經(jīng)緯儀原理.doc

經(jīng)緯儀原理一、水平角測角原理如圖A、B、C為地面三點，高程不相等。將這三點沿鉛垂線方向投影到PQ水平面上，在水平面上得到A1、B1、C1三點，則水平成B1A1與BlC1夾角定義為地面上直線BA和BC間的水平角。由此可見，地面任意兩直線間的水平角度，為通過該兩直線所作豎直面間的兩面角。為了能測出水平角的大小，可在此兩豎直面的交線上任一高度0點水平地放置一刻度盤，通過BA和BC和一豎直面，與刻度盤的交線為0m、0n，在刻度盤上相應的讀數(shù)為b和a，從而求得水平角。=ab (31)根據(jù)以上分析，測量水平角的經(jīng)緯儀必須具備一個水平度盤，并設有能在刻度盤上進行讀數(shù)的指標；為了瞄準不同高度的目標，經(jīng)緯儀的望遠鏡不僅能在水平面內(nèi)轉(zhuǎn)動，而且還能在豎直面內(nèi)旋轉(zhuǎn)。二、經(jīng)緯儀原理經(jīng)緯儀有游標經(jīng)緯儀、光學經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀三類。游標經(jīng)緯儀一般為金屬度盤、游標讀數(shù)、錐形軸系，目前已很少使用。電子經(jīng)緯儀尚未普及，而光學經(jīng)緯儀具有讀數(shù)精度高、體積小、重量輕、使用方便和密封性能好等優(yōu)點被廣泛使用，下面對光學經(jīng)緯儀、電子經(jīng)緯儀作簡要介紹。1J6級光學經(jīng)緯儀理論上，一測回測角中誤差為6，故稱為6秒級經(jīng)緯儀，它屬于較低精度的經(jīng)緯儀，一般用于五等以下的控制測量和其他較低精度的測量工作。J6經(jīng)緯儀是由基座水平度盤和照準部三部分組成的?；嫌腥齻€腳螺旋6用來整平儀器。5是軸座連接螺旋，擰緊它可以將儀器固定在基座上，該螺旋不要松動，以免儀器分離而墜落。水平度盤外面看不見，它是一個玻璃制成的圓環(huán)，盤上按順時針方向刻有分劃，從0360，用來測量水平角。照準部由望遠鏡、讀數(shù)系統(tǒng)、橫軸、豎直度盤等幾部分組成，通過讀數(shù)顯微鏡9可讀出觀測方向值。一般讀到1估讀到10分之1分，即6的倍數(shù)。為帶分微尺測微器J6經(jīng)緯儀讀數(shù)窗，HZ表示水平度盤，V表示豎直度盤。此處水平度盤讀數(shù)為21454，0，豎直度盤讀數(shù)為79064。圖37為單板玻璃測微器的J6經(jīng)緯儀的讀數(shù)窗。國產(chǎn)紅旗型及瑞士T1，型光學經(jīng)緯儀就屬這類讀數(shù)方法。儀讀數(shù)窗在讀數(shù)窗中，下面的窗格為水平度盤的像，中間間格為豎直度盤的象。讀數(shù)窗格中間的雙線為指標線，度盤1或30刻一分劃，注記的數(shù)字是度數(shù)，上面的窗口為測微尺的像，窗口中間的單線也是指標線，測微器每隔5注記數(shù)字轉(zhuǎn)動測微輪，使度盤上整度數(shù)或整10的刻劃線恰好夾在雙線指標中間，即可讀數(shù)，如圖37a豎盤讀數(shù)為921724，圖37b中水平度盤讀數(shù)為430+1148=44148。2.J2級光學經(jīng)緯儀圖38是蘇州光學儀器廠生產(chǎn)的DJ2型光學經(jīng)緯儀的外形圖。它的各個部件的名稱均注在圖上。J2儀器讀數(shù)設備與J6比較有兩個特點：一是，J2級光學經(jīng)緯儀采取度盤對徑重合讀數(shù)取平均值，消除了照準部偏心的影響，提高了讀數(shù)精度；二是在J2級光學經(jīng)緯儀讀數(shù)顯微鏡中，只能看到水平度盤或豎盤的一種影像，要讀另一種時，需轉(zhuǎn)動換像手輪9。如圖39為蘇光J2光學經(jīng)緯儀的讀數(shù)窗圖，當照準后，轉(zhuǎn)動測微手輪7，使主像(正字注記)與副像、倒字注記的分劃線對合好，提出具備下列三個條件而且注有度數(shù)的相對分劃線。(1)相差180；(2)主像在左側(cè)，副像在右側(cè)；(3)相距最近。則該對分劃線中的主像所注的度數(shù)就是需要讀數(shù)的度數(shù)。主像分劃線與副像分劃線間的所夾的格數(shù)的一半，即為度盤上應讀取的整10數(shù)不足10，的分，秒數(shù)。在右邊的測微尺讀出。故其窗口讀數(shù)為：度盤上的度數(shù)163度盤上的整10數(shù)210=20測微尺上的分秒數(shù)7325全部讀數(shù)為1632732.5T2型經(jīng)緯儀與DJ2的讀數(shù)方法相同，但其測微機構用的是雙平板玻璃和阿基米德螺旋線。所不同者主像在下，副像在上，讀數(shù)時仍以主像為主。如圖3-10所示，水平度盤讀數(shù)為009485。新型T2經(jīng)緯儀，讀數(shù)已數(shù)字化，讀數(shù)時，轉(zhuǎn)動測微輪，使主副像刻劃線重合，其讀數(shù)可直接在讀數(shù)窗中顯示出來，提高了讀數(shù)速度，如圖3-11所示，其讀數(shù)為9412442。3電子經(jīng)緯儀電子經(jīng)緯儀目前一般與測距儀、微順一起構成全站式電子速測儀。它采用光電測角，以光電信號的形式表達角度測量結果。即采用新型的度盤刻劃形式，以光電技術和電子測微技術確定與其相適應的光電測角原理。目前光電測角有三種度盤形式，即格區(qū)式度盤，光棚度盤和編碼度盤，下面僅簡介格區(qū)式度盤動態(tài)測角原理。如圖312是一種格區(qū)式玻璃度盤。度盤上刻有明暗的間隔，間隔的寬度和數(shù)目視設計要求而定。度盤上還設有光闌LR、LS，光闌上裝配有發(fā)光二級發(fā)電二極管。當度盤轉(zhuǎn)動時，不動的光闌中的光電二級管將接收在發(fā)光二級管送來的格區(qū)明暗信號，明暗信號多少將是度盤轉(zhuǎn)動大小的標志。度盤明暗格區(qū)刻劃有兩種：標志刻和一般刻劃。圖313有A、B、C、D四組標志刻劃。各標志以寬窄不同的刻劃線和不同的排列設置在起算位置依次為90的區(qū)間上，一般刻劃類似圖312所示，分布在標志刻劃分割的四個區(qū)間。一般刻劃的暗條紋為明條紋寬度的2倍。度盤總刻劃數(shù)1024，如圖317所示，。=36060601024=1265625秒。動態(tài)掃描是通過光電信號掃描獲得角度信息的。在圖312中，固定光闌IS設在度盤內(nèi)側(cè)，可動光闌IR設在度盤外側(cè)與照準部相連。角度測量時，由于LR隨照部旋轉(zhuǎn)，這樣Ls，LR之間構成一定的角度。度盤在馬達的帶動下，始終以一定的速度旋轉(zhuǎn)，從而使接收二級管斷續(xù)地接收由發(fā)光二級管發(fā)來的紅外光，在接收到光信號時，它送出高電平電信號，在未收到光信號時，則送出低電子電信號，從而完成對度盤的掃描。由圖313可知，。代表一個刻劃寬所代表的角度。即。=2N為已知值。對于任一角度，則可表示成：=n。+（n為正整數(shù)，0。） (32)的測定：從圖315中由信號R和信號S送出的波形可以看出，由于的存在變化范圍為0T。由于馬達轉(zhuǎn)速一定，故有：=。T。ti(i=1，2，N)式中：N為度盤總刻劃數(shù)，ti可用脈沖填充精確測定。微處理器算出i后，再依式：=iN算出最后結果，由此實現(xiàn)了度盤全刻劃測角。n的測定：度盤上的四組標志刻劃是為測定n值而專門設置的。其作用如圖315所示，假定被觀測的角度為，在測角時，度盤旋轉(zhuǎn)一周，A、B、C、DF均經(jīng)過R、S一次，R、S發(fā)出信號為RA、SA、RB、SD、RC、SC、RD和SD。A由R轉(zhuǎn)到S時所對應的時間為TA，則中所含。的個數(shù)nA可由式nA=TAT。(取整)(35)算出。對于B、C、D組刻劃，同樣有ni=TiT。(i=B、C、D)(36)這就是說，在旋轉(zhuǎn)一周時可測出四個n值，微處理器將它們加以比較，如發(fā)現(xiàn)差異，則自動重復測定n值，從而保證n值的正確性。WidTC2000型全站儀就是采用動態(tài)掃描的絕對角度測量原理。能大大地消除度盤分劃誤差的影響，消除了度盤偏心差的影響，觀測值最小讀數(shù)為01。一測回觀測中誤差05，水平方向，天頂距同時測量的時間為09秒。有關具體操作使用請見說明書。此處不繁述。三、水平角觀測1經(jīng)緯儀的對中、整平和瞄準對中有垂球?qū)χ泻凸鈱W對中。目前生產(chǎn)的經(jīng)緯儀均帶有光學對點器，一般可采用光學對中，用垂球?qū)χ袝r，對中誤差一般應小于3mm。光學對中誤差一般應小于lmm。但邊長越長，對中精度可低一些，邊長越短，若要保證同樣的測角精度，對中的精度要求就高。整平：調(diào)整腳螺旋(3個)使照準部上的管水準器氣泡居中，從而使水平度盤處于水平位置，豎軸豎直。光學對中和整平工作要交替進行。因為整平后光學對中會偏離點位，所以對中和整平這兩步工作需要反復進行，直到在限差內(nèi)為止。整平誤差不應超過水準管一格分劃值。瞄準：先調(diào)節(jié)目鏡使十字絲清晰，然后照準目標，調(diào)節(jié)物鏡，使物像清晰，觀測水平面時，應盡量瞄準目標的底部，從而提高照準精度。2水平角觀測的方法水平角的觀測方法，視測量工作要求的精度，施測時所用的儀器以及觀測方向的多寡而定。一般有測回法、復測法和全圓測回法三種方法，下面簡介測回法和全圓測回法。(1)測回法如圖316所示，經(jīng)緯儀置2點，盤左位置(即正鏡)，扳起復測鈕，轉(zhuǎn)動照準部，視窗口讀數(shù)略大于0，扳下復測鈕，這時水平度盤與照準部一起轉(zhuǎn)動，照準前視點3，旋緊水平制動螺旋，扳起復測鈕，讀取水平度盤讀數(shù)h，記錄入簿(表31第4欄中)，放松水平制動螺旋，順時針方向轉(zhuǎn)動照準后視點1，讀數(shù)al記錄入簿，則盤左所測得角值左：al-b1稱上半測回。盤右位置(即倒鏡)松開水平制動螺旋，先照準后視點1，讀數(shù)a2，再逆時針照準前視點3，讀數(shù)a2，則得下半測回角值右=a2-b2。進行正鏡，倒鏡觀測，主要是消除或削弱儀器誤差對測角的影響。最后角值：=(左+右)2兩個半測回角值之差，對于J6，應小于40，對于游標經(jīng)緯儀，應小于2t，t為游標最小讀數(shù)。(2)全圓測回法，當一個測站上要觀測幾個角度，即觀測方向多于三個時，一般采用此法觀測。如圖317為一四等三角網(wǎng)中盟山測站有四個方向，為測出各方向相互之間的角值，可用全圓測回法先測出各方向值。在盟山點安置經(jīng)緯儀，盤左位置，瞄準第一個目標(取通視好，成像清晰的目標)，此處選麻塘作為第一目標，通常稱為零方向，旋緊水平制動螺旋，轉(zhuǎn)動水平微動螺旋精確瞄準，轉(zhuǎn)動度盤變換器使水平度盤讀數(shù)略大于0，再檢查望遠鏡是否精確瞄準，旋進測微手輪，使分劃重合讀一次數(shù)，退回一點再旋進重合讀次數(shù)，二次讀數(shù)之差，對于J2經(jīng)緯儀，不允許超過3，零方向讀數(shù)與置數(shù)之差不充許超過測微器增量的一半。順時針方向旋轉(zhuǎn)照準部，依次照準周家、義山、大坳等點，最后閉合到零方向(麻塘)所有讀數(shù)依次序記在手盤在欄內(nèi)?？v轉(zhuǎn)望遠鏡，逆時針方向旋轉(zhuǎn)照準部12周后，精確照準零方向，按上述讀數(shù)方法讀數(shù)。逆時針方向轉(zhuǎn)動照準部，按上半測回的相反次序觀測，即麻塘、大坳、義山、周家、麻塘。手簿記錄見表32表3-2 水平方向觀測手簿格式（全圓測回法）表內(nèi)有關計算說明：a二倍照準誤差2C值2C二盤左讀數(shù)(盤左讀數(shù)180)，一測回內(nèi)2C互差應符合表33的規(guī)定。計算值填人(2C)欄內(nèi)。b.計算各方向的平均讀數(shù) 平均讀數(shù)=1/2盤左讀數(shù)-（盤右讀數(shù) 180），由于一般度、分不會變化，只需把盤左、盤右的秒讀數(shù)取平均值即可，該值填左-右/2欄內(nèi)。 c.計算零方向的平均值：該值記入麻塘的平均值欄內(nèi)，見表3-2。d.計算各觀測點的方向值零方向麻塘方向值為00000.0。其余方向值=平均方向值-零方向值，如周家的方向值為691651.5-00008.2=691643.3若觀測多個測回，如四等三角測量，房產(chǎn)測量規(guī)范規(guī)定，采用DJ2經(jīng)緯儀須觀測6個測回，那么，同一方向值各測回互差應符合表3-3的規(guī)定。第一測回，度盤位置是000，測微器位置是測微增量=各測回零方向按以上方法安置讀數(shù)，其目的是把各測回讀數(shù)均勻分布在度盤和測微器的不同位置上，以消除和減小度盤分劃長、短周期誤差、測微器分劃誤差和行差等影響。3水平方向觀測中的注意事項(1)儀器整置的高度要適宜，做到操作方便。(2)觀測開始前要調(diào)好望遠鏡的焦距，一測回內(nèi)保持不變，因為調(diào)焦會使視準軸發(fā)生變化，使2c超限。(3)觀測應待儀器溫度與外界溫度充分一致時才開始，觀測過程中，儀器不得受日光照射。(4)整置儀器時，應盡可能使儀器旋轉(zhuǎn)軸豎直。在觀測過程中，對于DJ2型儀器，氣泡中心位置中心不得超過一格。每測回開始前都要整平儀器。(5)觀測過程中，如發(fā)現(xiàn)二倍照準差(2C)的絕對值大于30(對于DJ2型儀器)，應在測回之間進行視軸校正。(6)儀器的轉(zhuǎn)動應平穩(wěn)、勻稱，照準目標時應按規(guī)定方向旋轉(zhuǎn)，將目標置于十字絲交點附近。照準各方面目標時應在同樣位置。使用微動手輪照準目標或使用測微手輪重合分劃線時，其最后旋轉(zhuǎn)方向均應為旋進。4國家規(guī)范關于重測問題的若干規(guī)定。(1)凡超過規(guī)范規(guī)定限差的結果，均應進行重測。因時錯度盤、照錯方向、讀記錯誤、或因中途發(fā)現(xiàn)觀測條件不佳等原因而放棄的測回，不統(tǒng)計在重測數(shù)內(nèi)。(2)因測回互并超限而重測時，除明顯孤值外，原則上應重測最大和最小的成對測回。(3)重測數(shù)的計算方法：在基節(jié)測觀測結果中，重測一個測回中的一個方向叫做一個“方向測回”，一份成果的全部方向測回數(shù)(按基本測回數(shù)計算)等于(m-1)n，式中m是方向數(shù)，n是測回數(shù)?；緶y回中，需重測的方向測回數(shù)越過全部方向測回數(shù)的1/，3時，應全份重測。(4)零方向超限，該測回重測。(5)一個測回中，需在測的方向歌枉過所測方向數(shù)13時，或者所測方向只有三個而其中一個方向超限時，必須重測一個測回。但計算重測數(shù)時，仍按超限方向數(shù)計算。(6)重測超限方向時，只須聯(lián)測零方向。(7)重測結果與基本回結果不取中數(shù)。即每一個度盤位置只采用一個符合限差的測回成果。(8)因三角形閉合差、測角中誤差等超限而需要重測時，應重測全站成果。觀測時，儀器不能安置在標石中標石中心偏離一段距離，或照準的覘標中心與標石中心不在一條鉛垂線上，這時，需在現(xiàn)場測定出歸心元素，然后，把觀測成果歸算到標石中心上。1歸心計算。如圖318所示，設BIBK是標石中心，YI是儀器中心，Tk是覘標中心。er，r，稱為測站歸心福，er，r稱為照準歸心元素。M代表未經(jīng)歸心改正的觀測方向值。把實際測量得的YITK方向值加上改正數(shù)C，改化為BITK方向值加上改正數(shù)r，便改化到BITK方向，這項改正稱為照準歸心改正。即(BIBK)=(YIYK)+C+r式中：應該注意，Mr、er、r，是要計算歸心改正數(shù)的本站工測定的方向值和歸，b元素，而Mr、er和r則是照準點所在站K測定的方向值和歸心元素，兩者不能混淆。2歸心元素測定的要求。(1)投影時，應選擇二個夾角互成120的位置安置經(jīng)緯儀正倒鏡進行投影，也可選擇三個互成60的投影站投影或兩個互成90的投影站各投影兩次。投影中，對投影的原始點和描繪方向不得有任何更改。(2)投影標石中心和儀器中心的誤差三角形邊長不得超過5mm，而投影照準中心的誤差三角形邊長不得超過10mm。(3)投影須采用專用的投影圖紙，投影完畢后，應在投影用紙上描繪兩個觀測方向，其中一個最好是本站的觀測零方向。(4)在未設觀測站的點上進行照準點投影時，描繪的兩個方向中，應包括照準本點的測站點的方向。(5)二等觀測方向，歸心元素應在測前和測后各測定一次；三、四等點的歸心元素可只投影一次。但測定歸心元素與測站觀察的時間差不能超過3個月。(6)量取er和eT時，應準確到毫米，QRQT準確到15，概算邊長DIK準確到米。e愈大，對9和D的精度要求就愈高。(7)直接測量法中用鋼尺丈量偏心距兩次，兩次結果之差不超過10mm，用經(jīng)緯儀觀測偏心角兩測回，取至10 。五、觀測方向的化算方向曲率改正所謂觀測方向的化算，就是將橢球體面上兩點之間的大地線方向化算為高斯投影平面上兩點之間的直線方向，即在觀測方向值上加入一種改正數(shù)，這種改正數(shù)叫方向改正或方向曲率改正。六、水平角觀測的主要誤差1外界條件對于觀測精度的影響主要是觀測時的大氣溫度、大氣的運動、太陽的照射、地形、地物和視線高度等因素影響觀測精度。大氣的運動會影響目標成像的清晰度，溫差使得大氣密度不均勻?qū)е麓髿庹酃?，從而使視線產(chǎn)生彎曲給觀測方向值帶來系統(tǒng)誤差，因日照使各照準目標的明亮和陰暗面各不相同，使照準目標時產(chǎn)生偏差，叫相位差。另外，氣溫的變化會使望遠鏡照準軸發(fā)生變化，太陽直射會使儀器腳架扭轉(zhuǎn)，盡管這些誤差都很小，但對于等級控制測量來說，則需盡量避免或減弱的。為此，要選擇好觀測時間，如晴天，影像最穩(wěn)定，清晰的時間是上午日出后1小時至8點及下午3點、4點以后，陰天時，可以觀測的時間比晴天長得多，不要在日出和日落前后、大雨前后這樣的水平折光較大時觀測，對于照準目標的相位差，觀測員應仔細辨別覘標的實際輪廓來進行照準。影響特別顯著的，可以采用上、下午各測半測回數(shù)來加以抵償。另外，太陽光線盡量不要直射三腳架，同時，上、下午測回按相反的次序去照準目標可以指望消除或削弱三腳架扭轉(zhuǎn)的影響。2儀器的本身誤差儀器的制造，不管如何精細，要想不存在誤差是不可能