任务11经纬仪构造及使用教学教案汇总.docx
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任务11经纬仪构造及使用教学教案汇总
《高速铁路施工测量》
教案
课程名称
高速铁路施工测量
项目1
角度测量
任务1-1
经纬仪的操作
授课班级
任课教师
系别
学校名称
授课课程：
高速铁路施工测量授课教师：
项目
项目1：
角度测量
任务1-1
经纬仪的操作
授课班级
授课时间
2h
授课类型
理实一体课
周次学时
6h
教学目的
通过实践教学使学生熟悉经纬仪的构成与功能，能熟练操作经纬仪。
教学
重点和难点
角度测量的原理方法。
经纬仪操作
教具及教材（参考书）
DJ6经纬仪6套，DJ2经纬仪6套；
《工程测量概论》西安地图出版社李孟山主编；
《工程测量规范》；
《测量基础》中国铁道出版社张晓雅李笑娜主编
《铁路工程测量规范》TB10101-2009J961-2009中国铁道出版社出版。
教学方法
项目教学法
教学手段
教学做一体
教学
主要内容
1.经纬仪的构造
2.角度测量得原理，
3.经纬仪使用
教学过程设计
工作任务
任务1-1经纬仪的操作
工作
过程
时间
工作任务
教学组织
媒介
教师
学生
构思
构思
课内1.5h,
课外2h
熟悉经纬仪的功能和结构
1.结合班级学生学习状况，划分任务学习小组（建议6人一组），设组长一名；
2.下达学习任务内容（课外15m）；
3.给学生下发知识关键点，使学生通过网络、讲义、视频、动画等形式的学习，对关键知识点初步了解（课外1.5h）；
4.每个小组简要汇报对知识点了解情况（课内：
10m）；
5．结合小组汇报情况，主要讲解如下知识点（课内60m）：
①角度的概念（课内5m）
②经纬仪分类（课内5m）；
③光学经纬仪的构造及使用;（课内20m）
④经纬仪的基本操作；（课内30m）
6.学生思考、讨论经纬仪各构成部分的功能和原理，经纬仪安置的程序（课内20m）。
①经纬仪各构成部分的功能和原理（课内5m）
②经纬仪操作的程序（课内5m）
③经纬仪的瞄准及读数。
（课内5m）
6.通过提问、测验评价学生学习效果（课内5m）。
1.组长召集小组成员，布置小组分工；
2.课前以小组为单位，通过网络、讲义、动画、教材、思考、讨论、督促、预习如下内容：
①水平角竖直角的概念；
②经纬仪的构成；
③经纬仪测角的原理；
④经纬仪使用的步骤；
⑤经纬仪安置的步骤；
⑥经纬仪使用注意事项
3.小组组长汇报对知识关键点学习情况；
4.结合经纬仪构造及使用的任务,通过教师讲解、答疑、讨论达到如下要求：
①经纬仪测量水平和数值角度的原理；
②经纬仪读数的原理；
③经纬仪对中的原理；
④经纬仪读数的方法；
⑤学会安置经纬仪并读取水平角度；
案例、规范、讲义、PPT
设计
与
实施
课内0.5h
课外4h
学会安置经纬仪
1.以小组为单位动手安置经纬仪；
2.回答学生在设计中遇到的技术问题；
3.点评学生学习小组仪器操作中的问题；
4.纠正学生在实施过程中的不当之处；
1.以小组为单位，在老师的指导下，学习经纬仪操作及使用
2.结合经纬操作与使用视频、学习讲义——实施每小组按照如下三阶段进行：
①第一阶段
以小组为单位熟悉经纬仪的构成；
②第二阶段
以组为单位，按照对中、整平－瞄准－读数的顺序操作经纬仪；
③第三阶段
查找操作过程中的问题，提高经纬仪操作速度。
案例、规范
评价
课内
0h
课外
2h
评价以学生为主体，以测量成果是否符合测量规范要求为依据，兼顾学生在项目实施过程中的表现、知识掌握的程度及在小组中所起的作用综合评定。
具体分值如下：
成果评定
根据外业观测记录，内业处理结果、复测报告等成果进行成绩评定，占60％。
学生自评
学生根据自己掌握的知识情况进行自评；占10%。
小组互评
小组内查阅资料、讨论、实习积极性、对小组贡献等情况，占20%。
教师评价
根据考勤、回答问题的积极性、实施项目教学的态度等进行评价，占10%。
教案正文
第一讲经纬仪构造与使用
备注
1．角度的概念
测量中使用的角度分为水平角和竖直角。
测量水平角的目的是确定点的平面位置，测量竖直角的目的是确定点的高程位置。
（1）水平角
定义：
地面上某点到两目标方向在水平面上垂直投影的夹角。
或由地面上一点发出的两方向线所在竖直平面间的二面角，称为水平角，用“β”表示。
如图2-1-1所示，A点到B、C两目标点的方向线AB和AC在某水平面H上的垂直投影AB和AC所夹角∠BAC即为水平角β。
角值范围:
0°～360°
作用:
确定点的平面位置。
水平角测量原理：
假设在过拟测角的顶点A的铅垂线上一合适位置O设置一水平的、且按顺时针0°～360°分划的刻度圆盘，使刻度盘圆心正好位于过A点的铅垂线上，如图2-1-1所示，设A点到B、C目标方向线在水平刻度盘上的投影读数分别为b和c，则水平角β=c-b，即：
右目标读数减左目标读数。
仪器若能观测水平角需具备以下条件：
1）须有一刻度盘及在刻度盘上的读数指标。
2）观测水平角时，刻度盘中心应安放在过测站点的铅垂线并能使之水平。
3）为了瞄准不同方向，应具备望远镜，且能沿水平方向转动，也应能高低俯仰。
4）当望远镜高低俯仰时，其视准轴应划出一竖直面，这样才能使得在同一竖直面内高低不同的目标有相同的水平度盘读数。
5）具有一个读数设备。
（2）竖直角
图2-1-3竖直角与天顶距
图2-1-2竖直角观测原理
定义：
在同一铅垂面内，观测方向线与水平线之间的夹角，称为竖直角，用“”表示。
如图2-1-2所示，BA、BC方向线的竖直角分别为A、C。
竖直角由水平线起算，视线在水平线之上为正，称为仰角（A＞0）；反之为负，称为俯角（C<0）。
角值范围:
-90°～90°
作用:
确定高差或把斜距改化为水平距离。
天顶距：
视线与铅垂线的夹角。
如图2-1-3中的ZA、ZB
天顶距与竖直角的关系:
ZA+A=90°
竖直角测量原理：
如图2-1-2所示，为了观测竖直角，需要在BA（或BC）铅垂面内放置一个竖直度盘，也使点B与刻度盘中心重合，则BA（或BC）和铅垂面内BA（或BC）的水平线在竖直度盘上的读数之差即为BA（或BC）的竖直角A、C。
。
仪器若能观测竖直角还需具备以下条件：
1）仪器须在铅垂面内安置一个有圆盘，称为竖直度盘或竖盘。
2）竖直角也是两个方向在度盘上的读数之差，与水平角不同的是，其中有一个是水平方向。
3）经纬仪设计时，一般使视线水平时的竖盘读数为0°或90°的倍数，这样，测量竖直角时，只要瞄准目标，读出竖盘读数并减去仪器视线水平时的竖盘读数就可以计算出视线方向的竖直角。
2．光学经纬仪的构造与读数
（1）光学经纬仪的分类
工程上常用的经纬仪依据读数方式的不同可分为两种类型：
通过光学度盘的放大来进行读数的，称为光学经纬仪；采用电子技术来读数的，称为电子经纬仪。
按精度分为：
DJ01、DJ02、DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ30，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，01、02、07、1、2、6、30分别为该仪器一测回方向观测中误差的秒数。
如DJ6表示一测回方向值的中误差为±6。
（2）DJ6光学经纬仪
1）DJ6光学经纬仪的构造
一般将光学经纬仪分解为基座、水平度盘和照准部三部分，如图2-1-4。
图2-1-5为DJ6型光学经纬仪的构造示意图。
据各部件的作用，可将其划分为以下三个部分：
对中整平装置、照准装置、读数装置。
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-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
图2-1-5DJ6型光学经纬仪构造
2）DJ6光学经纬仪的读数系统
分微尺测微器读数方法
分微尺法也称带尺显微镜法，多用于DJ6级仪器，读数窗口见图2-1-6。
DJ6型光学经纬仪的度盘分划值为1。
读数窗上的分微尺：
将度盘1间隔分成60个小格，成像后度盘的最小间隔1正好与分微尺60格的全长相等。
分微尺的最小读数为1，可估度到0.1格值=0.1=6。
视窗内注记有“水平”（有些仪器为“Hz”或“—”）字样窗口的像是水平度盘分划线及其测微尺的像；注记有“竖直”（有些仪器为“V”或“⊥”）字样窗口的像是竖直度盘分划线及其测微尺的像。
单平板玻璃测微器法
这种测微方法也是用于DJ6级经纬仪。
水平度盘读数54150竖直度盘读数921734
图2-1-7单平板玻璃测微器读数窗口
装有单平板玻璃测微器的经纬仪，在读数显微镜中能同时看到如图2-1-7所示的三个读数窗口，上窗为测微尺分划影像，中间的单丝为读数指标线；中窗为竖盘分划影像；下窗为水平度盘分划影像。
中下窗都夹有度盘分划线的双丝，为读数指标线。
度盘分划值为30′，测微尺上分为30大格。
测微轮旋转一周，测微尺由0移到30，度盘分划刚好移动30′，所以测微尺上每大格1′，每5′注字，每大格由分为3小格，每小格20，可以估读到2。
读数时，转动测微手轮，使读盘某一分划精确夹在双指标线中间，先读取该分划线的读数，再在测微尺上根据单指标线读取小于30′的分、秒数，两读数相加既得度盘读数。
（3）DJ2型光学经纬仪
DJ2型光学经纬仪同样分为基座、水平度盘和照准部三部分，如图2-1-8为DJ2型光学经纬仪的构造示意图。
下面着重介绍它和DJ6级光学经纬仪的不同之处。
1）水平度盘变换手轮
水平度盘变换手轮的作用是变换水平度盘的初始位置。
水平角观测中，根据测角需要，对起始方向观测时，可先拨开手轮的护盖，再转动该手轮，把水平度盘的读数值配置为所规定的读数。
2）换像手轮
在读数显微镜内一次只能看到水平度盘或竖直度盘的影像，若要读取水平度盘读数时，要转动换像手轮11，使轮上指标红线成水平状态，并打开水平度盘照明镜14，此时显微镜呈水平度盘的影像。
若打开竖直度盘照明镜15时，转动换像手轮，使轮上指标线竖直时，则可看到竖盘影像。
3）测微手轮
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-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
图2-1-8DJ2型光学经纬仪构造
测微手轮是DJ2级光学经纬仪的读数装置。
对于DJ2级经纬仪，其水平度盘（或竖直度盘）的刻划形式是把每度分划线间又等分刻成三格，格值等于20′。
通过光学系统，将度盘直径两端分划的影像同时反映到同一平面上，并被一横线分成正、倒像，一般正字注记为正像，倒字注记为倒像。
图2-1-9为读数窗示意图，测微尺上刻有600格，其分划影像见图中小窗。
当转动测微手轮使分微尺由零分划移动到600分划时，度盘正、倒对径分划影像等量相对移动一格，故测微尺上600格相应的角值为10′，一格的格值等于1″。
因此，用测微尺可以直接测定1″的读数，从而起到了测微作用。
图3-9中的读数值为30°20′+8′00″=30°28′00″。
a读数前视窗b读数时视窗
图2-1-9DJ2光学经纬仪的读数窗口
具体读数方法如下；
转动测微手轮，使度盘正、倒像分划线精密重合。
由靠近视场中央读出上排正像左边分划线的度数，即30°。
数出上排的正像30°与下排倒像210°之间的格数再乘以10′，就是整十分的数值，即20′。
在旁边小窗中读出小于10′的分、秒数。
测微尺分划影像左侧的注记数字是分数，右侧的注记数字1、2、3、4、5是秒的十位数，即分别为10″、20″、30″、40″、50″。
将以上数值相加就得到整个读数。
故其读数为：
度盘上的度数30°
度盘上整十分数20′
测微尺上分、秒数8′00″
全部读数为30°28′00″
近年来，为使读数更为方便和不易出错，均采用光学数字化的方法。
如图2-1-10所示，读数显微镜中有三个窗口：
对径线窗口：
显示可以相向错动的一组单（或双）短线影像表示度盘对径分划线的成像（无注记），当对径线符合（上下线对齐）时，可以读出该方向的正确读数；度盘注记窗口：
显示度盘读数及整10数；测微尺窗口：
显示10以下的分秒数，测微尺最小分划为1，每隔10有一注记，全程0～10。
图2-1-10双平板玻璃法读数显微镜成像
读数方法：
精确瞄准目标后，首先转动测微轮，使对径线符合（上下短线对齐），依次读取度盘注记窗口中的度数、整10数及测微尺窗口中10以下的分秒细数，然后三者相加即是。
图2-1-9中所示读数为：
度盘上度数：
190（注：
度数均为3位数字，仅完整出现时方可读之）
度盘上整10数（5×10）50（该处数字为0、1、2、3、4或5）
测微尺分秒细数930.5（估读到0.1）
全读数1905930.5
3．经纬仪的使用
测量角度时，需将经纬仪安置在拟测角的顶点（也称测站）上，在目标点上设置观测目标，然后再瞄准目标并读数。
所以一个测站上经纬仪的操作步骤为：
安置————瞄准————读数
（1）经纬仪的安置
经纬仪的安置包括对中和整平。
对中的目的就是使仪器中心与拟测角顶点位于同一铅垂线方向上；整平的目的就是使水平度盘处于水平位置，仪器竖轴处于铅垂位置。
1）安置三角架
主要包括三角架，基座，连接螺旋。
操作：
伸开三角架于测站点上方，将仪器置于三角架头中央位置，一手握住仪器，另一手将三角架中心连接螺旋旋入仪器基座中心螺孔中并固紧。
安置中注意三点：
安置时保证三角架架头尽可能水平、仪器中心尽可能地处于测站点正上方；
将三角架的各关节螺旋适度拧紧，以防观测过程中仪器倾落；
较大坡度处安置仪器时宜将三角架的两条腿置于下坡方向。
目的：
使仪器大致架设在测站点的正上方，仪器高度适中，架头水平。
2）对中
主要包括垂球或光学对中器
操作1：
利用架腿，强制对中：
先放下三脚架的一条架腿；双手分别握住另两条架腿稍离地面前后左右摆动（注意架头要平），眼睛同时观察对中器的目镜，直至分划圈中心对准测站点标志为止，放下两架腿并踩实三个架腿。
操作2：
利用脚螺旋强制对中：
此法适合于松软地面或仪器安置比较困难的测站。
先目估三脚架中心大致对准测站点，踩紧三条架腿；调节经纬仪的三个脚螺旋使对中器分划圈中心对准测站点标志。
目的：
使仪器中心位于过测站点的铅垂线上；
说明：
垂球法（对中误差一般可小于3mm）
垂球悬挂于中心连结螺旋上，当垂球尖对准测站点标志时说明两者重合。
光学对中器法（对中误差一般不大于1mm）
光学对中器有的装在照准部上，有的装在基座上。
当照准部水准管气泡居中时，对中器的视线经棱镜折射后的一段成铅垂方向，且应与竖轴中心线重合，
当地面标志中心与光学对中器分化板十字中心重合时，说明仪器中心（水平度盘中心）已位于测站点的铅垂线上
光学对中器的使用:
A.旋转镜筒，目镜调焦，看清对中器分划线；
B.拉伸镜筒，物镜调焦，看清地面测站点标志；
C.要使对中器分划和测站标志周围同时清晰。
3）整平
主要包括三角架、圆水准器、管水准器、脚螺旋。
操作：
粗平仪器：
分别升降两架腿使圆水准气泡居中。
精平仪器：
先平行，使水准管与两脚螺旋的连线平行，以相反的方向旋转两脚螺旋使管水准器气泡居中。
后垂直，将照准部旋转90，转动第三个脚螺旋，使气泡居中。
按上述方法反复进行，直至仪器旋转到任何位置时，水准管气泡都居中为止。
目的：
使水平度盘水平、竖轴铅垂。
4）精确对中，再次整平
主要包括管水准器、脚螺旋、连接螺旋、基座、垂球或光学对中器。
操作：
精确对中：
检查对中器，若分划圈中心偏离测站点标志，则稍松中心连接螺旋，再前后左右平行移动基座，使之精确对中。
再次精确整平：
重复精确整平步骤，直至仪器既对中且管水准气泡在任何方向也居中为止。
重复上面步骤
与
，对中、整平要相互兼顾，多次反复，方能完成。
目的：
仪器安置于测站点上，仪器的竖轴与测站点在同一铅垂线上，水平度盘水平，竖直度盘竖直。
说明：
对于光学对中器，由于整平会影响到对中器的轴线位置变化，故对中、整平须交互进行，且反复几次；对于垂球对中则可先对中后粗平、精平。
整平时气泡移动方向和左手大拇指运动方向一致，管水准器与两个脚螺旋连线平行时，可用两手同时相向转动这对脚螺旋，使气泡较快居中。
在反复对中、整平过程中，每次的调节量逐渐减小，故调节时要注意适度。
在一个测站上，对中、整平完毕后，测角过程中不再调节脚螺旋的位置。
若发现气泡偏离超过允许值，则须废除之前该测站上的所有观测数据，重新对中、整平，重新开始观测。
测角状态时，注意要将复测扳手拨上或度盘变换手轮推出。
（2）目标设置及瞄准
1）设置目标
测角时，一般应在目标点上设置照准标志。
距离较近时，直接瞄准目标点或垂球线，也可竖立测钎；距离较远时，可垂直竖立标杆或觇标，见图2-1-13。
2）瞄准目标
主要包括照准部和望远镜制动制螺旋、照准部和望远镜微动螺旋、物镜、物镜调焦螺旋、目镜、目镜调焦螺旋、光学瞄准器。
图2-1-13观测标志
操作：
图2-1-14十字丝分划板
松开照准部和望远镜制动螺旋（或扳手）；
目镜对光——将望远镜瞄准远处天空，转动目镜环，直至十字丝分划最清晰；
粗略瞄准——转动照准部，用望远镜粗瞄器瞄准目标，然后固定照准部；
物镜对光——转动望远镜调焦环，进行望远镜调焦（对光），使望远镜十字丝及目标成像最清晰。
精确瞄准——用照准部和望远镜微动螺旋精确瞄准目标。
消除视差——眼睛微微上下移动，检查有无视差，若有，转动物镜、目镜对光螺旋予以消除。
观测水平角时用竖丝；观测竖直角时用中丝。
应该注意的是，在精确瞄准目标时要求目标像与十字丝靠近中心部分相符合，实际操作时应根据目标像大小的不同，或用单丝切准目标，或用双丝夹中目标。
目镜端的十字丝分划板刻划方式如图2-1-14所示。
（3）读数
主要包括水平度盘、水平度盘配盘装置、竖直度盘、光路系统、读数显微镜、水平度盘变换螺旋与保护卡、测微轮、水平度盘与竖直度盘换像手轮。
1）调节反光镜使读数显微镜亮度适当；
2）旋转读数显微镜的目镜，使度盘的刻划或成像清晰；
3）根据仪器相应的读数规则，读取水平度盘或竖直度盘的读数。
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