全站仪测量系统在大型设备检测中的应用

李世鹏 柳新强

摘 要：大型设备的形位检测是其安装、生产过程中重要的内容，通过周期性测量其生产部件的三维位置，实时监测设备外形与设计外形的差异。随着全站仪测角、测距精度以及自动化程度的提高，由一台高精度全站仪及配套的反射棱镜组构成的三维工业测量系统有了广泛应用。文章以大型油气设备形位检测为研究对象，探讨全站仪测量系统在大型设备形位检测中应用的可行性，结果表明，测量精度符合检测要求。

关键词：全站仪；工业设备；形位检测

中图分类号：P258 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）26-0177-02

Abstract： The shape and position detection of large-scale equipment is an important content in its installation and production process. By periodically measuring the three-dimensional position of its production parts， real-time monitoring the difference between the shape of the equipment and the design shape. With the improvement of angle measurement， ranging accuracy and automation of total station， a three-dimensional industrial measurement system composed of a high-precision total station and a set of reflecting prism has been widely used. This paper discusses the feasibility of the application of the total station measurement system in the form and position detection of large oil and gas equipment. The results show that the measurement accuracy meets the requirements of the test.

Keywords： total station instrument； industrial equipment； shape and position detection

1 概述

隨着现代工业的发展，尺寸大、结构复杂以及工艺水平高等成为工业设备的“标配”，工业设备在进行定位、安装以及生产中，常需要进行形位检测以保证设备的正常运行[1]，具体任务主要为：按照图纸将零部件安装到指定位置，设备运行后定期检测部件位置并进行调整，使其能够在指定位置进行作业，在设备生产状态下检测其位置和设计位置的差异并进行校核[2]。

工业设备的形位检测相较于一般测量工作，具有精度要求高、观测条件复杂、观测方法特殊等特点[3]，通过单一方法手段较难完成，需借助于专用的仪器设备和测量方法，即工业测量系统。工业测量系统是指利用测绘仪器和方法并结合计量仪器，构成精密三维坐标测量与分析系统，对工业部件精密安装、定位、检测和变形测量，随着现代工业的迅速发展，工业设备也逐步向大型化、精密化迈进，同时对工业测量的要求也越来越高。工业设备的形位检测是设备日常正常运行期间的重要内容，大型油气设备在安置加压运行后，由于高温高压环境的影响会产生“跳动”现象，为保证设备安全稳定运行，必须要采用一定测量手段来监测其形位变化。前面提到，大型工业设备其形位检测存在着测量精度高、测量环境复杂以及测量手段方法特殊等特点，考虑到现场环境与技术要求，全站仪测量系统可以满足其测量需求。

全站仪，全称为全站型电子速测仪，它能够实现测角、测距等多动能于一体，并根据要求显示三维坐标等数据信息[4]，随着电子科技技术的发展，全站仪在测量精度以及自动化程度方面有了很大提高，全站仪测量系统在工业设备的形位检测中应用愈加广泛。全站仪测量系统由一台高精度全站仪组成，用于工业测量系统的全站仪精度要求比较高，比如TCA2003智能全站仪，该仪器测角精度可达±0.5″，测距精度可达±（1mm+1×10-6D），同时，在马达驱动和自动识别技术下，该全站仪可实现目标自动跟踪、自动照准、自动观测以及自动记录和存储等功能[5]，目前，全站仪测量系统已在隧道监控量测[6]、设备安装[7]、水域测绘[8]中有了广泛应用，验证了该技术手段在测量领域的价值。本文旨在探讨全站仪测量系统在工业设备形位检测的应用，并通过精度分析来研究其可行性。

2 实例分析

位于内蒙古鄂托克前旗的苏120-2集气站，在国内首次采用了无基础压缩机技术，压缩机在加压工作期间会产生跳动位移现象，为保证集气站的安全稳定运行，需要对压缩机定期进行形位检测，根据本文研究内容以及现场情况，采用leica TS30型全站仪按三维工业测量的交会原理与极坐标测量原理测定监测点的三维坐标。在压缩机加压前、加压一月后两个不同时间段进行了两次数据采集。

2.1 基准网布设

根据现场情况，布设四个控制点，即图中k1～k4，控制点均设置强制观测墩，平面基准网采用Leica TS30全站仪进行观测，测角为六个测回，Ι级测距，各边往返观测4个测回，一测回的读数较差为1mm，测回间较差为2mm，为了方便数据的分析与管理，高程控制网与平面控制网共用基准点，采用Leica电子水准仪进行测量，精度等级为二等水准要求。

2.2 设备监测点布设

根據压缩机的结构特点布设14个监测点，分别为J1-1～J1-6，J2-1～J2-8，监测点分布如图1所示。

2.3 数据获取与处理

采用独立坐标系，利用全站仪极坐标测量原理测得各监测点的距离、角度（包含垂直角和水平角），并利用科傻平差软件得到各监测点坐标，为确定压缩机是否有形位变化，在增压前后分别测量得到两期数据，两期数据对比如表1所示。

通过监测点坐标，计算得到各监测点位移量，如图2所示。

从从两期监测点位变化可以看出，监测点空间方向最大位移量位1.2mm，最小位移量为0mm，压缩机在X、Y方向上的位移量基本都保持在0.6mm以下，只有J1-3、J1-4、J2-8等几个点在1mm左右，垂直位移也都基本保持在1mm以内，考虑到监测过程仪器以及其他因素的影响，可以分析认为压缩机在增压后没有明显的形位变化。

3 结束语

本次采用全站仪监测的点位精度高，最大点位误差为1.5mm，最小点位误差0.5mm，表1中两期数据对比偏差就可认为是监测点的点位误差，从表中可知X方向中误差在5mm以内，Y方向中误差在5mm以内，Z方向中误差在7mm以内。全站仪测量系统通过不同时期相同特征点的坐标观测，可以在精度范围内实现对工业设备的形位检测，具有一定的应用价值。

参考文献：

[1]张正禄.工程测量学[M].武汉：武汉大学出版社，2002：227-229.

[2]程效军，杨世渝.应用近景摄影测量检测大型工业设备变形[J].同济大学学报（自然科学版），2002（11）：1346-1349.

[3]伍琛尧，刘建煌.基于ZigBee的工业设备监控系统[J].计算机与数字工程，2007（09）：155-158+213.

[4]王洪.徕卡TS30超高精度全站仪在变形监测中的应用[J].辽宁工程技术大学学报（自然科学版），2015，34（03）：401-404.

[5]潘国荣，李伟.多台测量机器人在地铁隧道自动化监测中的开发与应用[J].山东科技大学学报（自然科学版），2015，34（02）：79-85.

[6]刘绍堂，王果，潘洁晨.测量机器人隧道变形自动监测系统的研究进展[J].测绘工程，2016，25（10）：42-48.

[7]杨佳华，陈满红.全站仪测量系统在设备安装中的应用[J].工业建筑，2011，41（S1）：981-982.

[8]应元康.徕卡TCM电动全站仪测量系统在水域测绘中的应用[J].海洋测绘，1997（01）：46-48.