激光跟踪仪现场测量不确定度检测

    1 引言

     激光跟踪仪作为一种新兴的精密测量仪器，已被广泛应用于航天、航空、汽车制造、造船、核工业等精密工业测量领域，最近几年应用领域更为扩大。因为其测量快、精度高、可以动态测量、量程大等优点，激光跟踪仪在航空制造领域的优势更为明显^[1]。不同于三坐标测量机需要在特定的工作间进行测量且测量范围受到工作台尺寸限制的特点。高性能Leica AT-901 激光跟踪仪利用激光进行精确的测量和检测，其测量范围可以包容直径达 160m 的球形测量空间，从而为便携大尺寸测量应用提供多种解决方案^[2]，适应于多种测量环境。由于环境条件变化大，而厂家提供的性能参数过于简单，不能全面反映情况，因此在不同测量环境下，对激光跟踪仪进行精度检测，对发掘激光跟踪仪的潜力是非常有必要的。

    2 AT901 激光跟踪仪的测量原理及环境影响因素

    2.1 测量原理

    激光跟踪仪对空间目标的坐标测量原理是通过测量出跟踪仪旋转中心到目标点的水平角、垂直角和斜距，按球坐标测量原理得到，并可转换得到其他类型坐标系中^[3]，如三维直角坐标 x,y,z。如图 1 所示，在球坐标测量系统中，设跟踪器的旋转中心为 O 点，被测靶镜的中心为 P 点。

    将靶标放置在待测的点 P，用两个角度编码器分别测量出 O 点到 P 点的垂直角β和水平角α，距离 d，则 P 点三维直角坐标坐标(x,y,z)很容易由β，α和 d计算得出，推导原理为：

     2.2 影响测量精度的环境因素

    外界环境包括温度变化、温度梯度、大气扰动、外界振动、仪器支架和被测物的稳定性等。不同环境下得到的测量结果可能大相径庭，在高精度测量中必须严格控制。仪器本身由很多电子元件组成，它们的散热会导致仪器结构随时间而产生细微变化。而且激光频率也会随时间发生漂移，在刚开机预热后的一段时间内非常明显。人为因素主要是测量方法的选择，不同的测量方法带入的误差是不同的^[4]。

   3 空间点测量不确定度定义

    设跟踪仪距离的不确定度为 m_d，水平角α和垂直角β的不确定度分别为 m_α和 m_β，则空间任意一点P(x,y,z)的合成标准不确定度 u_p为：

    其中 m_d、m_α、m_β均由以下不确定公式算出，k为测量次数。

    4 试验研究

    为了验证激光跟踪仪测量的不确定，进行了一系列试验，分别对可能影响测量精度的各个因素进行检测，试验场地长、宽均为 18m，具有良好的密闭条件，并可保证环境温度基本恒定，试验过程中尽量减少人员和其他物体的运动以避免气流的扰动，跟踪仪和被测对象均稳定放置。