经纬仪的原理与使用讲解Word文件下载.docx
《经纬仪的原理与使用讲解Word文件下载.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《经纬仪的原理与使用讲解Word文件下载.docx(18页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
![经纬仪的原理与使用讲解Word文件下载.docx](https://file1.bdocx.com/fileroot1/2023-1/1/f4a7718d-5190-46b2-bdc1-e9bc595932c8/f4a7718d-5190-46b2-bdc1-e9bc595932c81.gif)
照准部,水平度盘,基座
(二)读数方法:
最常见的读数方法有分微尺法、单平板玻璃测微器法和对径符合读法。
下面分别说明其构造原理及读数方法。
1.分微尺法
分微尺法也称带尺显微镜法,多用于DJ6级仪器。
由于这种方法操作简单,不含隙动差,其应用日广。
如国产的TDJ6,LeicaT16等都采用这种方法。
这种测微器是一个固定不动的分划尺,它有60个分划,度盘分划经过光路系统放大后,其1°
的间隔与分微尺的长度相等。
即相当于把1°
又细分为60格,每格代表1′,从读数显微镜中看到的影像如书图3-6所示。
图中H代表水平度盘,V代表竖直度盘。
度盘分划注字向右增加,而分微尺注字则向左增加。
分微尺的0分划线即为读数的指标线,度盘分划线则作为读取分微尺读数的指标线。
从分微尺上可直接读到1′,还可以估读到0.1′。
图3-6中的水平度盘读数为215°
07.3′。
2.单平板玻璃测微器法(简单介绍)
3.对径符合读法(介绍)
三.经纬仪的使用
(一)安置经纬仪在测量角度以前,首先要把经纬仪安置在设置有地面标志的测站上。
所谓测站。
即是所测角度的顶点。
安置工作包括对中、整平两项。
1.对中
在安置仪器以前,首先将三脚架打开,抽出架腿,并旋紧架腿的固定螺旋。
然后将三个架腿安置在以测站为中心的等边三角形的角顶上。
这时架头平面即约略水平,且中心与地面点约略在同一铅垂线上。
从仪器箱中取出仪器,用附于三脚架头上的连结螺旋,将仪器与三脚架固连在一起,然后即可精确对中。
根据仪器的结构,可用垂球对中,也可用光学对中器对中。
垂球对中(简单介绍)
如果使用光学对中器对中,可以先用垂球粗略对中,然后取下垂球,再用光学对中器对中。
但在使用光学对中器时,仪器应先利用脚螺旋使圆水准器气泡居中,再看光学对中器是否对中。
如有偏离,仍在仪器架头上平行移动仪器,在保证圆水准气泡居中的条件下,使其与地面点对准。
如果不用垂球粗略对中,则一面观察光学对中器一面移动脚架,使光学对中器与地面点对准。
这时仪器架头可能倾斜很大,则根据圆水准气泡偏移方向,伸缩相关架腿,使气泡居中。
伸缩架腿时,应先稍微旋松伸缩螺旋,待气泡居中后,立即旋紧。
因为光学对中器的精度较高,且不受风力影响,应尽量采用。
待仪器精确整平后,仍要检查对中情况。
因为只有在仪器整平的条件下,光学对中器的视线才居于铅垂位置,对中才是正确的。
2.整平
经纬仪整平的目的,乃是使竖轴居于铅垂位置。
整平时要先用脚螺旋使圆水准气泡居中,以粗略整平,再用管水准器精确整平。
由于位于照准部上的管水准器只有一个,如图3-10所示,可以先使它与一对脚螺旋连线的方向平行,然后双手以相同速度相反方向旋转这两个脚螺旋,使管水准器的气泡居中。
再将照准部平转90°
,用另外一个脚螺旋使气泡居中。
这样反复进行,直至管水准器在任一方向上气泡都居中为止。
在整平后还需检查光学对中器是否偏移。
如果偏移,则重复上述操作方法,直至水准气泡居中,对中器对中为止。
(二)照准目标
1.水平角观测时,应尽量照准目标的底部。
当目标较近时,成像较大,则用单丝平分目标;
当目标较远时,成像较小,则用双丝夹住目标或用单丝与目标重合。
2.竖直角观测时,应用中横丝照准目标顶部或某一预定部位。
(三)读数或置数
1.读数:
按照先前介绍的读数方法进行。
2.置数:
照准需要的方向,使水平度盘读数为某一预定值叫做置数。
具体方法是:
先照准后置数。
照准目标后,打开度盘变换手轮保险装置,转动度盘变换手轮,使度盘读数等于预定读数,然后,关上变换手轮保险装置。
§
3-4水平角和竖直角的观测
一.水平角观测
一)测回法测水平角
当所测的角度只有两个方向时,通常都用测回法观测。
如图3-1示,欲测OA、OB两方向之间的水平角∠AOB时,在角顶O安置仪器,在A、B处设立观测标志。
经过对中、整平以后,即可按下述步骤观测。
图3-1
(1)将复测扳手扳向上方。
松开照准部及望远镜的制动螺旋。
利用望远镜上的粗瞄器,以盘左(竖盘在望远镜视线方向的左侧时称盘左)粗略照准左方目标A。
关紧照准部及望远镜的制动螺旋,再用微动螺旋精确照准目标,同时需要注意消除视差及尽可能照准目标的下部。
对于细的目标,宜用单丝照准,使单丝平分目标像;
而对于粗的目标,则宜用双丝照准,使目标像平分双丝,以提高照准的精度。
最后读取该方向上的读数
(2)松开照准部及望远镜的制动螺旋,顺时针方向转动照准部,粗略照准右方目标B。
再关紧制动螺旋,用微动螺旋精确照准,并读取该方向上的水平度盘读数
盘左所得角值即为:
以上称为上半测回。
(3)将望远镜纵转180°
,改为盘右。
重新照准右方目标B,并读取水平度盘读数
然后顺时针或逆时针方向转动照准部,照准左方目标A。
读取水平度盘读数
,则盘右所得角值
以上称为下半个测回。
两个半测回角值之差不超过规定限值时,取盘左盘右所得角值的平均值
,即为一测回的角值。
根据测角精度的要求,可以测多个测回而取其平均值,作为最后成果。
观测结果应及时记入手簿,并进行计算,看是否满足精度要求。
手簿的格式见实习手簿。
值得注意的是:
上下两个半测回所得角值之差,应满足有关测量规范规定的限差,对于DJ6级经纬仪,限差一般为30″或40″。
如果超限,则必须重测。
如果重测的两半测回角值之差仍然超限,但两次的平均角值十分接近,则说明这是由于仪器误差造成的。
取盘左盘右角值的平均值时,仪器误差可以得到抵消,所以各测回所得的平均角值是正确的。
两个方向相交可形成两个角度,计算角值时始终应以右边方向的读数减去左边方向的读数。
如果右方向读数小于左方向读数,则应先加360°
后再减,例如表3-1中
=11°
23′20″+360°
-298°
47′00″=72°
36′20″。
若用298°
47′00″-11°
23′20″=287°
23′40″,所得的则是∠AOB的外角。
所以测得的是哪个角度与照准部的转动方向无关,与先测哪个方向也无关,而是取决于用哪个方向的读数减去哪个方向的读数。
在下半测回时,仍要顺时针转动照准部,是为了消减度盘带动误差的影响。
二)方向观测法测水平角
当在一个测站上需观测多个方向时,宜采用这种方法,因为可以简化外业工作。
它的直接观测结果是各个方向相对于起始方向的水平角值,也称为方向值。
相邻方向的方向值之差,就是它的水平角值。
如图3-2所示,设在O点有OA、OB、OC、OD四个方向,其观测步骤为:
图3-2
(1)在O点安置仪器,对中、整平。
(2)选择一个距离适中且影像清晰的方向作为起始方向,设为OA。
(3)盘左照准A点,并安置水平度盘读数,使其稍大于0°
,用测微器读取两次读数。
(4)以顺时针方向依次照准B、C、D诸点。
最后再照准A,称为归零。
在每次照准时,都用测微器读取两次读数。
(5)倒转望远镜改为盘右,以逆时针方向依次照准A、D、C、B、A,每次照准时,也是用测微器读取两次读数。
这称为下半测回,上下两个半测回构成一个测回。
(6)如需观测多个测回时,为了消减度盘刻度不匀的误差,每个测回都要改变度盘的位置,即在照准起始方向时,改变度盘的安置读数。
为使读数在圆周及测微器上均匀分布,如用DJ2级仪器作精密测角时,则各测回起始方向的安置读数依下式计算:
式中
——总测回数;
——该测回序数。
每次读数后,应及时记入手簿。
手簿的格式见实习手簿。
数据整理:
表中4、7两栏横线上下分别为盘左、盘右时的两次测微器读数。
5、8两栏为两次读数的平均值。
第9栏为同一方向上盘左盘右读数之差,名为2c,意思是二倍的照准差,它是由于视线不垂直于横轴的误差引起的。
因为盘左、盘右照准同一目标时的读数相差180°
,所以
第10栏是盘左盘右的平均值,在取平均值时,也是盘右读数减去180°
后再与盘左读数平均。
起始方向经过了两次照准,要取两次结果的平均值作为结果。
从各个方向的盘左盘右平均值中减去起始方向两次结果的平均值,即得各个方向的方向值。
为避免错误及保证测角的精度,对各项操作都规定了限差。
方向观测法的限差
仪器
型号
光学测微器两次重合读数之差
半测回归零差
各测回同方向
值互差
各测回同一方向值互差
1″
6″
9″
3″
8″
13″
10″
18″
24″
二.竖直角观测
一)竖盘的构造
为测竖直角而设置的竖直度盘(简称竖盘)固定安置于望远镜旋转轴(横轴)的一端,其刻划中心与横轴的旋转中心重合。
所以在望远镜作竖直方向旋转时,度盘也随之转动。
另外有一个固定的竖盘指标,以指示竖盘转动在不同位置时的读数,这与水平度盘是不同的。
竖直度盘的刻划也是在全圆周上刻为360°
,但注字的方式有顺时针及逆时针两种。
通常在望远镜方向上注以0°
及180°
,如下图所示。
在视线水平时,指标所指的读数为90°
或270°
竖盘读数也是通过一系列光学组件传至读数显微镜内读取。
(a)(b)
对竖盘指标的要求,是始终能够读出与竖盘刻划中心在同一铅垂线上的竖盘读数。
为了满足这个要求,它有两种构造形式:
一种是借助于与指标固连的水准器的指示,使其处于正确位置,在早期的仪器都属此类;
另一种是借助于自动补偿器,使其在仪器整平后,自动处于正确位置。
(1)指标带水准器的构造
这种构造如下图所示。
指标装在一个支架上,支架套在横轴的一端,因而可以绕横轴旋转。
在支架上方安装一个水准器,下方安装一个微动螺旋。
旋转微动螺旋,指标可绕横轴作微小转动,同时水准器的气泡也发生移动。
当气泡居中时,指标即居于正确位置。
(2)指标带补偿器的构造
补偿器的构造有两类形式,但都是借助重力作用,以达到自动补偿而读出正确读数的目的。
一类是液体补偿器,利用液面在重力作用下自动水平,以达到补偿的目的;
另一类是利用吊丝悬挂补偿元件,在重力作用下稳定于某个位置,以达到补偿的目的。
现只对液体补偿器的补偿原理加以说明。
液体补偿器的构造原理如下图所示。
补偿原件是一个盛有透明液体的容器。
如果仪器的竖轴位于铅垂位置。
则容器内的液体表面水平,容器的底也是水平的;
液体相当于一块平面平行玻璃扳,而指标I也位于过竖盘刻划中心的铅垂线上,如下图(a),当视线水平时,则指标成像于竖盘的90°
处。
如果仪器有少许倾斜,如下图(b),则指标I偏离过竖盘刻划中心的铅垂线,液体容器的底也发生倾斜,但液体表面仍处于水平位置。
所以这时液体实际形成了一个光楔,如果视线是水平的,则指标I的成像通过光楔的折射,仍然成像于度盘的90°
处,这就达到了自动补偿的目的。
二)竖直角的观测方法
由竖直角的定义已知,它是倾斜视线与在同一铅垂面内的水平视线所夹的角度。
由于水平视线的读数是固定的,所以只要读出倾斜视线的竖盘读数,即可求算出竖直角值。
但为了消除仪器误差的影响,同样需要用盘左、盘右观测。
其具体观测步骤为:
1.在测站上安置仪器,对中,整平。
2.以盘左照准目标,如果是指标带水准器的仪器,必须用指标微动螺旋使水准器气泡居中,然后读取竖盘读数L,这称为上半测回。
3.将望远镜倒转,以盘右用同样方法照准同一目标,使指标水准器气泡居中后,读取竖盘读数R,这称为下半测回。
如果用指标带补偿器的仪器,在照准目标后即可直接读取竖盘读数。
根据需要可测多个测回。
三)竖直角的计算
竖直角的计算方法,因竖盘刻划的方式不同而异。
但现在已逐渐统一为全圆分度,顺时针增加注字,且在视线水平时的竖盘读数为90°
现以这种刻划方式的竖盘为例,说明竖直角的计算方法、如遇其他方式的刻划,可以根据同样的方法推导其计算公式。
如上图所示,当在盘左位置且视线水平时,竖盘的读数为90°
(图中(a)),如照准高处一点A(图中(b)),则视线向上倾斜,得读数L。
按前述的规定,竖直角应为“+”值,所以盘左时的竖直角应为:
当在盘右位置且视线水平时,竖盘读数为270°
(图中(c)),在照准高处的同一点A时(图中(d)),得读数R。
则竖直角应为:
取盘左、盘右的平均值,即为一个测回的竖直角值,即
如果测多个测回,则取各个测回的平均值作为最后成果。
观测结果应及时记入手簿,手簿的格式见实习手簿。
四)竖盘指标差
如果指标不位于过竖盘刻划中心的铅垂线上,则如下图所示,视线水平时的读数不是90°
,而相差x,这样用一个盘位测得的竖直角值,即含有误差x,这个误差称为竖盘指标差。
为求得正确角值
,需加入指标差改正。
即:
(3-1)
(3-2)
解上两式可得:
(3-3)
(3-4)
从(3-3)式可以看出,取盘左、盘右结果的平均值时,指标差x的影响已自然消除。
将(3-1)减去(3-2)式,可得:
(3-5)
即利用盘左、盘右照准同一目标的读数,可按上式直接求算指标差x。
如果x为正值,说明视线水平时的读数大于90°
,如果为负值,则情况相反。
以上各公式是按顺时针方向注字的竖盘推导的,同理也可推导出逆时针方向注字竖盘的计算公式。
在竖直角测量中,常常用指标差来检验观测的质量,即在观测的不同测回中或不同的目标时,指标差的较差应不超过规定的限值。
例如用DJ6级经纬仪作一般工作时,指标差的较差要求不超过25″。
此外,在单独用盘左或盘右观测竖直角时,按(3-5)或(3-6)式加入指标差x,仍可得出正确的角值。
3-5经纬仪的检验与校正
按照计量法的要求,经纬仪与其他测绘仪器一样,必须定期送法定检测机关进行检测,以评定仪器的性能和状态。
但在使用过程中,仪器状态会发生变化,因而仪器的使用者应经常利用室外方法进行检验和校正,以使仪器经常处于理想状态。
一、经纬仪应满足的主要条件
从测角原理已知:
为了能正确地测出水平角和竖直角,仪器要能够精确地安置在测站点上;
仪器竖轴能安置在铅垂位置;
视线绕横轴旋转时,能够形成一个铅垂面;
当视线水平时,竖盘读数应为90°
为满足上述要求,仪器应具备下述的理想关系:
1.照准部的水准管轴应垂直于竖轴
2.照准部管水准器应垂直于仪器竖轴
3.视准轴应垂直于横轴
4.横轴应垂直于竖轴
5.横轴应垂直于竖盘且过其中心
二、经纬仪的检验和校正方法
经纬仪检验的目的,就是检查上述的各种关系是否满足。
如果不能满足,且偏差超过允许的范围时。
则需进行校正。
检验和校正应按一定的顺序进行,确定这些顺序的原则是:
1.如果某一项不校正好,会影响其他项目的检验时,则这一项先做。
2.如果不同项目要校正同一部位,则会互相影响,在这种情况下,应将重要项目在后边检验,以保证其条件不被破坏。
3.有的项目与其他条件无关,则先后均可。
现分别说明各项检验与校正的具体方法:
(一)照准部的水准管轴垂直竖轴
检验:
先将仪器粗略整平后,使水准管平行于一对相邻的脚螺旋,并用这一对脚螺旋使水准管气泡居中,这时水准管轴
已居于水平位置。
如果两者不相垂直(如下图(a)),则竖轴
不在铅垂位置。
然后将照准部平转180°
,由于它是绕竖轴旋转的,竖轴位置不动,则水准管轴偏移水平位置,气泡也不再居中,如下图(b)。
如果两者不相垂直的偏差为
,则平转后水准管轴与水平位置的偏移量为2
校正:
校正时用脚螺旋使气泡退回原偏移量的一半,则竖轴便处于铅垂位置,如下图(c)。
再用校正装置升高或降低水准管的一端,使气泡居中,则条件满足,如下图(d)。
水准管校正装置的构造如图所示。
如果要使水准管的右端降低,则先顺时针转动下边的螺旋,再顺时针转动上边的螺旋;
反之,则先逆时针转动上边的螺旋,再逆时针转动下边的螺旋。
校正好后,应以相反的方向转动上下两个螺旋,将水准管固紧。
(二)十字丝竖丝垂直横轴
以十字丝竖丝的一端照准一个小而清晰的目标点,再用望远镜的微动螺旋使目标点移动到竖丝的另一端,如下图所示。
如果目标点到另一端时仍位于竖丝上,则理想关系满足。
否则,需要校正。
校正的部位为十字丝分划板,它位于望远镜的目镜端。
将护罩打开后,可看到四个固定分划扳的螺旋,如书图3-24所示。
稍微拧松这四个螺旋,则可将分划板转动。
待转动至满足理想关系后,再旋紧固定螺旋,并将护罩上好。
(三)视准轴垂直于横轴
检验:
选一长约100m的平坦地面,将仪器架设于中间O处,并将其整平。
如下图所示,先以盘左位置照准设于离仪器约50m的一点A。
再固定照准部,将望远镜倒转180°
,改为盘右,并在离仪器约50m于视线上标出一点B1。
如果仪器理想关系满足,则A、O、B1三点必在同一直线上。
当用同样方法以盘右照准A点,再倒转望远镜后,视线应落于B1点上。
如果第二次的视线未落于B1点,而是落于另一点B2,即说明理想关系不满足,需要进行校正。
由上图可以看出,如果视线与横轴不相垂直,而有一偏差角c,则∠B1OB2=4c。
将B1B2距离分为四等份,取靠近B2点的等分点B,则可近似地认为∠BOB2=c。
在照准部不动的条件下,将视线从OB2,校正到OB,则理想关系可得到满足。
由于视线是由物镜光心和十字丝交点构成的,所以校正的部位仍为十字丝分划板。
在书图3-24中,校正分划板左右两个校正螺旋,则可使视线左右摆动。
旋转校正螺旋时,可先松一个,再紧另一个。
待校正至正确位置后,应将两个螺旋旋紧,以防松动。
(四)横轴垂直于竖轴
在竖轴位于铅垂的条件下,如果横轴不与竖轴垂直,则横轴倾斜。
如果视线已垂直横轴,则绕横轴旋转时构成的是一个倾斜平面。
根据这一特点,在作这项检验时,应将仪器架设在一个高的建筑物附近。
当仪器整平以后,在望远镜倾斜约30°
左右的高处,以盘左照准一清晰的目标点A,然后将望远镜放平,在视线上标出墙上的一点B,如下图(a)所示。
再将望远镜改为盘右,仍然照准A点,并放平视线,在墙上标出一点C,如下图(b)。
如果仪器理想关系满足,则B、C两点重合。
否则,说明这一理想关系不满足,需要校正。
(a)(b)(c)(d)
由于盘左盘右倾斜的方向相反而大小相等,所以取B、C的中点M,则A、M在同一铅垂面内。
然后照准M点,将望远镜抬高,则视线必然偏离A点,而落在
处,如上图(c)所示。
在保持仪器不动的条件下,校正横轴的一端,使视线落在A上,如上图(d),则完成校正工作。
在校正横轴时,需将支架的护罩打开。
其内部的校正装置是一个偏心轴承,当松开三个轴承固定螺旋后,轴承可作微小转动,以迫使横轴端点上下移动。
待校正好后,要将固定螺旋旋紧,并上好护罩。
由于这项校正需打开支架护罩,一般不宜在野外进行。
(五)竖盘指标差的检验校正
检验竖盘指标差的方法,是用盘左、盘右照准同一目标,并读得其读数L和R后,按公式计算其指标差值。
当指标差的绝对值大于1′时,则应进行校正。
A.竖盘指标水准管装置的经纬仪。
保持盘右照准原来的目标不变,这时的正确读数应为R-x。
用指标水准管微动螺旋将竖盘读数安置在R-x的位置上,这时水准管气泡必不再居中,调节指标水准管校正螺旋,使气泡居中即可。
上述的每一项校正,一般都需反复进行几次,直至其误差在容许的范围以内。
B.竖盘指标自动归零装置的经纬仪,对于这种经纬仪一般交由专业维修人员进行维修。
(六)光学对中器的视线与竖轴旋转中心线重合
如果这一理想关系满足,光学对中器的望远镜绕仪器竖轴旋转时,视线在地面上照准的位置不变。
否则,视线在地面上照准的轨迹为一个圆圈。
由于光学对中器的构造有在照准部上和基座上两种,所以检验的方法也不同。
对于安装在照准部上的光学对中器,将仪器架好后,在地面上铺以白纸,在纸上标出视线的位置,然后将照准部平转180°
,如果视线仍在原来的位置,则理想关系满足。
对于安装在基座上的光学对中器,由于它不能随照准部旋转,不能采用上述的方法。
可将仪器平置于稳固的桌子上,使基座伸出桌面。
在离仪器1.3m左右的墙面上铺以白纸,在纸上标出视线的位置,然后在仪器不动的条件下将基座旋转180°
,如果视线偏离原来的位置,则需校正。
校正:
造成光学对中器误差的原因有二:
一是在直角棱镜上视线的折射点不在竖轴的旋转中心线上;
一是望远镜的视线不与竖轴的旋转中心线垂直,或者直角棱镜的斜面与竖轴的旋转中心线不成45°
由于前一种原因影响极小,所以都校正后者。
不同厂家生产的仪器,可校正的部位也不同。
有的是校正对中器的望远镜分划板,如北光的DJ2E;
有的则是校正直角棱镜,如上三光的DJK-6即是。
由于检验时所得前后两点之差是由二倍误差造成的,因而在标出两点的中间位置后,校正有关的螺旋,使视线落在中间点上即可。
对中器分划板的校正与望远镜分划板的校正方法相同。
直角棱镜的校正装置位于两支架的中间,图3-33为上三光DJK-6校正装置的示意图。
调节螺旋1,则视线前后移动,调节螺旋2、3,则视线左右移动。
3-6角度测量的误差分析
在角度测量中,由于多种原因会使测量的结果含有误差。
研究这些误差产生的原因、性质和大小,以便设法减少其对成果的影响。
同时也有助于预估影响的大小,从而判断成果的可靠性。
影响测角误差的因素有三类:
即仪器误差、观测误差、外界条件的影响。
一、仪器误差
仪器虽经过检验及校正,但总会有残余的误差存在。
仪器误差的影响,一般都是系统性的,可以在工作中通过一定的方法予以消除或减小。
主要的仪器误差有:
水准管轴不垂直于竖轴,视线不垂直横轴、横轴下垂直竖轴、照准部偏心,光学对中器视线不与竖轴旋转中心线重合及竖盘的指标差等。
(一)水准管轴不垂直竖轴
这项误差影响仪器的整平,即竖轴不能严格铅垂,横轴也不水平。
但安置好仪器后,它的倾斜方向是固定不变的,不能用盘左盘右