激光跟踪仪系统介绍及其应用

分时多站式激光跟踪仪测量系统

课程名称：光机电一体化

院系：机械工程学院

班级：硕3002班

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目录

1 激光跟踪仪系统 (1)

1.1 激光跟踪仪系统的概述 (1)

1.2 激光跟踪仪系统的基本原理 (1)

1.2.1 系统的组成 (2)

1.2.2 激光跟踪仪系统的原理 (3)

2 分时多站式激光跟踪仪测量系统 (7)

2.1 引言 (7)

2.2 基于GPS多边形定位原理 (7)

2.3 分时测量的算法 (9)

2.3.1 激光跟踪仪基站的自标定 (9)

2.3.2 测量点坐标的标定 (10)

1 激光跟踪仪系统

1.1激光跟踪仪系统的概述

激光跟踪测量系统（Laser Tracker System）是工业测量系统中一种高精度的大尺寸测量仪器。它集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点，适合于大尺寸工件配装测量，测量静止目标，跟踪和测量移动目标或它们的组合。SMART310是Leica公司在1990年生产的第一台激光跟踪仪，1993年Leica公司又推出了SMART310的第二代产品，其后，Leica公司还推出了LT/LTD系列的激光跟踪仪，以满足不同的工业生产需要。LTD系列的激光跟踪仪采用了Leica公司专利的绝对测距仪，测量速度快，精度高，配套的软件则在Leica统一的工业测量系统平台Axyz 下进行开发，包括经纬仪测量模块、全站仪测量模块、激光跟踪仪测量模块和数字摄影测量模块等。激光跟踪系统在我国的应用始于1996年，上飞、沈飞集团在我国第一次引进了SMART310激光跟踪系统；2005年上海盾构公司引进了Leica公司的一套LTD600跟踪测量系统，应用于三维管模的检测。

（a）API的激光跟踪仪(b) Leica的激光跟踪仪(c)Faro的激光跟踪仪

图1-1 API等公司生产的激光跟踪仪

1.2激光跟踪仪系统的基本原理

近年来，激光跟踪测量系统的应用领域在不断扩大，很多公司都相继推出了各自品牌的激光跟踪仪，但所有的激光跟踪测量系统基本都是由激光跟踪头（跟踪仪）、控制器、用户计算机、反射器（靶镜）及测量附件等组成的。实验采用的是Leica AT 901 MR激光跟踪测量系统。

1.2.1系统的组成

激光跟踪仪的实质是一台能激光干涉测距和自动跟踪测角测距的全站仪，区别之处在于它没有望远镜，跟踪头的激光束、旋转镜和旋转轴构成了激光跟踪仪的三个轴，三轴相交的中心是测量坐标系的原点。系统的硬件主要组成部分包括：传感器头、控制器、电动机和传感器电缆、带LAN电缆的应用计算机以及反射器。

图1-2 激光跟踪仪系统的组成

(1) 传感器头：读取角度和距离测量值。激光跟踪器头围绕着两根正交轴旋转。每根轴具有一个编码器用于角度测量和一只直接供电的DC电动机来进行遥控移动。传感器头的油缸包含了一个测量距离差的单频激光干涉测距仪（IFM），还有一个绝对距离测量装置（ADM）。激光束通过安装在倾斜轴和旋转轴交叉处的一面镜子直指反射器。激光束也用作为仪器的平行瞄正轴。挨着激光干涉仪的光电探测器（PSD）接收部分反射光束，使跟踪器跟随反射器。

图1-3 传感器头

(2) 控制器: 包含电源、编码器和干涉仪用计数器、电动机放大器、跟踪处理器和网卡跟踪处理器将跟踪器内的信号转化成角度和距离观测值，通过局域网卡将数据传送到应用计算机上，同理从计算机中发出的指令也可以通过跟踪处理器进行转换再传送给跟踪器，完成测量操作。

(3) 电缆：传感器电缆和电动机电缆分别用来完成传感器和电动机与控制器之间的连接。LAN电缆则用于跟踪处理器和应用计算机之间的连接。

(4) 应用计算机：加载了工业用的专业配套软件，用来发出测量指令和接收测量数据。

(5) 反射器（靶标）：是激光跟踪测量系统的关键部件之一。作为光学逆反射器，它把所有沿光轴方向入射的光线沿原路反射回去，进入干涉系统，与参考光发生干涉实现对位移的高精度测量；作为测量系统的测头，它直接与被测物体接触，用目标反射镜中心的坐标值来描述被测对象的形状和尺寸。

图1-4 靶球（SMR）

(6) 气象站：记录空气压力和温度。这些数据需要用来在计算激光反射时是必需的，并通过串行接口被传送给联机的计算机应用程序。

(7) 测量附件：包括三角支架、手推服务小车等。支架用来固定激光跟踪仪，调整高度，保证各种测量模式的稳定性，且三角支架底座带轮子，可方便地移动激光跟踪仪。手推服务小车则可装载控制器等设备，运送方便快捷。

1.2.2激光跟踪仪系统的原理

要介绍激光跟踪仪系统的原理就要从两部分进行介绍：激光跟踪的原理和激光跟踪仪系统坐标测量的原理。

a）激光跟踪的原理

当跟踪系统处于平衡状态时，如图1-5所示，由激光发生器射出的光束，经过干涉光路和分光镜，被跟踪转镜反射到目标镜中心。沿目标反射镜中心入射的光线按原光路返回，返回的激光束有一部分被分光镜反射到光电位置检测器的中心，位置检测器输出零电压信号，此时控制电路没有信号输出到电机。

当目标反射镜运动一个位移量后，如图1-6所示，此时光束不再从目标镜中心入射，从而目标反射镜返回的光束与入射光平行，两者相距2λ。返回光经过分光镜，一

部分落在位置检测器上，此时光斑中心将偏离位置检测器中心，随即产生一个偏差信号，该信号经放大调节后通过伺服控制回路控制电机带动转镜转动，使照射到目标反射镜的光束方向发生变化，直至入射光通过目标反射镜的中心，使系统重新达到跟踪平衡状态。

图1-5 激光跟踪仪的平衡状态

图1-6 激光跟踪仪的不平衡状态

b）激光仪器的坐标测量原理

首先以跟踪头中心为原点，建立球坐标系，如图1-7所示。