大量程、高精度的绝对长度测量技术可以提高大型设备、科学仪器的制造、装配水平,对于促进技术进步、提高科学研究的水平有重要的意义。同时,作为基础测量物理量,其测量精度的提高也会相应地提高很多相关测量的精度,在地学、深空探测、高分辨率对地观测等领域有重要的应用前景。而该技术的发展对于国家的诸多重大需求来讲,尤为重要。测量技术的发展是所有科学和技术发展的前提和基础,长度作为7个基础物理量之一,它和角度测量构成了所有几何量测量的基础。其技术发展的水平决定了人类认识世界以及改造世界的水平。
从加工、装配的角度讲,其精度是由测量精度决定的,更准确的讲是几何测量的精度。可以不夸张的讲,作为几何测量基础的长度测量成为了决定制造、装配精度的最终技术约束条件。而制造、装配的精度决定了系统的总体性能和技术极限。而目前随着大型设备如飞机、火箭、轮船等的加工、装配精度要求的不断提高,对大量程、高精度的长度测量提出了更高的要求。例如,在新一代飞机的生产中,相对于以往的小型结构件焊接、组装模式,采用大型整体结构件可大量减少结构件零件数量和装配焊接工序,减少整机重量,提高零件强度和可靠性、同时减少装配过程中引入的误差积累。所以,整体部件的加工越来越受到青睐。
以飞机的装配为例,现代的飞机装配线上广泛采用了数字化柔性装配技术:就是在装配现场中,为了提高效率,都是通过建立测量场的办法来实现的。所谓的测量场就是建立一系列相互坐标已经精确测定的坐标基准,大型部件的生产、装配过程中,通过测量部件与这些基准的相对坐标,从而确立起各个部件之间的相对位置信息,实现高精度的装配。此时,就形成了测量场的精度—测量场的传递精度—装配/生产精度这样的精度传递链,而作为最初精度的测量场精度则主要是由各个基准的三维坐标(长度)的测量精度决定的。例如美国的B2隐形轰炸机,其最长的关键机件的长度已经超过10米,加工精度达到了±0.1 mm。在整机装配的过程中,为了保证装配精度,保持整机近似三角形的外形尺寸,需要在装配过程中进行实时的高精度测量,这对测距仪的测量速度也提出了更高的要求[4]。又如三峡大坝中所使用的水轮机,其直径达21米,不仅要求很高的制造、装配精度,还需要对设备运行时形变等参数进行实时监控、分析,保证其运行时主轴的摆动小于0.05mm,从而保证水轮机的安全运行。
在科学研究领域,同样对高精度测量技术有着迫切的需求。卫星重力学是二十一世纪最热门的新兴学科之一。卫星重力测量是当今大地测量领域的研究前沿。地球的地貌包括陆地、高山、河流、海洋等,其质量分布不均,这使得地球各地重力也不尽相同。通过重力卫星所获取的大量数据,已经被广泛应用到科学研究中。在对于了解全球水循环及其与大气圈、水圈和海洋的交换过程,具有重要意义。另外,在地下水储量评估,精密工程建设中有重要意义的厘米级的大地水准面建立等方面,也需要地球重力场数据作为参考。在航天领域,可以极大改善在轨卫星的轨道确定精度。在军事领域,重力卫星的数据可以为提高远程武器的命中精度提供有力保证。目前为止,全球已经发射了包括由美国航空航天局(NASA)和德国空间局联合研制的重力恢复和气候实验(GRACE)卫星等四颗重力卫星。
除了在军事领域的飞速发展,许多公司机构也长时间地致力于激光测距仪方面的研究工作。1986年,Kern公司推出了Mekometer ME5000型激光测距仪, 它采用了偏振调制技术来减小空气扰动带来的影响,利用相位测量原理,理论上可以在20m到8000m的范围内提供10-6的相对测量精度(1mm@1km),但实际操作中,当测试距离过长时,由于空气扰动等因素的影响会使测试结果产生一定的误差。美国的Schwartz Electro-Optics公司负责为国家数据中心研制了激光海浪测量装置,可用于对海浪参数进行测量。该公司还为美国政府设计研发了高速公路激光自动传感系统,可以对高速公路上行驶的车辆实施车速和车身高度的自动测量。亚特兰大激光公司在1992年研制成功了手持式人眼安全激光测距机,交通警察可利用该测距机对汽车行驶速度进行测试。美国Bushnell公司于1996年研制成了Yardaga400型激光测距机,测试范围能达400m。其利用红外线激光实现发射和接收功能,测量速度快,测试精度高。不仅如此,德国博世公司、加拿大NEWCON公司、瑞士徕卡公司也都研制了多种类型的激光测距仪,测距范围从几米到数千米,测试精度一般在毫米量级,广泛运用于勘探、制造、建筑施工等测量领域。 |