浅析现代精密测量技术现状及发展

麻中耀 张晨晖

摘 要：：对现代工程的测量，由于工程对多种技术指标的要求越来越多，所以对于测量工作也有了更多要求，需要现代精密测量技术来进行精度更高的测量工作。本文对现代精密测量技术的现状以及发展进行了探讨，希望能为业界同行提供参考。

关键词：现代工程；精密测量；现状与发展

1 引言

随着现代工业的快速发展，在相关的制造技术以及科学研究中，精密测量仪器的发展更趋向于智能性和精密性。作为一个重要的发展目标，每个国家都在微米/纳米方向的测量技术进行了广泛的应用和研究。坐标测量机代表了上述发展趋势，能够高精度地测量制造中所有三维复杂零件的形状、尺寸和相互位置。测量在生产制造工作中越来越广泛的应用，同时，在生产制造的过程中，精确测量的数据也应用于计算机化以及智能应用。在此前提下，对现代精密测量的数据要求已经不单单是实验室中测量报告那么简单，而是制造过程的实时动态和视觉跟踪分析。

现代精密测量技术作为一门集多种技术于一体的综合技术，不仅包括光学、传感器和计算机技术，同时还包括电子、图像以及制造技术等，与很多学科领域都有密切的联系，该技术的发展离不开这些相关技术的支持。在如今的现代制造工业以及科学研究的相关技术中，现代测量技术使用到的仪器在发展趋势上有着精密、智能和集成的特征。这种精密仪器的典型代表就是三坐标测量机，其很好的适应了以上阐述的发展趋势，这种仪器基本上能够精确测量生产制造中需要的数据。另外，现在精密测量技术作为国际上技术发展的关键目标，许多国家都对其在微米/纳米领域的测量技术进行了深入的研究。

2 现代精密测量技术

（1）微米/纳米级的精密测量技术

精密测量技术从毫米发展到微米/纳米级的小领域。微米/纳米技术具有研究和检测从微米到纳米尺度的物质结构、大小和分辨率的功能，帮助人类在自然转化中侵入原子和分子纳米尺度。具有微米和纳米测量精度的几何和表面形貌测量技术和设备，例如HP 5528双频激光干涉仪系统等已经很成熟[1]。

（2）接触式传感技术（三维精密）

三维精密探针用作检测期间传输信号的装置，测量结果在可靠性以及准确性等方面，在一定程度上取决于其测量精度的高低。按照微观测量原理以及过零信号的触发机制的区别，可以分为两种类型：接触探针和非接触探针。

接触探针进一步分为触发探针和扫描探针。根据图1可以看出，触发探针的原理是在检测期间产生切换信号，此时，控制系统锁存光栅计数器数据并将该信号发送给软件[2]。

由于操作原理的限制，这种探针原则上还会导致复杂表面测量中的系统误差。当触测复杂表面时，在接触测试的法线方向和轮廓接触点的法线方向上必然存在触测角。

（3）非接触式传感技术（三维精密）

按照操作原理的区别，光学三维测量技术能够分为几个不同的类别，包括摄影测量、飞行时间、三角测量和投影光栅等。就深度分辨率来说，这类技术已经涵盖了广泛的研究应用领域，从大规模3D地形测量到精细结构研究。在高精度3D检测领域，重点是激光干涉的应用集成（见图2）和共聚焦原理。

（4）图像识别测量技术

如今科学技术在快速的发展，形状以及几何尺寸的测量已经从宏观物体发展到微观视图，从一维等简单的形状发展到复杂的三维形体。由于待测物体的图像包含大量信息，因此精确的图像识别测量是测量技术中的关键问题。图像的识别测量处理包括图像信息的获取、特征提取和图像信息的处理等。计算机和相关计算技术完成信息的处理和确定，包括各种识别模型和数学统计。图像测量系统通常具有以下结构（如图3）。基于机械系统，线阵列、全息系统和面阵电荷耦合器件构成相机系统[3]。

（5）全球定位系统测量法

GPS是如今广泛使用的全球领先的信息定位系统。就卫星信号来说，GPS接收器有着一样的误差，在这种情况下，基线侧通常较短，不超过5千米，并且相关的测量范围较小。例如，使用差分分辨计算电离层折射误差等，发生的误差可能会相互抵消。成功的高精度观测需要精心的方案设计以及观测设计。

通过使用GPS系统，可以对一整天实现观察的目的，并且可以实现更高强度的自动化。GPS系统数据单向系统，即无论外界天气如何，都可以做到全天候观测的要求，并且用户只需要接收GPS卫星发送的信号。另外，GPS系统还具有计算机化程度高、操作方便等特点。借助计算机，还能够自动完成信号的内部处理，可以广泛使用和大范围的传播。

3 现代精密测量所使用的仪器

为了全方位提高精度测量的技术水平，常用于实际测量操作的精密测量仪器主要含有激光跟踪仪、液位计、检测机器人、电子全站仪、激光扫描仪、多传感器集成等各类测绘系统和GPS接收机等。

中国目前的高速铁路轨道测量系统通常是由激光测距部分、传感系统、激光扫描仪和测量机器人组成，完成了铁路轨道部分的自动测量。在各种测量任务中，使用专业设备可以有效提高精密测量的可靠性，进而为现代精密测量提供牢固的基础[4]。

4 现代精密测量的现状

现代制造工艺以及精密测量的结合增加了对硬件架构的要求。结构传输系统设计、数字控制驱动、传感器组件、软件分析等不同的部分综合确定了测量系统的精度指标和应用要求。坐标的测量系统在类型方面存在区别，根据获取三维尺寸数据以及尺寸方面的控制性能和应用的能力，测量系统一般能够分成现场型和实验室型两类。

实验室中使用的测量系统主要是结构形式以及运动关系的移动桥梁的測量系统与固定的测量系统。从图4可以看出，移动桥这类的结构使用的是可移动的桥基，能够沿着固定好的工作平台移动，结构上也比较简单，开放性极佳。将工件放在固定工作台上，不影响测量机的转速，受基础的影响整体上说比较小，适用于大部分加工零件的几何公差检测。然而，由于光栅尺和驱动部分布置在工作台的一侧，因此发生大的阿贝误差。因为工业要求的提高，对测量系统的整体稳定性的要求也大大提高。

5 现代精密测量技术的发展

从技术理论体系的角度来看，建立标准化系统和量化测量的不确定性能够在一定程度上增加测量技术的可靠程度。理论价值以及应用价值的重要问题是：测量技术原理和技术理论新思维的创新性研究；测量技术的基础原理研究以及应用方面的研究；对高速坐标测量机进行的误差抑制方面的研究；微系统测控技术，有关材料的特性的测试，亚微米等级图像测量系统的开发；对表面结构方面进行分析处理系统的研究。

从完成理论维度的改进，再到结构的实现过程，制造技术可分为硬件、软件和信息技术。在精密测量技术方面，测量技术发展也朝着更加高的精度、可靠性和更广泛的环境适应性、更快的速度和更多的检测技术方向发展。随着测量分辨率的逐渐的提高，精度从μm级发展到nm级。从点测量到表面测量的过渡提高了整体的测量精度，即从精确的长度测量到精确的形状测量[5]。

6 结束语

科学技术在快速的发展，其中现代精密测量技术又是其中比较有活力的，其测量数据的可靠性会对工程的质量产生重要的影响，同时，现代精密测量技术的发展对现代制造业的发展也有着重要的意义。现代精密测量作为现代先进制造业发展的重要基础，在智能制造中充当了眼睛的作用，它显着提升了生产的效率，同时降低了生产制造的成本，间接的促进了人类文明和社会的进步。在现代制造业信息化的条件下，精密测量是现代制造的先进技术，精密测量的技术方法和设备在先进制造或先进的新发展趋势的基础上不断进步，为先进制造业的智能化发展提供支持。

参考文献

[1]司国斌，张艳.精密超精密加工及现代精密测量技术[J].机械研究与应用，2006，19（1）：15-18.

[2]李晓华，王卫华，赵建才，等.现代精密工程测量技术及新进展[C]// 全國测绘科技信息交流会暨信息网成立30周年庆典.2007.

[3]陈永强.高校精密测量技术实训中心建设实践与探索[J].吉林工程技术师范学院学报，2016，32（3）：16-18.

[4]周建林.高速铁路精密工程测量技术标准的研究与应用[J].城市建设理论研究：电子版，2016，6（8）.

[5]周菊香.动态测量技术的发展——访北京长城计量测试技术研究所 总工程师 张力[J].航空精密制造技术，2008，44（3）：24-25.