激光垂准仪激光轴铅垂测量结果的不确定评定报告

1、激光垂准仪铅垂度的测量不确定度评定报告 1.测量原理与测量方法 1.1激光垂准仪激光轴的铅垂度 激光垂准仪是利用激光准直原理测定铅垂线的 仪器。由于仪器的制造、安装的原因，它的激光轴或视准轴不可能与重力线 完 全重合。所以垂准仪给出的铅垂线与标准的铅垂线会存在一个微 小的夹 角，我们将它称做垂准仪激光轴的铅垂度。有的文献上称 铅垂i角。本文称 标准的铅垂线为参考铅垂线，目前这种标准装置是利用JsJ精密水准仪检验 仪来代替。实际上给出的是水平准线。对于激光垂准仪，还没有见到这种标准 装置。本实验室是利用精密水准仪在室外设立一条水平准线，测定激光垂准仪 激光轴的铅垂度。 1.2激光垂准仪激光轴铅垂

2、度的校准方法激光垂准仪激光轴铅垂度的校准， 需在室外进行。首先，在室外平坦的场地上，选择一条约50米长的直 线，在直线的两端安置 两块直角坐标板。比如将两块直角坐标板安置在相距 约50米的两 个墙面上。安置坐标板时，要用精密水准仪（ S1级）测量坐标板 中心的高差。使它们的高差等于零，即两块坐标板的中心位于同一个水平面 上。 校准作业时，将激光垂准仪连同五角棱镜仪器台安置在两坐标板之间，并 且靠近某一块坐标板。由垂准仪可以看到坐标板的网格。 使用以上设备测量垂准仪激光轴的铅垂度的原理是用五角棱镜将激光 束的方向转90度成水平方向。观测两块视距不等的直角坐 标板，根据激 光光斑在两块坐标板上的读

3、数之差，就可计算垂准仪 的激光轴铅垂度。 图一是铅垂度校准的原理示意图 校准的步骤与垂准仪校准规范JJF1081-2002的6. 9.2节相似。 (1) 假设两块坐标板的编号为A和 Bo垂准仪设在靠B板的5 米处，整平仪器，使激光点落在坐标板A上，依光斑中心读出坐标 值ai,然后照准B板，读出坐标值bx.设以上的测量为垂准仪照准部 起 始位置，即0方位观测值。 (2) 然后将照准部在90,180,270方位重复测量三组，得到 观测值 a2, b 2, a 3, b 3, a 4, b 4。 (3) 设垂准仪距A坐标板的距离为45米，距E坐标板的距离 为5 米。距离之差等于40米。按下式计算四各

4、方位的观测值之差 Si= (a. i_b i) , S 2= (a 2_b 2)， S3二(a 3_b 3) ,S4二(a 4_b 4)。 2 测量模型的建立 计算垂准仪激光轴的一测回铅垂度测量值，以秒为单位, 取四各方位的平均值得到垂准仪激光轴的铅垂度 (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个方位 400000 表示A,B直角坐标板距垂准仪的距离差 (mm 利用激光垂准仪测设铅垂线时，需要在四各方位上观测，构成 一个完整的测回。实际作业时，需要测定的测回数，根据精度的要求决 定。 在

5、激光垂准仪的 校准中，需要重复测量10个测回。计算激光 垂准 仪激光轴的铅垂度。以提高校准的精度。 垂准仪激光轴的铅垂度的校准值 10 S=(、Q)/10 一(2) 1 上式是提供给客户的校准结果. 3方差和传播系数 3. 1 (a)的传播系数Ca 将式代人式得： 10p S= (Q)/10 =(a ib i) + (a 2_b 2)+ (a 3_b 3) + (a 4_b 4) 1 14 汇 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，激光垂准仪的铅垂度 S是10个测回的4个方位的观测 值的代数和的平均值。这些观测值都是独立的观测值，可以认为是近似 等精度的观测值，设它们的标准不确定度相等，用u (a) 表示。上式写成方差形式 u 2(S) = ()2 ( 8 Ou2(a) 40 40000 u (S)= 1 . 153 u (a) (3) 4. 不确定度分量的评定 4. 1不确定度分量评估 由垂准仪激光轴的铅垂度的校准方法分析，影响铅垂度校准 的不确定度来源有以下几项： (1) .安置A,B两块直角坐标板位于同一水平面误差引入的标 准不 确定度分量； (2) 五角棱镜的入射光与出射光的垂直度误差引入

7、的标准不确定 度分量； (3) 激光光斑形状不规则引入的 标准不确定度分量； (4) 直角坐标板读数误差引入的不确定度分量； (5) 垂准仪 自动安置误差引入的标准不确定度分量； (6) 垂准仪的激光轴与竖轴的同轴度引入的标准不确定度 分量; (7) 垂准仪至直角坐标板之间的距离测量误差引入的标准 不确定度分量 4. 2.标准测量不确定度分量的计算 4. 2.1安置A,B两块直角坐标板位于同一水平面的测量误差引入 的标准 不确定度分量Ui (a) 用S1级水准仪安置直角坐标板位于同一水平面的过程，实际上就是 用水准仪测量直角坐标板中心位置的高差，所以，安置误 差是水准仪测 站单次高差的测量标准

8、偏差。根据水准仪检定规程JJG425-2003的规 定，S1级水准仪的测站单次高差的标准差不超 过0.08 mm。将此值估计 为直角坐标板中心位置的高差的标准不 确定度， u (a)=0. 08 mm 4. 2. 2.五角棱镜的入射光与出射光垂直度误差引入的标准不确定 度分量U2 (a) 根据有关资料，五角棱镜的垂直度的误差不超过1秒。若按该 值为半宽的均匀分布估计，其标准不确定度为 u2 (a) = 1 3 当垂准仪至坐标板的距离为50m时，以毫米表示 u2 (a) = 1 彳 厂泊 50000206265= 0. 14 mm 423激光光斑形状不规则引入 的标准不确定度分量us (a)激光

9、垂准仪 的激光束投射到直角坐标板上，形成的光斑的形状一般是不规则的，因 此用光斑的中心位置在直角坐标板上读数会产 生误差，根据实际经验，估计这项误差最大不超过0.5mm,设这 项误差为半宽等于0.5mm的均匀分布，故由激光光斑形状不规则 引入的标准不确定度 比) = 0. 5/ 3 二 0. 29mm 424. 由直角坐标板读数误差引入的不确定度分量u4 (a) 规范规定直角坐标板的格值最大应不超过1mm,小于1mm的值 只能估读，因为是以激光的光斑估读，误差大一些，设室外校准 时的估 读误差为格值的1/4,则估读误差等于 0.25mm,设其在半 宽区间内为均匀分布，故：， u4 (a) =

10、0. 25/ 3=0. 14mm 425. 垂准仪自动安置误差引入的不确定度分量山(a) 自动补偿式垂准仪自动安置误差为0.5，当垂准仪至坐标板的距 离h二50m时则由此引起的测量误差为 50000 X 0. 5 / 206265 设以该值为半宽的均匀分布，故： Us (a) = 50000 0.5/206265/、3 =0. 07mm 4. 2. 6垂准仪的激光轴与竖轴的同轴度的误差引入的标准不确定 度分量Ue (a) 这项误差可以用垂准仪照准部旋转 180的方法，观察激光轴 是否指向一点，判断两轴是否同轴，若不同轴，进行校正。规范 要求同轴度误差不超过2秒，按均匀分布 估计，标准不确定度

11、比=2/ , 3/ 206265 X 50000=0. 28mm 427垂准仪至直角坐标板之间的距离测量误差引入的标准不确 定度分量u7 (a) 实际作业中，坐标板至垂准仪的距离用钢卷尺测量到毫米，相 对几十米的距离，相对误差很小，所以对垂准仪的激光轴铅垂度 校准影响，可以忽略不计。u7(a) =0 5合成标准不确定度计算 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 将上式的数据代入(3)式 u (S)=l. 153 X u (a) =1. 153 X 0. 46=0. 53