控制測量之光學(xué)經(jīng)緯儀及其檢驗

第三章經(jīng)緯儀、測距儀及其檢驗

【問題提出】本章要解決兩個問題：介紹經(jīng)緯儀、測距儀的基本結(jié)構(gòu)和幾種常見儀器分析儀器可能產(chǎn)生的誤差并找出誤差消除減弱和檢驗方法§3－1經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)一、水平角和垂直角水平角

(Hz)定義：兩視準(zhǔn)線在水平面上的投影線（即水平視線）構(gòu)成的角度。范圍：0～360o

順時針量取垂直角(V)定義：視線與相應(yīng)水平面的夾角。范圍：－90～＋900

上正下負(fù)補充：垂直角與天頂距之間的關(guān)系為：α＝900－Z二、經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系

基本結(jié)構(gòu)

望遠(yuǎn)鏡：構(gòu)成視準(zhǔn)軸，放大影像，精確照準(zhǔn)

垂直軸：照準(zhǔn)不同方位的目標(biāo)

水平軸：照準(zhǔn)不同高度的目標(biāo)

垂直度盤：量度垂直角

水平度盤：量度水平角

照準(zhǔn)部水準(zhǔn)器：引導(dǎo)垂直軸

指標(biāo)水準(zhǔn)器：引導(dǎo)垂直度盤讀數(shù)指標(biāo)

讀數(shù)棱鏡與測微器：讀定度盤讀數(shù)

基座：垂直軸套、調(diào)平儀器的腳螺旋、§3－1經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)二、經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系主要部件的相互關(guān)系（三軸正確，兩盤垂直）垂直軸與照準(zhǔn)部水準(zhǔn)器軸垂直水平軸應(yīng)與垂直軸正交視準(zhǔn)軸應(yīng)與水平軸垂直垂直軸與水平度盤正交，且同心水平軸與垂直度盤正交，且同心當(dāng)指標(biāo)水準(zhǔn)器氣泡居中時，垂直度盤的讀數(shù)指標(biāo)必須水平或垂直

經(jīng)緯儀分類：讀數(shù)方式分類：游標(biāo)經(jīng)緯儀、光學(xué)經(jīng)緯儀、電子經(jīng)緯儀測量精度分類：

J05、J1、J2、J6。三、望遠(yuǎn)鏡和水準(zhǔn)器（一）

望遠(yuǎn)鏡1．

望遠(yuǎn)鏡的作用(1)

放大目標(biāo)(2)

精確照準(zhǔn)2．

望遠(yuǎn)鏡的結(jié)構(gòu)

由物鏡、調(diào)焦透鏡、十字絲板、目鏡

組成目標(biāo)照準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)：

從目鏡中看到十字絲中心與目標(biāo)影像一致。3．

視差的產(chǎn)生與消除視差：由于目標(biāo)影像面與十字絲面不一致，使兩者相對位置隨人眼位置而變化，這種現(xiàn)象稱為視差。視差的產(chǎn)生原因目標(biāo)影像與十字絲板的相對位置不正確視差的消除①

望遠(yuǎn)鏡指向天空，調(diào)節(jié)目鏡，使十字絲清晰②

將望遠(yuǎn)鏡指向目標(biāo)，調(diào)節(jié)調(diào)焦透鏡，使目標(biāo)清晰，稍改變眼睛位置，若目標(biāo)像與十字絲相對位置不變即可。三、望遠(yuǎn)鏡和水準(zhǔn)器三、望遠(yuǎn)鏡和水準(zhǔn)器（二）、

水準(zhǔn)器1．

管狀水準(zhǔn)器（1）結(jié)構(gòu)：

管內(nèi)：冰點低、流動性強、附著力小的液體管壁：玻璃管，腰鼓狀曲面，刻有分劃線固定：金屬框架，透明罩，校正螺旋兩軸：

水準(zhǔn)軸和水準(zhǔn)器軸（2）

整平

整平的概念

儀器安置完畢之后，調(diào)節(jié)角螺旋使水準(zhǔn)氣泡居中，于是水準(zhǔn)器的兩軸重合，這個過程稱“整平”。

整平后的效果

氣泡在各個方向都已居中，垂直軸與測站鉛垂線一致，垂直于測站水平面。

符合棱鏡的概念

使氣泡便于觀察并提高置中精度三、望遠(yuǎn)鏡和水準(zhǔn)器2．

圓形水準(zhǔn)器精度：比管狀水準(zhǔn)器低，用于概略整平結(jié)構(gòu)：上部：球冠面，有同心分劃圓下部：帶分咀的玻璃座外部：金屬底殼3．

水準(zhǔn)器的格值、靈敏度（1）水準(zhǔn)器的格值

定義：相鄰分劃線形成的一格寬度所對應(yīng)的圓心角值

表示：

τ＝t/R

τ"=t

ρ"/R其中：τ：格值；

t：格值寬度；

R：圓弧半徑；

ρ：常數(shù)；當(dāng)t=2mm，ρ＝206265“

時，

τ”=412.53“/R(m)，T3儀器τ”=5－8“,T2τ”=20’’

（2）

水準(zhǔn)器的靈敏度定義：氣泡產(chǎn)生可以查覺的最小位

移時，水準(zhǔn)器軸傾斜變化的角值表示：氣泡移動0.1格的角值比較：圓水準(zhǔn)器

<管狀水準(zhǔn)器tRτ幾個重要概念：水平角、垂直角、視差、整平幾個重要問題：1、經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)及其相互關(guān)系

2、望遠(yuǎn)鏡的作用

3、視差的產(chǎn)生與消除

4、水準(zhǔn)器的格值四、光學(xué)經(jīng)緯儀水平度盤及光學(xué)系統(tǒng)

水平度盤（T3,T2)構(gòu)成：經(jīng)緯儀水平度盤由厚6mm,直徑 140/90mm的光學(xué)玻璃制成，刻劃精度：經(jīng)緯儀水平度盤全周刻劃3600，每度注記，順時針增值。每度分15/3等份，每份寬度為

T3為0.078毫米，刻劃值為4//20/光學(xué)系統(tǒng)：由照明、光學(xué)度盤、光學(xué)讀數(shù)、光學(xué)測微器等構(gòu)成。蔡司010光路圖WildT3光路圖

§3－2光學(xué)測微器讀數(shù)方法及電子測角原理

2.

光學(xué)測微器的原理

雙平行玻璃板：平行移動量與入射角相關(guān)，垂直入射時，移動量為零；視線隨之發(fā)生平移，這樣可測取不足一個整分劃的值。雙光楔測微器：光楔角相等，相互倒置，光楔組可使光偏轉(zhuǎn)，量值相同，方向相反，視線隨之發(fā)生平移。一、光學(xué)測微器及其原理1．測微器的分類雙平行玻璃板測微器：T3、T2、J05雙光楔測微器：蔡司010、蘇光J21681682016840169指標(biāo)1681682016840169指標(biāo)aa168020/+a3.平行玻璃板測微原理轉(zhuǎn)動測微輪兩平行玻璃板作相對等量轉(zhuǎn)動，分別來自正倒度盤對徑分劃影像作等量相對移動。當(dāng)對徑分劃線重合時，測微盤轉(zhuǎn)到一定分劃位置，其讀數(shù)K就是所需要測量的微小量值。設(shè)計T3正倒度盤對徑分劃影像相對移動一格，測微器（盤）轉(zhuǎn)動了60大格600小格；而T2相對移動一格，測微器（盤）轉(zhuǎn)動了600小格。4.雙光楔測微原理雙光楔行粘合在一起時，等效為一塊平行玻璃板，對垂直入射面的光線不移動一光楔固定，另一光楔沿光線方向前后移動，則光線平移量

p與光楔移動量成正比。雙光楔由直線運動導(dǎo)致光線平移。轉(zhuǎn)動齒輪，齒條、雙移動光楔和測微尺沿光線方向移動，分別來自正倒度盤對徑分劃影像作等量相對移動。當(dāng)對徑分劃線重合時，測微尺移動到一定分劃位置，其讀數(shù)K就是所需要量測的微小量值。5.重合讀數(shù)法轉(zhuǎn)動測微輪，使度盤對徑分劃影像作相對等量移動，采用正倒分劃影像重合進行讀數(shù)的方法，稱為重合讀數(shù)法，相當(dāng)兩次指標(biāo)讀數(shù)取平均值。6.測微盤的格值T3測微盤的一大格的格值：2”

（T2儀器：1”）T3測微盤的一小格的格值：0.2”

（T2儀器：0.1”）

73°27’59.6”

5度4分分劃與指標(biāo)重合得到a值:5°04’29.3g185度4分分劃與指標(biāo)重合得到b值:5°04’28.9g

測量結(jié)果：5°04’58.2”

“平均效應(yīng)”：重合讀數(shù)法的自動取中數(shù)。7.特例說明指標(biāo)線

可以不設(shè)置度盤分劃線，蔡司010的度盤讀數(shù)視窗內(nèi)無指標(biāo)線。T2儀器讀數(shù)

T2儀器讀出格值以角秒為單位，無需乘2。指標(biāo)線不在中央，或無指標(biāo)線正倒像重合后，直接讀出兩分劃線之間的格數(shù)，然后乘以格值的一半（2’），便是正確的分讀數(shù)。No

和（N＋180）o分劃線在度盤視窗內(nèi)沒有出現(xiàn)時等于兩度相應(yīng)的分格數(shù)（T3為30格）減去（N＋1）o

和（N＋1＋180）o之間的分格數(shù)。8.讀數(shù)程序歸納轉(zhuǎn)動測微螺旋，使靠近指標(biāo)線的正倒分劃像精密重合；讀出靠近指標(biāo)線（視場中央）左側(cè)正像分劃的度數(shù)No；讀出No

和（N＋180）o之間的分格數(shù)n，乘以其分格值之半：G/2，得到“分”讀數(shù)：n×G/2；讀出測微盤的秒數(shù)C”。一般讀數(shù)公式：對于任一種精密光學(xué)經(jīng)緯儀均適用，只是度盤和測微器格值可能不同。二、電子測角原理電子經(jīng)緯儀與光學(xué)經(jīng)緯儀不同之處，在于用數(shù)字顯示來代替目視讀數(shù)，采用的是電子測角技術(shù)，故又稱電子數(shù)字經(jīng)緯儀。它由光學(xué)器件、機械器件、電子傳感器和微處理機等構(gòu)成。其軸系、望遠(yuǎn)鏡、制微動機構(gòu)的構(gòu)造與光學(xué)經(jīng)緯儀相同，用電子傳感器來代替普通經(jīng)緯儀的讀數(shù)指標(biāo)，通過摸擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法，從度盤上取得電信號，再把電信號轉(zhuǎn)換成角度由顯示器輸出。從總體上看，根據(jù)度盤是否轉(zhuǎn)動分為動態(tài)測角和靜態(tài)測角兩類；根據(jù)度盤刻制方式不同又可分為編碼度盤測角和光柵度盤測角兩種。這里將對模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換方法的原理作介紹，主要介紹編碼盤、光柵盤測角讀數(shù)基本原理。

圖為純二進制編碼盤，在度盤全周分成16個區(qū)，每個區(qū)中黑色部分為不透光區(qū)，用邏輯“1”表示，白色部分為透光區(qū)，用邏輯“0”表示。度盤圓周上刻有四層環(huán)道，稱為四碼道度盤。稱為四碼道度盤。沿徑向由里向外可讀出四位二進制數(shù)，表為各區(qū)所對應(yīng)的編碼，如第9區(qū)讀數(shù)為1001，相應(yīng)的讀數(shù)為202030/。

1、編碼度盤測角

編碼度盤為絕對式度盤，即度盤的每個位置與經(jīng)緯儀一樣，都可以讀出相應(yīng)的度、分?jǐn)?shù)值。區(qū)間編碼方向值區(qū)間編碼方向值00000

81000

1000122309100120230200104530101010225003001160301110112473040100900012110027000501011123013110129230601101350014111031500701111573015111133730碼盤的讀數(shù)是通過圖的光電裝置實現(xiàn)的。沿徑向在四個碼道上面分別裝四個發(fā)光二極管作為光源，在碼盤下面相應(yīng)位置上裝四個接收二極管。光源發(fā)出的光，通過碼道產(chǎn)生透光和不透光的信號。透光信號被光電管接收輸出為0，不透光信號輸出為1。圖中為通過第9區(qū)碼盤時的情況，輸出信號為1001。測角時根據(jù)兩方向所反映電信號的不同，就可算出其間的夾角。

2光柵度盤測角①

光柵度盤在光學(xué)玻璃度盤上均勻地沿徑向刻有等間隔的格線構(gòu)成光柵度盤，見圖。光柵上沒有絕對度數(shù).測角時要測定兩方向間累加的光柵數(shù)，因而，該法稱為增量式測角方法。光柵柵距一般較小，80mm直徑的度盤上刻有5000條刻劃，即每1mm范圍內(nèi)刻20條線，其柵距相應(yīng)的分劃值為4.32/。為提高測角精度，可采用莫爾條紋技術(shù)測微

②莫爾條紋技術(shù)用兩塊刻劃寬度一樣的光柵相疊，其中一塊稱移動光柵，一塊為指示光柵，并

使其刻線相交一微小夾角，這樣就可以看見明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋，見圖。當(dāng)移動光柵橫向移動一個間距，莫爾條紋就下下移動一段，顯然即莫爾條紋的紋距比柵距放大了θ倍，當(dāng)θ=20/，則可放大172倍。光柵度盤測角原理見圖，指示光柵、接收管、發(fā)光管位置固定。當(dāng)度盤隨照準(zhǔn)部轉(zhuǎn)動，度盤上的分劃相當(dāng)于移動光柵，光柵度盤通過一條格線時，光強就由暗到明，再由明到暗，光電流變化為一個正弦周期。若在光電流一周內(nèi)均勻插1000個脈沖，相當(dāng)于光柵刻劃提高了1000倍，從而提高了角分辨能力。

③正弦內(nèi)插測微技術(shù)用編碼度盤或光柵度盤時，為提高度盤分辨率，就要增加碼道或格線數(shù)，但這種增加是有限度的。為此，可在度盤格線中進行內(nèi)插，以提高度盤分辨率，正弦縫隙內(nèi)插就是一種精密測微技術(shù)。若度盤全周有n個分劃，在度盤上相應(yīng)地刻上n個相同的正弦縫隙。每個正弦圖形的零點都是已知的。圖表示一個正弦圖形，兩曲線間的部分為通光區(qū)，陰

影部分為遮光區(qū)，a、b、c、d為4個指標(biāo)光電管，其間隔均為1/4正弦波長。若能求得指標(biāo)在正弦波中的相位，就能算得指標(biāo)距離度盤刻線間的角值，從而達(dá)到內(nèi)插目的。四個光電管受正弦圖形的影響，其光照面積各不相同，從而產(chǎn)生不同的光照電流，見圖，根據(jù)4個指標(biāo)測得電流，就能算得相應(yīng)值。若測定的相位計能把正弦刻縫按1000等分，測角分辨率就提高了1000倍。

一、

垂直度盤1．問題提出：水平視線在實地?zé)o照準(zhǔn)參照物。2．問題解決：加裝指標(biāo)水準(zhǔn)器，并調(diào)整系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。3．調(diào)整過程：（1）

將水準(zhǔn)器與讀數(shù)指標(biāo)固聯(lián)，且水準(zhǔn)器軸與指標(biāo)正交或平行目的：取得水平視線的位置

效果：水準(zhǔn)器軸水平時，指標(biāo)處于垂直(水平）位置（2）

將垂直度盤與水平軸一端固聯(lián)，水平軸與垂直度盤正交，且同心。目的：讀出垂直度盤讀數(shù)并計算出垂直角4.指標(biāo)差：指標(biāo)的實際位置與理論位置之差稱為指標(biāo)差。

§3－3垂直度盤及垂直角計算§3－3垂直度盤及垂直角計算5.舉例說明：T3儀器的垂直角測定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)安置：

T3儀器的讀數(shù)指標(biāo)是豎立安置的,其作用是與水平安置是一樣的。

注記方式：它采用對稱注記的注記方式：對徑分劃的注記相同。注記格值：實際角度為140o的度盤周邊上，注記則是55～125（70度），即實際的2o間隔注記僅為1o。每度分為15格，即每格4’，而實際上是8’。望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸與度盤90o對徑分劃正交。二、

垂直角和指標(biāo)差的計算設(shè)度盤的零分劃線與視準(zhǔn)軸平行，并靠近分劃注記為

55的一端，L0、R0

：盤左、盤右的正確讀數(shù)

L、R：盤左、盤右的實際讀數(shù)I：按度盤注記計量的指標(biāo)差

左、

右：盤左、盤右的垂直角值

I：實際指標(biāo)差

：計算出的垂直角

設(shè)指標(biāo)差的實際讀數(shù)比正確讀數(shù)大時，I為正，有：

L0=L-IR0=

R-I考慮到度盤的分劃注記值為實際大小的一半，所以在角值表達(dá)式前面乘以2，才是盤左、盤右的垂直角值?！?－3垂直度盤及垂直角計算盤左90551251255590二、

垂直角和指標(biāo)差的計算

垂直角計算可以直接寫出盤左的垂直角值表達(dá)式：

（1）縱轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡重新照準(zhǔn)目標(biāo)時，指標(biāo)將繞垂直軸轉(zhuǎn)1800，盤右的垂直角值表達(dá)為：

（2）取的中數(shù)作為垂直角的觀測結(jié)果，故垂直角的計算公式為：說明