《控制测量学精密光学经纬仪的构造与使用方法》由会员分享,可在线阅读,更多相关《控制测量学精密光学经纬仪的构造与使用方法(13页珍藏版)》请在金锄头文库上搜索。
1、 精密光学经纬仪的构造及使用方法控制测量中,需用经纬仪进行大量的水平角和垂直角观测。使用经纬仪进行角度观测,最重要的环节是:仪器整平、照准和读数。我们围绕这三个环节,对光学经纬仪的构造和使用方法作如下介绍。 3.2.1 水准器图3-3 水准轴与水准器轴 由前节可知,测角时必须使经纬仪的垂直轴与测站铅垂线一致。这样,在仪器结构正确的条件下,才能正确测定所需的角度。要满足这一要求,必须借助于安装在仪器照准部上的水准器,即照准部水准器。照准部水准器一般采用管状水准器。管水准器是用质量较好的玻璃管制成,将玻璃管的壁打磨成光滑的曲面,管注入冰点低,流动性强,附着力较小的液体,并留有空隙形成气泡,将管两端
2、封闭,就成为带有气泡的水准器,如图3-3所示。1. 水准轴与水准器轴 为了便于观察水准器的倾斜量,在水准管的外壁上刻有若干个分划,分划间隔一般为2mm,其中间点称为零点。 水准器安置在一个金属框架,并安装在经纬仪照准部支架上,所以把这种管状水准器称为照准部水准器。照准部水准器框架的一端有水准器校正螺旋,通过校正螺旋,使照准部水准器的水准器轴与仪器垂直轴正交。 所谓水准器轴,就是过水准器零点O,水准管壁圆弧的切线,如图3-3所示。另外,由于水准管的液体比空气重,当液体静止时,管气泡永远居于管最高位置,如图3-3中的位置。显然,过作圆弧的切线,此切线总是水平的,我们称此切线为水准轴由此可知,使其水
3、准轴与水准器轴相重合,即气泡最高点与水准器分划中心O重合,这时经纬仪的垂直轴与测站铅垂线重合,这个过程称为整置仪器水平。 2. 水准器格值 我们知道,当水准器倾斜时,水准管的气泡便会随之移动。不同的水准器,虽然倾斜的角度完全相同,各自的气泡移动量不会完全相同。这是因为不同的水准器,它们的灵敏度不同。灵敏度以水准器格值表示。所谓水准器格值,就是当水准气泡移动一格时,水准器轴所变动的角度,也就是水准管上的一格所对应的圆心角。如前所述,水准管的壁是一圆弧,圆弧的曲率半径愈大,水准管上一格所对应的圆心角愈小,即水准器格值愈小,水准器的灵敏度就愈高。如图3-4,设气泡在水准管移动一个格O,O所对应的圆心
4、角为。若圆弧的半径为R,则为常量206 265) 。 图3-4水准器格值由于水准器轴与仪器的垂直轴正交,若气泡偏离水准器分划零点n个格,当水准器格值已知时,就可以按下式计算出仪器垂直轴倾斜的角度V: (3-2)即垂直轴倾斜角度等于气泡偏离水准器零点的格数乘以水准器格值。3.2.2 望远镜 如前所述,望远镜构成视准轴,在照准目标时形成视准线,以便精确地照准目标。也就是说,望远镜的作用有二:一是将不同距离的远方目标,通过成像,放大视角,以便更清晰地看到目标;二是用望远镜的视准轴精确照准目标,以确定目标的视准线方向。望远镜由物镜和目镜组成,来自目标的光线经过透镜折射成像,如图3-5所示,目标AB经物
5、镜成像,然后再经目镜成为放大的倒像。图3-5 望远镜成像原理另外,为了能够照准目标,在望远镜安装十字丝网,十字丝网的形状如图36所示。十字丝的竖丝应垂直,横丝应水平。观测水平角时,当目标恰被夹在竖丝中,就算照准了目标。这是测量望远镜与一般望远镜的区别。图3-6 望远镜十字丝网 十字丝的中心与物镜光心的连线称为视准轴。所谓照准,就是使视准轴指向目标,即视准轴与目标在一条直线上。为了能够正确照准目标,要求目标成像恰好落在十字丝网面上。这样在照准时,观测者的眼睛稍微左右移动时,目标与十字丝网的相对位置才不会改变。否则,就会因观测者眼睛位置不同而产生照准误差,称为视差。 为了使目标恰好落在十字丝面上,
6、消除视差,在望远镜的物镜与目镜之间,安装一个调焦透镜。调焦透镜可以前后移动,从而改变目标像AB 的位置。这样,不同的视力,先调整目镜,使十字丝清晰,再调整调焦透镜,使目标像清晰(即目标像落在十字丝网面上),则视差被消除。 综上所述,望远镜由物镜、目镜、十字丝网和调焦透镜四部分组成。物镜和目镜起放大目标像的作用,十字丝与物镜光心构成视准轴供照准目标用;调焦透镜用来调整目标像的位置,起消除视差的作用。其结构如图3-7。图3-7 望远镜结构示意图 3.2.3 水平度盘和测微器 经纬仪的水平度盘和测微器是用以量度水平角的重要部件,它们二者之间以一定的关系结合起来,就能读出照准目标后的水平角或水平方向值
7、。 1. 水平度盘 光学经纬仪的水平度盘都是用玻璃制成的,安置在仪器基座的垂直轴套上,当仪器照准部转动时,要求水平度盘不得转动和移动。 在水平度盘圆周边上精细地刻有等间隔分划线,全周刻360度,每度一标记,按顺时针方向增值,每度间隔再等间隔刻有若干个小分划,相邻小分划的间隔值就是该水平度盘的最小分格值。如威特T3经纬仪,在每度间隔刻有十五个分格,显然,每个分格值为。 由于水平度盘的周长有限,所以度盘的分格很小,只有借助显微镜才能看清分划线。即使这样,也只能估读到110格,这远不能满足精确测角的要求。因此,需要安置显微测微器,以精确量取不足一格之值。 2. 光学测微器及测微原理图3-8 反射式度
8、盘成像光路 为了便于理解光学测微器的测微原理,下面首先介绍显微镜的成像光路。 (1)度盘成像光路 目前光学经纬仪的度盘成像光路可分为两类:第一类,光线能透过度盘,称为透射式度盘,以蔡司010经纬仪为代表;另一类在度盘分划面上镀一层银,光线射到度盘分划面上,照亮分划面后又被反射回来,称为反射式度盘,此类经纬仪以威特经纬仪为代表。 1)反射式度盘成像光路 图3-8为反射式度盘成像光路。它与普通显微镜的共同之处在于:都有物镜和目镜。但是,它的作用是精确测定不足一个分格的微小量,因此其结构有如下特性: 第一,为了使度盘对径两端的分划同时成像,来自反光镜的一束光线,在度盘下面的长棱镜的下部被分为二束射入
9、度盘的对径180的两端,照明度盘分划线。然后,带有度盘两端分划的光线又由长棱镜的上部各经两次反射,同时进入物镜,因而,它们能同时成像于一个平面上,又能上下分开。 第二,双菱形棱镜的两个上斜面,就是显微镜的成像面,在此上面有指标线和度盘读数窗的框子,两个棱镜上斜面的交线就是目镜中见到的度盘上、下影像之问的水平线。 第三,测微器由光路中的两块平行玻璃板及测微盘组成。图3-9 透射式度盘成像光路垂直度盘的光路如图3-8所示,不再赘述。2)透射式度盘成像光路图3-9为透射式度盘成像光路,它的成像过程与反射式度盘成像过程大体相同。其不同点之一,度盘的照明方式不同于反射式度盘。如图3-9,光线自反光镜射入
10、后,经棱镜折射透过度盘的左端,再由透镜组将度盘左端的分划成像于度盘右端分划面上,且保持原有的分划宽度,只是将像旋转180。不同点之二,度盘分划成像于直角棱镜的垂直面上,在其上刻有度盘窗口。不同点之三,在物镜与成像面之间放置了两对光楔来构成测微器。 (2)测微器的基本结构和测微原理 由图3-8和图3-9可以看出,图3-8中所示的测微器属于双平行玻璃板式测微器,图3-9 中所示的测微器为双光楔式测微器。 1)双平行玻璃板式测微器测微原理 双平板测微器主要由两块平行玻璃板、测微盘及其他部件构成,见图3-10。由几何光学知:当光线通过两个折射面互相平行的玻璃板时,方向不会产生变化,仅产生平行位移,其位
11、移量与入射角有关。如图3-11所示,当光线垂直于平行玻璃板的折射面(即入射角为零)入射时,并不产生折射、平移。当光线的入射角(即不垂直于折射面)时,出射光线方向虽然不变,但其位置却平移了h。入射角改变时,平移量h也随之改变。对于一定厚度的平行玻璃板,当入射角很小时,光线的平移量h与其入射角成正比,这就是平行玻璃板的特性。 对于双平行玻璃板测微器,当将两块平行玻璃板相对转动时(即一顺时针转动,另一逆 时针转动),度盘对径两端分划也就作相对移动。如果将刻有分划的测微盘与转动平行玻璃板的机构连在一起,而且,当转动平行玻璃板使度盘分划线像相对移动一格时(即各移动半格),测微盘正好从零分划转动到最末一个
12、分划,根据这种关系,测微器就起到量度度盘上不足一格的值的作用。 2)光楔式测微器测微原理光楔式测微器主要由光楔和测微尺组成。由几何光学知道,光楔能使光线向光楔的底面偏折,偏折角的大小与光楔的楔角成正比。 图3-10 双平行玻璃板测微器 图3-11 平行玻璃板行倾斜使光线平移 在测微器中,把楔角相等的两个光楔安置成图3-12的形式,使平面平行于平面,且互相倒置,与光线正交。因为它们的楔角相等且又互相倒置,A光楔使光线偏折向下,B光楔又使光线向上偏折同一量。这样,光线就被平移。如果A光楔固定不动,而把B光楔沿光轴前后移动,则光线的平移量h随两光楔之间的距离增大而增大。当两光楔贴合在一起时,它就成了
13、一块平行玻璃板,对垂直于入射面入射的光线不产生移动。这就说明在一定条件下双光楔可以起到平行玻璃板的作用。但是,两种光学零件的运动方式却不同。平行玻璃板是由于其倾斜使光线产生平移,双光楔则是由于其中一个光楔的直线运动产生平移。图3-12 双光楔对光线的平移图3-13 光楔式测微器测微原理 如图3-13所示,将两组光楔分别安置在度盘对径分划的光路中,下面一块K1为固定光楔,上面一块K2为活动光楔。这样,沿直线移动活动光楔,便可使度盘对径两端的分划光线作相向或相背移动。把活动光楔与测微尺L固定在一起,装在一齿条上,用测微螺旋上的齿轮带动它,转动测微螺旋时,活动光楔。与测微尺便一起运动,度盘对径两端分
14、划光线相对移动一格,测微尺相应从零分划移至末端的最后一个分划。这样,测微尺就可量度出度盘上不足一格的值来。 3. 读数方法如前所述,使用经纬仪进行角度测量,读数是三个环节之一,又由测微器和度盘的作用可知,经纬仪照准目标之后,其读数就是度盘读数和测微器读数之和。那么,只要会读取度盘读数和测微器读数,经纬仪的读数方法即被掌握。 由光学经纬仪光路和测微器结构原理可知,现代精密光学经纬仪一般都采用对径分划同时成像,通过测微器使度盘对径分划线作相向移动并作精确重合,用测微盘量取对径分划像的相对移动量,这种读数方法叫做重合读数法。 重合读数法的基本方法步骤是:(1)先从读数窗中了解度盘和测微盘的刻度与注记,确定度盘的最小格值。 度盘对径最小分格值 测微盘的格值 (2)转动测微螺旋,使度盘正倒像分划线精确重合。读取靠近度盘指标线左侧正像分划线的度数。 (3)读取正像分划线到其右侧对径的倒像分划线(即)之间的分格数n。 (4)读取测微盘上的读数c,c等于测微盘零分划线到测微盘指标线的总格数乘测微盘格值T。 综上所述,可得如下的读数公式: 综合读数公式,举例进一步说明读数方法:第一,威特T3经纬仪水平度盘读数方法,见图3-14。图3-14 威特T3经纬仪水平度盘读数第二,威特T2读数、蔡司010经纬仪水平度盘读数方法,见图3-