水准器的灵敏度及其影响因素

1、科 学 技 术 与 工 程science technology and engineeringvol. 11 no. 10 apr. 2011 2011 sci. tech. engng.第 11 卷 第 10 期 2011 年 4 月1671 1815( 2011) 10-2290-04地球科学水准器的灵敏度及其影响因素 刘宗林( 陕西交通职业技术学院公路系，西安 710018)摘 要 水准器的精度主要取决于它的格值，水准器的格值与圆弧半径成反比。格值小的水准器灵敏度高，但是相同格值的水准器其灵敏程度也可能不相同。分析了影响水准器灵敏度的因素，得出了气泡长度是影响水准器灵敏度的重要因素，并给

2、 出了提高水准器灵敏度的一些行之有效的方法。关键词 水准器中图法分类号格值灵敏度置中精度p224 1;文献标志码b水准器的灵敏度是指将水准器缓慢地倾斜，当静止的气泡开始移动并为观察者肉眼能够觉察时， 水准器所倾斜的角度1。圆弧所做的切线 ll，称为水准器轴，它与通过 o 点的铅垂线 oo 垂直。1水准器的用途水准器用来指示仪器的某一轴线处于水平或 铅垂位 置，如水准仪就借 助于它将望远镜视线安 平; 经纬仪就借助于照准部上的水准器将竖轴安放至铅垂位 置 等 等。水准器也用来精确地测量微小 倾角，如经纬仪横轴倾斜角的测量。水准器在大型 及精密机械设备安装中使用也相当广泛，如精密圆刻线机的安 装、

3、大 型发电机主轴的安装、矿 井 大 型提升机主轴的安装等等。图 1 水准蒸气泡封口为了指示气泡的位置，在玻璃管上均刻有分划线，格宽一般均为 2 mm。水准器的格值: 每一格分划( 2 mm) 所对应的圆 弧角为:2水准器的结构原理n = o o 2 ( 1) = r r目前水准器均用玻璃管将其内壁研磨成一定 曲率，里面填 充 精 馏乙醇或乙醚等，在 封 口 前 内 腔 形成一气泡，如图 1 所示。在水准器中点 o 对管内式( 1) 中: r 为圆弧半径，单位: mm。格值( 角值) n 也可理解为气泡移动 2 mm 时，水准器所倾斜的角度值。它 与 r 成 反 比。从 几 何尺寸来讲，r 值是

4、水准器精度的决定因素，当 = 1时 r = 412 530 m，当时 r = 0 115 m。2010 年 12 月 29 日收到，2011 年 1 月 6 日修改陕西省交通科技项目( 2008-20k) 资助3灵敏度与气泡长度的关系水准器的灵敏度是指当气泡产生 0 2 mm( 0 1格) 位移 时，水准器倾角的变化 量2。气 泡 长 度 是 影响灵敏度的重要因素。气泡在玻璃管内移动时， 必须克服液体对管壁的附着力，只有当气泡两端的 压力差大于其附着力( 此附着力取决于玻璃管内工 作面的光洁度，清洁度以及液体的物理性质和纯洁 度) 时，气泡才会移动。如图 2 所示，当格值相同但 气泡长度 不

5、同 的 水 准 器，均 倾 斜 时，长 度 较 长( l2 l1 ) 的气泡，两端压力差就较大。压力差可用 气泡两端的高差 h2 和 h1 近似表示。压力 差 越 大，气泡就越容易产 生 移 动，灵 敏 度 就 越 高34。对 一 个质量良好的水准器( = 16) ，用不同的气泡长度， 在相同的外界条件下进行试验，得出气泡长度与置 中误差的关系如表 1 所示。图 2 气泡移动随之降低。温度对于气泡长度影响的大小，取决于管内气体和液体的比例。液体越多，温度变化对气5泡长度的 影 响 就 越 大。对格值不同的水准器进 行了实际测定，其结果如表 2 所示。表 2 温度与气泡长度的关系水准管格值 /

6、( )510152030温度变化 1 时气泡长度变化量 / mm1 00 80 60 50 4又如，格值为 16的水准器，当温度在 030 时，气泡长度由 25 格缩短为 17 格，即气泡长度缩短 了 8 格，16 mm，置中误差 增 大 了 约 50% 。可 见，温 度可使水准器中的气泡长度产生明显的变化，特别 是格值较小的高精度水准器，气泡长度的改变可使 水准器的精度显著降低。尽可能地减少液体，以改变管内液体与气体的表 1气泡长度与置中误差气泡长度 / 格410162029气泡置中误差 / ( )1 40 60 40 30 2从表 1 可以看出，气泡置中误差 m 中 与气泡长度 l气 成反

7、比，可用一近似经验公式表示。k( 2)m 中 = l5比例是提 高 水 准 器 灵敏度的途径之一 。制 造 水准器时，玻璃 管 两 端 的 封 闭，一般采取传统的烧封 闭方法。在烧封的过程中，两端内壁的曲率半径将 发生 变 化，并 形 成“无 用 区 段 ”，一 般 每 段 有 35 mm长。当气泡长度( 40 + 60 的平均长度)气式( 2) 中 k 为随格值变化的系数，当 = 16 时，k =6。气泡长度是受水准管长度限制的。由于制造和安 装方面的原因，水准器两端部分的长度是不能工作的， 因此气泡长度一般只是水准器全长的 1 /41 /3。为水准器总 长 的 1 /3 时，水准器腔内液体

8、占 93% ，气泡( 即气体) 仅 占 7% ，为 缩 短“无 用 区 段”，可 采用胶合式水准器，也称多部件水准器，如图 3 所示。4气泡长度与温度的关系采用 这 种 结 构，可 使 气 泡所占的体积由 7% 增 至科学技术与 工 程11 卷2292通过符合棱镜观察的水准器为m中 = 25( 4)若符合棱镜系统中装有放大镜时，则图 3 多部件水准器 m中= 25( 5)式( 5) 中; 放大镜的放大倍数，一般小于 3 倍。符合棱镜系统通常由 3 个棱镜组成，除了一个 直角棱境外，还有两个具有 23 个反射面的对称的 多面 棱 镜。对于带有符合棱镜的水准器，m中 就 是 气泡符合 的 精 度。

9、上述经验公式一般只能作为参 考，必要时可实际测量之。6结语图 4 变化情况图这种胶合式水准器两端的钢制密封零件，同时也就是水准 器 的 安 放 机 架，可不用石膏加以固定， 省下了埋在石膏中两端的那段长度，也就缩小了水 准器的尺 寸6。关 键 的 问题在于使用牢固耐用的 胶合剂，使它不致因受到乙醇和乙醚长时间泡蚀而 开胶。目前国外如威特厂等已采用了此种水准器。为了减少 温 度 的 影 响，除 结 构 上 改 进 外，在 野 外作业过程中，也要尽可能避免环境温度变化的不 良影响。因此，在强阳光下作业，必须打伞，否则会 使水准器气 泡 缩 短，灵 敏 度 降 低，气泡还会向热的 一端移动，直接影响

10、所测成果的质量。本文指出了影响水准器灵敏度的因素有: 气泡长度，外界温度，玻璃管内工作面的加工光洁度，液 体的物理 性 质 和 纯 洁 度 等。给出了提高水准器灵 敏度的一些行之有效的方法，同时指出了在野外作 业过程中要尽量打伞，以减少温度对气泡灵敏度的 影响。参 考 文 献123苏瑞祥 大地测量仪器 北京: 测绘出版社，1979; 9赵德庆 测量仪器检修 北京: 煤炭工业出版社，1975; 4 中华人民共和国国家测绘总局 国家水准测量规范 北京: 测绘 出版社，1974; 12中华人民共和国国 家 测 绘 总 局 g7352 国家三角测量和精密导 线测量规范 北京: 测绘出版社，1975;

11、1周丙申 光电大地测量仪器学 中国矿业大学出版社，1993; 1245水准器的置中精度56测量仪器中的水准器一般是用作安平的指示 器，它的安平能力就成为衡量水准器工作精度的主 要指标。显然，水准器的灵敏度直接影响着水准器 的安 平 能 力。试 验 表 明，水准器的置中中误差 m中主要与格值 有关，此外还取决于观察的方式6。直接观察或通过反光镜观察水准气泡居中时， 置中精度为英m a r 库珀著 现代经纬仪与水准仪 北京: 测绘出版社，1985; 9m中= 0 10 15( 3)the standard of sensitivity and its influence factorsliu zo

12、ng-lin( department of highway，shaanxi college of communication and technology，xian 710018，p r china )abstract standards of accuracy should mainly depend on its space values and standards of space value and cir-cles radius in all the value of the level of sensitivity high，but the same space of the va

13、lue of its sensitivity of the degree might vary the influence of the sensitivity of the standard of factors is analysed the bubbles length is an important factor in the extreme level ，and gives a higher level of the sensitivity of this methodkey words standardspace valuesensitivityput in precision檸檸

14、檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸( 上接第 2270 页)泮斌峰 空天飞行器闭环制导理论与应用研究 西安: 西北工业大学学位论文，2010蒋长锦 科学计算和 c 程序集( 新一版) 北京: 中国水利水电出版社，2010910rapid ascent trajectory generation of suborbital launch vehicleyan hai-jiang，tang shuo* ，pan bin-feng( college of astronautics，northwestern polytechnical univer

15、sity，xian 710072，p r china)abstract mission diversity and short preparation time are the main features of suborbital launch vehicletherefore，it is very important for its mission completion to generate an optimal trajectory aiming at the limitations of the traditional ascent trajectory design method，

16、such as spending too much time and poor adaptability，the slv ascent rapid trajectory generation based on optimal control theory is studied the performance index is minimum fu- el consumption the angle of attack，sideslip angle and bank angle are treated as control variables to derive the op- timal conditions by adopting the classical finite difference method，the two-point boundary value problem represen- ted by derivative equations of states and costates