大地測量儀器學3

1、第三章第三章 讀數設備讀數設備 31讀數設備的構成與分類讀數設備的構成與分類 一、讀數設備的組成一、讀數設備的組成 儀器在觀測過程中，照準用的望遠鏡帶著與照準部固儀器在觀測過程中，照準用的望遠鏡帶著與照準部固 結在一起的指標，在水平度盤的軸套中旋轉，結在一起的指標，在水平度盤的軸套中旋轉，讀數設備包讀數設備包 括度盤和指標括度盤和指標，若要比較精確地測出不滿度盤一格的小量，若要比較精確地測出不滿度盤一格的小量 ，需采用測微裝置，為了縮小體積而又能提高精度，讀，需采用測微裝置，為了縮小體積而又能提高精度，讀 數設備均采用放大或顯微裝置。數設備均采用放大或顯微裝置。 二、讀數設備的分類二、讀數設備

2、的分類 由于采用不同的測微裝置，將讀數設備分為：由于采用不同的測微裝置，將讀數設備分為： 機械的機械的：游標游標；光學的光學的：光學游標、顯微估計器、顯光學游標、顯微估計器、顯 微帶尺、光學測微器等微帶尺、光學測微器等；光學機械的光學機械的：顯微測微器顯微測微器；電子電子 讀數設備讀數設備：如編碼度盤、光柵度盤等如編碼度盤、光柵度盤等。 三、讀數方法三、讀數方法 1估讀法估讀法 估讀最小間隔的110。據實驗所 知，當最小間隔的寬度d=1015 毫米，指標線的寬度b為010 015毫米時，則估讀的極限誤差約 為d10，按眼睛的明視距離(一般取 250毫米)換算成用眼睛直接觀測的極 限角值P目為：

3、P目=80120這和眼睛 的分辨角(60120)相近似。采用估 讀法的讀數設備有顯微估計器和帶尺顯微估計器和帶尺 顯微鏡顯微鏡兩種。 2平分法平分法 使一條直線對稱地處于另外兩條使一條直線對稱地處于另外兩條 直線的中央，稱為平分法。直線的中央，稱為平分法。據試驗， 用眼睛直接平分的極限誤差為10 30，采用平分法的讀數設備，常見 的有單玻璃平板光學測微器單玻璃平板光學測微器。 3符合法符合法 使一條直線與另一條直線的延伸方向相符合，稱為符使一條直線與另一條直線的延伸方向相符合，稱為符 合法。合法。據實驗，用眼睛符合的極限誤差為據實驗，用眼睛符合的極限誤差為815。采用。采用 符合法的讀數設備，

4、有游標和符合讀數系統(tǒng)的光學測微符合法的讀數設備，有游標和符合讀數系統(tǒng)的光學測微 器器(參見圖參見圖3-3)。 4、電子讀數裝置、電子讀數裝置 3.2 度盤度盤 一、度盤的構造及分類一、度盤的構造及分類 測量儀器上的水平度盤和豎直度盤都是用金屬或玻璃測量儀器上的水平度盤和豎直度盤都是用金屬或玻璃 制成的圓盤。在靠近圓盤邊緣的全圓周上，刻有等間隔的制成的圓盤。在靠近圓盤邊緣的全圓周上，刻有等間隔的 格線格線(分劃線分劃線)。我國生產的儀器都是采用“60分制”，即 全圓周共360，1=60，1=60。 度盤上相鄰兩格線的圓心角角值，稱為度盤的格值度盤上相鄰兩格線的圓心角角值，稱為度盤的格值 (亦稱為

5、度盤分劃值亦稱為度盤分劃值)。度盤格值的大小隨儀器精度的高低 有所不同，精度高的儀器一般格值要小些。如J2級經緯儀 一般為20，而J6級一般則為1或30。 金屬度盤金屬度盤：金屬度盤上的格線是刻在銀環(huán)的表面， 而銀環(huán)是鑲嵌在錫青銅制成的圓盤上(圖3-5)。由于銀層比 較致密，可以刻出僅為001毫米細的格線，但由于銀質 較軟，在使用中因與游標接觸或因不小心弄上的灰砂等物， 極易把度盤擦壞，在維修時更應加倍注意。這種度盤多見 于老式的游標經緯儀上。 玻璃度盤玻璃度盤：一般均用光學玻璃或優(yōu)質的窗戶玻璃制成， 其形狀如圖3-6所示。這種度盤對玻璃的質量要求較高，透 明度要好，內應力要小。對于加工度盤兩

6、平面的平直度和平 行性均有嚴格的要求，表面光潔度要求很高，用放大100倍 的顯微鏡檢查，在分劃部位不能有可察覺的條痕及魔點等。 所以在維修過程中，要特別注意防止碰撞和擦傷度盤。 玻璃度盤在構造上又分透射式和反射式透射式和反射式兩種，前者光線 可以直接透過度盤，如圖3-7，后者刻線和度盤同時成為一 反光鏡面，如圖3-8所示。為此，還需要在度盤的刻劃面上 鍍鏇反射層。 二、度盤的刻制二、度盤的刻制 度盤上格線的刻制方法有下述幾種： 1直刻法直刻法 將度盤放在圓刻度機上，用金鋼石刻刀直接在度盤上刻 劃，然后對刻劃進行填色。此法可以刻出較細的分劃，一般 約可達23微米。在這么細的刻劃中填入涂料是很不容

7、易的。 即使刻線較粗，填入的涂料也是容易擦掉的，所以在清潔度 盤時必須十分注意。此外，由于刻刀直接在度盤上刻，尤其 是在玻璃度盤上刻，刀尖很容易磨損，造成度盤刻劃粗細不 勻，故此法現已很少采用。 2刻保護層腐蝕法刻保護層腐蝕法 先在度盤上涂一層薄薄的蠟膜，然后放在圓刻度機 上用刻刀刻劃蠟膜，再用酸(銀質度盤可用硝酸，玻璃度 盤可用氫氟酸)將刻線腐蝕出來，最后清洗并清除蠟膜， 再對腐蝕的刻劃填入涂料。但這種方法并沒有解決刻線 中涂料易擦掉的問題，例如，北京光學儀器廠在1970年 前生產的“紅旗號”光學經緯儀的玻璃度盤，就是采 用腐蝕著色的。 3刻保護層鍍鉻法刻保護層鍍鉻法 用上述刻保護層的辦法刻

8、好的玻璃度盤，也可不用 酸來腐蝕出刻線，而放在真空鍍膜機內進行鍍鉻。由于 鉻粒子與玻璃的附著力極強，因而留在度盤上的分劃線 和注記就不易脫落。 4照相復制法照相復制法 將待制的玻璃度盤涂滿薄。薄一層感光膜，烘干后與 底板(有分劃線的母盤底片)緊貼進行曝光，經顯影和定影之 后即成。為了保護感光膠層，在有分劃線的膠層面上，一 般膠有一圈保護玻璃。這種方法工藝簡單、成本低、生產 效率高，但是由感光形成的度盤分劃線，日久后容易慢慢 褪色，以致讀數困難，所以已被照相鍍鉻法所取代。 5照相鍍鉻法照相鍍鉻法 照相的過程同上述一樣，不過感光膠層不同。經顯影后 的度盤，只有分劃線部分暴露在外，通過真空鍍鉻以后，

9、 再在硝酸中除去感光膠層，即可獲得牢固的度盤分劃線鉻 層。這種鍍鉻度盤，一般亦膠上一片保護玻璃圈。 目前我國生產的光學經緯儀，大都采用刻保護層真空目前我國生產的光學經緯儀，大都采用刻保護層真空 鍍鉻或照相真空鍍鉻這兩種方法。鍍鉻或照相真空鍍鉻這兩種方法。 32 單平板玻璃光學測微器單平板玻璃光學測微器 一、測微器原理一、測微器原理 單玻璃平板光學測微器的原理如圖單玻璃平板光學測微器的原理如圖3-9 所示。這是在顯微物鏡與讀數窗指標線之所示。這是在顯微物鏡與讀數窗指標線之 間，安置了一塊可以繞著固定軸轉動的玻間，安置了一塊可以繞著固定軸轉動的玻 璃平板，利用轉動玻璃平板能使通過它的璃平板，利用轉

10、動玻璃平板能使通過它的 光線產生平行位移的特點而制成的。由式光線產生平行位移的特點而制成的。由式 (1-6)可知，當玻璃平板旋轉一個小角度可知，當玻璃平板旋轉一個小角度i 后，光線通過玻璃平板產生的平移量后，光線通過玻璃平板產生的平移量h可可 按下列近似公式求得：按下列近似公式求得： 1n hdi n 對于一定尺寸的玻璃平板，它的厚度對于一定尺寸的玻璃平板，它的厚度d和玻璃折射率和玻璃折射率n均為均為 一常量。例如，一常量。例如，K9號玻璃號玻璃n=15163，取，取d=10mm，則，則 11.5163 1 10()0.06 () 1.516357.296 ni hdii mm n 式中，式中

11、，i角以度為單位。上式說明，角以度為單位。上式說明，度盤格線的象在指標面度盤格線的象在指標面 上的移動量上的移動量h是與玻璃平板的旋轉角是與玻璃平板的旋轉角i成正比的。成正比的。但是，玻但是，玻 璃平板旋轉角的本身，還沒有告訴我們度盤格線的移動角璃平板旋轉角的本身，還沒有告訴我們度盤格線的移動角 值，因而還必須通過一種特殊的設備，把玻璃平板旋轉角值，因而還必須通過一種特殊的設備，把玻璃平板旋轉角 歸化為度盤格線的移動角值。這種設備就是利用與玻璃平歸化為度盤格線的移動角值。這種設備就是利用與玻璃平 板連結在一起轉動的測微尺板連結在一起轉動的測微尺(一般是一段圓弧，刻有一般是一段圓弧，刻有n個分個

12、分 劃劃)。當度盤格線影象移動一整格時，測微尺移動了。當度盤格線影象移動一整格時，測微尺移動了n格，格， 于是，測微尺的格值于是，測微尺的格值t為為 V t n 式中式中V為度盤最小格值。為度盤最小格值。 例如，瑞士例如，瑞士WILD T1經緯儀的度盤最小格值經緯儀的度盤最小格值t=1，測微尺，測微尺 刻有刻有n=60格，則測微尺格值格，則測微尺格值V=6060=1。 二、北京二、北京DJ6-1型經緯儀測微器型經緯儀測微器 的構造的構造 北京光學儀器廠生產的北京光學儀器廠生產的DJ6-1型經型經 緯儀所采用的單玻璃平板測微器，緯儀所采用的單玻璃平板測微器， 其結構比較典型。在圖其結構比較典型。

13、在圖3-10中，與測中，與測 微手輪微手輪1相連結的小齒輪轉動時，帶相連結的小齒輪轉動時，帶 動扇形齒動扇形齒2，繞小軸，繞小軸3-3旋轉，此時與旋轉，此時與 之固連在一起的玻璃平板之固連在一起的玻璃平板4也一同旋也一同旋 轉，其轉動量通過與之固連在一起轉，其轉動量通過與之固連在一起 的弧形測微尺的弧形測微尺5表示出來。由于玻璃表示出來。由于玻璃 平板的轉動，使度盤格線產生平移，平板的轉動，使度盤格線產生平移， 當度盤格線平移至固定雙指標線的當度盤格線平移至固定雙指標線的 中央時中央時(視場如圖視場如圖3-11所示所示)，即可讀，即可讀 得度盤讀數為得度盤讀數為51330。 圖3-11 圖3-

14、10 這種儀器的豎直度盤和水平度盤共用同一測微器，兩讀這種儀器的豎直度盤和水平度盤共用同一測微器，兩讀 數必須分別讀取。當讀取平盤讀數時，固定雙指標線必須數必須分別讀取。當讀取平盤讀數時，固定雙指標線必須 對準平盤格線的中央，而讀取豎盤讀數時，雙指標線則又對準平盤格線的中央，而讀取豎盤讀數時，雙指標線則又 必須對準豎盤格線的中央。因此，讀數窗指標面必須對準豎盤格線的中央。因此，讀數窗指標面6上的兩個上的兩個 度盤的影象必須要一樣寬才行。度盤的影象必須要一樣寬才行。這一要求可以通過調節(jié)豎這一要求可以通過調節(jié)豎 盤成象透鏡組的位置來達到。盤成象透鏡組的位置來達到。 這種測微器的結構，僅僅多了一塊玻

15、璃平板及其轉動這種測微器的結構，僅僅多了一塊玻璃平板及其轉動 機構，然而度盤的刻劃工藝卻比較簡單，度盤的格線可以機構，然而度盤的刻劃工藝卻比較簡單，度盤的格線可以 允許較粗允許較粗(00050012mm)，測微器使用也穩(wěn)定可靠，測微器使用也穩(wěn)定可靠， 精度又能滿足工程經緯儀的要求，所以在精度又能滿足工程經緯儀的要求，所以在J6級精度的光學級精度的光學 經緯儀中，目前應用的也不算少。經緯儀中，目前應用的也不算少。 33 顯微帶尺測微器顯微帶尺測微器 一、顯微估計器一、顯微估計器 顯微估計器是利用顯微鏡成象的原理，將度盤的格線放顯微估計器是利用顯微鏡成象的原理，將度盤的格線放 大，同時在物鏡成象平

16、面處裝一指標線大，同時在物鏡成象平面處裝一指標線(構造如圖構造如圖3-12)，利，利 用指標線可以估讀至度盤格值的用指標線可以估讀至度盤格值的110。顯微估計器的讀數。顯微估計器的讀數 視場如圖視場如圖3-13所示，圖中的讀數為所示，圖中的讀數為9234。 圖3-12圖3-13 顯微估計器對度盤格線的放大，并沒有很嚴格的要求，顯微估計器對度盤格線的放大，并沒有很嚴格的要求， 因此不存在行差的問題，故顯微物鏡組只要一組透鏡就可以因此不存在行差的問題，故顯微物鏡組只要一組透鏡就可以 了。因此，它的構造較為簡單，讀數也簡便，但精度不高。了。因此，它的構造較為簡單，讀數也簡便，但精度不高。 只在一些較

17、為輕便的勘測經緯儀和某些帶度盤的水準儀上可只在一些較為輕便的勘測經緯儀和某些帶度盤的水準儀上可 以見到。以見到。顯微估計器在結構和使用上，需要滿足下列兩項要顯微估計器在結構和使用上，需要滿足下列兩項要 求：求： 1度盤格線應該成象在指標線平面上。所以顯微物鏡度盤格線應該成象在指標線平面上。所以顯微物鏡 必須是可以調節(jié)的，一般利用伸縮的物鏡筒進行對光。必須是可以調節(jié)的，一般利用伸縮的物鏡筒進行對光。 2指標線必須與度盤格線平行。這一點可以通過旋轉指標線必須與度盤格線平行。這一點可以通過旋轉 顯微鏡鏡筒顯微鏡鏡筒(連同指標線連同指標線)來調整。來調整。 二、帶尺顯微鏡二、帶尺顯微鏡 帶尺顯微鏡也稱

18、顯微帶尺或顯微分劃尺，這是在顯微物帶尺顯微鏡也稱顯微帶尺或顯微分劃尺，這是在顯微物 鏡的成象平面上用一帶尺鏡的成象平面上用一帶尺(也稱分劃尺也稱分劃尺)代替顯微估計器的代替顯微估計器的 單指標線。采用這種方法，在同一度盤直徑的情況下，可單指標線。采用這種方法，在同一度盤直徑的情況下，可 以提高讀數的精度。此外，為了滿足對行差的調整，顯微以提高讀數的精度。此外，為了滿足對行差的調整，顯微 物鏡組必須由兩組透鏡所組成。它的構造原理及讀數視場物鏡組必須由兩組透鏡所組成。它的構造原理及讀數視場 如圖如圖3-14所示。所示。 圖3-14 帶尺顯微鏡應滿足下列條件：帶尺顯微鏡應滿足下列條件： 1帶尺從帶尺

19、從0n格的總寬度，應等于經顯微物鏡放大格的總寬度，應等于經顯微物鏡放大 后的度盤格寬，而且度盤格線也應成象在帶尺的平面上。后的度盤格寬，而且度盤格線也應成象在帶尺的平面上。 亦即應無亦即應無“行差行差”和和“視差視差”。 2帶尺分劃格線應與度盤分劃格線平行，其相互位帶尺分劃格線應與度盤分劃格線平行，其相互位 置應有部分重疊，以便于讀數。置應有部分重疊，以便于讀數。 帶尺顯微鏡的設計應使經顯微鏡放大后的度盤格線的帶尺顯微鏡的設計應使經顯微鏡放大后的度盤格線的 粗細，最好為粗細，最好為01015mm左右，度盤格線的寬度，最左右，度盤格線的寬度，最 好為好為1015mm左右。過寬和過窄都會影響到讀數精左右。過寬和過窄都會影響到讀數精 度。某些進口儀器由于達不到上述要求，給估讀帶尺格值度。某些進口儀器由于達不到上述要求，給估讀帶尺格值 的的110帶來一定的困難。帶來一定的困難。 由于帶尺顯微鏡的讀數直觀方便，又能保證一定的精由于帶尺顯微鏡的讀數直觀方便，又能保證一定的精 度，讀數設備的構造也比較簡單，所以被廣泛地應用于度，讀數設備的構造也比較簡單，所以被廣泛地應用于J6 級以下的工程經緯儀上，如德國蔡司級以下的工程經緯儀上，如德國蔡司Theo 030型、意大利型、意大利 沙漠拉沙漠拉T4150N