精密光学经纬仪及水平角观测.doc

《精密光学经纬仪及水平角观测.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《精密光学经纬仪及水平角观测.doc（65页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、 第三章 精密光学经纬仪及水平角观测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。我国光学经纬仪的精度系列分为J07，J1，J2，J6等规格。本章主要介绍J2级以上精密光学经纬仪的基本构造和仪器检验，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 经纬仪的基本结构经纬仪既然是测量角度的工具，它的结构必须与水平角和垂直角的基本定义相适应，为此，首先了解什么是水平角和垂直角，以便认识经纬仪的基本结构及各部件的相互关系。 3.1.1 水平角和垂直角 1. 水平角 如图3-1，A、P1、P2为地面上的三个控制点。A为测站点，P1、P2为

2、照准点。AV为A点的铅垂线(重力方向线)，过A点作垂直于AV的平面M。平面M称为水平面。铅垂线AV与视准线AP1、AP2分别构成两个垂直面Q1、Q2，两个垂直面Q1、Q2与水平面的交线分别为Aq1、Aq2。Aq1、Aq2分别叫做视准线AP1、AP2的水平视线。两水平视线Aq1、Aq2的夹角(即Q1、Q2两垂直面的二面角)称为测站点A观测目标P1、P2的水平角。图3-1 水平角和垂直角 可见，水平角不是两条视准线间的夹角，而是两条视准线在水平面上投影线的夹角，就是说，水平角是在水平面上度量的。 水平角在范围内按顺时针方向量取。 2. 垂直角 如图3-1，视准线AP1与其水平视线Aq1的夹角称为A

3、点照准P1点的垂直角。同样，视准线AP2与其水平视线Aq2的夹角为A点对P2点的垂直角。所以，垂直角是视准线与其相应的水平视线的夹角，通常以表示。 垂直角是在垂直面上度量的。水平视线以上为正(如图中的1)，水平视线以下为负(如图中的2)。 视准线AP1、AP2与铅垂线AV的夹角Z1、Z2：分别称为AP1、AP2的天顶距。由图可见某一照准点的天顶距与垂直角有如下关系： （3-1） 3.1.2 经纬仪的基本结构 由上可知，要获得水平角和垂直角的正确值，必须正确的确定出视准线、铅垂线以及水平面和垂直面。因此经纬仪的基本结构必须能构成这些面、线，并保持正确关系。 图3-2表示经纬仪的基本结构。图3-2

4、 经纬仪的基本结构 经纬仪的主要部件有： 望远镜构成视准轴，在照准目标时形成视准线，以便精确照准目标。 照准部水准器用来指示垂直轴的垂直状态，以形成水平面和垂直面。 垂直轴作为仪器的旋转轴，测定角度时，应与测站铅垂线一致。 水平轴作为望远镜俯仰的转轴，以便照准不同高度的目标。 水平度盘用来在水平面上度量水平角，应与水平面平行。 垂直度盘用来量度垂直角。 另外，为了精确读取度盘读数，在水平度盘和垂直度盘上均有测微器。 经纬仪的以上部件，除水平度盘以外，合称为经纬仪的照准部，照准部可以绕垂直轴旋转。 仪器的基座、水平度盘、垂直轴套和调平仪器的脚螺旋，是经纬仪的基础部分，叫做基座。 3.1.3 经纬

5、仪主要部件之间的相互关系 为了测得水平角和垂直角，经纬仪不仅要具有上述各种主要部件，而且，这些部件还应按下列关系结合成一个整体。 （1）垂直轴与照准部水准器轴正交。即当照准部水准气泡居中时，垂直轴与测站铅垂线一致。 （2）垂直轴与水平度盘正交且通过其中心。这样，当垂直轴与测站铅垂线一致时，水平度盘就与测站水平面平行，在其上面量取的角度，才是正确的水平角。 （3）水平轴与垂直轴正交，视准轴与水平轴正交，当垂直轴与测站铅垂线一致，俯仰望远镜，视准轴所形成的面才是垂直照准面。 （4）水平轴与垂直度盘正交，且通过其中心。满足此关系，当垂直轴与测站铅垂线一致，水平轴水平时，垂直度盘就平行于过测站的垂直照

6、准面，在它上面量取的角度，才是正确的垂直角。 经纬仪各主要部件的上述关系，总的来说，就是三轴(垂直轴，水平轴，视准轴)两盘(水平度盘和垂直度盘)之间的关系，一旦它们之间的关系被破坏，就将给角度观测带来误差。这些将在以后各节中说明。3.2 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。

7、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，将玻璃管的内壁打磨成光滑的曲面，管内注入冰点低，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内，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

8、。 所谓水准器轴，就是过水准器零点O，水准管内壁圆弧的切线，如图3-3所示。另外，由于水准管内的液体比空气重，当液体静止时，管内气泡永远居于管内最高位置，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，水准管内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

9、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，水准管的内壁是一圆弧，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，设气泡在水准管内移动一个格O，O所对应的圆心角为。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

10、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，在望远镜内安装十字丝网，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

11、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，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

12、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。 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，每度间隔内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，在每度间隔内刻有十

13、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 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。图3-8 反射式度盘成像光路 1）反射

14、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