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 粗略定向 精密定向一、概述 陀螺定向是運用陀螺經(jīng)緯儀直接測定井下未知邊的方位角。它克服了運用幾何定向方法進行聯(lián)系測量時占用井筒時間長、工作組織復(fù)雜等缺點，目前，已廣泛應(yīng)用于礦井聯(lián)系測量和控制井下導(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，具有三個自由度的陀螺儀)的原理而制成的。自由陀螺儀具有以下兩個基本特性： 1、定軸性 2、 進動性陀螺軸在不受外力作用時，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，將產(chǎn)生非常重要的效應(yīng)

2、“進動”。自由陀螺儀的上述兩個特性，可通過以下實驗予以證明。 陀螺儀 左端為一可轉(zhuǎn)動的陀螺，右端為一可移動的懸重，當(dāng)調(diào)節(jié)懸重的位置使杠桿水平時，可以看到陀螺轉(zhuǎn)動后，其軸線的方向始終保持不變，即可驗證定軸性。當(dāng)將懸重向左移動一小段距離，即相當(dāng)于陀螺軸受到一個向下的作用力時，陀螺轉(zhuǎn)動后，杠桿將保持水平，但將在水平面上作逆時針方向的轉(zhuǎn)動；同理，將懸重右移一小段距離，即陀螺軸受到一個向上的作用力時，陀螺轉(zhuǎn)動后，杠桿仍保持水平，但將在水平面上作順時針方向的轉(zhuǎn)動，這樣即可驗證自由陀螺儀的進動性。 目前，常用的陀螺儀是采用兩個完全自由度和一個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動性兩

3、個基本特性，并考慮到陀螺儀對地球自轉(zhuǎn)的相對運動，使陀螺軸在測站子午線附近作簡諧擺動的原理而制成的。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，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，而永遠趨于和水平面平行的狀態(tài)。此時它具有兩個完全的自由度和一個不完全的自由度。因為它的靈敏部和鐘擺相似(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(進動)。 3、陀螺儀尋北原理(1) 地球自轉(zhuǎn)及其對陀螺儀的作用 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。如從宇宙空間來看地軸北端，地球是在作逆時針方向旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角速度的矢量E沿其自轉(zhuǎn)軸指向北端。對緯度為的地面點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。這個分量稱為地球旋轉(zhuǎn)的垂直分量。觀測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) 陀螺儀軸對地球的相對運動 擺式陀螺的進動 當(dāng)?shù)厍蛐D(zhuǎn)時，鐘擺式陀螺儀上的懸重Q將使主軸x產(chǎn)生回到子午面的進動，其關(guān)系表示于上圖中。當(dāng)陀螺儀主軸x平行于地平面的時刻，則懸重Q不引起重力力矩，所以對于x軸的方位沒有影響。但在下一時刻，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)仄矫娼德浜螅^測者感到的是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軸的正端進動并回到子午面方向。反之亦然。若陀螺儀靈敏部重量為P，且認為是集中作用于重心O1，重心O1至懸掛點O的距離為1，則此時因地平面繞y軸旋轉(zhuǎn)而引起的力矩為： MB=Plsin=Msin 這時x軸進動的角速度為： P=(M/H)sin由于與地球轉(zhuǎn)動的同時，子午面亦在按地轉(zhuǎn)鉛垂分量2不斷地變換位置。故即使某一時刻陀螺儀軸與地平面平行且位于子午面內(nèi)，但下一時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運動的形式。當(dāng)陀螺儀軸的進動角速度P與角速度分量2相等時，則陀螺儀軸與儀器所在地點的子午面保持相對靜止。 擺式陀螺的進動與地球自轉(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。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，在已知邊上測定儀器常數(shù)應(yīng)進行23次，各次之間的互差對于GAK-1、JT15 等型號的儀器應(yīng)小于40。2、在井下定向邊上測定陀螺方位角 儀器安置在C點上，可以測出CD邊的陀螺方位角T 。則定向邊的地理方位角A為:A=T + 測定定向邊陀螺方位角應(yīng)獨立進行兩次，其互差應(yīng)小于40 3、儀器上井后重新測定儀器常數(shù) 儀器上井后，應(yīng)在已知邊上重新測定儀器常數(shù)23次。前后兩次測定的 儀器常數(shù)，其中任意兩個儀器常數(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）評定一次測定中誤差。 4、求算子午線收斂角 地理方位角和坐標方位角的關(guān)系為： A0=

9、0+0 子午線0的符號由安置經(jīng)緯儀的位置確定，在中央子午線以東為正，以西為負 。5、求算井下定向邊的坐標方位角 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方位角為 五、陀螺儀懸?guī)Я阄挥^測 懸?guī)Я阄皇侵竿勇蓠R達不轉(zhuǎn)時，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。 在陀螺觀測開始之前和結(jié)束之后，要作懸?guī)Я阄挥^測，相應(yīng)簡稱為測前零位觀測和測后零位觀測。 測定懸掛零位時，先將經(jīng)緯儀整平并固定照準部，下放陀螺靈敏部從讀數(shù)目鏡中觀測靈敏部的擺動，(即陀螺軸圍繞子午線擺動時偏離子午線的兩側(cè)最遠位置)在分劃板上連續(xù)讀三個逆轉(zhuǎn)點的讀數(shù)，估

10、讀到0.1格。計算零位： L=1/2（a1+a3）/2+a2 零位觀測六、粗略定向 在測定已知邊和定向邊的陀螺方位角之前，首先進行粗略定向，即把經(jīng)緯儀望遠鏡視準軸置于近似北。 尋找近似北的方法： （1）配有粗定向盤的陀螺儀，可用羅盤達到粗定向的目的。 （2）在已知邊上測定儀器常數(shù)時，可利用已知邊的坐標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，可用儀器本身來尋找北方，常用的方法為兩個逆轉(zhuǎn)點法。具體操作如下： 儀器在測站安置好后，將經(jīng)緯儀視準軸大致擺在北方向后，起動陀螺馬達，達到額定轉(zhuǎn)速后，下放陀螺靈敏部，松開經(jīng)緯儀水平制動螺旋，用手轉(zhuǎn)

11、動照準部跟蹤靈敏部的擺動，使陀螺儀目鏡視場移動的光標像與分劃板零刻劃線 隨時重合。當(dāng)達到擺動逆轉(zhuǎn)點時，讀取水平度盤1；用同樣的方法向反方向跟蹤，到達另一點逆轉(zhuǎn)點時，再讀取水平讀數(shù)2。鎖緊靈敏部，制動陀螺馬達。按下式計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定已知邊和定向邊的陀螺方位角 。 運用陀螺經(jīng)緯儀進行礦井定向的常用方法主要有逆轉(zhuǎn)點法和中天法。它們間的主要差別是在測定陀螺北方向時，逆轉(zhuǎn)點法的儀器照準部處于跟蹤狀態(tài)，而中天法的儀器照準部是固定不動的。這里以逆轉(zhuǎn)點法為例來說明測定井下未知邊方位角的全過程。1、逆轉(zhuǎn)點法 第一步，在A點安置陀螺經(jīng)緯儀，嚴格整平對中，并以兩個鏡位觀測測線方向AB的方向值測前方向值M。 第二步，將經(jīng)緯儀的視準軸大致對準北方向(對于逆轉(zhuǎn)點法要求偏離陀螺子午線方向不大于60)。 第三步，測量懸掛帶零位值測前零位，同時用秒表測定陀螺擺動周期。 第四步,用逆轉(zhuǎn)點法精確測定陀螺北方向值NT。 啟動陀螺馬達，緩慢下放靈敏部，使擺幅在