《第3章__精密光学经纬仪和水平角观测》-精选课件（公开PPT）

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1、第三章 精密光学经纬仪和水平角观测,3.1 精密光学经纬仪的基本构造 3.2 双平行玻璃板光学测微器构造及测微原理简介 3.3 双光楔光学测微器的构造及测微原理 3.4 垂直度盘指标自动归零的补偿原理 3.5 经纬仪的视准轴误差和水平轴倾斜误差 3.6 经纬仪的垂直轴倾斜误差 3.7 精密测角的误差影响 3.8 方法观测法 3.9 分组方向观测法 3.10 偏心观测与归心改正,习题,本章提要,本章提要 在工程控制测量和精密工程测量中，角度测量主要使用精密光学经纬仪。精密光学经纬仪按精度等级的高低，我国光学经纬仪的系列分为J07，J1，J2，J6等规格。本章主要介绍精密光学经纬仪的基本构造和仪器

2、检验，应用精密光学经纬仪完成一个测站上的水平角观测并获得正确观测值的方法及测站平差。,3.1精密光学经纬仪的基本构造,精密光学经纬仪的基本构造主要由照准部、垂直轴系统和基座组成,按精度等级的高低: 分为J07，J1，J2，J6等规格。J是经纬仪汉语拼音的第一个字母，其数字表示仪器的精度指标，即检定时水平方向观测一测回的中误差。,三轴：视准轴、水平轴、垂直轴,3.1.1望远镜 1.内对光。等效物镜焦距f 用较短的复合物镜焦 距，得到等效物镜焦距 f较大值。 视准轴：等效物镜光心与 十字丝中心的连线 晃动-视差 盲区4.6m(T3) 平均边长3KM以上的三角网，如各目标与测站,的距离相差1KM，在

3、一测回的观测中，各目标不重新调焦是不会影响照准精度的。 （3-3） 2.放大倍数V 望远镜的鑑别角 3.物镜的直径,3.1.2水准器 1.水准器的精度主要由水准器的格值来衡量。,2灵敏度 3.1.3垂直轴 园柱形滚珠轴承式轴或叫半运动式柱型轴。 3.1.4度盘 长周期误差，短周期误差,3.1.4光学经纬仪读数 J2光学经纬仪对径读数的规则： 旋进测微手轮，使度盘正倒像精确重合， 1读度，找具备下列三个条件的分划线：正倒像相差180度；正像在左，倒像在右；正倒像的对径（度）分划相距最近，以正像的（度）分划线为准读度数。 2读十位分数，将正倒像相应的分划线间所夹的格数乘以度盘分划的一半（J2为10

4、分），就是十位分数。 T3读分，将正倒像相应的分划线间所夹的格数乘以度盘分划的一半（T3为2分）。 3在测微器（盘）读取个位的分数及秒数。 T3，将测微盘上两次读数相加，。,J2 174003/02.7/ 42o57/39.0/,T2 285051/55.0/ 94022/44.0/,010 129025/47.5/,3.2 双平行玻璃板光学测微器构造及测微原理简介,以T3光学经纬仪为例来介绍双平行玻璃板测微器。下图为几何光学示意图，图中光线不垂直于平行玻璃板时，光线产生的平移量为,式中： d为平行玻璃射的厚度； i为入射光与入射面法线的交角; n为光学玻璃的折射系数。,双平行玻璃板光学测微器

5、就是根据这种光学原理制成的。双平行玻璃板光学测微器中由两块平行玻璃板作相反方向等量倾斜时，对径分划线a和（a+180）的像分别通过这两块平行玻璃板，使对径分划线和a（a-180）的像产生相对移动，使对径分划线a和（a+180）的像在读数显微镜中上下接合，这时分划线的移动量恰为对径分划线之间角距的一半。移动量可在光学测微器读数窗中的测微器分划盘上读取。 为了达到测微的目的，必须使光学测微器分划盘的转动与两块平行玻璃板的倾斜动作同步。 在1式中，d、n和 均为常数，所以光线的平移量随入射i角而改变，也就是说光线的平移量可由入射角来计量。下图是双平行玻璃板光学测微器的基本构造。两块平行玻璃板2a和2

6、b分别由架臂4a和4b带动而作反向等量倾斜，架臂下端平行玻璃板摆动轴3a和3b是固定的，架臂顶端有柱形销5a和5b插人金属圆盘8上的曲线凹槽7中，该曲线为阿基米德螺旋线，其极坐标方程式为 该方程式表示向径r与极角 成正比。,2 光学测微器行差 （1）行差的定义和行差改正数的计算 当测微分划盘由0分划线转至最末 分划线时，也就是测微分划盘转动了 格时，度盘分划线应恰好移到半个分格，这是测微器能够正确测定小于度盘最小分格值一半的尾数的一个重要条件。 设测微分划盘一个分格值为 ，度盘一个分格值为i，则有,即,对于T3光学经纬仪， =60大格，i=4，所以测微分划盘每一大格之格值 =2。,但是上述条件

7、往往是不能严格满足的。当读数显微镜物镜光具组的位置不正确，使读数显微镜中度盘分格的宽度不能得到正确的放大，或宽度过大，或宽度过小，这时度盘分划线平移半分格时，测微分划盘往往并不恰好转动 格，而是转动了格n(n ) 与n之差就是光学测微器行差，以r表示，则有,若以秒表示，则,由上式可以看出，行差r是测微分划盘上的理论分格数 与实际测得的分格数n之差。当n ，r为负值；当n 时，则为正值。,由度盘分划线的成像光路可以看出，若度盘对径180的分划线的成像光程不相等，以及读数显微镜物镜光具组的位置不正确，会使度盘对径两端的放大倍率不同，致使对径两端放大了的分格宽度就不相同。因此，根据分划线的正像和倒像

8、测得分格数就不同，分别为和 ，则行差也不同，分别为 和,或,取其中数得,上式即为光学测微器行差公式,行差改正数的计算 因为行差r是测微分划盘 个分格总的误差，显然，测微分划盘一个分格的行差 应为,设测微器分划盘读数为C格，则相应的行差改正数 为,以秒表示,对于T3光学经纬仪， =60大格， =2，则得,上式就是计算行差改正数的公式,（2）光学测微器行差的测定 对T3光学经纬仪而言（6）式中的 =60大格， =2，因此，只要在度盘读数窗中当度盘正、倒分划线移动半分格时，分别测定测微分划盘实际转动的格数 和 ，就可以由（6）式计算行差。 照准部置于一个度盘位置，如图4所示，测定 和 的具体步骤如下

9、。,图4,将测微分划盘置于0分划线附近，转动照准部，并利用照准部水平微动螺旋使分划线与（A+180）接合，再使用测微螺旋使分划线A与（A+180）精密接合，此时测微分划盘上读数为a，读数a极接近于0分划线，见图4（a）所示。 转动测微螺旋使分划线（A+180）与（A-i）精密接合，测微分划盘上读数为b。此时测微分划盘已转至最末分划线附近，读数b应在 分划附近。显然，测微分划盘实际转动格数 =（ ba ）。可知， 就是按分划线A和（A-i）之间的半分格测定的实际格数，见图4（b）所示。,在分划线（A+180）与（Ai）精密接合时。分划A线与（A+180i）已基本接合，现再转动测微螺旋少许，使分划

10、线A与（A+180i）精密接合，测微分划盘上读数为c，显然c读数也在最末分划线 附近，（ca）就是度盘分划线平移半分格测微分划盘实际转动的格数 ，即 =（ca）。可知, 就是按分划线（A+180）和（A+180i）之间的半分格测定的实际格数，见图4（c）所示。,对于T3光学经纬仪而言，式中的测微器分格值 =2，测微分划盘上理论分格数 =60大格。顾及 ，可得,为了减弱读数的偶然误差和度盘分划线误差对行差值的影响，应使照准部均匀地整置在度盘的各个位置进行光学测微器行差的测定，取各个位置所测得的行差结果的中数 和 ，再取它们的平均数就得到光学测微器的行差值 由于度盘对径分划线是由不同的光路在度盘读

11、数窗中成像的，因此照准部的偏心差和照准部旋轴的晃动会影响度盘分划线正倒像行差不等，根据度盘分划线正倒像行差的差数 可以评定仪器照准部旋转的正确性。 国家规范规定，行差r和行差差数 对于J1型测角仪器应小于1，对于J2型测角仪器应小于2，如超过上述规定，应在观测成果中施加行差改正数，行差改正数可按（8）式计算。,3.3 双光楔光学测微器的构造及测微原理,我国南京1002厂生产的J07型精密光学经纬仪和苏州第一光学仪器厂生产的J2型光学经纬仪及德国Zeiss厂生产的010光学经纬仪都采用双光楔光学测微器。 这类测微器主要由光楔和测微分划尺组成。从几何光学可知，光线通过光楔会产生折射，如下图5（a）

12、所示，偏折角g的大小与光楔顶角 和光楔材料的折射率n有关。 如果在读数光路中设置固定光楔和活动光楔，则光线通过固定光楔产生折射，再经过可以移动的活动光楔，就可使光线产生平移，平移量可表达为,显然，如果 、n为常数，则平移量由活动光楔相对于固定光楔的移动量l确定。,图5,如上图5（b）所示，光线进入测微器之前，对径分划线a与（a+180）并不接合，两分划线间距为2,当光线进人测微器后，由于两对光楔（双光楔）的作用，使分划线a与（a+180）作相对平移，当平移量为时，则对径分划a与（a+180）接合。显然，平移量与活动光楔相对于固定光楔的移动量l成正比。测微分划尺与活动光楔固连在一起，可由测微螺旋

13、带动，如图上5（c）所示。因此，小于度盘最小分格值一半的尾数可由测微分划尺的格数来计量。,苏州第一光学仪器厂生产的J2型和Zeiss 010光学经纬仪度盘最小分格值均为20，因此，小于度盘分格值一半的最大尾数为10，与测微分划尺上600格相对应，测微分划尺的最小分格值为1。 和双平行玻璃板光学测微器一样，在读数光路中有折射符合棱境，它的作用是修饰对径分划像的边缘，以利于判断对径分划线接合质量，从而提高读数精度。,根据这一光学原理，可以用来制作双光楔光学测微器，用以测定小于度盘最小分格值一半的尾数。,3.4 垂直度盘指标自动归零的补偿原理,由于仪器整平达不到尽善尽美，致使仪器的垂直轴有剩余的倾斜

14、，为了克服由此而产生的垂直度盘读数误差，必须将垂直度盘读数指标装在一个带水准器的并能绕水平轴旋转的指标架上，当水准器气泡居中时，指标将处于正确位置（水平或垂直），由此可知，垂直度盘指标是借助于指标水准器的作用原理将其导致正确位置。 近年来我国在J2型光学经纬仪的统一设计中，取消了垂直度盘指标水准器，而代之以光学补偿器，使得在垂直轴有剩余倾斜的情况，垂直度盘的读数得到自动补偿。由此可以在观测时减少操作步骤和避免某些系统误差的影响。 光学补偿器可以采用不同的光学元件，现在介绍一种在垂直度盘读数系统的像方光路中设置平板玻璃的光学补偿器。,如图6（a）所示，在读数系统的像方光路中设置平板玻璃。现将读数

15、光路展直，示意如图6（b）。当仪器垂直轴没有剩余倾斜时，0为十字丝分划板中心位置，此时物方光轴在垂直度盘分划面上的A点，当仪器垂直轴有剩余倾斜 时，则分划板中心移至0，则物方光轴移至A点。如果平板玻璃依垂直轴相同的方向倾斜 角，则使来自度盘A点的光线经倾斜后的平板玻璃的折射并成像在0处，也就是仪器垂直轴有剩余倾斜 时，平板玻璃倾斜 ，则在0处可以得度盘A点的正确读数。,图6,以下将讨论当仪器垂直轴有剩余倾斜角时，补偿元件平板玻璃应倾斜多大的角才能达到补偿的目的。 光学补偿器的角放大系数N为 当仪器的垂直轴有剩余倾斜 时，则物方光轴在垂直度盘分划面上的位移量为A A，因此，像方光轴在分划板上产生的位移量为 式中：r为垂直度盘的分划半径；v为读数光路系统物镜放大率,当平板玻璃倾斜g角后，则通过它光线的横向位移z为 式中，n为平板玻璃的折射率；d为平板玻璃的厚度。为了实现自动补偿的目的，必须使 即 由上式可得补偿器的角放大系数 若仪器垂直轴剩余倾斜 ，平板玻璃以剩余倾斜相同的方向倾斜g后能满足（13）式，则垂直度盘读数能达到自动补偿的目的。,3.5 经纬仪的视准轴误差和水平轴倾斜误差,3.5.1 视准轴误差 仪器的视准轴不与水平轴正交所产生的误差称为视准轴误差。 产生视准轴误差的主要原因有：,望远镜的十字丝分划板安置不正确； 望远