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文檔簡介

第四章距離測量距離測量§4-1測量距離的儀器和方法§4-2鋼尺量距的方法§4-3鋼尺的檢定§4-4鋼尺量距的誤差分析§4-5光電測距儀的原理和構(gòu)造§4-6光電測距儀的檢測※§4-7光電測距儀的使用和成果計算§4-8光電測距儀的誤差分析和精度評定§4-1測量距離的儀器和方法

一、在工程測量中使用三種距離:1、斜距(slopedistance)2、水平距離(horizontaldistance)3、垂直距離或高差(verticaldistance,

heightdifference)高差ΔhAB平距D=Lcosa過A點(diǎn)的水平面過B點(diǎn)的水平面垂距v斜距La1、鋼尺量距(Steeltaping),精度1/1000-1/250002、視距法測距(Stadiatacheometry),精度1/200-1/3003、電磁波測距(Electromagneticdistancemeasurement,

EDM),高精度二、距離測量方法鋼尺量距視距法測距反光鏡ReflectingPrism(Reflector)ABDistance??電磁波測距全站儀測距Totalstation§4-2鋼尺量距的方法

兩種量距尺(length:20m,30m,or50m)塑料尺(Plastictapes)鋼尺(Steeltapes)相比于塑料尺,鋼尺有以下優(yōu)點(diǎn)受溫度和拉力(tension)的影響小使用壽命(lifetime)更長量距一般使用鋼尺,而不使用塑料尺鋼尺量距操作較復(fù)雜,不易取得高精度的結(jié)果,相比于電磁波測距,鋼尺量距精度相對偏低PlastictapeSteeltape端點(diǎn)尺刻線尺鋼尺量距輔助工具(SubsidiaryTools)

標(biāo)桿(Rangingrod)測釬(Markingarrow)錘球(Plumbbob)鋼尺使用應(yīng)注意幾點(diǎn)野外測量(Fieldwork)開始之前,應(yīng)查看并弄清鋼尺的零點(diǎn)處、刻度及標(biāo)注(Graduations)所有鋼尺具有名義長度(Nominallength)精密量距要求鋼尺必須具有經(jīng)檢定所得到的尺長方程(Tapestandardisation

formula)每隔一段時間,應(yīng)作尺長檢定,以得到新的尺長方程鋼尺的尺長方程在不同的使用條件下,同一把鋼尺的長度會隨之發(fā)生變化,這些影響因素包括量距時的外界溫度(熱膨冷縮)量距時作用在鋼尺的拉力

(應(yīng)力作用)其它外界環(huán)境變化基于尺長方程,我們可以對量距結(jié)果進(jìn)行改化(Correction),以提高量距精度尺長方程的形式lt=鋼尺在toC時的實(shí)際長度(Actuallength)l0=鋼尺的名義長度(Nominallength)Δl=在標(biāo)準(zhǔn)溫度t0oC時的尺長改正數(shù)(Correction)t=丈量時的溫度(oC)t0=鋼尺的標(biāo)準(zhǔn)溫度,一般為20oC

a=鋼尺線膨脹系數(shù)(Coefficientofexpansionofthetapematerial),一般取1.25×10-5/oC)無拉力因素,要求在量距時使用與鑒定時相同的標(biāo)準(zhǔn)拉力丈量方法(MeasurementMethodology)從精度要求來看低精度丈量高精度丈量(基于尺長方程,需要進(jìn)行尺長、溫度、傾斜等多項(xiàng)改正)從距離長短來看直接丈量(Directmeasurement),被量距離<鋼尺長度分段丈量(Subsectionmeasurement),被量距離>=鋼尺長度,需要使用肉眼或經(jīng)緯儀(Theodolite)來定線(Alignment)借助經(jīng)緯儀定線肉眼定線一、平坦地區(qū)一般丈量及成果計算1、以2-3人為一組,需要鋼尺一支,標(biāo)桿三跟,測釬一組,垂球兩個,邊定線邊丈量,直至終點(diǎn)。丈量時使用均勻拉力,注意抬平尺子,并使尺子緊靠標(biāo)桿,穩(wěn)定垂球,注意落點(diǎn)(對點(diǎn)),并插測釬。2、實(shí)行全程往返丈量。當(dāng)時,取均值為測量結(jié)果。l0a二、在坡度較大的斜坡上量距借助垂球,可將整尺段分成若干個小段2、“斜坡拉鏈法”:使用經(jīng)緯儀和花桿,量出斜距Si和豎直角ai1、非整尺段的平量,一般分段到米三、鋼尺精密量距及成果計算1、精密量距的實(shí)施所能達(dá)到的精度,約為1/10000-1/25000工具準(zhǔn)備及人員組織:檢定后的鋼尺,經(jīng)緯儀,拉力計,溫度計,水準(zhǔn)儀及標(biāo)尺,標(biāo)桿,大木樁若干。人員5-6人用經(jīng)緯儀定線,用鋼尺概量以確定各分段點(diǎn)。在分段點(diǎn)上打入大木樁(分段應(yīng)略短于一整尺長),木樁高出地面0.5米以上,并在樁頂釘上一鋁片,鋁片上刻一十字絲。定線時,使十字絲之一位于被量視線方向。量測過各樁點(diǎn)間的高差量距進(jìn)行:兩人讀尺,兩人拉尺,一人記錄并測記溫度。每測段讀三次(估讀到0.5毫米),三次互差小于等于兩毫米時取均值,依次丈量各測段。根據(jù)精度要求,測若干測回

2、精密量距的成果計算精密量距的實(shí)測成果中,應(yīng)加入每測段的尺長改正,溫度改正和傾斜改正。(1)、尺長改正尺長改正數(shù)所量的初始距離鋼尺名義長度(2)、溫度改正標(biāo)準(zhǔn)溫度一般為20oC所量的初始距離丈量時溫度膨脹系數(shù)1.25×10-5/oC(3)、傾斜改正式中:h為測段高差(4)、改正后尺段的實(shí)長被量線段的全長§4-3鋼尺的檢定

一、與標(biāo)準(zhǔn)尺比長1、待檢定尺與標(biāo)準(zhǔn)尺具有相同的名義長度(如30m)2、將它們并排放在地面上(或懸空比較),兩尺始端施加標(biāo)準(zhǔn)拉力(

如98N),并將兩尺終端對齊,則可在始端的零分劃處讀出兩尺的差值;用溫度計測定溫度3、計算待檢尺的尺長方程標(biāo)準(zhǔn)尺(Referencetape)待檢尺(Servicingtape)30m二、與已知基線比長1、基線的精確長度為d2、以精密丈量的方法,用待檢鋼尺測定該基線的名義長度為(丈量時對鋼尺施加標(biāo)準(zhǔn)拉力)3、用溫度計測定丈量時的平均溫度為4、則待檢尺的尺長改正為:實(shí)例一已知標(biāo)準(zhǔn)尺尺長方程待檢尺尺長方程推算在24oC時,待檢尺的長度為施加的標(biāo)準(zhǔn)拉力=98N現(xiàn)場溫度=24°c0.007m標(biāo)準(zhǔn)尺待檢尺30m標(biāo)準(zhǔn)溫度為20oC實(shí)例二問題:已知基線長為120.454m,用30m的待檢鋼尺、在28oC的溫度條件下施加標(biāo)準(zhǔn)拉力精密量得該基線長為120.432m,求待檢尺的尺長方程待檢尺在28oC時的尺長改正為

則:在20oC時待檢尺的尺長改正為故待檢尺的尺長方程為AB基線長,如120.454m§4-4鋼尺量距的誤差分析一、鋼尺量距看似簡單,但實(shí)際操作復(fù)雜,沒有好的經(jīng)驗(yàn),量距精度將受很大影響二、誤差來源1、尺長誤差:具有累積作用,在一般方法量距中,當(dāng)尺長誤差小于尺長的1/10000時,可不進(jìn)行改正,否則,應(yīng)作尺長改正2、鋼尺不水平引起的誤差:使距離量大3、定線誤差:非直線,而為曲線,使距離量大4、拉力誤差:大于或小于標(biāo)準(zhǔn)拉力時,使距離量小或量大,與標(biāo)準(zhǔn)拉力相差62N時,對尺長影響為1/100005、溫度變化引起的誤差:當(dāng)溫度變化為8oC時,可使尺長變變化1/10000。在一般方法量距中,當(dāng)溫度小于8oC時,不做改正,否則應(yīng)作溫度改正6、對點(diǎn)與投點(diǎn)誤差,估讀與插釬誤差:均具有的偶然性7、風(fēng)的影響:風(fēng)吹可使鋼尺旁向彎曲,這種影響將距離量長,該誤差具有累積性質(zhì)8、錯誤:計錯整尺段數(shù)、讀錯數(shù)、記錄錯誤等

§4-5光電測距儀的原理和構(gòu)造“電磁波測距(ElectromagneticDistanceMeasurement,EDM)”的概念是由瑞典的GeodimeterInc.公司于上世紀(jì)50年代率先提出來的電磁波測距儀(EDMinstruments)的出現(xiàn),使距離測量變得更容易、更精確(相對于鋼尺測距來說)早期的測距儀體積龐大、笨重、復(fù)雜、昂貴隨微電子與計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,測距儀變得輕巧、性能大為改善、價格逐漸降低,目前其應(yīng)用已相當(dāng)普遍反光鏡ReflectingPrism(Reflector)ABDistance??電磁波往返傳播ABDistance??電磁波測距反光鏡ReflectingPrism(Reflector)RotatableTribrach-mountedPole-mounted反射棱鏡一、測距儀分類1、按測距方式分—脈沖式,以激光(Laser)作光源—相位式,以紅外光(Infraredlight)作光源,近來還出現(xiàn)了以微波(Microwave)作能源的微波測距儀—脈沖—相位式2、按最大測程(Maximumrange)分—短程:3km以來;—中程:3~15km—遠(yuǎn)程:15~100km;—超遠(yuǎn)程:>100km3、按構(gòu)造分—組合式(測距儀+經(jīng)緯儀),一般稱光電測距儀器;—整體式,稱全站儀二、測距儀的構(gòu)造

1、組合式:測距頭+經(jīng)緯儀LiquidCrystalDisplay(LCD)FunctionKeysJointsusedtomountonatheodolite組合式實(shí)例測距頭(EDMInstrument)光學(xué)經(jīng)緯儀(Opticaltheodolite)功能鍵盤電纜(Cable)電池發(fā)光與接收軸液晶顯示器望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸TotalStation(全站儀)---電子經(jīng)緯儀與測距儀的無縫結(jié)合(seamlessintegration)2、整體式:全站儀北京博飛儀器公司視準(zhǔn)軸、發(fā)光軸與接收軸三軸同軸相對于組合式測距儀,全站儀具有顯著的技術(shù)優(yōu)勢因三軸合一,儀器結(jié)構(gòu)更緊湊使測距、測角結(jié)果自動顯示儀器操作簡便內(nèi)置微處理器和相關(guān)軟件包,通過全站儀的操作鍵盤完成相關(guān)計算,如相關(guān)改正、水平距離計算、高差計算、三維坐標(biāo)計算等可與計算機(jī)通訊、進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸已在線路勘測、土木工程放樣等中廣泛采用博飛LeicaLeicaTopconNikon3、全站儀和光電測距儀的附件(1)、電源:一般為一個電池,6-12伏。(2)、反射鏡:為無定向棱鏡(三面互為直角的四面體),能保證入射光線與放射光線相互平行。由一塊或多塊組合以適應(yīng)不同測程和信號強(qiáng)弱。(3)、數(shù)據(jù)記錄器:全站儀上都有這種裝置配置。在工程測量中,經(jīng)常使用的是中、短程、以紅外光作光源的相位式測距儀因相位式測距儀的體積小、重量輕、測距精度高,在土木工程勘測中已被廣泛使用,下面將重點(diǎn)介紹相位式測距儀的基本原理本章將“光電測距”與“電磁波測距”同等看待三、相位式測距儀的基本原理

1、電磁波基本知識回顧頻率(周/秒,Hz)光速,約為3×108m/s波長(m)A通過測量光波往返傳播時間,距離可按下式確定:S=待測距離(一般為斜距)c=光速(299792.5±0.4km/s)t=雙程傳播時間如果測時精度為1×10-7s,則距離誤差為15m,因此,測距儀采用間接測量時間的相位式測距法S=ct/2AB2、相位式測距儀一般使用調(diào)制光波測距波(Measuringwave),低頻信號載波(Carrierwave),高頻信號調(diào)制波(Carrierwavemodulatedbymeasuringwave)如:砷化鎵二極管產(chǎn)生近紅外光,易于調(diào)制DCsource低頻波在大氣中傳輸時、信號衰減(Signalattenuation)較嚴(yán)重,為防止過分衰減,可通過顯著加大發(fā)射器的尺寸(ahuge-sizetransmitter)或增加發(fā)射能量(highpoweroftransmitter)高頻波信號衰減較輕,但相位量測不準(zhǔn)確為便于相位量測與保證回波信號強(qiáng)度,且降低儀器體積與制造成本,合理的解決方案是:調(diào)制(高頻波搭載低頻測距波)發(fā)射返回并接收解調(diào)(提取出低頻測距波)3、光波的調(diào)制4、相位式測距的本質(zhì)通過測量光波發(fā)射時與返回時的相位差或者說相位延遲,距離可被確定式中:5、量測相位延遲基本流程Carriersource(砷化鎵二極管)Modulator(調(diào)制器)Transmitter(發(fā)射器)Modulationoscillator(測距波)Receiver(接收器)Demodulator(解調(diào)器)Phasecomparison(比相器)ResolveambiguityDisplaydistance6、整周波長個數(shù)的確定此問題也被稱為整周模糊度(Ambiguity)確定問題相位式測距儀靠發(fā)射多種頻率(Multi-frequency)的測距波來解決模糊度問題高頻測距波——負(fù)責(zé)測定微小距離,稱精測尺低頻測距波——負(fù)責(zé)測定較大距離,稱粗測尺實(shí)際上,多頻率或稱為多尺度的概念應(yīng)用很廣泛,如我們的手表就是一個典型的例子時針——走得最慢,測大數(shù)(小時)分針——走得較快,測相對小的數(shù)(分)秒針——走得最快,測最小的數(shù)(秒)Thinkover…多頻率測距舉例一段距離使用了兩種頻率來測定f1=15MHzf2=150KHz如果各頻率上所得到的可測相位延遲分別為:

Δn1=0.698(周)Δn2=0.387(周)問題:已知要測定的距離小于1km,準(zhǔn)確距離是多少呢?求解對于粗測尺:f2=150KHz,λ2/2=1km因?yàn)榇ň嚯x<1km,則n2=0因?yàn)棣2=0.387,則粗測距離=0.387×1000=387m對于精測尺:f1=15MHz,λ1/2=10m,n1未知因?yàn)棣1=0.698,則精測距離=0.698×10=6.98m由于測相精度為一般為1/1000,故粗測尺的尾數(shù)不可靠,最后長度為380+6.98=386.98m,這就是儀器的顯示值§4-6光電測距儀檢測一、檢測項(xiàng)目三軸(視準(zhǔn)軸、發(fā)光軸、接收軸)三軸的平行性加常數(shù)與乘常數(shù)周期誤差(不顯著,一般不考慮)注意:加常數(shù)——測距儀發(fā)射/接收中心與經(jīng)緯儀中心不重合、反光鏡中心與其支撐桿或腳架鉛垂中心不重合等因素引起測距誤差,此種誤差與所測距離長短無關(guān),具有固定特性乘常數(shù)——光速值、調(diào)制頻率、大氣折射等因素引起尺長度不準(zhǔn)確,由此引入的測距誤差與所測距離長短有關(guān),具有比例特性二、三軸不平行性檢測檢校方法1、將單塊反射棱鏡安置在至少100m處,先使望遠(yuǎn)鏡的十字絲照準(zhǔn)標(biāo)志中心2、記下電流計指針擺動的位置或顯示窗口中顯示的反射信號強(qiáng)度3、然后轉(zhuǎn)動經(jīng)緯儀的微動螺旋,使望遠(yuǎn)鏡左右及上下移動,若電流計指針繼續(xù)向大的位置擺動或反射信號強(qiáng)度增加,說明三軸不平行4、校正時,對于組合式儀器,須調(diào)整望遠(yuǎn)鏡十字絲分化板中心,對于全站儀,須送專業(yè)檢修部門三、加常數(shù)與乘常數(shù)的檢測六段基線全組合比較法,采用一元線性回歸求解加、乘常數(shù)0123456a=加常數(shù),有時也以K表示b=乘常數(shù),有時也以R表示xi=各段已知基線長yi=各段觀測距離與基線長之差n=基線段總數(shù),為21=為xi、yi的平均值§4-7光電測距儀的使用和成果處理一、測距儀的安置與使用1、測距儀與反射鏡的安置,測量溫度和氣壓2、觀測:將加常數(shù),乘常數(shù),氣壓,溫度預(yù)置于儀器中,接通電源,照準(zhǔn)反射鏡。檢查電池電壓及信號強(qiáng)度后,輕按測距鍵,即顯示斜距3、測量豎直角4、如要求算高差和測點(diǎn)坐標(biāo),應(yīng)測量儀高和鏡高并量測水平角5、當(dāng)為全站儀時,斜距,豎盤讀數(shù),水平盤讀數(shù)同時顯示

56二、觀測成果處理當(dāng)我全站儀,預(yù)置各項(xiàng)常數(shù)后,便可顯示出經(jīng)各項(xiàng)改正后的平距。對于光電測距儀,需做以下各項(xiàng)改正。1、氣象改正:(1)、由于的長度受大氣折射率的影響,而是氣壓p,溫度t,濕度e的函數(shù),儀器設(shè)計時氣象參數(shù)是恒定的(如,p=1013mb,e=0或60%)。觀測時的大氣條件是各不相同的,即,故要對測距成果做氣象改正(類似于鋼尺的尺長改正及溫度改正之和)。

00(2)、在測距儀說明書中,已經(jīng)列出了儀器設(shè)計時的氣象參數(shù)及載波波長,并由此給出了相應(yīng)的氣象改正數(shù)的計算公式和圖表(一般以每百米的毫米數(shù)或每公里的毫米數(shù)為單位)。2、加常數(shù),乘常數(shù)改正

加常數(shù)k以毫米為單位,乘常數(shù)R以或ppm表示,即每公里的毫米數(shù)為單位,K、R由檢測儀器得到。3、傾斜改正(1)、改正后的斜距:式中

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