激光垂準(zhǔn)儀激光軸鉛垂測(cè)量結(jié)果的不確定評(píng)定報(bào)告

1、激光垂準(zhǔn)儀鉛垂度的測(cè)量不確定度評(píng)定報(bào)告 1.測(cè)量原理與測(cè)量方法 1.1激光垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度 激光垂準(zhǔn)儀是利用激光準(zhǔn)直原理測(cè)定鉛垂線的 儀器。由于儀器的制造、安裝的原因，它的激光軸或視準(zhǔn)軸不可能與重力線 完 全重合。所以垂準(zhǔn)儀給出的鉛垂線與標(biāo)準(zhǔn)的鉛垂線會(huì)存在一個(gè)微 小的夾 角，我們將它稱做垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度。有的文獻(xiàn)上稱 鉛垂i角。本文稱 標(biāo)準(zhǔn)的鉛垂線為參考鉛垂線，目前這種標(biāo)準(zhǔn)裝置是利用JsJ精密水準(zhǔn)儀檢驗(yàn) 儀來代替。實(shí)際上給出的是水平準(zhǔn)線。對(duì)于激光垂準(zhǔn)儀，還沒有見到這種標(biāo)準(zhǔn) 裝置。本實(shí)驗(yàn)室是利用精密水準(zhǔn)儀在室外設(shè)立一條水平準(zhǔn)線，測(cè)定激光垂準(zhǔn)儀 激光軸的鉛垂度。 1.2激光垂準(zhǔn)儀激光軸鉛垂

2、度的校準(zhǔn)方法激光垂準(zhǔn)儀激光軸鉛垂度的校準(zhǔn)， 需在室外進(jìn)行。首先，在室外平坦的場(chǎng)地上，選擇一條約50米長(zhǎng)的直 線，在直線的兩端安置 兩塊直角坐標(biāo)板。比如將兩塊直角坐標(biāo)板安置在相距 約50米的兩 個(gè)墻面上。安置坐標(biāo)板時(shí)，要用精密水準(zhǔn)儀（ S1級(jí)）測(cè)量坐標(biāo)板 中心的高差。使它們的高差等于零，即兩塊坐標(biāo)板的中心位于同一個(gè)水平面 上。 校準(zhǔn)作業(yè)時(shí)，將激光垂準(zhǔn)儀連同五角棱鏡儀器臺(tái)安置在兩坐標(biāo)板之間，并 且靠近某一塊坐標(biāo)板。由垂準(zhǔn)儀可以看到坐標(biāo)板的網(wǎng)格。 使用以上設(shè)備測(cè)量垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度的原理是用五角棱鏡將激光 束的方向轉(zhuǎn)90度成水平方向。觀測(cè)兩塊視距不等的直角坐 標(biāo)板，根據(jù)激 光光斑在兩塊坐標(biāo)板上的讀

3、數(shù)之差，就可計(jì)算垂準(zhǔn)儀 的激光軸鉛垂度。 圖一是鉛垂度校準(zhǔn)的原理示意圖 校準(zhǔn)的步驟與垂準(zhǔn)儀校準(zhǔn)規(guī)范JJF1081-2002的6. 9.2節(jié)相似。 (1) 假設(shè)兩塊坐標(biāo)板的編號(hào)為A和 Bo垂準(zhǔn)儀設(shè)在靠B板的5 米處，整平儀器，使激光點(diǎn)落在坐標(biāo)板A上，依光斑中心讀出坐標(biāo) 值ai,然后照準(zhǔn)B板，讀出坐標(biāo)值bx.設(shè)以上的測(cè)量為垂準(zhǔn)儀照準(zhǔn)部 起 始位置，即0方位觀測(cè)值。 (2) 然后將照準(zhǔn)部在90,180,270方位重復(fù)測(cè)量三組，得到 觀測(cè)值 a2, b 2, a 3, b 3, a 4, b 4。 (3) 設(shè)垂準(zhǔn)儀距A坐標(biāo)板的距離為45米，距E坐標(biāo)板的距離 為5 米。距離之差等于40米。按下式計(jì)算四各

4、方位的觀測(cè)值之差 Si= (a. i_b i) , S 2= (a 2_b 2)， S3二(a 3_b 3) ,S4二(a 4_b 4)。 2 測(cè)量模型的建立 計(jì)算垂準(zhǔn)儀激光軸的一測(cè)回鉛垂度測(cè)量值，以秒為單位, 取四各方位的平均值得到垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度 (a ib 1) + (a 2_b 2)+ (a 3_b 3)+ (a 4_b 4)( 1) 4 40000 式中 p - 206265 4-表示4個(gè)方位 400000 表示A,B直角坐標(biāo)板距垂準(zhǔn)儀的距離差 (mm 利用激光垂準(zhǔn)儀測(cè)設(shè)鉛垂線時(shí)，需要在四各方位上觀測(cè)，構(gòu)成 一個(gè)完整的測(cè)回。實(shí)際作業(yè)時(shí)，需要測(cè)定的測(cè)回?cái)?shù)，根據(jù)精度的要求決 定。 在

5、激光垂準(zhǔn)儀的 校準(zhǔn)中，需要重復(fù)測(cè)量10個(gè)測(cè)回。計(jì)算激光 垂準(zhǔn) 儀激光軸的鉛垂度。以提高校準(zhǔn)的精度。 垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度的校準(zhǔn)值 10 S=(、Q)/10 一(2) 1 上式是提供給客戶的校準(zhǔn)結(jié)果. 3方差和傳播系數(shù) 3. 1 (a)的傳播系數(shù)Ca 將式代人式得： 10p S= (Q)/10 =(a ib i) + (a 2_b 2)+ (a 3_b 3) + (a 4_b 4) 1 14 匯 40000 + (a i_b 1) + (a 2_b 2) + (a 3b 3) + (a 4_b 4) 2 + (a ib i) + (a2_b 2) + (a 3_b 3) + (a 4_b 4)

6、io)/1O 分析上式，激光垂準(zhǔn)儀的鉛垂度 S是10個(gè)測(cè)回的4個(gè)方位的觀測(cè) 值的代數(shù)和的平均值。這些觀測(cè)值都是獨(dú)立的觀測(cè)值，可以認(rèn)為是近似 等精度的觀測(cè)值，設(shè)它們的標(biāo)準(zhǔn)不確定度相等，用u (a) 表示。上式寫成方差形式 u 2(S) = ()2 ( 8 Ou2(a) 40 40000 u (S)= 1 . 153 u (a) (3) 4. 不確定度分量的評(píng)定 4. 1不確定度分量評(píng)估 由垂準(zhǔn)儀激光軸的鉛垂度的校準(zhǔn)方法分析，影響鉛垂度校準(zhǔn) 的不確定度來源有以下幾項(xiàng)： (1) .安置A,B兩塊直角坐標(biāo)板位于同一水平面誤差引入的標(biāo) 準(zhǔn)不 確定度分量； (2) 五角棱鏡的入射光與出射光的垂直度誤差引入

7、的標(biāo)準(zhǔn)不確定 度分量； (3) 激光光斑形狀不規(guī)則引入的 標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量； (4) 直角坐標(biāo)板讀數(shù)誤差引入的不確定度分量； (5) 垂準(zhǔn)儀 自動(dòng)安置誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量； (6) 垂準(zhǔn)儀的激光軸與豎軸的同軸度引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 分量; (7) 垂準(zhǔn)儀至直角坐標(biāo)板之間的距離測(cè)量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn) 不確定度分量 4. 2.標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量不確定度分量的計(jì)算 4. 2.1安置A,B兩塊直角坐標(biāo)板位于同一水平面的測(cè)量誤差引入 的標(biāo)準(zhǔn) 不確定度分量Ui (a) 用S1級(jí)水準(zhǔn)儀安置直角坐標(biāo)板位于同一水平面的過程，實(shí)際上就是 用水準(zhǔn)儀測(cè)量直角坐標(biāo)板中心位置的高差，所以，安置誤 差是水準(zhǔn)儀測(cè) 站單次高差的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)

8、偏差。根據(jù)水準(zhǔn)儀檢定規(guī)程JJG425-2003的規(guī) 定，S1級(jí)水準(zhǔn)儀的測(cè)站單次高差的標(biāo)準(zhǔn)差不超 過0.08 mm。將此值估計(jì) 為直角坐標(biāo)板中心位置的高差的標(biāo)準(zhǔn)不 確定度， u (a)=0. 08 mm 4. 2. 2.五角棱鏡的入射光與出射光垂直度誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定 度分量U2 (a) 根據(jù)有關(guān)資料，五角棱鏡的垂直度的誤差不超過1秒。若按該 值為半寬的均勻分布估計(jì)，其標(biāo)準(zhǔn)不確定度為 u2 (a) = 1 3 當(dāng)垂準(zhǔn)儀至坐標(biāo)板的距離為50m時(shí)，以毫米表示 u2 (a) = 1 彳 廠泊 50000206265= 0. 14 mm 423激光光斑形狀不規(guī)則引入 的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量us (a)激光

9、垂準(zhǔn)儀 的激光束投射到直角坐標(biāo)板上，形成的光斑的形狀一般是不規(guī)則的，因 此用光斑的中心位置在直角坐標(biāo)板上讀數(shù)會(huì)產(chǎn) 生誤差，根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，估計(jì)這項(xiàng)誤差最大不超過0.5mm,設(shè)這 項(xiàng)誤差為半寬等于0.5mm的均勻分布，故由激光光斑形狀不規(guī)則 引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度 比) = 0. 5/ 3 二 0. 29mm 424. 由直角坐標(biāo)板讀數(shù)誤差引入的不確定度分量u4 (a) 規(guī)范規(guī)定直角坐標(biāo)板的格值最大應(yīng)不超過1mm,小于1mm的值 只能估讀，因?yàn)槭且约す獾墓獍吖雷x，誤差大一些，設(shè)室外校準(zhǔn) 時(shí)的估 讀誤差為格值的1/4,則估讀誤差等于 0.25mm,設(shè)其在半 寬區(qū)間內(nèi)為均勻分布，故：， u4 (a) =

10、0. 25/ 3=0. 14mm 425. 垂準(zhǔn)儀自動(dòng)安置誤差引入的不確定度分量山(a) 自動(dòng)補(bǔ)償式垂準(zhǔn)儀自動(dòng)安置誤差為0.5，當(dāng)垂準(zhǔn)儀至坐標(biāo)板的距 離h二50m時(shí)則由此引起的測(cè)量誤差為 50000 X 0. 5 / 206265 設(shè)以該值為半寬的均勻分布，故： Us (a) = 50000 0.5/206265/、3 =0. 07mm 4. 2. 6垂準(zhǔn)儀的激光軸與豎軸的同軸度的誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定 度分量Ue (a) 這項(xiàng)誤差可以用垂準(zhǔn)儀照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn) 180的方法，觀察激光軸 是否指向一點(diǎn)，判斷兩軸是否同軸，若不同軸，進(jìn)行校正。規(guī)范 要求同軸度誤差不超過2秒，按均勻分布 估計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)不確定度

11、比=2/ , 3/ 206265 X 50000=0. 28mm 427垂準(zhǔn)儀至直角坐標(biāo)板之間的距離測(cè)量誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確 定度分量u7 (a) 實(shí)際作業(yè)中，坐標(biāo)板至垂準(zhǔn)儀的距離用鋼卷尺測(cè)量到毫米，相 對(duì)幾十米的距離，相對(duì)誤差很小，所以對(duì)垂準(zhǔn)儀的激光軸鉛垂度 校準(zhǔn)影響，可以忽略不計(jì)。u7(a) =0 5合成標(biāo)準(zhǔn)不確定度計(jì)算 由 4. 2. 1 - 4. 2. 6 得： 2 2 2 2 2 2 2 u (a) = Ui (a) U2 (a)w(a)W(a)U5 C) U6，a) u2(a) =0 . 082 0. 142 0 . 292 0 . 292 0. 072 0 . 282 =0 . 2 1 3 u(a)=0. 46mm 將上式的數(shù)據(jù)代入(3)式 u (S)=l. 153 X u (a) =1. 153 X 0. 46=0. 53