工程測量的儀器與方法.ppt

1、工 程 測 量 學(xué),第四章 工程測量的儀器與方法,2,第四章 工程測量的儀器與方法,主要內(nèi)容： 工程測量中，進(jìn)行長度和偏距、角度和方向、高程和傾斜、準(zhǔn)直、坐標(biāo)等測量的儀器及其測量方法 重點(diǎn)： 專用儀器 特殊方法,中國地質(zhì)大學(xué) 工程學(xué)院 工程測量學(xué),4.1 角度測量,角度是幾何測量的基本元素，包括水平角和垂直角。 角度測量的儀器主要是經(jīng)緯儀，分為光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀兩大類。,4.1 角度測量,一、光學(xué)經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu) 基本結(jié)構(gòu)主要包括照準(zhǔn)部（望遠(yuǎn)鏡）、讀數(shù)裝置（含水平度盤、垂直度盤）、安平設(shè)備及基座和對點(diǎn)器等。 我國光學(xué)經(jīng)緯儀系列分為J07、J1、J2、J6等型號(hào)，J為經(jīng)緯儀漢語拼音的第一個(gè)字

2、母，下標(biāo)表示儀器的精度指標(biāo)。,4.1 角度測量,二、水平角觀測,對儀器進(jìn)行“對中”和“整平”； 盤左，粗略瞄準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo)； 仔細(xì)對光，消除視差； 精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)，取水平度盤讀數(shù)； 不動(dòng)調(diào)焦鏡，盤右，精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)，取水平度盤讀數(shù)； 對于下一個(gè)目標(biāo)，重復(fù)上述操作。,4.1 角度測量,三、垂直角觀測 三絲法垂直角觀測的具體操作程序：,盤左，按上、中、下三根水平絲的順序依次照準(zhǔn)同一目標(biāo)各一次，并分別讀豎盤讀數(shù)； 盤右，同上一樣的觀測； 分別計(jì)算三根水平絲所測得的指標(biāo)差和垂直角，并取垂直角的平均值作為一個(gè)目標(biāo)的一測回之值。,若僅使用中間的水平絲進(jìn)行觀測，則稱為“中絲法”,4.1 角度測量,五、目標(biāo)照準(zhǔn)自動(dòng)化

3、（基本原理）,帶ATR望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖,4.1 角度測量,五、目標(biāo)照準(zhǔn)自動(dòng)化 在角度測量時(shí)，ATR自動(dòng)識(shí)別并照準(zhǔn)目標(biāo)主 要有三個(gè)過程：,目標(biāo)搜索過程 目標(biāo)照準(zhǔn)過程 程和測量過程,4.1 角度測量,六、全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀 經(jīng)緯儀與陀螺儀配合使用，成為陀螺經(jīng)緯儀。目前，自動(dòng)化陀螺經(jīng)緯儀的主要產(chǎn)品有德國威斯特發(fā)倫采礦聯(lián)合公司的Gyromat2000和日本索佳公司（SOKKIA）的AGP1等。,GYROMAT2000,AGP1,4.1 角度測量,六、全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀 陀螺經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu) 自動(dòng)定向原理,注： 陀螺馬達(dá) 靈敏部 懸掛帶,4.1 角度測量,六、全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀 測量步驟,將儀器安置到三腳架上

4、并精確對中、整平； 連接陀螺儀與經(jīng)緯儀之間的數(shù)據(jù)通信電纜； 經(jīng)緯儀開機(jī)，陀螺儀開機(jī)； 啟動(dòng)測量程序進(jìn)行定向測量； 將儀器從任意初始位置步進(jìn)測量自動(dòng)實(shí)現(xiàn)概略尋北； 測定測前懸?guī)Я阄唬?儀器預(yù)定向，使概略指北方向在0.05g（2 42） 按積分測量精確定向，并顯示照準(zhǔn)部零位與真北方向偏角。 經(jīng)緯儀照準(zhǔn)測線目標(biāo)，盤左、盤右觀測兩測回，將結(jié)果輸入到陀螺儀中，即可計(jì)算并顯示測線方位角。,4.1 角度測量,六、全自動(dòng)陀螺經(jīng)緯儀,測角裝置采用TDA5005全站儀，還 實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤功能。,國產(chǎn)TDA5005+Y/JTG-1陀螺經(jīng)緯儀,4.2 距離測量,距離是幾何測量的基本元素，距離測量的 方法主要有三

5、種：,直接丈量 間接視距測量 物理測距,4.2 距離測量,一、鋼尺量距（鋼尺的尺長方程式） 鋼尺量距一般包括以下幾方面工作： 二、電磁波測距 電磁波測距是通過測定電磁波在待測距離上往返傳播的時(shí)間，利用下列基本公式來計(jì)算待測距離的。,定線 量距 測量定向樁之間的高差 成果整理,4.2 距離測量,二、電磁波測距 特點(diǎn)： 相位式測距是通過測量調(diào)制波在測線上往返傳播所產(chǎn)生的相位移間接地測定電磁波在測線上往返傳播時(shí)間的。,相位式測距原理,相位式測距原理：,4.2 距離測量,二、電磁波測距 ,電磁波測距儀分類,按載波分：光波測距儀、微波測距儀和多載波測距儀； 按測程分：短程測距儀（2km）、中程測距儀（2

6、7km）、遠(yuǎn)程測距儀（715km）和超遠(yuǎn)程測距儀； 按精度分：超高精度測距儀、高精度測距儀、一般精度測距儀； 按測距方式分：脈沖式測距儀（測程遠(yuǎn)但精度低）、 相位式測距儀 （測程較短但精度高） 和混合式測距儀,4.2 距離測量,二、電磁波測距 電磁波測距儀的使用（P73） 測距儀一般由照準(zhǔn)頭、控制器、電源和反射器四部分組成，一般與經(jīng)緯儀連接使用。各種型號(hào)的電磁波測距儀結(jié)構(gòu)不同，操作方法也有差異，使用時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照說明書進(jìn)行操作。,儀器加常數(shù)和乘常數(shù)改正 Dc=a DR=b*D 氣象改正 傾斜改正,4.2 距離測量,三、雙頻激光干涉測距,4.2 距離測量,三、雙頻激光干涉測距,干涉儀、測距儀反射鏡

7、,用雙頻激光干涉儀檢定測距儀,4.2 距離測量,四、偏距測量 尼龍絲準(zhǔn)直系統(tǒng)系統(tǒng) 由三部分組成：尼龍絲，帶有探測器的尺子及控制裝置。 激光準(zhǔn)直系統(tǒng) 該系統(tǒng)由一帶有專門光學(xué)系統(tǒng)的激光源及一臺(tái)差示光電管接收機(jī)組成。,4.3 高程測量,一、幾何水準(zhǔn)測量 電子水準(zhǔn)儀基本結(jié)構(gòu) 基本構(gòu)造由光學(xué)機(jī)械部分、自動(dòng)安平補(bǔ)償裝置和電子設(shè)備組成。電子設(shè)備主要包括：調(diào)焦編碼器、光電傳感器（即線陣CCD器件）、讀數(shù)電子元件、單片微處理機(jī)、接口（外部電源和外部存儲(chǔ)記錄）、顯示器件、鍵盤以及影像數(shù)據(jù)處理軟件等，標(biāo)尺采用條形碼標(biāo)尺供電子測量使用。,4.3 高程測量,一、幾何水準(zhǔn)測量,徠卡DNA03/10,徠卡DNA03/蔡司D

8、INI1010,徠卡D拓普康 DL101/102NA03/10,徠卡DNA索佳SDL203/10,部分電子水準(zhǔn)儀的外觀圖,4.3 高程測量,一、幾何水準(zhǔn)測量 電子水準(zhǔn)儀的測量原理 由于生產(chǎn)電子水準(zhǔn)儀的各廠家采用不同的專利，測量標(biāo)尺也各不相同，因此讀數(shù)原理各異，下面主要介紹徠卡和蔡司兩家公司生產(chǎn)的電子水準(zhǔn)儀的測量原理。,4.3 高程測量,幾何水準(zhǔn)測量（徠卡電子水準(zhǔn)儀原理）,4.3 高程測量,幾何水準(zhǔn)測量（蔡司電子水準(zhǔn)儀原理）,4.3 高程測量,一、幾何水準(zhǔn)測量 幾何水準(zhǔn)測量是經(jīng)典高差測量方法，使用的儀器是水準(zhǔn)儀，其原理是借助于水平視線獲取樹立在兩點(diǎn)上的標(biāo)尺讀書，從而測定兩立尺間的高差。 它與傳統(tǒng)

9、光學(xué)水準(zhǔn)儀相比有以下：,電子水準(zhǔn)儀的性能及特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)： 讀數(shù)客觀 精度高 速度快 效率高 操作簡單,缺點(diǎn)： 電子水準(zhǔn)儀對標(biāo)尺進(jìn)行讀數(shù)不如光學(xué)水準(zhǔn)儀靈活 電子水準(zhǔn)儀受外界條件影響較大,4.3 高程測量,一、幾何水準(zhǔn)測量 電子水準(zhǔn)儀的應(yīng)用 由于電子水準(zhǔn)儀優(yōu)點(diǎn)顯著，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、工業(yè)測量等領(lǐng)域。,4.3 高程測量,二、液體靜力水準(zhǔn)測量,連通器內(nèi)液體的平衡,液體靜力水準(zhǔn)測量原理,4.3 高程測量,三、三角高程測量,4.3 高程測量,四、傾斜測量 雖然地面或建筑物的傾斜可用常規(guī)的測量方法測定兩點(diǎn)間高差的變化，從而求出傾斜值，但在一些工作面傾斜測量和連續(xù)自動(dòng)化傾斜監(jiān)測中，一般采用專

10、用的傾斜測量儀。目前傾斜儀的種類很多，大體可以分為“短基線”傾斜儀和“長基線”傾斜儀兩種。前者一般用垂直擺錘或水準(zhǔn)氣泡作為參考線；后者一般根據(jù)靜力水準(zhǔn)測量的原理做成。,4.4 準(zhǔn)直測量,一、光的相干性原理 因?yàn)楣饩哂胁▌?dòng)性，所以如機(jī)械波那樣，當(dāng)兩列光波頻率相同、方向相同、相位相同或相位差恒定時(shí)，這兩列光波將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。,光的相干性,4.4 準(zhǔn)直測量,二、波帶板激光準(zhǔn)直測量的設(shè)備 波帶板激光準(zhǔn)直設(shè)備主要有以下部件組成：,He-Ne激光器，用于發(fā)射激光。 波帶板,(a)圓形波帶板,(b)方形波帶板,激光探測器,4.4 準(zhǔn)直測量,三、波帶板激光準(zhǔn)直測量方法 波帶板激光準(zhǔn)直測量步驟如下：,在一基準(zhǔn)點(diǎn)

11、A安置激光器； 在另一基準(zhǔn)點(diǎn)B安置探測器； 在待測點(diǎn)i安置一特定“焦距”的波帶板。,激光波帶板準(zhǔn)直測量,4.4 準(zhǔn)直測量,四、激光準(zhǔn)直測量的精度與應(yīng)用 實(shí)驗(yàn)表明用這種裝置準(zhǔn)直，測定偏離值的精度可達(dá)測線長度的10-6；由于激光準(zhǔn)直受大氣的影響，如果將高精度激光準(zhǔn)直系統(tǒng)安裝在真空管道內(nèi)，則準(zhǔn)直精度還可達(dá)10-710-8。 由于波帶板激光準(zhǔn)直測量的高精度，目前已被廣泛應(yīng)用于線狀工程建筑物的變形觀測，如大壩變形觀測，精密導(dǎo)軌標(biāo)定和高能粒子加速器直線段的安裝與變形檢測中，也用于高能粒子加速器環(huán)形網(wǎng)三角形高的測量中。,4.5 坐標(biāo)測量,一、全站儀測量,全站儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 全站儀的分類,速測術(shù)與速測儀 全站型

12、電子速測儀 全站儀的發(fā)展趨勢,4.5 坐標(biāo)測量,二、全球定位系統(tǒng)（GPS） ,偽距法定位原理 載波相位測量原理 GPS作業(yè)方式 GPS數(shù)據(jù)處理 GPS定位的誤差來源,4.5 坐標(biāo)測量,三、激光跟蹤儀 目前，國際上主要有三家儀器公司生產(chǎn)激光跟蹤儀，分別是瑞士徠卡公司，美國SMX公司（現(xiàn)已并如FARO）、API公司。,徠卡LTD500,SMXTracker4500,API TrackerII,4.5 坐標(biāo)測量,三、激光跟蹤儀,激光跟蹤儀的基本組成,角度測量部分 距離測量部分 跟蹤部分 控制部分 支撐部分,4.5 坐標(biāo)測量,三、激光跟蹤儀,激光跟蹤儀的測量原理和坐標(biāo)系,激光干涉測距原理,4.5 坐標(biāo)

13、測量,三、激光跟蹤儀,激光跟蹤儀的測量原理和坐標(biāo)系,激光跟蹤儀坐標(biāo)測量原理圖,4.5 坐標(biāo)測量,三、激光跟蹤儀,激光跟蹤儀應(yīng)用,車身在線檢測設(shè)備,CCD傳感器的校準(zhǔn),4.5 坐標(biāo)測量,四、激光掃描儀,不同廠家激光掃描儀外型,LR200激光雷達(dá),4.6 水深測量,一、回聲測深儀,回聲測深原理,為超聲波在水中的傳播速度，約為1500m/s,為水面至水底反射往返的時(shí)間間隔,4.6 水深測量,二、多波束測深儀 與傳統(tǒng)的單波束測深儀比較，多波束測深儀具有測量范圍大、速度快、精度高、記錄數(shù)字化以及成圖自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，它把測深技術(shù)從點(diǎn)、線擴(kuò)展到面，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測深和自動(dòng)成圖，從而使水下地形測量技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)較高的水平。,4.6 水深測量,三、水位觀測 水深測量需與陸地上平面位置與高程聯(lián)系起來才具有水下地形測繪等實(shí)用價(jià)值。測深的平面定位可籍助陸地測量技術(shù)，如傳統(tǒng)的方向交會(huì)、距離交會(huì)、極坐標(biāo)法等，目前主要采用GPS動(dòng)態(tài)定位方法和無線電定位等。,四、深度基準(zhǔn)面的概念 在工程測量中，水下地形點(diǎn)豎向位置的描述可使用與陸地同樣的高程系統(tǒng)，由此得到水下地形圖。但有時(shí)需用水深描