激光垂準(zhǔn)儀激光軸鉛垂度測量結(jié)果的不確定度評定報告

1、激光垂準(zhǔn)儀鉛垂度的測量不確定度評定報告1.測量原理和測量方法1.1激光垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度激光垂準(zhǔn)儀是利用激光準(zhǔn)直原理測定鉛垂線的儀器。由于儀器的制造、安裝的原因，它的激光軸或視準(zhǔn)軸不可能和重力線完 全重合。所以垂準(zhǔn)儀給出的鉛垂線和標(biāo)準(zhǔn)的鉛垂線會存在一個微 小的夾角，我們將它稱做垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度。有的文獻(xiàn)上稱 鉛垂i角。本文稱標(biāo)準(zhǔn)的鉛垂線為參考鉛垂線，目前這種標(biāo)準(zhǔn)裝 置是利用JsJ精密水準(zhǔn)儀檢驗儀來代替。實際上給出的是水平準(zhǔn) 線。對于激光垂準(zhǔn)儀，還沒有見到這種標(biāo)準(zhǔn)裝置。本實驗室是利 用精密水準(zhǔn)儀在室外設(shè)立一條水平準(zhǔn)線，測定激光垂準(zhǔn)儀激光軸 的鉛垂度。1.2激光垂準(zhǔn)儀激光軸鉛垂度的校準(zhǔn)方法激

2、光垂準(zhǔn)儀激光軸鉛垂度的校準(zhǔn)，需在室外進(jìn)行。首先，在室外平坦的場地上，選擇一條約50米長的直線，在直線的兩端安置 兩塊直角坐標(biāo)板。比如將兩塊直角坐標(biāo)板安置在相距約50米的兩個墻面上。安置坐標(biāo)板時，要用精密水準(zhǔn)儀（ S1級）測量坐標(biāo)板 中心的高差。使它們的高差等于零，即兩塊坐標(biāo)板的中心位于同 一個水平面上。校準(zhǔn)作業(yè)時，將激光垂準(zhǔn)儀連同五角棱鏡儀器臺安置在兩坐 標(biāo)板之間，并且靠近某一塊坐標(biāo)板。由垂準(zhǔn)儀可以看到坐標(biāo)板的 網(wǎng)格。使用以上設(shè)備測量垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度的原理是用五角棱鏡 將激光束的方向轉(zhuǎn) 90度成水平方向。觀測兩塊視距不等的直角坐 標(biāo)板，根據(jù)激光光斑在兩塊坐標(biāo)板上的讀數(shù)之差，就可計算垂準(zhǔn)儀

3、的激光軸鉛垂度。圖一是鉛垂度校準(zhǔn)的原理示意圖校準(zhǔn)的步驟和垂準(zhǔn)儀校準(zhǔn)規(guī)范JJF1081-2002的6.9.2 節(jié)相似。(1) .假設(shè)兩塊坐標(biāo)板的編號為A和B。垂準(zhǔn)儀設(shè)在靠B板的5米處，整平儀器，使激光點(diǎn)落在坐標(biāo)板A上，依光斑中心讀出坐標(biāo)值ai,然后照準(zhǔn)B板，讀出坐標(biāo)值bi.設(shè)以上的測量為垂準(zhǔn)儀照準(zhǔn)部起始位置，即0方位觀測值。(2) .然后將照準(zhǔn)部在 90，180，270方位重復(fù)測量三組，得到觀測值 a2, b 2, a 3, b 3, a 4, b 4 。(3) .設(shè)垂準(zhǔn)儀距 A坐標(biāo)板的距離為 45米，距B坐標(biāo)板的距離 為5米。距離之差等于 40米。按下式計算四各方位的觀測值之差Si=(a i-

4、b i) ， S2=(a 2-b 2) ， S3=(a 3-b 3) ， S4=(a 4-b 4)。2 .測量模型的建立計算垂準(zhǔn)儀激光軸的一測回鉛垂度測量值，以秒為單位，取四各方位的平均值得到垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度Q=(a i-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a 3-b 3)+ (a 4-b 4)( 1)4 40000式中 p - 206265 4-表示4個方位400000 表示 A,B直角坐標(biāo)板距垂準(zhǔn)儀的距離差(mm利用激光垂準(zhǔn)儀測設(shè)鉛垂線時，需要在四各方位上觀測，構(gòu)成一個完整的測回。實際作業(yè)時，需要測定的測回數(shù)，根據(jù)精度的 要求決定。在激光垂準(zhǔn)儀的 校準(zhǔn)中，需要重復(fù)測量10個測回。計算激

5、光 垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度。以提高校準(zhǔn)的精度。垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度的校準(zhǔn)值10S=(、Q)/10 -(2)1上式是提供給客戶的校準(zhǔn)結(jié)果.3方差和傳播系數(shù)3.1u2(a)的傳播系數(shù)Ca將式(1)代人式(2)得：10pS=( Z Q)/10 = (a 1-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a 3-b 3)+ (a 4-b 4) 114 匯 40000+ (a 1-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a 3-b 3)+ (a 4-b 4) 2 + +(a i-b 1)+ (a2-b 2)+ (a 3-b 3)+ (a 4-b 4) 10)/10分析上式，激光垂準(zhǔn)儀的鉛垂度S是10個測回的4個方位的觀

6、測值的代數(shù)和的平均值。這些觀測值都是獨(dú)立的觀測值，可以認(rèn)為 是近似等精度的觀測值，設(shè)它們的標(biāo)準(zhǔn)不確定度相等，用u (a)表示。上式寫成方差形式u 2(S)=()2 ( 8 0u2(a)40 漢 40000u (S)= 1 .153 u(a) (3)4.不確定度分量的評定4.1不確定度分量評估由垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度的校準(zhǔn)方法分析，影響鉛垂度校準(zhǔn)的不確定度來源有以下幾項：(1) .安置A,B兩塊直角坐標(biāo)板位于同一水平面誤差引入的標(biāo) 準(zhǔn)不確定度分量；(2) 五角棱鏡的入射光和出射光的垂直度誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不 確定度分量；(3) 激光光斑形狀不規(guī)則引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；(4) 直角坐標(biāo)板讀數(shù)誤差引入的

7、不確定度分量；(5) 垂準(zhǔn)儀自動安置誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；(6) .垂準(zhǔn)儀的激光軸和豎軸的同軸度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量；(7) 垂準(zhǔn)儀至直角坐標(biāo)板之間的距離測量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量4.2.標(biāo)準(zhǔn)測量不確定度分量的計算安置A,B兩塊直角坐標(biāo)板位于同一水平面的測量誤差引入 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量ui（a）用S1級水準(zhǔn)儀安置直角坐標(biāo)板位于同一水平面的過程，實際 上就是用水準(zhǔn)儀測量直角坐標(biāo)板中心位置的高差，所以，安置誤 差是水準(zhǔn)儀測站單次高差的測量標(biāo)準(zhǔn)偏差。根據(jù)水準(zhǔn)儀檢定規(guī)程 JJG425-2003的規(guī)定，S1級水準(zhǔn)儀的測站單次高差的標(biāo)準(zhǔn)差不超 過0.08 mm。將此值估計為直角坐標(biāo)板中心位置的

8、高差的標(biāo)準(zhǔn)不 確定度，5（a） =0.08 mm4.2.2.五角棱鏡的入射光和出射光垂直度誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U2（a）根據(jù)有關(guān)資料，五角棱鏡的垂直度的誤差不超過1秒。若按該值為半寬的均勻分布估計，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為當(dāng)垂準(zhǔn)儀至坐標(biāo)板的距離為50m時，以毫米表示u2(a) = 1 3 50000206265 =0.14 mm激光光斑形狀不規(guī)則引入 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量U3（a） 激光垂準(zhǔn)儀的激光束投射到直角坐標(biāo)板上，形成的光斑的形狀一 般是不規(guī)則的，因此用光斑的中心位置在直角坐標(biāo)板上讀數(shù)會產(chǎn)生誤差，根據(jù)實際經(jīng)驗，估計這項誤差最大不超過0.5mm,設(shè)這項誤差為半寬等于 0.5mm的均勻分布，故由

9、激光光斑形狀不規(guī)則引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度(a) = 0.5/ 3 二 0.29mm424.由直角坐標(biāo)板讀數(shù)誤差引入的不確定度分量u4（a）規(guī)范規(guī)定直角坐標(biāo)板的格值最大應(yīng)不超過1mm，小于1mm的值只能估讀，因為是以激光的光斑估讀，誤差大一些，設(shè)室外校準(zhǔn) 時的估讀誤差為格值的1/4，則估讀誤差等于0.25mm,設(shè)其在半寬區(qū)間內(nèi)為均勻分布，故：，u4（a）= 0.25/ 3 工=0.14mm425.垂準(zhǔn)儀自動安置誤差引入的不確定度分量U5（a）自動補(bǔ)償式垂準(zhǔn)儀自動安置誤差為0.5，當(dāng)垂準(zhǔn)儀至坐標(biāo)板的距離h = 50m時則由此引起的測量誤差為50000 X 0.5 / 206265設(shè)以該值為半寬的均勻分

10、布，故：山） = 5 0 0 0 0.5/2 0 6 2/6 3 =0.07mm4.2.6垂準(zhǔn)儀的激光軸和豎軸的同軸度的誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 U6（a）這項誤差可以用垂準(zhǔn)儀照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)180的方法，觀察激光軸是否指向一點(diǎn)，判斷兩軸是否同軸，若不同軸，進(jìn)行校正。規(guī)范要求同軸度誤差不超過2秒，按均勻分布 估計，標(biāo)準(zhǔn)不確定度U6(a)=2/ 3/ 206265 X 50000=0.28mm427垂準(zhǔn)儀至直角坐標(biāo)板之間的距離測量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量 u7(a)實際作業(yè)中，坐標(biāo)板至垂準(zhǔn)儀的距離用鋼卷尺測量到毫米，相對幾十米的距離，相對誤差很小，所以對垂準(zhǔn)儀的激光軸鉛垂 度校準(zhǔn)影響，可以忽略不計。u7(a)=05合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計算由 4.2.1 - 4.2.6 得：2 2 2 2 2 2u2(a) =ui (a) U2(a) U3(a) U4(a) U5(a) U6(a)u2(a) =0.082 0.142 0.292 0.292 0.072 0.282 =0.213U(a) =0.46mm將上式的數(shù)據(jù)代入(3)式u (S)=1.153 X u (a) =1.153 X 0.46=0.53 m