光學經(jīng)緯儀構(gòu)造及使用方法.doc

3.2 精密光學經(jīng)緯儀的構(gòu)造及使用方法控制測量中，需用經(jīng)緯儀進行大量的水平角和垂直角觀測。使用經(jīng)緯儀進行角度觀測，最重要的環(huán)節(jié)是：儀器整平、照準和讀數(shù)。我們圍繞這三個環(huán)節(jié)，對光學經(jīng)緯儀的構(gòu)造和使用方法作如下介紹。 3.2.1 水準器圖3-3 水準軸與水準器軸 由前節(jié)可知，測角時必須使經(jīng)緯儀的垂直軸與測站鉛垂線一致。這樣，在儀器結(jié)構(gòu)正確的條件下，才能正確測定所需的角度。要滿足這一要求，必須借助于安裝在儀器照準部上的水準器，即照準部水準器。照準部水準器一般采用管狀水準器。管水準器是用質(zhì)量較好的玻璃管制成，將玻璃管的內(nèi)壁打磨成光滑的曲面，管內(nèi)注入冰點低，流動性強，附著力較小的液體，并留有空隙形成氣泡，將管兩端封閉，就成為帶有氣泡的水準器，如圖3-3所示。1. 水準軸與水準器軸 為了便于觀察水準器的傾斜量，在水準管的外壁上刻有若干個分劃，分劃間隔一般為2mm，其中間點稱為零點。 水準器安置在一個金屬框架內(nèi)，并安裝在經(jīng)緯儀照準部支架上，所以把這種管狀水準器稱為照準部水準器。照準部水準器框架的一端有水準器校正螺旋，通過校正螺旋，使照準部水準器的水準器軸與儀器垂直軸正交。 所謂水準器軸，就是過水準器零點O，水準管內(nèi)壁圓弧的切線，如圖3-3所示。另外，由于水準管內(nèi)的液體比空氣重，當液體靜止時，管內(nèi)氣泡永遠居于管內(nèi)最高位置，如圖3-3中的位置。顯然，過作圓弧的切線，此切線總是水平的，我們稱此切線為水準軸由此可知，使其水準軸與水準器軸相重合，即氣泡最高點與水準器分劃中心O重合，這時經(jīng)緯儀的垂直軸與測站鉛垂線重合，這個過程稱為整置儀器水平。 2. 水準器格值 我們知道，當水準器傾斜時，水準管內(nèi)的氣泡便會隨之移動。不同的水準器，雖然傾斜的角度完全相同，各自的氣泡移動量不會完全相同。這是因為不同的水準器，它們的靈敏度不同。靈敏度以水準器格值表示。所謂水準器格值，就是當水準氣泡移動一格時，水準器軸所變動的角度，也就是水準管上的一格所對應的圓心角。如前所述，水準管的內(nèi)壁是一圓弧，圓弧的曲率半徑愈大，水準管上一格所對應的圓心角愈小，即水準器格值愈小，水準器的靈敏度就愈高。如圖3-4，設(shè)氣泡在水準管內(nèi)移動一個格O，O所對應的圓心角為。若圓弧的半徑為R，則為常量206 265) 。 圖3-4水準器格值由于水準器軸與儀器的垂直軸正交，若氣泡偏離水準器分劃零點n個格，當水準器格值已知時，就可以按下式計算出儀器垂直軸傾斜的角度V： （3-2）即垂直軸傾斜角度等于氣泡偏離水準器零點的格數(shù)乘以水準器格值。3.2.2 望遠鏡 如前所述，望遠鏡構(gòu)成視準軸，在照準目標時形成視準線，以便精確地照準目標。也就是說，望遠鏡的作用有二：一是將不同距離的遠方目標，通過成像，放大視角，以便更清晰地看到目標；二是用望遠鏡的視準軸精確照準目標，以確定目標的視準線方向。望遠鏡由物鏡和目鏡組成，來自目標的光線經(jīng)過透鏡折射成像，如圖3-5所示，目標AB經(jīng)物鏡成像，然后再經(jīng)目鏡成為放大的倒像。圖3-5 望遠鏡成像原理另外，為了能夠照準目標，在望遠鏡內(nèi)安裝十字絲網(wǎng)，十字絲網(wǎng)的形狀如圖36所示。十字絲的豎絲應垂直，橫絲應水平。觀測水平角時，當目標恰被夾在豎絲中，就算照準了目標。這是測量望遠鏡與一般望遠鏡的區(qū)別。圖3-6 望遠鏡十字絲網(wǎng) 十字絲的中心與物鏡光心的連線稱為視準軸。所謂照準，就是使視準軸指向目標，即視準軸與目標在一條直線上。為了能夠正確照準目標，要求目標成像恰好落在十字絲網(wǎng)面上。這樣在照準時，觀測者的眼睛稍微左右移動時，目標與十字絲網(wǎng)的相對位置才不會改變。否則，就會因觀測者眼睛位置不同而產(chǎn)生照準誤差，稱為視差。 為了使目標恰好落在十字絲面上，消除視差，在望遠鏡的物鏡與目鏡之間，安裝一個調(diào)焦透鏡。調(diào)焦透鏡可以前后移動，從而改變目標像AB 的位置。這樣，不同的視力，先調(diào)整目鏡，使十字絲清晰，再調(diào)整調(diào)焦透鏡，使目標像清晰(即目標像落在十字絲網(wǎng)面上)，則視差被消除。 綜上所述，望遠鏡由物鏡、目鏡、十字絲網(wǎng)和調(diào)焦透鏡四部分組成。物鏡和目鏡起放大目標像的作用，十字絲與物鏡光心構(gòu)成視準軸供照準目標用；調(diào)焦透鏡用來調(diào)整目標像的位置，起消除視差的作用。其結(jié)構(gòu)如圖3-7。圖3-7 望遠鏡結(jié)構(gòu)示意圖 3.2.3 水平度盤和測微器 經(jīng)緯儀的水平度盤和測微器是用以量度水平角的重要部件，它們二者之間以一定的關(guān)系結(jié)合起來，就能讀出照準目標后的水平角或水平方向值。 1. 水平度盤 光學經(jīng)緯儀的水平度盤都是用玻璃制成的，安置在儀器基座的垂直軸套上，當儀器照準部轉(zhuǎn)動時，要求水平度盤不得轉(zhuǎn)動和移動。 在水平度盤圓周邊上精細地刻有等間隔分劃線，全周刻360度，每度一標記，按順時針方向增值，每度間隔內(nèi)再等間隔刻有若干個小分劃，相鄰小分劃的間隔值就是該水平度盤的最小分格值。如威特T3經(jīng)緯儀，在每度間隔內(nèi)刻有十五個分格，顯然，每個分格值為。 由于水平度盤的周長有限，所以度盤的分格很小，只有借助顯微鏡才能看清分劃線。即使這樣，也只能估讀到110格，這遠不能滿足精確測角的要求。因此，需要安置顯微測微器，以精確量取不足一格之值。 2. 光學測微器及測微原理圖3-8 反射式度盤成像光路 為了便于理解光學測微器的測微原理，下面首先介紹顯微鏡的成像光路。 （1）度盤成像光路 目前光學經(jīng)緯儀的度盤成像光路可分為兩類：第一類，光線能透過度盤，稱為透射式度盤，以蔡司010經(jīng)緯儀為代表；另一類在度盤分劃面上鍍一層銀，光線射到度盤分劃面上，照亮分劃面后又被反射回來，稱為反射式度盤，此類經(jīng)緯儀以威特經(jīng)緯儀為代表。 1）反射式度盤成像光路 圖3-8為反射式度盤成像光路。它與普通顯微鏡的共同之處在于：都有物鏡和目鏡。但是，它的作用是精確測定不足一個分格的微小量，因此其結(jié)構(gòu)有如下特性： 第一，為了使度盤對徑兩端的分劃同時成像，來自反光鏡的一束光線，在度盤下面的長棱鏡的下部被分為二束射入度盤的對徑180的兩端，照明度盤分劃線。然后，帶有度盤兩端分劃的光線又由長棱鏡的上部各經(jīng)兩次反射，同時進入物鏡，因而，它們能同時成像于一個平面上，又能上下分開。 第二，雙菱形棱鏡的兩個上斜面，就是顯微鏡的成像面，在此上面有指標線和度盤讀數(shù)窗的框子，兩個棱鏡上斜面的交線就是目鏡中見到的度盤上、下影像之問的水平線。 第三，測微器由光路中的兩塊平行玻璃板及測微盤組成。圖3-9 透射式度盤成像光路垂直度盤的光路如圖3-8所示，不再贅述。2）透射式度盤成像光路圖3-9為透射式度盤成像光路，它的成像過程與反射式度盤成像過程大體相同。其不同點之一，度盤的照明方式不同于反射式度盤。如圖3-9，光線自反光鏡射入后，經(jīng)棱鏡折射透過度盤的左端，再由透鏡組將度盤左端的分劃成像于度盤右端分劃面上，且保持原有的分劃寬度，只是將像旋轉(zhuǎn)180。不同點之二，度盤分劃成像于直角棱鏡的垂直面上，在其上刻有度盤窗口。不同點之三，在物鏡與成像面之間放置了兩對光楔來構(gòu)成測微器。 （2）測微器的基本結(jié)構(gòu)和測微原理 由圖3-8和圖3-9可以看出，圖3-8中所示的測微器屬于雙平行玻璃板式測微器，圖3-9 中所示的測微器為雙光楔式測微器。 1）雙平行玻璃板式測微器測微原理 雙平板測微器主要由兩塊平行玻璃板、測微盤及其他部件構(gòu)成，見圖3-10。由幾何光學知：當光線通過兩個折射面互相平行的玻璃板時，方向不會產(chǎn)生變化，僅產(chǎn)生平行位移，其位移量與入射角有關(guān)。如圖3-11所示，當光線垂直于平行玻璃板的折射面(即入射角為零)入射時，并不產(chǎn)生折射、平移。當光線的入射角(即不垂直于折射面)時，出射光線方向雖然不變，但其位置卻平移了h。入射角改變時，平移量h也隨之改變。對于一定厚度的平行玻璃板，當入射角很小時，光線的平移量h與其入射角成正比，這就是平行玻璃板的特性。 對于雙平行玻璃板測微器，當將兩塊平行玻璃板相對轉(zhuǎn)動時（即一順時針轉(zhuǎn)動，另一逆 時針轉(zhuǎn)動），度盤對徑兩端分劃也就作相對移動。如果將刻有分劃的測微盤與轉(zhuǎn)動平行玻璃板的機構(gòu)連在一起，而且，當轉(zhuǎn)動平行玻璃板使度盤分劃線像相對移動一格時（即各移動半格），測微盤正好從零分劃轉(zhuǎn)動到最末一個分劃，根據(jù)這種關(guān)系，測微器就起到量度度盤上不足一格的值的作用。 2）光楔式測微器測微原理光楔式測微器主要由光楔和測微尺組成。由幾何光學知道，光楔能使光線向光楔的底面偏折，偏折角的大小與光楔的楔角成正比。 圖3-10 雙平行玻璃板測微器 圖3-11 平行玻璃板行傾斜使光線平移 在測微器中，把楔角相等的兩個光楔安置成圖3-12的形式，使平面平行于平面，且互相倒置，與光線正交。因為它們的楔角相等且又互相倒置，A光楔使光線偏折向下，B光楔又使光線向上偏折同一量。這樣，光線就被平移。如果A光楔固定不動，而把B光楔沿光軸前后移動，則光線的平移量h隨兩光楔之間的距離增大而增大。當兩光楔貼合在一起時，它就成了一塊平行玻璃板，對垂直于入射面入射的光線不產(chǎn)生移動。這就說明在一定條件下雙光楔可以起到平行玻璃板的作用。但是，兩種光學零件的運動方式卻不同。平行玻璃板是由于其傾斜使光線產(chǎn)生平移，雙光楔則是由于其中一個光楔的直線運動產(chǎn)生平移。圖3-12 雙光楔對光線的平移圖3-13 光楔式測微器測微原理 如圖3-13所示，將兩組光楔分別安置在度盤對徑分劃的光路中，下面一塊K1為固定光楔，上面一塊K2為活動光楔。這樣，沿直線移動活動光楔，便可使度盤對徑兩端的分劃光線作相向或相背移動。把活動光楔與測微尺L固定在一起，裝在一齒條上，用測微螺旋上的齒輪帶動它，轉(zhuǎn)動測微螺旋時，活動光楔。與測微尺便一起運動，度盤對徑兩端分劃光線相對移動一格，測微尺相應從零分劃移至末端的最后一個分劃。這樣，測微尺就可量度出度盤上不足一格的值來。 3. 讀數(shù)方法如前所述，使用經(jīng)緯儀進行角度測量，讀數(shù)是三個環(huán)節(jié)之一，又由測微器和度盤的作用可知，經(jīng)緯儀照準目標之后，其讀數(shù)就是度盤讀數(shù)和測微器讀數(shù)之和。那么，只要會讀取度盤讀數(shù)和測微器讀數(shù)，經(jīng)緯儀的讀數(shù)方法即被掌握。 由光學經(jīng)緯儀光路和測微器結(jié)構(gòu)原理可知，現(xiàn)代精密光學經(jīng)緯儀一般都采用對徑分劃同時成像，通過測微器使度盤對徑分劃線作相向移動并作精確重合，用測微盤量取對徑分劃像的相對移動量，這種讀數(shù)方法叫做重合讀數(shù)法。 重合讀數(shù)法的基本方法步驟是：（1）先從讀數(shù)窗中了解度盤和測微盤的刻度與注記，確定度盤的最小格值。 度盤對徑最小分格值 測微盤的格值 （2）轉(zhuǎn)動測微螺旋，使度盤正倒像分劃線精確重合。讀取靠近度盤指標線左側(cè)正像分劃線的度數(shù)。 （3）讀取正像分劃線到其右側(cè)對徑的倒像分劃線(即)之間的分格數(shù)n。 （4）讀取測微盤上的讀數(shù)c，c等于測微盤零分劃線到測微盤指標線的總格數(shù)乘測微盤格值T。 綜上所述，可得如下的讀數(shù)公式： 綜合讀數(shù)公式，舉例進一步說明讀數(shù)方法：第一，威特T3經(jīng)緯儀水平度盤讀數(shù)方法，見圖3-14。圖3-14 威特T3經(jīng)緯儀水平度盤讀數(shù)第二，威特T2讀數(shù)、蔡司010經(jīng)緯儀水平度盤讀數(shù)方法，見圖3-15。圖3-15 威特T2、蔡司010經(jīng)緯儀水平度盤讀數(shù)圖3-16 新威特T2讀數(shù)窗 另外，有些類型的經(jīng)緯儀，雖然仍采用重合法讀數(shù)，但讀數(shù)窗中視場有所更新。圖3-16就是新威特T2經(jīng)緯儀度盤讀數(shù)窗的視場。一看便知，讀數(shù)應為94124。3.2.4 垂直度盤與垂直角 由3.1可知，垂直角是照準目標的視準線與相應的水平視線的夾角。為此，要測定垂直角，需要解決兩個問題：一要求出視準線在垂直度盤上的讀數(shù)；二要求出相應的水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)。垂直角的計算式可寫成：=視準線在垂直度盤上的讀數(shù)-水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)為了得到視準線在垂直度盤上的讀數(shù)，在設(shè)計經(jīng)緯儀時，將望遠鏡、垂直度盤均固定在水平軸上，并使水平軸與垂直度盤正交且通過其中心。這樣，視準線在垂直度盤上的讀數(shù)為一已知的定數(shù)；為了得到水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)，在垂直度盤上安置一個讀數(shù)指標。用讀數(shù)指標把水平視線在垂直度盤上的位置標示出來。這時，讀數(shù)指標在垂直度盤上的讀數(shù)就是水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)。由此可見，當俯仰望遠鏡照準目標后，其視準線在垂直度盤上的讀數(shù)與其水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)之差，就是要測定的垂直角。這就是利用垂直度盤測定垂直角的基本原理。 由于垂直度盤、望遠鏡均固定在水平軸上，當垂直度盤的刻度確定之后，不論望遠鏡如何俯仰，照準目標后視準線在垂直度盤上的讀數(shù)都是固定不變的。也就是說，視準線在垂直度盤上的讀數(shù)取決于垂直度盤的刻劃方法。 1. 垂直度盤刻劃 垂直度盤的刻劃方法隨經(jīng)緯儀類型不同而不同，刻劃方法大致可分為兩類：第一類，是在度盤的全周上沿逆時針方向由0到360，且使90到270分劃線的連線與望遠鏡視準軸平行，如圖3-17。盤左時，視準線在垂直度盤上的讀數(shù)永為90；盤右時，永為270。威特T2、蔡司010型經(jīng)緯儀都屬于這一類。第二類，不是從0到360，而是從55到125，對徑刻劃(即相差180的刻劃)注記相同。望遠鏡視準軸與對徑讀數(shù)均為90的刻劃線平行。即不論盤左或盤右，視準線在垂直度盤上的讀數(shù)永為90，如圖3-18。圖3-17 J2級經(jīng)緯儀垂直度盤測角示意圖圖3-18 T3經(jīng)緯儀垂直度盤測角示意圖 2垂直度盤的指標水準器、自動歸零裝置 如前所述，水平視線在垂直度盤上的讀數(shù)，是用讀數(shù)指標把水平視線在垂直度盤上的正確位置確定下來。把讀數(shù)指標在垂直度盤上的正確位置確定下來的方法目前有兩種：符合水準器或自動歸零裝置。 （1）垂直度盤指標水準器光學經(jīng)緯儀的垂直度盤指標水準器，一般都采用符合水準器，這樣，既可提高氣泡的安圖3-19 符合水準器原理平精度，又便于觀察，對于格值為10以上的水準器，其安平精度可提高23倍。符合水準器的原理見圖3-19，它是利用兩塊棱鏡1、2，使氣泡的a、b兩端經(jīng)過二次反射后，符合在一個視場內(nèi)。兩塊棱鏡1、2的接觸線cc 成為氣泡的界線，再經(jīng)過棱鏡3放大為人眼看到。這種水準器叫做符合水準器。這樣，在安置垂直度盤讀數(shù)指標時，使讀數(shù)指標與符合水準器的水準器軸重合，若兩者不重合，校正符合水準器的改正螺旋，使它們重合，以此來達到垂直度盤讀數(shù)指標保持水平。 （2）垂直度盤指標自動歸零裝置 近代一些先進的經(jīng)緯儀，為了既保證垂直角觀測的精度，又提高效率，采用指標自動歸零(或稱自動補償)裝置代替指標水準器。其目的仍然是：在進行垂直度盤讀數(shù)時，使垂直度盤的讀數(shù)指標保持水平狀態(tài)。 各種垂直度盤讀數(shù)指標自動歸零裝置都是利用重力使懸吊物體自然下垂，或使液面保持水平的原理，通過光學折射補償?shù)姆椒ǎ_到垂直度盤讀數(shù)指標自動歸零的目的。目前采用的自動歸零裝置有三類：吊絲式自動歸零裝置、簧片式自動歸零裝置和液體式自動歸零裝置。帶有垂直度盤讀數(shù)指標自動歸零裝置的儀器，在測量垂直角時，因無須調(diào)整指標水準器符合，顯得方便快捷多了。 3垂直角、指標差計算公式 我們知道，垂直角是視準線在垂直度盤上的讀數(shù)與水平視線（即垂直度盤讀數(shù)指標）讀數(shù)之差。由于望遠鏡與垂直度盤固定在一起。這樣，視準線在垂直度盤上的讀數(shù)，將隨著垂直度盤刻劃方式的不同而不同，所以，其垂直角的計算公式也將不同。 （1）蔡司010和威特T2經(jīng)緯儀垂直角、指標差計算公式此類儀器的垂直度盤刻劃方式如圖3-17（a）所示。其視準線在垂直度盤上的讀數(shù)，盤左時為90（如圖3-17（b），盤右時為270（如圖3-17（c）。 俯仰望遠鏡照準目標，水平視線（即讀數(shù)指標）在垂直度盤上的讀數(shù)，盤左時為L（如圖3-17（b），盤右時為R （如圖3-17（c）。依照測定垂直角的原理，由圖3-17可以看出，盤左時，垂直角為 盤右時，垂直角為： 取盤左、盤右（、）的中數(shù)，即得垂直角計算公式： （3-3） 實際上，讀數(shù)指標的位置不可能完全正確，當指標水準器氣泡居中時，讀數(shù)指標與水平視線總有一夾角i，我們稱之為指標差。存在指標差i時，盤左和盤右位置，望遠鏡視準軸在垂直度盤的讀數(shù)不受其影響，而水平讀數(shù)指標的讀數(shù)分別為L、R。由圖3-17的B、C可知，L、R與沒有指標差時的正確讀數(shù)L。、R。的關(guān)系為 垂直角為 （3-4）取其中數(shù)，垂直角計算公式為 （3-5） （3-3）式與（3-5）式完全相同。這表明，通過盤左、盤右觀測垂直角，可以消除指標差的影響。將（3-4）式的兩式相減，可得 即 （3-6）這就是威特T2和蔡司010經(jīng)緯儀的指標差計算公式。 （2）威特T3經(jīng)緯儀的垂直角、指標差計算公式 如前所述，威特T3經(jīng)緯儀垂直度盤的刻劃特點是：非全圓周刻劃及分劃注記僅為實際所對角度的一半。另外，讀數(shù)指標不是與水平視線一致，而是與水平視線正交。因此，其垂直角、指標差的計算公式與威特T2、蔡司010經(jīng)緯儀的不同。由圖318可以看出，盤左、盤右時，望遠鏡照準目標后其視準軸(即視準線)的讀數(shù)均為90，讀數(shù)指標的讀數(shù)分別為L、R。沒有指標差時的正確讀數(shù)為L。、R。，則 盤左、盤右時，垂直角應為 （3-7）取其中數(shù)，得垂直角計算公式 （3-8）將式（3-7）的兩式相減，得 由于垂直度盤刻劃是實際所對角度值的2倍，所以，上式可寫成： （3-9） 3.2.5 常用精密光學經(jīng)緯儀簡介 經(jīng)緯儀是按照所能達到的測角精度來分類的，凡適用于國家各等級三角、導線測量的光學經(jīng)緯儀，通稱為精密光學經(jīng)緯儀。用于地形及工程測量的光學經(jīng)緯儀稱為普通光學經(jīng)緯儀或工程光學經(jīng)緯儀。 國家三角測量和精密導線測量規(guī)范指出，用于國家各級角度觀測的精密光學經(jīng)緯儀圖3-20 威特T3經(jīng)緯儀系列分為：J07，J1，J2；普通光學經(jīng)緯儀分為：J6和J30?！癑”為“經(jīng)緯儀”漢語拼音的第一個字母；數(shù)標為該級儀器能達到的測角精度指標。圖3-21 威特T2經(jīng)緯儀常用精密光學經(jīng)緯儀系列中的威特T3、威特T2、蔡司010、蘇光J2經(jīng)緯儀的外形和主要部件名稱分別見圖3-20、圖3-21、圖3-22、圖3-23，主要技術(shù)參數(shù)見表3-1。1垂直制動螺旋；2測微輪；3讀數(shù)顯微鏡的目鏡管；4垂直微動螺旋；5度盤影像變換鈕；6