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1、第3章 角度测量,3.1 角度测量原理 3.2 光学经纬仪 3.3 电子经纬仪简介 3.4 水平角观测 3.5 竖直角观测 3.6 光学经纬仪的检验与校正 3.7 角度测量误差分析与注意事项,本章提要,本章主要讲述: 1.角度测量原理; 2.光学经纬仪的构造和使用及检验校正; 3.水平角和竖直角观测方法; 4.角度测量的误差来源。,教学要求,1.了解电子经纬仪的原理; 2.熟练掌握光学经纬仪的结构和使用; 3.掌握水平角、竖直角观测的方法与表格记录计算; 4.了解角度观测的误差来源; 5.掌握消除误差的方法。,测量地面点连线的水平夹角及视线方向与水平 面的竖直角,称角度测量(angular o
2、bservation)。 角度测量是测量的基本工作之一。 角度测量所使用的仪器是经纬仪(theodolite)和 全站仪(total station)。 水平角测量用于求算点的平面位置，竖直角测 量用于测定高差或将倾斜距离改化为水平距离。,3.1 角度测量原理,3.1.1 水平角测量原理,3.1.2 竖直角测量原理,3.2 光学经纬仪,按读数系统分，可以分为光学和电子类经纬仪。 规范给出的国产光学经纬仪(optical theodolite)按其精度划分的型号有：DJ07、DJ1、DJ2、DJ6，其中字母D、J分别为“大地测量”和“经纬仪”汉语拼音的第一个字母，07、1、2、6分别表示该仪器水
3、平方向一测回方向观测中误差的秒数。,3.2.1 经纬仪概述,一般将光学经纬仪分解为基座(tribrach)、水平度盘(horizontal circle)和照准部(alidade)三部分。 1. 基座 基座用于支承整个仪器。 基座上有三个脚螺旋，一个圆水准气泡，用来整平仪器。 水平度盘旋转轴套套在竖轴轴套外围，拧紧轴座固定螺旋，可将仪器照准部固定在基座上；旋松该螺旋，可将经纬仪水平度盘连同照准部从基座中拔出。,3.2.2 DJ6级光学经纬仪的结构,游标经纬仪,1-望远镜制动螺旋 2-望远镜微动螺旋 3-物镜 4-物镜调焦螺旋 5-目镜 6-目镜调焦螺旋 7-光学瞄准器 8-度盘读数显微镜 9-
4、度盘读数显微镜调焦螺旋 10-照准部管水准器 11-光学对中器 12-度盘照明反光镜 13-竖盘指标管水准器14-竖盘指标管水准器观察反射镜15-竖盘指标管水准器微动螺旋 16-水平方向制动螺旋 17-水平方向微动螺旋 18-水平度盘变换螺旋与保护卡 19-基座圆水准器 20-基座 21-轴套固定螺旋 22-脚螺旋,照准部包括竖轴、U形支架、望远镜、横轴、竖直度盘、管水准器、竖盘指标管水准器(vertical index bubble tube)和读数装置等。 照准部旋转轴称为仪器竖轴，竖轴插入基座内的竖轴轴套中旋转； 照准部在水平方向的转动，由水平(照准部)制动、微动螺旋控制； 望远镜在竖直
5、方向的转动，由竖直(望远镜)制动、微动螺旋控制； 竖盘指标水准管的微倾运动由竖盘指标水准管微动螺旋控制； 照准部上的管水准器，用于精平仪器。 光学对点器用于仪器对中(使仪器竖轴对准地面标志点),2.照准部,3.2.3 DJ6级光学经纬仪的读数方法,照明光线通过反光镜的反射进入进光窗，其中一路光线通过光学组件将水平度盘上的刻划和注记成像在平凸镜上；另一路光线通过光学组件将竖直度盘上的刻划和注记也成像在平凸镜上；在平凸镜上有两个测微尺，测微尺上刻划有6大格60小格。 通过折射棱镜，两个度盘分划线的像连同测微尺上的刻划和注记可以被读数显微镜观察到，读数装置大约将两个度盘的刻划和注记放大了65倍。,右
6、图为读数显微镜视场； 注记有“”(有些仪器为“Hz”或“水平”)字样窗口的像是水平度盘分划线及其测微尺的像； 注记有“”(有些仪器为“V”或“竖直”)字样窗口的像是竖直度盘分划线及其测微尺的像。 读数方法为： “度”数由落在测微器上的,DJ2型光学经纬仪常用于三、四等三角测量、精密导线测量和工程测量。 DJ2型光学经纬仪的几个特点： 1.DJ6型光学经纬仪采用单指标读数，受度盘偏心的影响。DJ2型光学经纬仪采用对径分划符合读数法，相当于利用度盘上相差的两个指标读数并取其平均值，可消除度盘偏心差的影响。 2. DJ2型光学经纬仪在读数显微镜中只能看到水平度盘或竖直度盘中的一个。读数时，可通过换像
7、手轮，选择所需要的度盘影像。 3. 竖盘指标水准管采用符合水准器，提高了气泡居中的精度。 DJ2型光学经纬仪通常采用对径分划线影像符合读数装置进行读数。读数前，需转动测微轮，使度盘对径影像相对移动，直至上下分划线精确重合后，再读出读数。,3.2.4 DJ2级光学经纬仪,1-望远镜制动螺旋，2-望远镜微动螺旋，3-物镜， 4-物镜调焦螺旋，5-目镜，6-目镜调焦螺旋，7-光学瞄准器，8-度盘读数显微镜，9-度盘读数显微镜调焦螺旋，10-测微轮，11-水平度盘与竖直度盘换像手轮，12-照准部管水准器，13-光学对中器，14-水平度盘照明镜，15-垂直度盘照明镜，16-竖盘指标管水准器进光窗口，17
8、-竖盘指标管水准器微动螺旋，18-竖盘指标管水准气泡观察窗，19-水平制动螺旋， 20-水平微动螺旋，21-基座圆水准器，22-水平度盘位置变换手轮，23-水平度盘位置变换手轮护盖 24-基座 25-脚螺旋,下图为德国蔡司公司(Zeiss)生产的Theo 010型经纬仪(属于2级)读数镜中的度盘对径分划像(右边)和测微器分划像(左边)，度盘的数字注记为“度”数，测微分划尺左边注记为“分”数，右边注记为“十秒”数。,为使读数方便和不易出错，现在生产的DJ2级光学经纬仪，一般采用如图所示的读数窗。度盘对径分划像及度数和10的影像分别出现于两个窗口，另一窗口为测微器读数。当转动测微轮使对径上、下分划
9、对齐以后，从度盘读数窗读取度数和10数，从测微器窗口读取分数和秒数。,3.3 电子经纬仪,世界上第一台电子经纬仪(electronic theodolite)于1968年研制成功，80年代初生产出商品化的电子经纬仪。 电子经纬仪主要有以下三方面的特点： 采用电子测角系统，利用不同类型的扫描度盘(如编码度盘、光栅度盘)及其相应的测角原理，实现了测角自动化和数字化，并可将测量结果自动显示和储存，减轻了劳动强度，提高了工作效率； 采用轴系补偿系统，在微处理器支持下，配以相关的专用软件，可对各轴系误差进行补偿或归算改正；,采用积木式结构，可与光电测距仪组合成全站型电子速测仪，配合适当的接口，可将电子手
10、簿记录的数据输入计算机，实现数据处理和绘图自动化。 电子经纬仪的测角系统有三种：编码度盘、光栅度盘测角系统和动态测角系统。 本节主要介绍光栅度盘测角系统的测角原理。 1.光栅度盘测角原理 光栅的基本参数是刻划线的密度和栅距。如图所示，在玻璃圆盘的径向，均匀地按一定的密度刻划有交替的透明与不透明的辐射状条纹，密度为一毫米内刻划线的条数。栅距为相邻两栅的间距。光栅宽度为a，缝隙宽度为b，栅距为d = a + b。这就构成了光栅度盘。,电子经纬仪是在光栅度盘的上、下对称位置分别安装光源和光电接收机。由于栅线不透光，而缝隙透光，则可将光栅度盘是否透光的信号变为电信号。 光栅度盘的栅距相当于光学度盘的分
11、划，栅距越小，则角度分划值越小，即测角精度越高。 在80mm直径的光栅度盘上，刻划有12500条细线（刻线密度为50条/mm），栅距分划值为144。 在光栅度盘测角系统中，采用莫尔干涉条纹技术测微。 莫尔条纹：是将两块密度相同的光栅重叠，并使它们的刻划线相互倾斜一个很小的角度，此时便会出现明暗相间的条纹，该条纹称为莫尔条纹。,根据光学原理，莫尔条纹有如下特点： 两光栅之间的倾角越小，条纹间距 越宽，则相邻明条纹或暗条纹之间的距离越大；,在垂直于光栅构成的平面方向上，条纹亮度按正弦规律周期性变化； 当光栅在垂直于刻线的方向上移动时，条纹顺着刻线方向移动。光栅在水平方向上相对移动一条刻线，莫尔条纹
12、则上下移动一周期，即移动一个纹距；,仪器中两光栅之间的夹角是已知的，所以通过自动数据处理，即可算得并显示两方向间的夹角。 为了提高测角精度和角度分辨率，仪器工作时，在每个周期内再均匀地填充n个脉冲信号，计数器对脉冲计数，则相当于光栅刻划线的条数又增加了n倍。即角度分辨率就提高了n倍。 为了判别测角时照准部旋转的方向，采用光栅度盘的电子经纬仪其电子线路中还必须有判向电路和可逆计数器。判向电路用于判别照准时旋转的方向，若顺时针旋转时，则计数器累加；若逆时针旋转时，则计数器累减。 2.动态测角原理 动态测角的仪器度盘仍为玻璃圆环，测角时由微型马达带动而旋转。,光阑LS固定在基座上，称固定光阑(也称光
13、闸)，相当于光学度盘的零分划。光阑LR在度盘内侧，随照准部旋转，称活动光阑，相当于光学度盘的指标线。它们之间的夹角即为要测的角度值。 为消除度盘偏心差，同名光阑按对径位置设置，共4个(两对)，图中只绘出两个。竖直度盘的固定光阑指向天顶方向。光阑上装有发光二极管和光电二极管，分别处于度盘上、下侧。,_,粗测和精测信号送角度处理器处理并衔接成完整的角度(方向)值送中央处理器，然后由液晶显示器显示或纪录于数据终端。 补充内容： ET-02电子经纬仪的使用 图所示为南方测绘仪器公司生产的ET-02电子经纬仪。 精度指标：一测回方向观测中误差为2，角度最小显示到1，竖盘指标自动归零补偿采用液体电子传感补
14、偿器。,仪器使用NiMH高能可充电电池供电，充满电的电池可供仪器连续使用810小时；设有双操作面板，每个操作面板都有完全相同的一个显示窗和7个功能键，便于正倒镜观测；望远镜的十字丝分划板和显示窗均有照明光源，以便于在黑暗环境中观测。 开机 仪器面板右上角的PWR键为电源开关键。 当仪器处于关机状态时，按下该键2秒后可打开仪器电源； 当仪器处于开机状态时，按下该键2秒可关闭仪器电源。 仪器在测站上安置好后，打开仪器电源时，在显示窗中字符HR的右边显示的是当前视线方向的水平度盘读数； 在显示窗中字符“V”的右边将显示“OSET”字符，它提示用户应指示竖盘指标归零。将望远镜置于盘左位置，向上或向下转
15、动望远镜，当其视准轴通过水平视线位置时，显示窗中字符“V”右边的字符“OSET”将变成当前视准轴方向的竖直度盘读数值，即可进行角度测量。,3.4 水平角观测,经纬仪的安置包括对中(centering)和整平(leveling) 。 经纬仪安置的操作程序是： 打开三脚架腿，调整好其长度使脚架高度适合于观测者的高度； 张开三角架，将其安置在测站上，使架头大致水平； 从仪器箱中取出经纬仪放置在三角架头上，并使仪器基座中心基本对齐三角架头中心，旋紧连接螺旋后，即可进行对中整平操作。 1. 对中 目的：使仪器的中心与测站点位于同一铅垂线上。,3.4.1 经纬仪的安置,一般用光学对中(optical ce
16、ntering)器对中。 光学对中器也是一个小望远镜：它由保护玻璃、反光棱镜、物镜、物镜调焦镜、对中标志分划板和目镜组成。 使用光学对中器之前，应先旋转目镜调焦螺旋使对中标志分划板十分清晰，再旋转物镜调焦螺旋(有些仪器是拉伸光学对中器)看清地面的测点标志。 对中的步骤如下： 使三脚架头大致水平，目估初步对中； 调节光学对中器调焦螺旋，使对中标志圈和测站标志点都清晰； 移动三角架腿，使测站标志点的成像位于对中标志圈中心，然后将三脚架各腿踩实使之稳固；, 伸缩三角架的相应架腿，使基座上的圆水准气泡居中，再旋转脚螺旋，使水准管气泡居中； 检查对中情况，若偏移不大，可略松连接螺旋，使仪器在架头上平移，直至完全对中且水准管气泡居中后，旋紧连接螺旋。对中误差一般应小于1mm。 2.整平 目的：使仪器竖轴铅垂，从而使水平度盘和横轴处于水平位置，竖直度盘位于竖直面内。 操作步骤为：为不破坏对中，首先应伸缩三脚架腿，使基座上的圆水准气泡居中，然后用脚螺旋使照准部水准管气泡居中。 脚螺旋整平照准部水准
