jìn)行比對試驗(yàn)。采用鋼絲檢測法時(shí)，兩端使用100mm的墊塊，中間取三點(diǎn)測量鋼絲到上蓋板的垂直距離，計(jì)算拱度值時(shí)，應(yīng)考慮鋼絲自重修正值6mm；采用電子全站儀檢測法時(shí)以此測量對應(yīng)點(diǎn)的下蓋板標(biāo)高，測量數(shù)值見表1。從拱度計(jì)算值看，兩種方法檢測結(jié)果差值符合測量要求。

表1 拱度測量點(diǎn)數(shù)值 /mm

2.在塔式起重機(jī)垂直度測量中的應(yīng)用

通常塔式起重機(jī)垂直度測量的常用方法是經(jīng)緯儀垂直投影法，該方法一測站只能觀測出塔式起重機(jī)在一個(gè)方向的傾斜量，要想觀測塔式起重機(jī)在另外一個(gè)方向的傾斜量，還必須再搬動(dòng)儀器重新定點(diǎn)觀測。利用無反射棱鏡電子全站儀嘗試一種塔式起重機(jī)垂直度測量的方法，它能在一個(gè)測站上同時(shí)觀察并測算兩個(gè)方向的傾斜量。

在觀測視野開闊處安置電子全站儀，首先建立獨(dú)立的大地坐標(biāo)系（測站儀器的縱軸—鉛垂線方向?yàn)閆軸方向），并使X軸方向大致與塔身的一個(gè)側(cè)面相平行，分別測定塔身兩側(cè)面交線的最上（A）和最下（B）兩點(diǎn)的三維大地坐標(biāo)。然后，將坐標(biāo)軸進(jìn)行平移和旋轉(zhuǎn)，將坐標(biāo)原點(diǎn)移至交線B點(diǎn)，旋轉(zhuǎn)軸使與塔身正對的側(cè)面平行，稱之為獨(dú)立坐標(biāo)系。這樣，獨(dú)立坐標(biāo)系中A、B兩點(diǎn)的三維坐標(biāo)即可測出。

當(dāng)塔機(jī)大臂正下方投影移至全站儀正對的面時(shí)A、B兩點(diǎn)的Y坐標(biāo)值即反映塔式起重機(jī)正對面的垂直度；當(dāng)塔機(jī)大臂正下方投影移至另外一對面時(shí)A、B兩點(diǎn)的X坐標(biāo)值即反映塔式起重機(jī)另一面的垂直度。實(shí)際測量中，與經(jīng)緯儀垂直投影法比對，測量結(jié)果基本吻 合。

四、應(yīng)用的注意事項(xiàng)

無反射棱鏡測量目標(biāo)表面的理想狀態(tài)是顏色應(yīng)為白色或棕色，起重機(jī)械工作環(huán)境較復(fù)雜，為保證測量精度，測量時(shí)應(yīng)注意幾點(diǎn)問題。

（1）若目標(biāo)與其背景之間的反差很小，當(dāng)反射信號很弱時(shí)，測量誤差會增大。

（2）目標(biāo)附近的其他物體表面會影響測量結(jié)果的真實(shí)性。

（3）在視準(zhǔn)線附近不應(yīng)有其他帶色的光或反射物（不管在目標(biāo)的前方還是后方）。

（4）測量光亮或潮濕的表面或是表面的邊緣、拐角要注意考慮到激光點(diǎn)的尺寸、瞄準(zhǔn)位置、瞄準(zhǔn)角度等因素。

（5）測量光束與反射表面的角度也是影響測量結(jié)果的重要因素之一，如同測距儀棱鏡，當(dāng)棱鏡正對儀器時(shí)，返回的信號最大，測量結(jié)果也就最準(zhǔn)確；當(dāng)反射表面與測量光束有一定的入射角時(shí)，返回的信號會有損失，測量結(jié)果會受影響，此入射角大于某個(gè)界限（對TCR儀器來說這個(gè)界限是85°）時(shí)，儀器就不能測距。

五、結(jié)語

電子全站儀功能強(qiáng)大，無棱鏡測距方式是全站儀發(fā)展的方向，文中探索了電子全站儀在起重機(jī)械上拱度及靜剛度檢測、塔式起重機(jī)垂直度檢驗(yàn)中的使用方法，為進(jìn)一步提高測量精度、改善起重機(jī)械檢驗(yàn)質(zhì)量，還可在流動(dòng)式起重機(jī)箱型起重臂直線度、門式起重機(jī)支腿安裝精度、懸臂翹度等方面利用電子全站儀進(jìn)行測量，也可借助全站儀進(jìn)一步開發(fā)起重機(jī)械檢驗(yàn)專用模塊。

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