索佳全站式陀螺仪定向原理

1、目录陀螺仪的基本原理陀螺仪的基本结构陀螺仪定向工作流程陀螺仪悬带零位观测粗略定向精密定向SOKKIA概述陀螺定向是运用陀螺经纬仪直接测定井下未知边.的方侄角。 它克服了运用几何定向方法进行朕糸测量肘占用井筒肘间长、 工作组织复杂等缺点，目ih 己广泛应用于矿井朕糸测量和 控制井下导线方向误差的积累。二、陀螺仪的基本原理陀螺经纬仪是根据自由陀螺仪（在不受外力作用时，具有 三个11由度的陀螺仪）的原理而制成的。旨由陀螺仪具有以下 两个基本特性：1、定轴性陀螺轴在不受外力作用时，它的方向始终指向初始恒走方向；2、进动性陀螺轴在受到外力作用肘，将产生非常重要的效应“进动”。自由陀螺仪的上述两个特性，可

2、通过以下曾验予以证朗。陀螺仪左端为可转动的陀螺,右端为一可移动的悬重,当调节S重的住置使杠杆水平时,可以看到陀螺转动后，其轴线的方向始终保持不变，即可验证走轴性。当将悬重向左移动一小段 距寓，即相当于陀螺轴受到一个向下的作用力时，陀螺转动后, 杠杆将保持水平，但将在水平面上作送时针方向的转动；同理, 将悬重右移一小段距爲，即陀螺轴受到个向上的作用力时， 陀螺转动后，杠杆仿保持水平，但将在水平面上作顺时针方向 的转动，这样即可验证旨由陀螺仪的进动性。目前，常用的陀螺仪是采用两个完全自由度和一个不完全 t由度的钟摆式陀螺仪。它是根据上述的陀螺仪的定轴性和进 动性两个基本特性，并考虑到陀螺仪对地球旨

3、转的相对运动， 使陀螺轴在测站子午线附近作简谐摆动的原理而制成的。如果把自由陀螺仪的重心从中心下移,即在自由陀螺仪轴上加以悬重Q,则陀螺仪灵敏部的重心由中心O下移到点，结果便限制了旨由陀螺仪绕 y轴炎转的自由度，亦即x轴因悬重Q 的作用，而永远趋.于和水平面平行的状态。此时它具有两个完全的自由度和个不兄全的自由度。因为它的灵敏部和钟摆相似（重心住于过中心的铅垂线上，且低于中心力所以称为钟摆式陀螺仪。如果用悬挂带悬挂起来,陀螺既能绕自身轴高速炎转，又能绕悬挂轴摆动（进动）。3、陀螺仪寻北原理（1）地球旨转及其对陀螺仪的作 用地球以角速度3e（3e= 1周/ 昼夜=7.25x105rad/s）绕其

4、旨转 轴炎转，坎地球上的一切东西都 随着地球转动。如从宇宙空间来 看地轴北端，地球是在作送时针 方向炎转，其炎转角速度的矢量3e沿其自转轴指向北端。对纬 度为e的地面点p而言，地球旨 转角速度矢量3 E和当地的水平 面成e角，且住于过当地的子午 面内。3e可分鮮为垂直分量3 2 （沿铅垂方向）和水平分量3（ 沿子午线方向）。这时角速度矢量3 E应佞于OPn上,且向着北极Pn那一端。3 e分鮮成互相正交的两个分量3 和3 2。3 叫做地球炎转的 水平分量，表示地平面在空间绕子午线炎转的角速度；且地平面的东半面阵落，西半面升起，在地球上的观测者感到就像太 阳和其他星体的高度吏化一样。地球水平分量3

5、的丸小为： 于老于老3 = 3 ECOS 分量3 2表示子午面在空间绕铅垂线亦即万向结构Z轴炎转的角并且表示子午线的北端向西移动。这个分量称为地球炎转的垂直分量。观测者在地球上感到的正如太阳和其他星体的 方伐变化一样。分量CO?的大小为：于老于老o)2= 3 E$in 0(2)陀螺仪轴对地球的相对运动晶opl fj拟 qp水平面W钳CaE)陀螺仪轴与啦力矩的关系uF地乎面|5陀理仅轴与地F而仁平行摆式陀螺的进动当地球炎转时，钟摆式陀螺仪上的悬重Q将使主轴x产生回 到子午面的进动，其关糸表示于上图中。当陀螺仪主轴x平 行于地平面的时刻，则悬重Q不引起重力力矩，所以对于x 轴的方住没有影响。但在下

6、一时刻，地平面依角速度33绕y 轴炎转，所以地平面不再平行于x轴，而与之呈禁一夹角。设X轴的正端偏离子午面之东，那么当地平面吟落后，观测 者感到的是X轴的正端仰起至地平面之上，并与地平面呈夹 角0。因而悬重Q产生力矩使x轴的正端进动并回到子午面 方向。反之亦然。若陀螺仪灵敏部重量为P,且认为是集中作用于重心Op重心 力矩为：壬老姥至悬挂点O的距爲为1,则此时因地平面绕y轴炎转而引起的MB = Plsin 0 =Msin 0 于老这肘x轴进动的角速度为：于老于老 co p= (M/H)sin 0 于老摆式陀螺的进动与地球旬转彩响的平衡由于与地球转动的同时，子午面亦在按地转铅垂分量3?不 断地变换

7、住置。坎即使禁一时刻陀螺仪轴与地平面平行且伐 于子午面内，但下一时刻陀螺仪轴便不再住于子午面内，因 的进动角速度3p与角速度分量CD?相等时，则陀螺仪轴与仪 器所在地点的子午面保持相对静止。此陀螺仪轴与子午面之间具有相对运动的形式。当陀螺仪轴三、陀螺仪的基本结构陀螺经纬仪是陀螺仪和经纬仪组合而成的定向仪器。根据其连 接形式不同主要可分为上架式陀螺经纬仪和下架式陀螺经纬仪 两丸类。上架式陀螺经纬仪即陀螺仪安放在经纬仪之上，下架 式陀螺经纬仪即陀螺仪安放在经纬仪之下。现在常用的矿用陀螺经纬仪丸都是上架式陀螺经纬仪。全站式陀螺仪是将陀螺仪安放 在全站仪之上而构成的，其中 陀螺仪部分的基本结构如右图S

8、OKKIA四、陀螺仪定向的作业过程1、地面己知边上测走仪器常数假想的陀螺仪轴的稳走住置通帝不与地理子午线重合，二者 之间的夹角称为仪器帝虬 一般用表示。陀螺仪子午线住于 地理子午线的东边为正；反之为负。3J0陀螺仪定向示意可以按下式求出仪器常数：二 AoF在下井定向之帝，在己知边上测定仪器常数应进行23次，各 次之间的互差对于GAK-1. JT15等型号的仪器应小于40。2、在井下定向边上测定陀螺方伐角仪器安置在C点上，可以测出CD边的陀螺方伐角aT z o则走向边的地理方伐角A%:A= aT +测定定向边陀螺方伐角应独立进行两次，其互差应小于403、仪器上井后重新测定仪器常数仪器上井后，应在

9、己知边上重新测定仪器常数23次。前 后两次测定的 仪器常教，其中任意两个仪器常数的互差应小于 40然后求出仪器常数的最或是值。勺塞余公式m二士Pvv/ (n-1 J评之一次测之中误差。4、求算子午线收致角地理方住角和坐标方住角的关糸为：A=仇。+ 丫0子午线Yo的符号由安置经纬仪的佞置确定，在中央子午线以东为正,以西为负5、求算井下定向边的坐标方住角由上述公式可得出 = Ao- a T= a 0+ y 0- a T因此井下走向边的坐标方铉角为a = A- 丫 = a 丁 +平-Y五、陀螺仪悬带零住观测悬带零伐是指陀螺马达不转时，陀螺灵放部受悬带和导 流丝拉力作用而引起拉摆的平衡伐置，即拉力矩为

10、零的伐置。在陀螺观测开始之前和结束之后,要作悬帶零住观测,扌目应简称为测前零伎观测和测后零伎观测O零住观测测走悬桂零佞时，先将经纬仪整平 并固走照准部，下放陀螺灵敘部从读数 目镜中观测灵敘部的摆动，（即陀螺轴阖 绕子午线摆动肘偏离子午线的两側最远伐 置）在分划板上连续读三个逆转A的读数， 估读到0.1格。计算零住:L二 1/2 Cal+a3) /2+a2六. 粗略定向在测定己知边和定向边的陀螺方伐角之#,青先进行粗 略走向,即把经纬仪望远镜视准轴置于近似北。寻找近似北的方法：(i)配有粗走向盘的陀螺仪，可用罗盘达到粗走向的目的。(2丿在己知边上测定仪器常数肘，可利用己知边的坐标方 佞角及仪器誌

11、的子午线收敛角来直接寻找近似北方。(3)当在未知边上定向，且仪器本身又无粗定向罗盘附件 时，可用仪器本身来寻找北方，常用的方法为两个逆转点 法。具体操作如下：仪器在测站安置好后，将经纬仪视准轴大玫摆在北方向后， 起动陀螺马达，达到额走转速后，下放陀螺灵敏部，松开经纬仪 水平制动螺炎，用手转动照准部跟踪灵敘部的摆动，使陀螺仪目 镜视场移动的光标像与分划板零刻划线随肘重合。当达到摆动送转点肘，读取水平度盘卩1;用同样的方 法向反方向跟踪，到达另一点送转点时，再读取水平读|ll2o锁 紧灵敏部，制动陀螺马达。按下式计算近似北在水平度盘上的读 数:N二 1/2 l+|n2 )七、精密定向精密走向就是精

12、确测走己知边和走向边的陀螺方铉角。运用陀螺经纬仪进行矿井走向的常用方法主要有逆转点法 和中天法。它们间的主要差别是在测之陀螺北方向肘，逆转点 法的仪器照准部处于跟踪状态，而中天法的仪器照准部是固之 不动的。这里以逆转点法为例来说朗测玄井下未知边方住角的 全过程。1、逆转A法第一步，在A点妄置陀螺经纬仪，严格整平对中，并以两个镜 伐观测测线方向AB的方向值测前方向值M 1 o第二步，将经纬仪的视准轴大玫对准北方向（对于逆转点法要求 偏雳陀螺子午线方向不丸于60,第三步，测量悬挂带零住值测前零伐，同时用秒表测之陀螺摆动周期。第四步，用逆转A法精确测定陀螺北方向值NT。启动陀螺马达，缓慢下放灵敏部，使摆幅在13范围内。调节水平微动螺炎使光标像与分划板零刻度线随时保持重