《控制測量》精密測角儀器

昆明冶金高等?？茖W(xué)校測繪學(xué)院第六講精密測角儀器[內(nèi)容提要]第一部分精密光學(xué)經(jīng)緯儀的基本構(gòu)造第二部分經(jīng)緯儀的幾項檢校[習題]精密光學(xué)經(jīng)緯儀的基本構(gòu)造主要由照準部、垂直軸系統(tǒng)和基座組成

按精度等級的高低:

分為J07，J1，J2，J6等規(guī)格。J是經(jīng)緯儀漢語拼音的第一個字母，其數(shù)字表示儀器的精度指標，即檢定時水平方向觀測一測回的中誤差。返回本章首頁第一部分精密光學(xué)經(jīng)緯儀的基本構(gòu)造1—豎盤反光鏡；2—豎盤指標水準管觀察鏡；3—豎盤指標水準管微動螺旋；4—光學(xué)對中器目鏡；

5—水平度盤反光鏡；6—望遠鏡制動螺旋；7—光學(xué)瞄準器；8—測微輪；9—望遠鏡微動螺旋；

10—換像手輪；11—水平微動螺旋；12—水平度盤變換手輪；13—中心鎖緊螺旋；14—水平制動螺旋；

15—照準部水準管；16—讀數(shù)顯微鏡；17—望遠鏡反光板手輪；18—腳螺旋

控制測量中，需用經(jīng)緯儀進行大量的水平角和垂直角觀測。使用經(jīng)緯儀進行角度觀測，最重要的環(huán)節(jié)是：儀器整平、照準和讀數(shù)。我們圍繞這三個環(huán)節(jié)，對光學(xué)經(jīng)緯儀的構(gòu)造和使用方法作如下介紹。精密光學(xué)經(jīng)緯儀的構(gòu)造及使用方法1.水準器

由前節(jié)可知，測角時必須使經(jīng)緯儀的垂直軸與測站鉛垂線一致。這樣，在儀器結(jié)構(gòu)正確的條件下，才能正確測定所需的角度。要滿足這一要求，必須借助于安裝在儀器照準部上的水準器，即照準部水準器。照準部水準器一般采用管狀水準器。管水準器是用質(zhì)量較好的玻璃管制成，將玻璃管的內(nèi)壁打磨成光滑的曲面，管內(nèi)注入冰點低，流動性強，附著力較小的液體，并留有空隙形成氣泡，將管兩端封閉，就成為帶有氣泡的水準器，如圖所示。

1）水準軸與水準器軸：

為了便于觀察水準器的傾斜量，在水準管的外壁上刻有若干個分劃，分劃間隔一般為2mm，其中間點稱為零點。水準器安置在一個金屬框架內(nèi)，并安裝在經(jīng)緯儀照準部支架上，所以把這種管狀水準器稱為照準部水準器。照準部水準器框架的一端有水準器校正螺旋，通過校正螺旋，使照準部水準器的水準器軸與儀器垂直軸正交。

所謂水準器軸，就是過水準器零點O，水準管內(nèi)壁圓弧的切線，如圖所示：

2）水準器格值：

由于水準器軸與儀器的垂直軸正交，若氣泡偏離水準器分劃零點n個格，當水準器格值已知時，就可以按下式計算出儀器垂直軸傾斜的角度V：即垂直軸傾斜角度等于氣泡偏離水準器零點的格數(shù)乘以水準器格值。2.望遠鏡

如前所述，望遠鏡構(gòu)成視準軸，在照準目標時形成視準線，以便精確地照準目標。也就是說，望遠鏡的作用有二：一是將不同距離的遠方目標，通過成像，放大視角，以便更清晰地看到目標；二是用望遠鏡的視準軸精確照準目標，以確定目標的視準線方向。

望遠鏡由物鏡和目鏡組成，來自目標的光線經(jīng)過透鏡折射成像，如圖所示，目標AB經(jīng)物鏡成像

。

另外，為了能夠照準目標，在望遠鏡內(nèi)安裝十字絲網(wǎng)，十字絲網(wǎng)的形狀如圖所示。十字絲的豎絲應(yīng)垂直，橫絲應(yīng)水平。觀測水平角時，當目標恰被夾在豎絲中，就算照準了目標。這是測量望遠鏡與一般望遠鏡的區(qū)別。

十字絲的中心與物鏡光心的連線稱為視準軸。所謂照準，就是使視準軸指向目標，即視準軸與目標在一條直線上。為了能夠正確照準目標，要求目標成像恰好落在十字絲網(wǎng)面上。這樣在照準時，觀測者的眼睛稍微左右移動時，目標與十字絲網(wǎng)的相對位置才不會改變。否則，就會因觀測者眼睛位置不同而產(chǎn)生照準誤差，稱為視差。

為了使目標恰好落在十字絲面上，消除視差，在望遠鏡的物鏡與目鏡之間，安裝一個調(diào)焦透鏡。調(diào)焦透鏡可以前后移動，從而改變目標像A′B′的位置。這樣，不同的視力，先調(diào)整目鏡，使十字絲清晰，再調(diào)整調(diào)焦透鏡，使目標像清晰(即目標像落在十字絲網(wǎng)面上)，則視差被消除。綜上所述，望遠鏡由物鏡、目鏡、十字絲網(wǎng)和調(diào)焦透鏡四部分組成。物鏡和目鏡起放大目標像的作用，十字絲與物鏡光心構(gòu)成視準軸供照準目標用；調(diào)焦透鏡用來調(diào)整目標像的位置，起消除視差的作用。其結(jié)構(gòu)如圖：3.水平度盤和測微器

經(jīng)緯儀的水平度盤和測微器是用以量度水平角的重要部件，它們二者之間以一定的關(guān)系結(jié)合起來，就能讀出照準目標后的水平角或水平方向值。

1）水平度盤：

光學(xué)經(jīng)緯儀的水平度盤都是用玻璃制成的，安置在儀器基座的垂直軸套上，當儀器照準部轉(zhuǎn)動時，要求水平度盤不得轉(zhuǎn)動和移動。在水平度盤圓周邊上精細地刻有等間隔分劃線，全周刻360度，每度一標記，按順時針方向增值，每度間隔內(nèi)再等間隔刻有若干個小分劃，相鄰小分劃的間隔值就是該水平度盤的最小分格值。如威特T3經(jīng)緯儀，在每度間隔內(nèi)刻有十五個分格，顯然，每個分格值為

。

由于水平度盤的周長有限，所以度盤的分格很小，只有借助顯微鏡才能看清分劃線。即使這樣，也只能估讀到1／10格，這遠不能滿足精確測角的要求。因此，需要安置顯微測微器，以精確量取不足一格之值。

2）光學(xué)測微器及測微原理

：a.雙平板測微器主要由兩塊平行玻璃板、測微盤及其他部件構(gòu)成，見圖。由幾何光學(xué)知：當光線通過兩個折射面互相平行的玻璃板時，方向不會產(chǎn)生變化，僅產(chǎn)生平行位移，其位移量與入射角有關(guān)。如圖所示，當光線垂直于平行玻璃板的折射面(即入射角為零)入射時，并不產(chǎn)生折射、平移。當光線的入射角i(即不垂直于折射面)時，出射光線方向雖然不變，但其位置卻平移了h。入射角改變時，平移量h也隨之改變。對于一定厚度的平行玻璃板，當入射角很小時，光線的平移量h與其入射角成正比，這就是平行玻璃板的特性。

雙平行玻璃板測微器

平行玻璃板行傾斜使光線平移

對于雙平行玻璃板測微器，當將兩塊平行玻璃板相對轉(zhuǎn)動時（即一順時針轉(zhuǎn)動，另一逆時針轉(zhuǎn)動），度盤對徑兩端分劃也就作相對移動。如果將刻有分劃的測微盤與轉(zhuǎn)動平行玻璃板的機構(gòu)連在一起，而且，當轉(zhuǎn)動平行玻璃板使度盤分劃線像相對移動一格時（即各移動半格），測微盤正好從零分劃轉(zhuǎn)動到最末一個分劃，根據(jù)這種關(guān)系，測微器就起到量度度盤上不足一格的值的作用。b.光楔式測微器主要由光楔和測微尺組成。由幾何光學(xué)知道，光楔能使光線向光楔的底面偏折，偏折角的大小與光楔的楔角成正比。雙光楔對光線的平移如圖：

如圖所示，將兩組光楔分別安置在度盤對徑分劃的光路中，下面一塊K1為固定光楔，上面一塊K2為活動光楔。這樣，沿直線移動活動光楔，便可使度盤對徑兩端的分劃光線作相向或相背移動。把活動光楔與測微尺L固定在一起，裝在一齒條上，用測微螺旋上的齒輪帶動它，轉(zhuǎn)動測微螺旋時，活動光楔。與測微尺便一起運動，度盤對徑兩端分劃光線相對移動一格，測微尺相應(yīng)從零分劃移至末端的最后一個分劃。這樣，測微尺就可量度出度盤上不足一格的值來。光楔式測微器測微原理

3）讀數(shù)方法

如前所述，使用經(jīng)緯儀進行角度測量，讀數(shù)是三個環(huán)節(jié)之一，又由測微器和度盤的作用可知，經(jīng)緯儀照準目標之后，其讀數(shù)就是度盤讀數(shù)和測微器讀數(shù)之和。那么，只要會讀取度盤讀數(shù)和測微器讀數(shù)，經(jīng)緯儀的讀數(shù)方法即被掌握。由光學(xué)經(jīng)緯儀光路和測微器結(jié)構(gòu)原理可知，現(xiàn)代精密光學(xué)經(jīng)緯儀一般都采用對徑分劃同時成像，通過測微器使度盤對徑分劃線作相向移動并作精確重合，用測微盤量取對徑分劃像的相對移動量，這種讀數(shù)方法叫做重合讀數(shù)法。重合讀數(shù)法的基本方法步驟是：a先從讀數(shù)窗中了解度盤和測微盤的刻度與注記，確定度盤的最小格值。度盤對徑最小分格值

測微盤的格值

b轉(zhuǎn)動測微螺旋，使度盤正倒像分劃線精確重合。讀取靠近度盤指標線左側(cè)正像分劃線的度數(shù)。c讀取正像分劃線到其右側(cè)對徑的倒像分劃線(即±)之間的分格數(shù)

n?！纃讀取測微盤上的讀數(shù)c，c等于測微盤零分劃線到測微盤指標線的總格數(shù)乘測微盤格值T。綜上所述，可得如下的讀數(shù)公式：DJ2光學(xué)經(jīng)緯儀的讀數(shù)方法最小分劃值為20′，左圖小窗中為測微尺影像，左側(cè)注記為分，右側(cè)注記為秒。從0′刻到10′，最小分劃值1″，可估讀到0.1″先轉(zhuǎn)動測微輪，使正、倒像分劃線精確地重合，然后找出正像在左、倒像在右，且相距最近相差180°的一對度盤分劃線，按正像注記讀出度數(shù)，并數(shù)出兩條相差180°的分劃線之間的格數(shù)，將此格數(shù)乘以度盤分劃值的一半10′)，即得到應(yīng)讀的整10′數(shù)。讀數(shù)為：62°28′51.0″讀數(shù)分別為：74°47′16.0″和94°12′44.6″T2光學(xué)經(jīng)緯儀的讀數(shù)方法3.垂直度盤與垂直角

垂直角是照準目標的視準線與相應(yīng)的水平視線的夾角。為此，要測定垂直角，需要解決兩個問題：一要求出視準線在垂直度盤上的讀數(shù)；二要求出相應(yīng)的水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)。

為了得到視準線在垂直度盤上的讀數(shù)，在設(shè)計經(jīng)緯儀時，將望遠鏡、垂直度盤均固定在水平軸上，并使水平軸與垂直度盤正交且通過其中心。這樣，視準線在垂直度盤上的讀數(shù)為一已知的定數(shù)；為了得到水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)，在垂直度盤上安置一個讀數(shù)指標。用讀數(shù)指標把水平視線在垂直度盤上的位置標示出來。這時，讀數(shù)指標在垂直度盤上的讀數(shù)就是水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)。由此可見，當俯仰望遠鏡照準目標后，其視準線在垂直度盤上的讀數(shù)與其水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)之差，就是要測定的垂直角。這就是利用垂直度盤測定垂直角的基本原理。

由于垂直度盤、望遠鏡均固定在水平軸上，當垂直度盤的刻度確定之后，不論望遠鏡如何俯仰，照準目標后視準線在垂直度盤上的讀數(shù)都是固定不變的。也就是說，視準線在垂直度盤上的讀數(shù)取決于垂直度盤的刻劃方法。

1）垂直度盤刻劃垂直度盤的刻劃方法隨經(jīng)緯儀類型不同而不同，刻劃方法大致可分為兩類：第一類，是在度盤的全周上沿逆時針方向由0°到360°，且使90°到270°分劃線的連線與望遠鏡視準軸平行。第二類，是從55°到125°，對徑刻劃(即相差180°的刻劃)注記相同。望遠鏡視準軸與對徑讀數(shù)均為90°的刻劃線平行。即不論盤左或盤右，視準線在垂直度盤上的讀數(shù)永為90°

。J2級經(jīng)緯儀垂直度盤測角示意圖

T3經(jīng)緯儀垂直度盤測角示意圖2）垂直度盤的指標水準器、自動歸零裝置如前所述，水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)，是用讀數(shù)指標把水平視線在垂直度盤上的正確位置確定下來。把讀數(shù)指標在垂直度盤上的正確位置確定下來的方法目前有兩種：符合水準器或自動歸零裝置。

a垂直度盤指標水準器

符合水準器原理b垂直度盤指標自動歸零裝置近代一些先進的經(jīng)緯儀，為了既保證垂直角觀測的精度，又提高效率，采用指標自動歸零(或稱自動補償)裝置代替指標水準器。其目的仍然是：在進行垂直度盤讀數(shù)時，使垂直度盤的讀數(shù)指標保持水平狀態(tài)。各種垂直度盤讀數(shù)指標自動歸零裝置都是利用重力使懸吊物體自然下垂，或使液面保持水平的原理，通過光學(xué)折射補償?shù)姆椒?，達到垂直度盤讀數(shù)指標自動歸零的目的。目前采用的自動歸零裝置有三類：吊絲式自動歸零裝置、簧片式自動歸零裝置和液體式自動歸零裝置。帶有垂直度盤讀數(shù)指標自動歸零裝置的儀器，在測量垂直角時，因無須調(diào)整指標水準器符合，顯得方便快捷多了。垂直角、指標差計算公式計算公式：第二部分經(jīng)緯儀的幾項檢校一般檢視

一、腳螺旋的檢視與調(diào)整二、微動螺旋的檢視與調(diào)整三、照準部水準器軸與垂直軸正交的檢校

四、望遠鏡的調(diào)焦及視差的消除

五、垂直度盤指標差的檢查校正六、光學(xué)對點器的檢校

儀器的設(shè)計和制造不論如何精細，各主要部件之間的關(guān)系也不可能完全滿足理論要求。另一方面，在儀器使用過程中，由于震動、磨損和溫度變化的影響，也會改變各部件之間的正確關(guān)系。為此，應(yīng)在使用儀器之前，對儀器進行檢驗和校正。本節(jié)先介紹經(jīng)緯儀的幾項一般性的調(diào)整與校正，其他有關(guān)項目的檢驗和校正將結(jié)合儀器誤差討論，在下節(jié)加以介紹。

將儀器取出，整置在腳架上，按照《規(guī)范》要求對儀器進行一般性檢視，然后對儀器的各主要螺旋進行檢查和調(diào)整。

一、腳螺旋的檢視與調(diào)整

檢查三個腳螺旋松緊是否適度，腳螺旋過松，儀器基座穩(wěn)定性差，儀器照準部旋轉(zhuǎn)時，可能使基座產(chǎn)生位移和偏轉(zhuǎn)，給水平角觀測結(jié)果帶來系統(tǒng)誤差；過緊，腳螺旋轉(zhuǎn)動困難。當腳螺旋松緊度不合適時，可轉(zhuǎn)動腳螺旋上的小調(diào)整螺旋，直到腳螺旋松緊合適為止。另外，腳架上的螺絲也要檢查，它們應(yīng)是固緊的，不能稍有松動。否則，會使腳架松動，給觀測帶來影響。二、微動螺旋的檢視與調(diào)整

微動螺旋(包括水平微動螺旋、垂直微動螺旋、指標水準器微動螺旋)是與彈簧共同起作用的。在使用微動螺旋的過程中，若微動螺旋旋人過多，使彈簧過分壓縮，彈力過強；若旋入過少，彈簧過分伸張，彈力不足。這兩種情況下，都容易產(chǎn)生“后效”作用，給觀測帶來誤差影響。另外，對于舊儀器，其微動螺旋的彈簧由于長期的壓縮和銹蝕，容易產(chǎn)生彈力不足問題，應(yīng)注意檢查其彈力，若彈力不足，應(yīng)及時修理。三、照準部水準器軸與垂直軸正交的檢校

使經(jīng)緯儀的乖直軸與測站鉛垂線一致，是獲得垂直照準面和水平切面(水平面)，從而測得水平角和垂直角的基本前提條件。使經(jīng)緯儀的垂直軸與測站鉛垂線一致的過程，叫做整平儀器。整平儀器是借助于照準部水準器進行的。當照準部水準器軸與垂直軸正交時，將給整平儀器帶來方便。由于外界溫度變化及震動等原因，二者的正交常不能保持。所以，觀測前應(yīng)進行二者正交的檢查和校正。檢查和校正應(yīng)在整平儀器后進行。

1.整平儀器及照準部水準器軸與垂直軸正交的檢查當照準部水準器軸與垂直軸不正交或不知道二者是否正交時，整平儀器的方法是：（1）轉(zhuǎn)動照準部，使照準部水準器與任意兩個腳螺旋的連線平行（設(shè)這兩個腳螺旋分別為A、B，另一個腳螺旋為C），并設(shè)垂直度盤位于A端，同時對向轉(zhuǎn)動A和B兩個腳螺旋，使照準部水準器氣泡居中。（2）將照準部轉(zhuǎn)動90°，使照準部水準器與A、B兩個腳螺旋的連線正交(垂直度盤置于C端)，轉(zhuǎn)動腳螺旋C，使照準部水準器氣泡居中。（3）先重復(fù)（1）款再重復(fù)（2）款的操作。

（4）在（3）操作的基礎(chǔ)上，將照準部旋轉(zhuǎn)180。（此時照準部水準器仍與A、B兩個腳螺旋的連線正交，垂直度盤位于C腳螺旋的另一側(cè)），這時若照準部水準器氣泡仍位于刻劃中心，說明照準部水準器軸與垂直軸正交；否則，說明二者不正交，應(yīng)轉(zhuǎn)動腳螺旋C，改正氣泡偏離量的一半。（5）再將照準部旋轉(zhuǎn)90°（此時照準部水準器與A、B兩個腳螺旋的連線平行，垂直度盤在B端），此時，若照準部水準器軸與垂直軸正交，氣泡不偏離刻劃中心；否則，將偏離刻劃中心，這時，可同時對向轉(zhuǎn)動A、B兩個腳螺旋，改正氣泡偏移量的一半。至此，儀器已被整置水平，儀器水平的標志是：不論儀器照準部轉(zhuǎn)到什么位置，氣泡偏離水準管刻劃中心的格數(shù)及氣泡在水準管上的位置保持不變。2．照準部水準器軸與垂直軸正交的校正經(jīng)過上述的整平與正交檢查，如果照準部水準器軸與垂直軸不正交(即儀器整平后氣泡仍不居中)，如圖所示，應(yīng)緊接著進行校正。由圖可以看出只要用改針改正照準部水準器一端的改正螺旋，使氣泡居中，此時水準器軸即處在正確位置，與垂直軸正交。

四、望遠鏡的調(diào)焦及視差的消除

望遠鏡是用來精確照準目標的。為此，目標在望遠鏡中的成像必須清晰，且成像于十字絲面上，為了達到這兩個目的，觀測之前，應(yīng)轉(zhuǎn)動望遠鏡的調(diào)焦環(huán)（或調(diào)焦螺旋），使目標清晰地成像于十字絲面上，這個過程叫做調(diào)焦，或叫對光，調(diào)焦的方法是：（1）將望遠鏡指向天空，轉(zhuǎn)動望遠鏡目鏡，直到十字絲十分清晰為止。（2）選擇一個距離適中的目標，將望遠鏡指向目標，轉(zhuǎn)動望遠鏡的調(diào)焦環(huán)(或調(diào)焦螺旋)，使目標在望遠鏡中的成像清晰為止。五、垂直度盤指標差的檢查校正

由垂直角測定原理知道，垂直度盤指標水準器的氣泡居中時，垂直度盤的讀數(shù)指標與測站鉛垂線垂直（或平行），并通過垂直度盤的分劃中心，或者說，垂直度盤的讀數(shù)指標線應(yīng)垂直（或平行）于指標水準器軸。如果指標水準器的氣泡居中時，垂直度盤的讀數(shù)指標線的實際位置偏離正確位置一個角度i，這個角度稱為垂直度盤指標差。一般規(guī)定，當讀數(shù)指標的實際位置使垂直度盤讀數(shù)偏大時，i為正；反之為負。

檢查指標差的方法是：在盤左和盤右位置上用中絲照準同一目標，并在指標水準器氣泡居中后，讀出垂直度盤讀數(shù)L和R，用指標差計算公式：

(J2級儀器)或(J07、J1級儀器)計算出該儀器的指標差，如果指標差的絕對值超出《規(guī)范》規(guī)定的限值；應(yīng)進行指標差校正。

校正指標差的基本方法：

（1）對于J2級儀器，用公式算出垂直度盤的正確讀數(shù)，對于J07、