土木工程測量教案

土木工程測量教案第1頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，從60年代末70年代初起，采用砷化鎵發(fā)光二極管作發(fā)光元件的紅外測距儀逐漸在世界上流行起來。與激光測距儀比較，紅外測距儀有體積小、重量輕、功耗小、測距快、自動化程度高等優(yōu)點。由于紅外光的發(fā)散角比激光大，所以紅外測距儀的測程一般小于15km?，F(xiàn)在的紅外測距儀已經(jīng)和電子經(jīng)緯儀及計算機軟硬件制造在一起，形成了全站儀，并向著自動化、智能化和利用藍牙技術(shù)實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的無線傳輸方向飛速發(fā)展。電磁波測距儀按其所采用的載波可分為：①用微波段的無線電波作為載波的微波測距儀(microwaveEDMinstrument)；②用激光作為載波的激光測距儀(laserEDMinstrument)；③用紅外光作為載波的紅外測距儀(infraredEDMinstrument)，后兩者又統(tǒng)稱為光電測距儀。微波和激光測距儀多屬于長程測距，測程可達60km，一般用于大地測量，而紅外測距儀屬于中、短程測距儀(測程為15km以下)，一般用于小地區(qū)控制測量、地形測量、地籍測量和工程測量等。本節(jié)主要介紹光電測距儀的基本原理和測距方法。第2頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第3頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第4頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第5頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第6頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第7頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第8頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第9頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第10頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六§4.3.3紅外測距儀及其使用紅外測距儀按其照準目標的方式可以分成帶望遠鏡和不帶望遠鏡的兩種。圖4-15是南方測繪公司生產(chǎn)的ND3000紅外相位式測距儀，它自帶望遠鏡，望遠鏡的視準軸、發(fā)射光軸和接收光軸同軸，有垂直制動螺旋和微動螺旋，可以安裝在光學(xué)經(jīng)緯儀上或電子經(jīng)緯儀上。測距時，測距儀瞄準棱鏡測距，經(jīng)緯儀瞄準棱鏡測量豎直角，通過測距儀面板上的鍵盤，將經(jīng)緯儀測量出的天頂距輸入到測距儀中，可以計算出水平距離和高差。圖4-16為與儀器配套的棱鏡對中桿與支架，它用于放樣測量非常方便。第11頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六圖4-17是徠卡公司生產(chǎn)的DI1000紅外相位式測距儀，它不帶望遠鏡，發(fā)射光軸和接收光軸是分立的，儀器通過專用連接裝置安裝到徠卡公司生產(chǎn)的光學(xué)經(jīng)緯儀或電子經(jīng)緯儀上。測距時，當經(jīng)緯儀的望遠鏡瞄準棱鏡下的照準覘牌時，測距儀的發(fā)射光軸就瞄準了棱鏡，使用儀器的附加鍵盤將經(jīng)緯儀測量出的天頂距輸入到測距儀中，即可計算出水平距離和高差。第12頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六(1)DI1000的主要技術(shù)指標1)紅外光源波長：0.865m2)測尺長及對應(yīng)的調(diào)制頻率 精測尺長=20m，f=7.492700MHz 粗測尺長=2000m，f=74.92700kHz3)測程：800m(單棱鏡) 1600m(三棱鏡)4)標稱精度：正常測距(按圖4-18的“DIST”鍵)為(5mm+5ppm)跟蹤測距(按圖4-18的“TRK”鍵)為(10mm+5ppm)5)測量時間：正常測距4.5s~10s跟蹤測距初始測距3s，以后每次測距0.3s6)顯示：帶有燈光照明的7位數(shù)字液晶顯示，最小顯示距離1mm7)工作溫度范圍：-20℃~+50℃儲存溫度范圍：-40℃~+70℃8)功率消耗：開機但不測距時1W(0.09A/12V)測距或測試時2.4W(0.2A/12V)9)供電：鎳鎘(NiCd)可充電電池，12V直流電，在電池充滿電(電池用完后必須連續(xù)充電14個小時)的情況下GEB76迷你電池，容量0.5Ah，重0.4kg，可以連續(xù)測距500次或者連續(xù)測距8個小時(假設(shè)每分鐘測距一次)第13頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第14頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第15頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第16頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第17頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第18頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第19頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六(4)測相誤差測相誤差包括自動數(shù)字測相系統(tǒng)的誤差，測距信號在大氣傳輸中的信噪比誤差信噪比為接收到的測距信號強度與大氣中雜散光的強度之比前者決定于測距儀的性能與精度，后者與測距時的自然環(huán)境有關(guān)，例如空氣的透明程度、干擾因素的多少、視線離地面及障礙物的遠近。(5)儀器對中誤差光電測距是測定測距儀中心至棱鏡中心的距離，因此儀器對中誤差包括測距儀的對中誤差和棱鏡的對中誤差。用經(jīng)過校準的光學(xué)對中器對中，此項誤差一般不大于2mm?！?.3.5光電測距儀使用注意事項(1)紅外測距儀是使用鎳鎘可充電電池作為供電電源，由于鎳鎘電池具有記憶效應(yīng)，所以一定要確認電池的電量已經(jīng)全部用完后才可以充電，否則電池的容量會逐漸減小而損壞電池；(2)光電測距儀屬于精密貴重儀器，運輸、攜帶、裝卸、操作過程中都必須十分小心。運輸和攜帶中要防震、防潮，裝卸和操作中要注意連接牢固、電源插接正確、嚴格按操作程序使用儀器，搬站時必須將儀器裝箱。(3)有陽光的天氣必須撐傘保護儀器，在通電作業(yè)時，嚴防陽光及其它強光直射接收物鏡，更不能將接收物鏡對準太陽，以免損壞接收鏡內(nèi)的光敏二極管。第20頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六(4)設(shè)置測站時要避免強電磁場的干擾，例如在變壓器、高壓線附近不宜設(shè)站。(5)氣象條件對光電測距有較大的影響。不宜在陽光強烈、視線靠近地面或者高溫(35℃以上)的環(huán)境條件下觀測。§4.4直線定向確定地面直線與標準方向間的水平夾角稱為直線定向(lineorientation)。(1)標準方向的分類1)真子午線方向(truemeridiandirection)地表任一點P與地球旋轉(zhuǎn)軸所組成的平面與地球表面的交線稱為P點的真子午線(truemeridian)，真子午線在P點的切線方向稱為P點的真子午線方向?？梢詰?yīng)用天文測量(astrometry)方法或者陀螺經(jīng)緯儀(gyrotheodolite)來測定地表任一點的真子午線方向。第21頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2)磁子午線方向(magneticmeridiandirection)地表任一點與地球磁場南北極連線所組成的平面與地球表面交線稱為點的磁子午線(magneticmeridian)，磁子午線在點的切線方向稱為點的磁子午線方向?？梢詰?yīng)用羅盤儀(compass)來測定，在點安置羅盤，磁針自由靜止時其軸線所指的方向即為點的磁子午線方向。3)坐標縱軸方向(ordinatesaxisdirection)過地表任一點且與其所在的高斯平面直角坐標系或者假定坐標系的坐標縱軸平行的直線稱為點的坐標縱軸方向。第22頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第23頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第24頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六(4)用羅盤儀測定磁方位角1)羅盤儀的構(gòu)造羅盤儀(compass)是測量直線磁方位角的儀器，如圖4-23所示。該儀器構(gòu)造簡單，使用方便，但精度不高，外界環(huán)境對儀器的影響較大，如鋼鐵建筑和高壓電線都會影響其精度。當測區(qū)內(nèi)沒有國家控制點可用，需要在小范圍內(nèi)建立假定坐標系的平面控制網(wǎng)時，可用羅盤儀測量磁方位角，作為該控制網(wǎng)起始邊的坐標方位角。羅盤儀的主要部件有磁針、刻度盤、望遠鏡和基座。①磁針：磁針用人造磁鐵制成，磁針在度盤中心的頂針尖上可自由轉(zhuǎn)動。為了減輕頂針尖的磨損，在不用時，可用位于底部的固定螺旋升高杠桿，將磁針固定在玻璃蓋上。第25頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六②刻度盤：用鋼或鋁制成的圓環(huán)，隨望遠鏡一起轉(zhuǎn)動，每隔10°有一注記，按逆時針方向從0°注記到360°，最小分劃為1°或30′。刻度盤內(nèi)裝有一個圓水準器或者兩個相互垂直的管水準器，用手控制氣泡居中，使羅盤儀水平。③望遠鏡：羅盤儀的望遠鏡與經(jīng)緯儀的望遠鏡結(jié)構(gòu)基本相似，也有物鏡對光、目鏡對光螺旋和十字絲分劃板等，其望遠鏡的視準軸與刻度盤的0°分劃線共面，如圖4-24所示。④基座：采用球臼結(jié)構(gòu)，松開球臼接頭螺旋，可擺動刻度盤，使水準氣泡居中，度盤處于水平位置，然后擰緊接頭螺旋。③望遠鏡：羅盤儀的望遠鏡與經(jīng)緯儀的望遠鏡結(jié)構(gòu)基本相似，也有物鏡對光、目鏡對光螺旋和十字絲分劃板等，其望遠鏡的視準軸與刻度盤的0°分劃線共面，如圖4-24所示。④基座：采用球臼結(jié)構(gòu)，松開球臼接頭螺旋，可擺動刻度盤，使水準氣泡居中，度盤處于水平位置，然后擰緊接頭螺旋。2)用羅盤儀測定直線磁方位角的方法欲測直線AB的磁方位角，將羅盤儀安置在直線起點A，掛上垂球?qū)χ?，松開球臼接頭螺旋，用手前、后、左、右轉(zhuǎn)動刻度盤，使水準器氣泡居中，擰緊球臼接頭螺旋，使儀器處于對中和整平狀態(tài)。松開磁針固定螺旋，讓它自由轉(zhuǎn)動，然后轉(zhuǎn)動羅盤，用望遠鏡照準B點標志，待磁針靜止后，按磁針北端(一般為黑色一端)所指的度盤分劃值讀數(shù)，即為AB邊的磁方位角角值，如圖4-25所示。使用時，要避開高壓電線和避免鐵質(zhì)物體接近羅盤，在測量結(jié)束后，要旋緊固定螺旋將磁針固定。第26頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第27頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第28頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六第29頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六(2)陀螺經(jīng)緯儀的構(gòu)造圖4-28是國產(chǎn)JT15陀螺經(jīng)緯儀(gyrotheodolite)的結(jié)構(gòu)圖，使用它測定地面任一點的真子午線方向的精度可以達到±15″。陀螺經(jīng)緯儀由DJ6經(jīng)緯儀和陀螺儀組成，陀螺儀安裝在DJ6經(jīng)緯儀上的連接支架上。陀螺儀由擺動系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)和鎖緊限幅機構(gòu)組成。第30頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六陀螺儀由擺動系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)和鎖緊限幅機構(gòu)組成。1)擺動系統(tǒng)擺動系統(tǒng)包括懸吊帶16、導(dǎo)線15、轉(zhuǎn)子(馬達)10、轉(zhuǎn)子底盤7等，它們是整個陀螺儀的靈敏部件。轉(zhuǎn)子要求運轉(zhuǎn)平穩(wěn)，重心要通過懸吊帶的對稱軸，可以通過轉(zhuǎn)子底盤上的六個螺釘進行調(diào)節(jié)。懸吊帶采用特種合金材料制成，斷面尺寸為0.56×0.03mm，拉斷力為2.4kg，實際荷重為0.78kg。2)觀測系統(tǒng)觀測系統(tǒng)是用來觀察擺動系統(tǒng)的工作情況的。照明燈泡13將靈敏部件上的雙線光標12照亮，通過成像透鏡組19使雙線光標成像在分劃板18上，以便在觀察窗中觀察。3)鎖緊限幅機構(gòu)鎖緊限幅機構(gòu)包括凸輪4、限幅盤5、轉(zhuǎn)子底盤7、鎖緊圈8，用凸輪4使限幅盤沿導(dǎo)向軸3向上滑動，使限幅盤5托起轉(zhuǎn)子的底盤靠在與支架連接的鎖緊圈8上。限幅盤上的三個泡沫塑料塊6在下放轉(zhuǎn)子部分時，能起到緩沖和摩擦限幅的作用。(3)陀螺經(jīng)緯儀的操作方法陀螺儀轉(zhuǎn)子的額定旋轉(zhuǎn)速度≥21500轉(zhuǎn)/分，可以形成很大的內(nèi)力矩，如果操作不正確，很容易毀壞儀器，因此，正確使用陀螺儀非常重要。在需要測定真子午線方向的點上安置好經(jīng)緯儀后，應(yīng)按下列步驟操作陀螺經(jīng)緯儀：1)粗定向：將儀器附帶的羅盤儀安裝在支架上的定位盤20上，旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀照準部，使視線方向指向近似的真子午線北方向(誤差±1°~2°)，將經(jīng)緯儀的水平微動螺旋旋至行程的中間位置，制動照準部，取下羅盤儀。第31頁，共36頁，2023年，2月20日，星期六2)安置陀螺儀：將陀螺儀安裝到支架上的定位盤20上，旋緊固連螺環(huán)21，接好電源線，打開電源開關(guān)，啟動陀螺轉(zhuǎn)子，信號燈亮，當其轉(zhuǎn)速達到額定轉(zhuǎn)速后(大約需要3分鐘)信號燈熄滅(有些儀器是信號燈顏色改變，具體參見儀器使用手冊)。緩慢旋松鎖緊機構(gòu)，將擺動系統(tǒng)平穩(wěn)放下，在陀螺儀的觀察窗中觀察陀螺的進動方向和速度，如果陀螺的進動速度很慢，就可以開始進行觀測。觀測方法有逆轉(zhuǎn)點法和中天法。3)觀測完成后，要先旋緊鎖緊機構(gòu)，將擺動系統(tǒng)托起，才能關(guān)閉電源，拔掉電源線。待陀螺儀轉(zhuǎn)子完全停止轉(zhuǎn)動以后才允許卸下陀螺儀裝箱。(4)陀螺經(jīng)緯儀的觀測方法1)逆轉(zhuǎn)點法(reversalpointsmethod)陀螺儀轉(zhuǎn)軸在東、西兩處的反轉(zhuǎn)位置稱為逆轉(zhuǎn)點(reversalpoints)。逆轉(zhuǎn)點法的實質(zhì)就是通過旋轉(zhuǎn)經(jīng)緯儀的水平微動螺旋，在陀螺儀的觀察窗中，用零線指標線22跟蹤雙線光標影像23，當擺動系統(tǒng)到達逆轉(zhuǎn)點時，在經(jīng)緯儀讀數(shù)窗中讀取水平度盤讀數(shù)(稱為逆轉(zhuǎn)點讀數(shù))。擺動系統(tǒng)到達逆轉(zhuǎn)點并稍作停留后，將開始向真子午線