索佳全站式陀螺儀定向原理

1、 Zy.全站式陀螺儀定向原理目 錄 概述 陀螺儀的基本原理 陀螺儀的基本結(jié)構(gòu) 陀螺儀定向工作流程 陀螺儀懸?guī)Я阄挥^測(cè) 粗略定向 精密定向一、概述 陀螺定向是運(yùn)用陀螺經(jīng)緯儀直接測(cè)定井下未知邊的方位角。它克服了運(yùn)用幾何定向方法進(jìn)行聯(lián)系測(cè)量時(shí)占用井筒時(shí)間長(zhǎng)、工作組織復(fù)雜等缺點(diǎn)，目前，已廣泛應(yīng)用于礦井聯(lián)系測(cè)量和控制井下導(dǎo)線方向誤差的積累。 二、陀螺儀的基本原理 陀螺經(jīng)緯儀是根據(jù)自由陀螺儀(在不受外力作用時(shí)，具有三個(gè)自由度的陀螺儀)的原理而制成的。自由陀螺儀具有以下兩個(gè)基本特性： 1、定軸性 2、 進(jìn)動(dòng)性陀螺軸在不受外力作用時(shí)，它的方向始終指向初始恒定方向； 陀螺軸在受到外力作用時(shí)，將產(chǎn)生非常重要的效應(yīng)

2、“進(jìn)動(dòng)”。自由陀螺儀的上述兩個(gè)特性，可通過以下實(shí)驗(yàn)予以證明。 陀螺儀 左端為一可轉(zhuǎn)動(dòng)的陀螺，右端為一可移動(dòng)的懸重，當(dāng)調(diào)節(jié)懸重的位置使杠桿水平時(shí)，可以看到陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)后，其軸線的方向始終保持不變，即可驗(yàn)證定軸性。當(dāng)將懸重向左移動(dòng)一小段距離，即相當(dāng)于陀螺軸受到一個(gè)向下的作用力時(shí)，陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)后，杠桿將保持水平，但將在水平面上作逆時(shí)針方向的轉(zhuǎn)動(dòng)；同理，將懸重右移一小段距離，即陀螺軸受到一個(gè)向上的作用力時(shí)，陀螺轉(zhuǎn)動(dòng)后，杠桿仍保持水平，但將在水平面上作順時(shí)針方向的轉(zhuǎn)動(dòng)，這樣即可驗(yàn)證自由陀螺儀的進(jìn)動(dòng)性。 目前，常用的陀螺儀是采用兩個(gè)完全自由度和一個(gè)不完全自由度的鐘擺式陀螺儀。它是根據(jù)上述的陀螺儀的定軸性和進(jìn)動(dòng)性兩

3、個(gè)基本特性，并考慮到陀螺儀對(duì)地球自轉(zhuǎn)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使陀螺軸在測(cè)站子午線附近作簡(jiǎn)諧擺動(dòng)的原理而制成的。如果把自由陀螺儀的重心從中心下移，即在自由陀螺儀軸上加以懸重Q，則陀螺儀靈敏部的重心由中心O下移到O1點(diǎn)，結(jié)果便限制了自由陀螺儀繞y軸旋轉(zhuǎn)的自由度，亦即x軸因懸重Q的作用，而永遠(yuǎn)趨于和水平面平行的狀態(tài)。此時(shí)它具有兩個(gè)完全的自由度和一個(gè)不完全的自由度。因?yàn)樗撵`敏部和鐘擺相似(重心位于過中心的鉛垂線上，且低于中心)，所以稱為鐘擺式陀螺儀。如果用懸掛帶懸掛起來，陀螺既能繞自身軸高速旋轉(zhuǎn)，又能繞懸掛軸擺動(dòng)(進(jìn)動(dòng))。 3、陀螺儀尋北原理(1) 地球自轉(zhuǎn)及其對(duì)陀螺儀的作用 地球以角速度E(E=1周/晝夜=7

4、.2510-5rad/s)繞其自轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，故地球上的一切東西都隨著地球轉(zhuǎn)動(dòng)。如從宇宙空間來看地軸北端，地球是在作逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角速度的矢量E沿其自轉(zhuǎn)軸指向北端。對(duì)緯度為的地面點(diǎn)p而言，地球自轉(zhuǎn)角速度矢量E和當(dāng)?shù)氐乃矫娉山?，且位于過當(dāng)?shù)氐淖游缑鎯?nèi)。E可分解為垂直分量2(沿鉛垂方向)和水平分量1(沿子午線方向)。這時(shí)角速度矢量E應(yīng)位于OPN上，且向著北極PN那一端。將E分解成互相正交的兩個(gè)分量1和2。1叫做地球旋轉(zhuǎn)的水平分量，表示地平面在空間繞子午線旋轉(zhuǎn)的角速度；且地平面的東半面降落，西半面升起，在地球上的觀測(cè)者感到就像太陽和其他星體的高度變化一樣。地球水平分量1的大小為： 1=Ecos

5、 分量2表示子午面在空間繞鉛垂線亦即萬向結(jié)構(gòu)z軸旋轉(zhuǎn)的角速度，并且表示子午線的北端向西移動(dòng)。這個(gè)分量稱為地球旋轉(zhuǎn)的垂直分量。觀測(cè)者在地球上感到的正如太陽和其他星體的方位變化一樣。分量2的大小為： 2=Esin(2) 陀螺儀軸對(duì)地球的相對(duì)運(yùn)動(dòng) 擺式陀螺的進(jìn)動(dòng) 當(dāng)?shù)厍蛐D(zhuǎn)時(shí)，鐘擺式陀螺儀上的懸重Q將使主軸x產(chǎn)生回到子午面的進(jìn)動(dòng)，其關(guān)系表示于上圖中。當(dāng)陀螺儀主軸x平行于地平面的時(shí)刻，則懸重Q不引起重力力矩，所以對(duì)于x軸的方位沒有影響。但在下一時(shí)刻，地平面依角速度3繞y軸旋轉(zhuǎn)，所以地平面不再平行于x軸，而與之呈某一夾角。設(shè)x軸的正端偏離子午面之東，那么當(dāng)?shù)仄矫娼德浜?，觀測(cè)者感到的是x軸的正端仰起至地平

6、面之上，并與地平面呈夾角。因而懸重Q產(chǎn)生力矩使x軸的正端進(jìn)動(dòng)并回到子午面方向。反之亦然。若陀螺儀靈敏部重量為P，且認(rèn)為是集中作用于重心O1，重心O1至懸掛點(diǎn)O的距離為1，則此時(shí)因地平面繞y軸旋轉(zhuǎn)而引起的力矩為： MB=Plsin=Msin 這時(shí)x軸進(jìn)動(dòng)的角速度為： P=(M/H)sin由于與地球轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)，子午面亦在按地轉(zhuǎn)鉛垂分量2不斷地變換位置。故即使某一時(shí)刻陀螺儀軸與地平面平行且位于子午面內(nèi)，但下一時(shí)刻陀螺儀軸便不再位于子午面內(nèi)，因此陀螺儀軸與子午面之間具有相對(duì)運(yùn)動(dòng)的形式。當(dāng)陀螺儀軸的進(jìn)動(dòng)角速度P與角速度分量2相等時(shí)，則陀螺儀軸與儀器所在地點(diǎn)的子午面保持相對(duì)靜止。 擺式陀螺的進(jìn)動(dòng)與地球自轉(zhuǎn)

7、影響的平衡三、陀螺儀的基本結(jié)構(gòu) 陀螺經(jīng)緯儀是陀螺儀和經(jīng)緯儀組合而成的定向儀器。根據(jù)其連接形式不同主要可分為上架式陀螺經(jīng)緯儀和下架式陀螺經(jīng)緯儀兩大類。上架式陀螺經(jīng)緯儀即陀螺儀安放在經(jīng)緯儀之上，下架式陀螺經(jīng)緯儀即陀螺儀安放在經(jīng)緯儀之下。 現(xiàn)在常用的礦用陀螺經(jīng)緯儀大都是上架式陀螺經(jīng)緯儀。 全站式陀螺儀是將陀螺儀安放在全站儀之上而構(gòu)成的，其中陀螺儀部分的基本結(jié)構(gòu)如右圖 四、陀螺儀定向的作業(yè)過程 1、地面已知邊上測(cè)定儀器常數(shù) 假想的陀螺儀軸的穩(wěn)定位置通常不與地理子午線重合，二者之間的夾角稱為儀器常數(shù)，一般用表示 。陀螺儀子午線位于地理子午線的東邊為正；反之為負(fù)。圖3-10陀螺儀定向示意圖=A0-T 可以

8、按下式求出儀器常數(shù)： 在下井定向之前，在已知邊上測(cè)定儀器常數(shù)應(yīng)進(jìn)行23次，各次之間的互差對(duì)于GAK-1、JT15 等型號(hào)的儀器應(yīng)小于40。2、在井下定向邊上測(cè)定陀螺方位角 儀器安置在C點(diǎn)上，可以測(cè)出CD邊的陀螺方位角T 。則定向邊的地理方位角A為:A=T + 測(cè)定定向邊陀螺方位角應(yīng)獨(dú)立進(jìn)行兩次，其互差應(yīng)小于40 3、儀器上井后重新測(cè)定儀器常數(shù) 儀器上井后，應(yīng)在已知邊上重新測(cè)定儀器常數(shù)23次。前后兩次測(cè)定的 儀器常數(shù)，其中任意兩個(gè)儀器常數(shù)的互差應(yīng)小于40，然后求出儀器常數(shù)的最或是值。白塞爾公式m=vv/（n-1）評(píng)定一次測(cè)定中誤差。 4、求算子午線收斂角 地理方位角和坐標(biāo)方位角的關(guān)系為： A0=

9、0+0 子午線0的符號(hào)由安置經(jīng)緯儀的位置確定，在中央子午線以東為正，以西為負(fù) 。5、求算井下定向邊的坐標(biāo)方位角 由上述公式可得出 = A0-T=0+0-T = A-=T +平- 因此井下定向邊的坐標(biāo)方位角為 五、陀螺儀懸?guī)Я阄挥^測(cè) 懸?guī)Я阄皇侵竿勇蓠R達(dá)不轉(zhuǎn)時(shí)，陀螺靈敏部受懸?guī)Ш蛯?dǎo)流絲扭力作用而引起扭擺的平衡位置，即扭力矩為零的位置。 在陀螺觀測(cè)開始之前和結(jié)束之后，要作懸?guī)Я阄挥^測(cè)，相應(yīng)簡(jiǎn)稱為測(cè)前零位觀測(cè)和測(cè)后零位觀測(cè)。 測(cè)定懸掛零位時(shí)，先將經(jīng)緯儀整平并固定照準(zhǔn)部，下放陀螺靈敏部從讀數(shù)目鏡中觀測(cè)靈敏部的擺動(dòng)，(即陀螺軸圍繞子午線擺動(dòng)時(shí)偏離子午線的兩側(cè)最遠(yuǎn)位置)在分劃板上連續(xù)讀三個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)的讀數(shù)，估

10、讀到0.1格。計(jì)算零位： L=1/2（a1+a3）/2+a2 零位觀測(cè)六、粗略定向 在測(cè)定已知邊和定向邊的陀螺方位角之前，首先進(jìn)行粗略定向，即把經(jīng)緯儀望遠(yuǎn)鏡視準(zhǔn)軸置于近似北。 尋找近似北的方法： （1）配有粗定向盤的陀螺儀，可用羅盤達(dá)到粗定向的目的。 （2）在已知邊上測(cè)定儀器常數(shù)時(shí)，可利用已知邊的坐標(biāo)方位角及儀器站的子午線收斂角來直接尋找近似北方。（3）當(dāng)在未知邊上定向，且儀器本身又無粗定向羅盤附件時(shí)，可用儀器本身來尋找北方，常用的方法為兩個(gè)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法。具體操作如下： 儀器在測(cè)站安置好后，將經(jīng)緯儀視準(zhǔn)軸大致擺在北方向后，起動(dòng)陀螺馬達(dá)，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，下放陀螺靈敏部，松開經(jīng)緯儀水平制動(dòng)螺旋，用手轉(zhuǎn)

11、動(dòng)照準(zhǔn)部跟蹤靈敏部的擺動(dòng)，使陀螺儀目鏡視場(chǎng)移動(dòng)的光標(biāo)像與分劃板零刻劃線 隨時(shí)重合。當(dāng)達(dá)到擺動(dòng)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，讀取水平度盤1；用同樣的方法向反方向跟蹤，到達(dá)另一點(diǎn)逆轉(zhuǎn)點(diǎn)時(shí)，再讀取水平讀數(shù)2。鎖緊靈敏部，制動(dòng)陀螺馬達(dá)。按下式計(jì)算近似北在水平度盤上的讀數(shù)： N=1/2（1+2 ）七、精密定向 精密定向就是精確測(cè)定已知邊和定向邊的陀螺方位角 。 運(yùn)用陀螺經(jīng)緯儀進(jìn)行礦井定向的常用方法主要有逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法和中天法。它們間的主要差別是在測(cè)定陀螺北方向時(shí)，逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法的儀器照準(zhǔn)部處于跟蹤狀態(tài)，而中天法的儀器照準(zhǔn)部是固定不動(dòng)的。這里以逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法為例來說明測(cè)定井下未知邊方位角的全過程。1、逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法 第一步，在A點(diǎn)安置陀螺經(jīng)緯儀，嚴(yán)格整平對(duì)中，并以兩個(gè)鏡位觀測(cè)測(cè)線方向AB的方向值測(cè)前方向值M。 第二步，將經(jīng)緯儀的視準(zhǔn)軸大致對(duì)準(zhǔn)北方向(對(duì)于逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法要求偏離陀螺子午線方向不大于60)。 第三步，測(cè)量懸掛帶零位值測(cè)前零位，同時(shí)用秒表測(cè)定陀螺擺動(dòng)周期。 第四步,用逆轉(zhuǎn)點(diǎn)法精確測(cè)定陀螺北方向值NT。 啟動(dòng)陀螺馬達(dá)，緩慢下放靈敏部，使擺幅在