控制测量之光学经纬仪及其检验

第三章经纬仪、测距仪及其检验

【问题提出】本章要解决两个问题：介绍经纬仪、测距仪的基本结构和几种常见仪器分析仪器可能产生的误差并找出误差消除减弱和检验方法§3－1经纬仪的基本结构一、水平角和垂直角水平角

(Hz)定义：两视准线在水平面上的投影线（即水平视线）构成的角度。范围：0～360o

顺时针量取垂直角(V)定义：视线与相应水平面的夹角。范围：－90～＋900

上正下负补充：垂直角与天顶距之间的关系为：α＝900－Z二、经纬仪的基本结构及其相互关系

基本结构

望远镜：构成视准轴，放大影像，精确照准

垂直轴：照准不同方位的目标

水平轴：照准不同高度的目标

垂直度盘：量度垂直角

水平度盘：量度水平角

照准部水准器：引导垂直轴

指标水准器：引导垂直度盘读数指标

读数棱镜与测微器：读定度盘读数

基座：垂直轴套、调平仪器的脚螺旋、§3－1经纬仪的基本结构二、经纬仪的基本结构及其相互关系主要部件的相互关系（三轴正确，两盘垂直）垂直轴与照准部水准器轴垂直水平轴应与垂直轴正交视准轴应与水平轴垂直垂直轴与水平度盘正交，且同心水平轴与垂直度盘正交，且同心当指标水准器气泡居中时，垂直度盘的读数指标必须水平或垂直

经纬仪分类：读数方式分类：游标经纬仪、光学经纬仪、电子经纬仪测量精度分类：

J05、J1、J2、J6。三、望远镜和水准器（一）

望远镜1．

望远镜的作用(1)

放大目标(2)

精确照准2．

望远镜的结构

由物镜、调焦透镜、十字丝板、目镜

组成目标照准的标准：

从目镜中看到十字丝中心与目标影像一致。3．

视差的产生与消除视差：由于目标影像面与十字丝面不一致，使两者相对位置随人眼位置而变化，这种现象称为视差。视差的产生原因目标影像与十字丝板的相对位置不正确视差的消除①

望远镜指向天空，调节目镜，使十字丝清晰②

将望远镜指向目标，调节调焦透镜，使目标清晰，稍改变眼睛位置，若目标像与十字丝相对位置不变即可。三、望远镜和水准器三、望远镜和水准器（二）、

水准器1．

管状水准器（1）结构：

管内：冰点低、流动性强、附着力小的液体管壁：玻璃管，腰鼓状曲面，刻有分划线固定：金属框架，透明罩，校正螺旋两轴：

水准轴和水准器轴（2）

整平

整平的概念

仪器安置完毕之后，调节角螺旋使水准气泡居中，于是水准器的两轴重合，这个过程称“整平”。

整平后的效果

气泡在各个方向都已居中，垂直轴与测站铅垂线一致，垂直于测站水平面。

符合棱镜的概念

使气泡便于观察并提高置中精度三、望远镜和水准器2．

圆形水准器精度：比管状水准器低，用于概略整平结构：上部：球冠面，有同心分划圆下部：带分咀的玻璃座外部：金属底壳3．

水准器的格值、灵敏度（1）水准器的格值

定义：相邻分划线形成的一格宽度所对应的圆心角值

表示：

τ＝t/R

τ"=t

ρ"/R其中：τ：格值；

t：格值宽度；

R：圆弧半径；

ρ：常数；当t=2mm，ρ＝206265“

时，

τ”=412.53“/R(m)，T3仪器τ”=5－8“,T2τ”=20’’

（2）

水准器的灵敏度定义：气泡产生可以查觉的最小位

移时，水准器轴倾斜变化的角值表示：气泡移动0.1格的角值比较：圆水准器

<管状水准器tRτ几个重要概念：水平角、垂直角、视差、整平几个重要问题：1、经纬仪的基本结构及其相互关系

2、望远镜的作用

3、视差的产生与消除

4、水准器的格值四、光学经纬仪水平度盘及光学系统

水平度盘（T3,T2)构成：经纬仪水平度盘由厚6mm,直径 140/90mm的光学玻璃制成，刻划精度：经纬仪水平度盘全周刻划3600，每度注记，顺时针增值。每度分15/3等份，每份宽度为

T3为0.078毫米，刻划值为4//20/光学系统：由照明、光学度盘、光学读数、光学测微器等构成。蔡司010光路图WildT3光路图

§3－2光学测微器读数方法及电子测角原理

2.

光学测微器的原理

双平行玻璃板：平行移动量与入射角相关，垂直入射时，移动量为零；视线随之发生平移，这样可测取不足一个整分划的值。双光楔测微器：光楔角相等，相互倒置，光楔组可使光偏转，量值相同，方向相反，视线随之发生平移。一、光学测微器及其原理1．测微器的分类双平行玻璃板测微器：T3、T2、J05双光楔测微器：蔡司010、苏光J21681682016840169指标1681682016840169指标aa168020/+a3.平行玻璃板测微原理转动测微轮两平行玻璃板作相对等量转动，分别来自正倒度盘对径分划影像作等量相对移动。当对径分划线重合时，测微盘转到一定分划位置，其读数K就是所需要测量的微小量值。设计T3正倒度盘对径分划影像相对移动一格，测微器（盘）转动了60大格600小格；而T2相对移动一格，测微器（盘）转动了600小格。4.双光楔测微原理双光楔行粘合在一起时，等效为一块平行玻璃板，对垂直入射面的光线不移动一光楔固定，另一光楔沿光线方向前后移动，则光线平移量

p与光楔移动量成正比。双光楔由直线运动导致光线平移。转动齿轮，齿条、双移动光楔和测微尺沿光线方向移动，分别来自正倒度盘对径分划影像作等量相对移动。当对径分划线重合时，测微尺移动到一定分划位置，其读数K就是所需要量测的微小量值。5.重合读数法转动测微轮，使度盘对径分划影像作相对等量移动，采用正倒分划影像重合进行读数的方法，称为重合读数法，相当两次指标读数取平均值。6.测微盘的格值T3测微盘的一大格的格值：2”

（T2仪器：1”）T3测微盘的一小格的格值：0.2”

（T2仪器：0.1”）

73°27’59.6”

5度4分分划与指标重合得到a值:5°04’29.3g185度4分分划与指标重合得到b值:5°04’28.9g

测量结果：5°04’58.2”

“平均效应”：重合读数法的自动取中数。7.特例说明指标线

可以不设置度盘分划线，蔡司010的度盘读数视窗内无指标线。T2仪器读数

T2仪器读出格值以角秒为单位，无需乘2。指标线不在中央，或无指标线正倒像重合后，直接读出两分划线之间的格数，然后乘以格值的一半（2’），便是正确的分读数。No

和（N＋180）o分划线在度盘视窗内没有出现时等于两度相应的分格数（T3为30格）减去（N＋1）o

和（N＋1＋180）o之间的分格数。8.读数程序归纳转动测微螺旋，使靠近指标线的正倒分划像精密重合；读出靠近指标线（视场中央）左侧正像分划的度数No；读出No

和（N＋180）o之间的分格数n，乘以其分格值之半：G/2，得到“分”读数：n×G/2；读出测微盘的秒数C”。一般读数公式：对于任一种精密光学经纬仪均适用，只是度盘和测微器格值可能不同。二、电子测角原理电子经纬仪与光学经纬仪不同之处，在于用数字显示来代替目视读数，采用的是电子测角技术，故又称电子数字经纬仪。它由光学器件、机械器件、电子传感器和微处理机等构成。其轴系、望远镜、制微动机构的构造与光学经纬仪相同，用电子传感器来代替普通经纬仪的读数指标，通过摸拟数字转换方法，从度盘上取得电信号，再把电信号转换成角度由显示器输出。从总体上看，根据度盘是否转动分为动态测角和静态测角两类；根据度盘刻制方式不同又可分为编码度盘测角和光栅度盘测角两种。这里将对模拟数字转换方法的原理作介绍，主要介绍编码盘、光栅盘测角读数基本原理。

图为纯二进制编码盘，在度盘全周分成16个区，每个区中黑色部分为不透光区，用逻辑“1”表示，白色部分为透光区，用逻辑“0”表示。度盘圆周上刻有四层环道，称为四码道度盘。称为四码道度盘。沿径向由里向外可读出四位二进制数，表为各区所对应的编码，如第9区读数为1001，相应的读数为202030/。

1、编码度盘测角

编码度盘为绝对式度盘，即度盘的每个位置与经纬仪一样，都可以读出相应的度、分数值。区间编码方向值区间编码方向值00000

81000

1000122309100120230200104530101010225003001160301110112473040100900012110027000501011123013110129230601101350014111031500701111573015111133730码盘的读数是通过图的光电装置实现的。沿径向在四个码道上面分别装四个发光二极管作为光源，在码盘下面相应位置上装四个接收二极管。光源发出的光，通过码道产生透光和不透光的信号。透光信号被光电管接收输出为0，不透光信号输出为1。图中为通过第9区码盘时的情况，输出信号为1001。测角时根据两方向所反映电信号的不同，就可算出其间的夹角。

2光栅度盘测角①

光栅度盘在光学玻璃度盘上均匀地沿径向刻有等间隔的格线构成光栅度盘，见图。光栅上没有绝对度数.测角时要测定两方向间累加的光栅数，因而，该法称为增量式测角方法。光栅栅距一般较小，80mm直径的度盘上刻有5000条刻划，即每1mm范围内刻20条线，其栅距相应的分划值为4.32/。为提高测角精度，可采用莫尔条纹技术测微

②莫尔条纹技术用两块刻划宽度一样的光栅相叠，其中一块称移动光栅，一块为指示光栅，并

使其刻线相交一微小夹角，这样就可以看见明暗相间的条纹，称为莫尔条纹，见图。当移动光栅横向移动一个间距，莫尔条纹就下下移动一段，显然即莫尔条纹的纹距比栅距放大了θ倍，当θ=20/，则可放大172倍。光栅度盘测角原理见图，指示光栅、接收管、发光管位置固定。当度盘随照准部转动，度盘上的分划相当于移动光栅，光栅度盘通过一条格线时，光强就由暗到明，再由明到暗，光电流变化为一个正弦周期。若在光电流一周内均匀插1000个脉冲，相当于光栅刻划提高了1000倍，从而提高了角分辨能力。

③正弦内插测微技术用编码度盘或光栅度盘时，为提高度盘分辨率，就要增加码道或格线数，但这种增加是有限度的。为此，可在度盘格线中进行内插，以提高度盘分辨率，正弦缝隙内插就是一种精密测微技术。若度盘全周有n个分划，在度盘上相应地刻上n个相同的正弦缝隙。每个正弦图形的零点都是已知的。图表示一个正弦图形，两曲线间的部分为通光区，阴

影部分为遮光区，a、b、c、d为4个指标光电管，其间隔均为1/4正弦波长。若能求得指标在正弦波中的相位，就能算得指标距离度盘刻线间的角值，从而达到内插目的。四个光电管受正弦图形的影响，其光照面积各不相同，从而产生不同的光照电流，见图，根据4个指标测得电流，就能算得相应值。若测定的相位计能把正弦刻缝按1000等分，测角分辨率就提高了1000倍。

一、

垂直度盘1．问题提出：水平视线在实地无照准参照物。2．问题解决：加装指标水准器，并调整系统结构。3．调整过程：（1）

将水准器与读数指标固联，且水准器轴与指标正交或平行目的：取得水平视线的位置

效果：水准器轴水平时，指标处于垂直(水平）位置（2）

将垂直度盘与水平轴一端固联，水平轴与垂直度盘正交，且同心。目的：读出垂直度盘读数并计算出垂直角4.指标差：指标的实际位置与理论位置之差称为指标差。

§3－3垂直度盘及垂直角计算§3－3垂直度盘及垂直角计算5.举例说明：T3仪器的垂直角测定系统结构安置：

T3仪器的读数指标是竖立安置的,其作用是与水平安置是一样的。

注记方式：它采用对称注记的注记方式：对径分划的注记相同。注记格值：实际角度为140o的度盘周边上，注记则是55～125（70度），即实际的2o间隔注记仅为1o。每度分为15格，即每格4’，而实际上是8’。望远镜视准轴与度盘90o对径分划正交。二、

垂直角和指标差的计算设度盘的零分划线与视准轴平行，并靠近分划注记为

55的一端，L0、R0

：盘左、盘右的正确读数

L、R：盘左、盘右的实际读数I：按度盘注记计量的指标差

左、

右：盘左、盘右的垂直角值

I：实际指标差

：计算出的垂直角

设指标差的实际读数比正确读数大时，I为正，有：

L0=L-IR0=

R-I考虑到度盘的分划注记值为实际大小的一半，所以在角值表达式前面乘以2，才是盘左、盘右的垂直角值。§3－3垂直度盘及垂直角计算盘左90551251255590二、

垂直角和指标差的计算

垂直角计算可以直接写出盘左的垂直角值表达式：

（1）纵转望远镜重新照准目标时，指标将绕垂直轴转1800，盘右的垂直角值表达为：

（2）取的中数作为垂直角的观测结果，故垂直角的计算公式为：说明