垂準(zhǔn)儀使用和校核

1、垂準(zhǔn)儀使用和校核垂準(zhǔn)儀是以重力線為基準(zhǔn)，給出鉛垂直線的光學(xué)儀器?？捎脕頊y量相對鉛垂線的微小水平偏差、進(jìn)行鉛垂線的點(diǎn)位轉(zhuǎn)遞、物體垂直輪廓的測量以及方位的垂直傳遞。它主要用于高層建筑施工、高塔、煙囪、高塔的施工、發(fā)射阱、架、大型柱形機(jī)械設(shè)備的安裝，大壩的水平位移測量，工程監(jiān)理和變形觀測等場合。垂準(zhǔn)儀的使用滲透到國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍工制造領(lǐng)域的方方面面，近年來，隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對垂準(zhǔn)儀的需求越來越大，對垂準(zhǔn)儀的精度要求也越來越高，出廠和使用過程中的垂準(zhǔn)儀都需要校準(zhǔn)和調(diào)校，只有這樣才能給施工建設(shè)提供一個(gè)可靠的標(biāo)準(zhǔn)，否則，使用一臺(tái)誤差過大或已經(jīng)損壞的垂準(zhǔn)儀將對建筑、工程產(chǎn)生非常致命的打擊。垂準(zhǔn)儀是一

2、個(gè)新型儀器，2002年國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局出臺(tái)了一份校準(zhǔn)規(guī)范JJF1081-2002垂準(zhǔn)儀校準(zhǔn)規(guī)范以下簡稱規(guī)范。筆者發(fā)現(xiàn)在垂準(zhǔn)儀校準(zhǔn)過程中還存在若干問題值得進(jìn)一步探討。從垂準(zhǔn)儀的定義可知，垂準(zhǔn)儀是給出鉛垂基準(zhǔn)的儀器，它的性能優(yōu)劣、質(zhì)量好壞直接取決于它所指示的這個(gè)鉛垂光線的鉛垂度。如果與理想的鉛垂線相差太大（指示了一根很歪的垂線）就不能達(dá)到工程精度的要求，這樣的垂準(zhǔn)儀就不能再使用了。所以垂準(zhǔn)儀的出廠和使用中應(yīng)當(dāng)校準(zhǔn)其指示光線的鉛垂度。但是現(xiàn)在國內(nèi)外垂準(zhǔn)儀產(chǎn)品的出廠指標(biāo)和規(guī)范中校準(zhǔn)指標(biāo)中并沒有關(guān)于鉛垂度的相關(guān)內(nèi)容。而且一些人將垂準(zhǔn)儀“機(jī)械軸與激光軸的同軸度”和“一測回垂準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)偏差”誤認(rèn)為是

3、鉛垂度的體現(xiàn)，認(rèn)為只要這兩個(gè)指標(biāo)合格的話就能夠保證儀器的鉛垂度。這些問題都需要細(xì)致的分析垂準(zhǔn)儀的原理和結(jié)構(gòu)才能判斷。一、        機(jī)械軸與光軸的同軸度如圖1所示，為長水泡型垂準(zhǔn)儀的機(jī)構(gòu)原理圖。圖中所示的垂準(zhǔn)儀同時(shí)具有光學(xué)視準(zhǔn)軸和激光光軸（以下統(tǒng)稱光軸），它們共用同一套光路。當(dāng)分劃板和激光器正好安置到理論位置的時(shí)候，此時(shí)光軸與儀器的機(jī)械軸同軸，實(shí)際中因?yàn)榘仓谜`差的存在，就使得儀器的光軸與機(jī)械軸不同軸，這就是機(jī)械軸與光軸的同軸度問題。如圖2所示，機(jī)械軸與光軸軸成a角度，在轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械軸的過程中，垂準(zhǔn)儀光軸的掃過的軌跡成一個(gè)以機(jī)

4、械軸延長線為軸線，以2a為頂角的圓錐，同軸度越好即a角越小這個(gè)圓錐就小，當(dāng)a0º時(shí)，機(jī)械軸與光軸同軸，此時(shí)圓錐也縮為一根直線，這是理想狀態(tài)。                         垂準(zhǔn)儀正是通過水泡或補(bǔ)償器將豎軸確定為“鉛垂”然后通過光軸指示的，但是不論是水泡型還是補(bǔ)償器型垂準(zhǔn)儀，其設(shè)計(jì)原理就存在誤差，這就使得其豎軸不可能為完全鉛垂。以長

5、水泡型垂準(zhǔn)儀為例，來說明這個(gè)問題。長水泡的置平精度較低，而且置平過程中人為因素影響較大，按一般經(jīng)驗(yàn)水泡左右相差半格就算是達(dá)到置平要求。所以豎軸不可能被定位到標(biāo)準(zhǔn)的鉛垂線，它總與標(biāo)準(zhǔn)鉛垂線有一定的夾角。即使通過旋轉(zhuǎn)的方法得到光軸的中心線的辦法來提高垂準(zhǔn)儀的指示鉛垂的精度，但是從圖3中可以看到，這根中心線在最理想的情況下就是垂準(zhǔn)儀的機(jī)械軸的延長線，所以通過旋轉(zhuǎn)和改善同軸度方法并不能保證儀器的鉛垂度。 總上，由于垂準(zhǔn)儀置平精度的原因，機(jī)械軸與標(biāo)準(zhǔn)鉛垂線始終有一定的夾角，這個(gè)夾角表征了垂準(zhǔn)儀機(jī)械軸的鉛垂度，這只由儀器的置平精度來決定，而不受機(jī)械軸與光軸的同軸度大小的影響。二、一測回垂準(zhǔn)測量標(biāo)

6、準(zhǔn)偏差在規(guī)范中測量一測回垂準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)偏差的方法是：將垂準(zhǔn)儀按對徑180º測量其十字絲所在的位置，然后取兩次值的平均，這樣就得到這根對徑線的中心位置（從上面的討論可知這個(gè)中心對應(yīng)的是機(jī)械軸延長線的位置），這是一個(gè)測回。然后每旋轉(zhuǎn)垂準(zhǔn)儀45º，重復(fù)以上操作，共測四個(gè)測回，這樣就得到了四個(gè)中心點(diǎn)，這四個(gè)中心點(diǎn)表示的是垂準(zhǔn)儀的機(jī)械軸相對于基座在不同位置時(shí)機(jī)械軸延長線的位置。如果垂準(zhǔn)儀的機(jī)械軸系十分理想的話，從上面的討論可知，光軸將繞機(jī)械軸畫標(biāo)準(zhǔn)的圓錐（因機(jī)械軸與光軸不同軸），其橫截面是規(guī)則的圓。如圖4（a）所示，四根對徑線的中心重合在一點(diǎn)，這是最理想的狀態(tài)。實(shí)際中的軸系總存在一定的

7、加工誤差和間隙，而且旋轉(zhuǎn)過程中總免不了震動(dòng)，所以在轉(zhuǎn)動(dòng)豎軸的過程中，這個(gè)橫截面將不再是標(biāo)準(zhǔn)的圓，將呈現(xiàn)如圖（b）所示的狀態(tài)，這樣四根對徑線的中心將不再重合。規(guī)范中對測得的對徑中心點(diǎn)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)偏差得到了一測回垂準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)偏差。所以可知一測回垂準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)偏差反映的是垂準(zhǔn)儀機(jī)械軸或補(bǔ)償器的穩(wěn)定程度。當(dāng)軸系配合較差，軸系加工精度較粗糙的情況下，就有會(huì)出現(xiàn)較大的標(biāo)準(zhǔn)偏差。即使是如圖4（a）所示的理想狀態(tài)，仍然不會(huì)對豎軸和光軸的鉛垂度有任何的貢獻(xiàn)。 總上，垂準(zhǔn)儀的機(jī)械軸與光軸的同軸度和一測回垂準(zhǔn)測量標(biāo)準(zhǔn)偏差這兩個(gè)指標(biāo)都不能體現(xiàn)儀器的鉛垂度。對垂準(zhǔn)儀這個(gè)最根本的技術(shù)要求必須要有一個(gè)特定的指標(biāo)來表征。

8、三、儀器的鉛垂度鉛垂i角與水準(zhǔn)儀的水平i角類似，我們定義表征垂準(zhǔn)儀的鉛垂度的指標(biāo)為“鉛垂i角”。如圖5所示。垂準(zhǔn)儀指示的“鉛垂線”與標(biāo)準(zhǔn)鉛垂線的夾角定義為垂準(zhǔn)儀的鉛垂i角。  因?yàn)榇嬖谳S系誤差和機(jī)械軸與同軸度的問題，在旋轉(zhuǎn)垂準(zhǔn)儀過程中，儀器的光軸是不斷變化的，所以關(guān)于“垂準(zhǔn)儀指示的鉛垂線”可以有以下幾種不同的理解。1.      垂準(zhǔn)儀安置完畢后，隨機(jī)的一根視準(zhǔn)軸或激光軸。因?yàn)橛械拇箿?zhǔn)儀在使用過程中因?yàn)閳龅氐脑虿荒苄D(zhuǎn)或儀器本身沒有旋轉(zhuǎn)軸，這樣的垂準(zhǔn)儀只能用安置完畢后當(dāng)前狀態(tài)的一根視準(zhǔn)軸或激光軸做指示標(biāo)準(zhǔn)。2.      垂準(zhǔn)儀安置完畢后，機(jī)械軸的延長線。因?yàn)橐话阍趫龅卦试S的測量情況下，為了減小和消除機(jī)械軸與光軸的同軸度的影響，通常會(huì)通過旋轉(zhuǎn)儀器得到光軸的旋轉(zhuǎn)軸作為指示標(biāo)準(zhǔn)，而從上面的分析可知，這個(gè)旋轉(zhuǎn)軸對應(yīng)的正是機(jī)械軸的延長線。3.      因?yàn)榇箿?zhǔn)儀調(diào)焦運(yùn)行誤差的存在，垂準(zhǔn)儀光軸會(huì)隨著調(diào)焦的變化而改變。所以鉛垂i角必定也會(huì)收到調(diào)焦運(yùn)行誤差的影響。綜合考慮儀器的校準(zhǔn)的