非標(biāo)準(zhǔn)棱鏡反射裝置測(cè)量精度探討

周亞軍，蔡少云，上官學(xué)帥，岑 超

(1.中交二航局第四工程有限公司，安徽 蕪湖 241060；2.東南大學(xué)，江蘇 南京 211189)

0 引 言

目前，我國(guó)的橋梁建設(shè)快速發(fā)展，在大江大海上出現(xiàn)了多座大跨徑大型橋梁，橋梁的施工工藝也越來越復(fù)雜多樣，其中，短線法預(yù)制節(jié)段梁施工方法有施工工期短、質(zhì)量可控等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在多個(gè)大跨徑橋梁中，如滬通長(zhǎng)江大橋、崇啟長(zhǎng)江大橋等。

短線法預(yù)制節(jié)段梁匹配精度要求高，測(cè)量精度控制在1 mm，在預(yù)制生產(chǎn)過程中，為了保證精度，一般采用智能全站儀測(cè)量來控制節(jié)段梁的幾何形狀，由于節(jié)段梁預(yù)制的胎架復(fù)雜性以及梁體預(yù)制過程中的動(dòng)態(tài)性，工廠化生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)棱鏡反射裝置在架設(shè)、功能和精度上不能滿足要求，為此需要設(shè)計(jì)和定制適合現(xiàn)場(chǎng)預(yù)制環(huán)境、便于測(cè)量和滿足精度的非標(biāo)準(zhǔn)棱鏡反射裝置[1-2]。

1 智能化全站儀目標(biāo)識(shí)別原理

智能全站儀自動(dòng)識(shí)別照準(zhǔn)測(cè)量技術(shù)(Automatic Target Recognition簡(jiǎn)稱ATR)[3]是反射棱鏡的搜索、照準(zhǔn)和測(cè)量過程。在人為干預(yù)下全站儀粗略照準(zhǔn)棱鏡后開始螺旋式或矩形式棱鏡搜索。當(dāng)棱鏡的光斑出現(xiàn)在視場(chǎng)，停止搜索，進(jìn)入照準(zhǔn)狀態(tài)，通過圖像處理技術(shù)計(jì)算望遠(yuǎn)鏡十字絲中心與反射棱鏡中心的水平和垂直偏差量，同時(shí)驅(qū)動(dòng)望遠(yuǎn)鏡轉(zhuǎn)向棱鏡中心直致中心偏差在預(yù)定限差范圍內(nèi)開始測(cè)量過程。主動(dòng)式發(fā)射激光束并接受反射棱鏡的回程光束確定角度剩余偏差值和距離，從而獲取反射棱鏡點(diǎn)的3D位置關(guān)系。

2 棱鏡制作工藝

常用的反射棱鏡是沿玻璃立方體對(duì)角線的垂直面切割形成直角錐體，通過研磨、拋光和直角面鍍反射層和入射面鍍?cè)鐾笇佣纬芍苯欠瓷淅忡R，如圖1(a)所示。

圖1 直角反射棱鏡

根據(jù)反射棱鏡入射光經(jīng)過棱鏡內(nèi)3個(gè)直角面全反射形成出射光的平行特點(diǎn)，按照光線垂直入射時(shí)具有反射面積最大的特性，OA′、OB′、OC′為棱鏡3條邊OA、OB、OC在對(duì)面直角面的成像，其重疊部分為棱鏡的有效反射面積，如圖1(b)和圖1(c)所示，有效反射面積計(jì)算公式：

(1)

式中，S0為有效反射面積，a為直角錐體的邊長(zhǎng)[4]。

3 非標(biāo)準(zhǔn)棱鏡反射裝置組成結(jié)構(gòu)和誤差源分析

非標(biāo)準(zhǔn)棱鏡反射裝置由對(duì)點(diǎn)聯(lián)接件、棱鏡框和棱鏡三部分組成，影響測(cè)量精度的因素有對(duì)點(diǎn)聯(lián)接件的對(duì)中誤差，鏡框制作、棱鏡制作、作業(yè)環(huán)境等。

3.1 對(duì)點(diǎn)聯(lián)接件的對(duì)中誤差

對(duì)點(diǎn)聯(lián)接件有兩種類型。一種如圖2(a)所示，配有圓水準(zhǔn)氣泡或長(zhǎng)水準(zhǔn)管氣泡，用以保證對(duì)點(diǎn)聯(lián)接件鉛垂，對(duì)中誤差計(jì)算公式：

Δ=h·sin(θ)

(2)

式中，h為棱鏡中心到測(cè)點(diǎn)的距離，θ為氣泡的精度。另一種不需要?dú)馀菔箤?duì)中聯(lián)接件保持鉛垂，可通過幾何關(guān)系推算出結(jié)構(gòu)物特征點(diǎn)的三維坐標(biāo)，如圖2(b)所示；也可將對(duì)中聯(lián)結(jié)件機(jī)械加工后，將棱鏡中心作為構(gòu)造物的一個(gè)特征點(diǎn)考慮，如圖2(c)所示，由于機(jī)械加工精度一般可達(dá)到0.05 mm以內(nèi)，所以圖2(c)對(duì)點(diǎn)聯(lián)接件具有很高的精度且穩(wěn)定性好，能夠適應(yīng)構(gòu)造物的動(dòng)態(tài)高精度測(cè)量。

圖2 對(duì)中聯(lián)接件類型

3.2 棱鏡框制作

棱鏡框采用機(jī)械精加工制作，與棱鏡和對(duì)點(diǎn)聯(lián)接件的配合度可以達(dá)到0.05 mm精度；棱鏡框外表面鍍?nèi)醴瓷渫繉?，以消除?duì)ATR的干擾。

3.3 棱鏡制作和操作不當(dāng)引起的誤差

棱鏡制作和操作不當(dāng)引起的誤差來源有：棱鏡錐體直角面誤差、玻璃折射率誤差、有效反射面積大小、入射光入射角度偏差以及測(cè)量環(huán)境。

3.3.1 棱鏡錐體直角面誤差

棱鏡錐體的三面直角誤差是影響反射光發(fā)散角的主要因素，棱鏡制作時(shí)，要求3個(gè)直角面相互垂直，以保證光路入射光線和反射光線的絕對(duì)平行。三面直角誤差引起的反射光線發(fā)散角計(jì)算公式：

(3)

式中，n為玻璃折射率[1]，δ12、δ13、δ23為棱鏡直角面的直角誤差。發(fā)散弧長(zhǎng)計(jì)算公式：

S1=D·sin(θf)

(4)

式中，D為距離，θf為反射光線發(fā)散角。棱鏡按直角誤差分±2″、±5″和±10″3個(gè)級(jí)別。

3.3.2 光學(xué)玻璃折射率誤差

光學(xué)玻璃中的氣泡和雜物含量是影響折射率的主要因素，折射率偏差級(jí)別和偏差值是基于ISO 12123，不同等級(jí)Step1～Step3折射率誤差為0.000 1至0.000 5之間[2]，折射率誤差可以引起入射光線在棱鏡內(nèi)部的光程差。光程計(jì)算公式：

(5)

式中，n為折射率，a為棱鏡直角邊長(zhǎng)，i為入射角[4]。

3.3.3 棱鏡有效反射面積

棱鏡有效反射面積是影響智能全站儀ATR測(cè)程的主要因素，棱鏡制作時(shí),應(yīng)充分考慮實(shí)施的測(cè)程來設(shè)計(jì)棱鏡規(guī)格。ATR測(cè)程與棱鏡有效反射面積大小成近似正比關(guān)系，如表1實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示。

表1 棱鏡有效反射面積與ATR最大測(cè)程關(guān)系

3.3.4 不同入射角度對(duì)測(cè)量精度的影響

作業(yè)時(shí)，應(yīng)保證棱鏡正對(duì)儀器，使棱鏡面垂直入射光線。當(dāng)入射角過大時(shí)，棱鏡影像不能被完整識(shí)別或影像糾正過大(錐體中心介于視線邊緣)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果偏差，嚴(yán)重時(shí)，甚至無法施測(cè)，如表2實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所示。

表2 不同入射角對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響

3.4 作業(yè)環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響

ATR的測(cè)量精度，受視線范圍內(nèi)水汽、灰塵、反射信號(hào)強(qiáng)弱以及多棱鏡干擾等多重因素制約。

4 工程實(shí)例

4.1 工程概況

某橋梁工程上部結(jié)構(gòu)主梁為連續(xù)梁，施工工藝為：工廠短線法預(yù)制節(jié)段梁，橋位懸掛拼裝。施工時(shí)，需要在預(yù)制廠采集大量的節(jié)段梁線形數(shù)據(jù)，為提高工效，開發(fā)了“預(yù)制節(jié)段梁測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)”，系統(tǒng)設(shè)計(jì)測(cè)量精度不大于1 mm。

如圖3所示，系統(tǒng)由徠卡TS60智能全站儀、控制軟件、4G通信模塊以及非標(biāo)準(zhǔn)棱鏡反射裝置四部分組成，非標(biāo)準(zhǔn)棱鏡反射裝置是系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

圖3 預(yù)制節(jié)段梁測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)

4.2 非標(biāo)準(zhǔn)反射裝置研制

“預(yù)制節(jié)段梁測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)”作業(yè)環(huán)境為一個(gè)封閉空間，如圖4所示。

圖4 預(yù)制節(jié)段梁施工環(huán)境

作業(yè)時(shí)，需要15個(gè)反射裝置配合智能全站儀完成數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集工作。綜合節(jié)段梁預(yù)制工藝[5]和文中分析，確定非標(biāo)準(zhǔn)棱鏡反射裝置結(jié)構(gòu)如圖5所示，具體如下：

(1)對(duì)點(diǎn)方式采用以棱鏡中心作為構(gòu)造物特征點(diǎn)的形式，解決了連續(xù)、自動(dòng)化觀測(cè)動(dòng)態(tài)節(jié)段梁時(shí)，反射裝置整平問題。

加工如圖5(a)所示棱鏡桿和如圖5(b)所示套筒(長(zhǎng)度38 mm)，相互配合度偏差不大于0.05 mm，使用時(shí)，在節(jié)段梁上預(yù)埋套筒，需要測(cè)量時(shí)，將棱鏡桿放入套筒內(nèi)即可。另外，需要配套加工防塵帽和恢復(fù)帽，防塵帽是防止施工過程中，有雜物進(jìn)入埋設(shè)的套筒；恢復(fù)帽是橋位安裝時(shí)，由于通視原因采用其他棱鏡反射裝置時(shí)，用以恢復(fù)棱鏡中心位置。

圖5 非標(biāo)準(zhǔn)棱鏡反射裝置

(2)系統(tǒng)最大測(cè)程40 m,考慮封閉的作業(yè)空間能見度差、砼水化熱導(dǎo)致節(jié)段梁表面形成霧汽層、砼養(yǎng)護(hù)用水形成局部水域后有鏡面反射等因素對(duì)全站儀ATR精度的影響，棱鏡選用2″級(jí)反射棱鏡，棱鏡直角邊長(zhǎng)0.021 m,有效反射面積0.000 127 m2,鏡高從原設(shè)計(jì)15 mm優(yōu)化到50 mm，如圖5(a)所示。

(3)鏡框采用機(jī)械精加工制作。棱鏡框外表面鍍層采用不反射桔黃色涂料，消除拋光面對(duì)智能全站儀 ATR的干擾，如圖5(a)所示。

(4)全站儀ATR技術(shù)對(duì)測(cè)量視窗內(nèi)的兩個(gè)棱鏡最小橫向間距有要求，當(dāng)兩個(gè)以上反射棱鏡近似共線時(shí)，會(huì)出現(xiàn)只能識(shí)別其中一個(gè)棱鏡或者將兩棱鏡識(shí)別為一個(gè)虛擬位置棱鏡，從而導(dǎo)致測(cè)量錯(cuò)誤。如圖3所示，測(cè)站設(shè)于中軸線上的測(cè)量塔，通過中軸線測(cè)點(diǎn)布設(shè)錯(cuò)位10 cm，邊線上測(cè)點(diǎn)共線布設(shè)，避免了該類情況的發(fā)生。

4.3 非標(biāo)準(zhǔn)反射裝置精度檢驗(yàn)

為檢驗(yàn)非標(biāo)準(zhǔn)反射裝置的使用精度，在模擬施工作業(yè)環(huán)境中，對(duì)該裝置的對(duì)中精度、不同套裝置間重復(fù)測(cè)量精度進(jìn)行了檢驗(yàn)。

(1)對(duì)中精度檢驗(yàn)

(2)不同套裝置間重復(fù)測(cè)量精度檢驗(yàn)

采用電腦PC端控制的全站儀，設(shè)站于觀測(cè)塔，對(duì)節(jié)段梁頂面同一個(gè)測(cè)點(diǎn)，依次放置非標(biāo)準(zhǔn)反射棱鏡裝置進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量成果如表3所示。

表3 非標(biāo)準(zhǔn)反射裝置測(cè)試成果

5 結(jié) 語

本文介紹了智能全站儀ATR原理，詳細(xì)分析了非標(biāo)準(zhǔn)反射棱鏡裝置測(cè)量誤差來源，結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際情況，研制了適合“預(yù)制節(jié)段梁測(cè)量數(shù)據(jù)自動(dòng)化采集系統(tǒng)”的非標(biāo)準(zhǔn)反射棱鏡裝置，滿足系統(tǒng)測(cè)量精度不大于1 mm的要求，具有較大的推廣價(jià)值。得出幾點(diǎn)體會(huì)如下：

(1)研制非標(biāo)準(zhǔn)反射棱鏡裝置，既要考慮測(cè)量精度要求，選擇合適的棱鏡規(guī)格和鏡框樣式，又要結(jié)合構(gòu)造物的特點(diǎn)，選擇合適的對(duì)點(diǎn)方式，功能和精度兩個(gè)方面都要滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

(2)要充分了解作業(yè)環(huán)境和儀器性能，通過具體措施解決個(gè)性化的問題，如增加棱鏡高度減弱水體鏡面反射等不良外界條件對(duì)測(cè)量精度的影響，通過改變測(cè)點(diǎn)布設(shè)形式，解決測(cè)量視窗內(nèi)多棱鏡干擾的問題。

(3)裝置使用前，需要對(duì)操作人員進(jìn)行必要的培訓(xùn)，避免操作不當(dāng)造成測(cè)量精度降低。