激光垂准仪铅垂测量结果的不确定评定

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。本文建议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度的校准方法激光垂准

2、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，并且使垂准仪靠近某一块坐标板。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数之差，就可计算垂

3、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 的节相似。（ 1）. 假设两块坐标板的编号为A 和 B。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 a1, 然后照准 B 板，读出坐标值 b1 . 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 B 坐标板的距离为 5 米。距离之差等于 40 米。按下式

4、计算四各方位的观测值之差S1=(a 1-b 1) ， S 2=(a 2-b 2) ， S3=(a 3-b 3) ，S4=(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Q=(a 1-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a3-b 3)+ (a4-b 4)-（ 1）440000式中 2062654-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。在激光垂准仪的校准中， 需

5、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S=(10Q)/10 -(2)1上式是提供给客户的校准结果.3 方差和传播系数3.1u 2 (a) 的传播系数ca将式（ 1）代人式（2）得：10（ (a 1-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a3-b 3)+ (a 4-b 4) ） 1S=(Q)/10 =4140000+（ (a 1-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a 3 -b 3)+ (a 4-b 4) ）2 +(a 1-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a 3-b 3)+ (a 4-b 4) ） 10)/10分析上式，激光垂准仪的

6、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)=(40000) 2 ( 0u2(a)40u (S)= .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

7、；（ 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u1 ( 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.

8、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，u1 (a)=0.08 mm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) 13当垂准仪至坐标板的距离为50m 时，以毫米表示u2 (a) = 1500002062650.143激光光斑形状不规则引入的标准不确定度分量u3 (a )激光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

9、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u3 (a) = 0.5 /30.29mm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) = 0.25/3=0.14mm垂准仪自动安置误差引入的不确定度分量u5 ( 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 50m 时则由此引起的测量误差为50000× 0.

10、5 206265设以该值为半宽的均匀分布，故：u5 (a)500000.5 / 206265 /3 =0.07mm4.2.6 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u6 (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u6 ( a) =2/3 / 206265× 50000=0.28mm4.2.7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，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相5 合成标准不确定度计算由得：22222u2 (a) u12 ( a) u2 (a) u3 ( a) u4 (a) u5 ( a) u6 (a)2=0.213u (a) 0.0820.1420.2920.2920.0720.282u( a)0.46mm将上式的数据代入（3）式u (S)=1.153× u （a） =1.153 × 0.46=0.53 mm6