淺析現代精密測量技術現狀及發展

麻中耀 張晨暉

摘 要：：對現代工程的測量，由于工程對多種技術指標的要求越來越多，所以對于測量工作也有了更多要求，需要現代精密測量技術來進行精度更高的測量工作。本文對現代精密測量技術的現狀以及發展進行了探討，希望能為業界同行提供參考。

關鍵詞：現代工程；精密測量；現狀與發展

1 引言

隨著現代工業的快速發展，在相關的制造技術以及科學研究中，精密測量儀器的發展更趨向于智能性和精密性。作為一個重要的發展目標，每個國家都在微米/納米方向的測量技術進行了廣泛的應用和研究。坐標測量機代表了上述發展趨勢，能夠高精度地測量制造中所有三維復雜零件的形狀、尺寸和相互位置。測量在生產制造工作中越來越廣泛的應用，同時，在生產制造的過程中，精確測量的數據也應用于計算機化以及智能應用。在此前提下，對現代精密測量的數據要求已經不單單是實驗室中測量報告那么簡單，而是制造過程的實時動態和視覺跟蹤分析。

現代精密測量技術作為一門集多種技術于一體的綜合技術，不僅包括光學、傳感器和計算機技術，同時還包括電子、圖像以及制造技術等，與很多學科領域都有密切的聯系，該技術的發展離不開這些相關技術的支持。在如今的現代制造工業以及科學研究的相關技術中，現代測量技術使用到的儀器在發展趨勢上有著精密、智能和集成的特征。這種精密儀器的典型代表就是三坐標測量機，其很好的適應了以上闡述的發展趨勢，這種儀器基本上能夠精確測量生產制造中需要的數據。另外，現在精密測量技術作為國際上技術發展的關鍵目標，許多國家都對其在微米/納米領域的測量技術進行了深入的研究。

2 現代精密測量技術

（1）微米/納米級的精密測量技術

精密測量技術從毫米發展到微米/納米級的小領域。微米/納米技術具有研究和檢測從微米到納米尺度的物質結構、大小和分辨率的功能，幫助人類在自然轉化中侵入原子和分子納米尺度。具有微米和納米測量精度的幾何和表面形貌測量技術和設備，例如HP 5528雙頻激光干涉儀系統等已經很成熟[1]。

（2）接觸式傳感技術（三維精密）

三維精密探針用作檢測期間傳輸信號的裝置，測量結果在可靠性以及準確性等方面，在一定程度上取決于其測量精度的高低。按照微觀測量原理以及過零信號的觸發機制的區別，可以分為兩種類型：接觸探針和非接觸探針。

接觸探針進一步分為觸發探針和掃描探針。根據圖1可以看出，觸發探針的原理是在檢測期間產生切換信號，此時，控制系統鎖存光柵計數器數據并將該信號發送給軟件[2]。

由于操作原理的限制，這種探針原則上還會導致復雜表面測量中的系統誤差。當觸測復雜表面時，在接觸測試的法線方向和輪廓接觸點的法線方向上必然存在觸測角。

（3）非接觸式傳感技術（三維精密）

按照操作原理的區別，光學三維測量技術能夠分為幾個不同的類別，包括攝影測量、飛行時間、三角測量和投影光柵等。就深度分辨率來說，這類技術已經涵蓋了廣泛的研究應用領域，從大規模3D地形測量到精細結構研究。在高精度3D檢測領域，重點是激光干涉的應用集成（見圖2）和共聚焦原理。

（4）圖像識別測量技術

如今科學技術在快速的發展，形狀以及幾何尺寸的測量已經從宏觀物體發展到微觀視圖，從一維等簡單的形狀發展到復雜的三維形體。由于待測物體的圖像包含大量信息，因此精確的圖像識別測量是測量技術中的關鍵問題。圖像的識別測量處理包括圖像信息的獲取、特征提取和圖像信息的處理等。計算機和相關計算技術完成信息的處理和確定，包括各種識別模型和數學統計。圖像測量系統通常具有以下結構（如圖3）。基于機械系統，線陣列、全息系統和面陣電荷耦合器件構成相機系統[3]。

（5）全球定位系統測量法

GPS是如今廣泛使用的全球領先的信息定位系統。就衛星信號來說，GPS接收器有著一樣的誤差，在這種情況下，基線側通常較短，不超過5千米，并且相關的測量范圍較小。例如，使用差分分辨計算電離層折射誤差等，發生的誤差可能會相互抵消。成功的高精度觀測需要精心的方案設計以及觀測設計。

通過使用GPS系統，可以對一整天實現觀察的目的，并且可以實現更高強度的自動化。GPS系統數據單向系統，即無論外界天氣如何，都可以做到全天候觀測的要求，并且用戶只需要接收GPS衛星發送的信號。另外，GPS系統還具有計算機化程度高、操作方便等特點。借助計算機，還能夠自動完成信號的內部處理，可以廣泛使用和大范圍的傳播。

3 現代精密測量所使用的儀器

為了全方位提高精度測量的技術水平，常用于實際測量操作的精密測量儀器主要含有激光跟蹤儀、液位計、檢測機器人、電子全站儀、激光掃描儀、多傳感器集成等各類測繪系統和GPS接收機等。

中國目前的高速鐵路軌道測量系統通常是由激光測距部分、傳感系統、激光掃描儀和測量機器人組成，完成了鐵路軌道部分的自動測量。在各種測量任務中，使用專業設備可以有效提高精密測量的可靠性，進而為現代精密測量提供牢固的基礎[4]。

4 現代精密測量的現狀

現代制造工藝以及精密測量的結合增加了對硬件架構的要求。結構傳輸系統設計、數字控制驅動、傳感器組件、軟件分析等不同的部分綜合確定了測量系統的精度指標和應用要求。坐標的測量系統在類型方面存在區別，根據獲取三維尺寸數據以及尺寸方面的控制性能和應用的能力，測量系統一般能夠分成現場型和實驗室型兩類。

實驗室中使用的測量系統主要是結構形式以及運動關系的移動橋梁的測量系統與固定的測量系統。從圖4可以看出，移動橋這類的結構使用的是可移動的橋基，能夠沿著固定好的工作平臺移動，結構上也比較簡單，開放性極佳。將工件放在固定工作臺上，不影響測量機的轉速，受基礎的影響整體上說比較小，適用于大部分加工零件的幾何公差檢測。然而，由于光柵尺和驅動部分布置在工作臺的一側，因此發生大的阿貝誤差。因為工業要求的提高，對測量系統的整體穩定性的要求也大大提高。

5 現代精密測量技術的發展

從技術理論體系的角度來看，建立標準化系統和量化測量的不確定性能夠在一定程度上增加測量技術的可靠程度。理論價值以及應用價值的重要問題是：測量技術原理和技術理論新思維的創新性研究；測量技術的基礎原理研究以及應用方面的研究；對高速坐標測量機進行的誤差抑制方面的研究；微系統測控技術，有關材料的特性的測試，亞微米等級圖像測量系統的開發；對表面結構方面進行分析處理系統的研究。

從完成理論維度的改進，再到結構的實現過程，制造技術可分為硬件、軟件和信息技術。在精密測量技術方面，測量技術發展也朝著更加高的精度、可靠性和更廣泛的環境適應性、更快的速度和更多的檢測技術方向發展。隨著測量分辨率的逐漸的提高，精度從μm級發展到nm級。從點測量到表面測量的過渡提高了整體的測量精度，即從精確的長度測量到精確的形狀測量[5]。

6 結束語

科學技術在快速的發展，其中現代精密測量技術又是其中比較有活力的，其測量數據的可靠性會對工程的質量產生重要的影響，同時，現代精密測量技術的發展對現代制造業的發展也有著重要的意義。現代精密測量作為現代先進制造業發展的重要基礎，在智能制造中充當了眼睛的作用，它顯著提升了生產的效率，同時降低了生產制造的成本，間接的促進了人類文明和社會的進步。在現代制造業信息化的條件下，精密測量是現代制造的先進技術，精密測量的技術方法和設備在先進制造或先進的新發展趨勢的基礎上不斷進步，為先進制造業的智能化發展提供支持。

參考文獻

[1]司國斌，張艷.精密超精密加工及現代精密測量技術[J].機械研究與應用，2006，19（1）：15-18.

[2]李曉華，王衛華，趙建才，等.現代精密工程測量技術及新進展[C]// 全國測繪科技信息交流會暨信息網成立30周年慶典.2007.

[3]陳永強.高校精密測量技術實訓中心建設實踐與探索[J].吉林工程技術師范學院學報，2016，32（3）：16-18.

[4]周建林.高速鐵路精密工程測量技術標準的研究與應用[J].城市建設理論研究：電子版，2016，6（8）.

[5]周菊香.動態測量技術的發展——訪北京長城計量測試技術研究所 總工程師 張力[J].航空精密制造技術，2008，44（3）：24-25.