经纬仪的原理与使用Word下载.docx

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（二）读数方法：

最常见的读数方法有分微尺法、单平板玻璃测微器法和对径符合读法。

下面分别说明其构造原理及读数方法。

　　1．分微尺法

　　分微尺法也称带尺显微镜法，多用于DJ6级仪器。

由于这种方法操作简单，不含隙动差，其应用日广。

如国产的TDJ6，LeicaT16等都采用这种方法。

　　这种测微器是一个固定不动的分划尺，它有60个分划，度盘分划经过光路系统放大后，其1°

的间隔与分微尺的长度相等。

即相当于把1°

又细分为60格，每格代表1′，从读数显微镜中看到的影像如书图3－6所示。

图中H代表水平度盘，V代表竖直度盘。

度盘分划注字向右增加，而分微尺注字则向左增加。

分微尺的0分划线即为读数的指标线，度盘分划线则作为读取分微尺读数的指标线。

从分微尺上可直接读到1′，还可以估读到0.1′。

图3－6中的水平度盘读数为215°

07.3′。

2．单平板玻璃测微器法（简单介绍）

3．对径符合读法（介绍）

三．经纬仪的使用

（一）安置经纬仪在测量角度以前，首先要把经纬仪安置在设置有地面标志的测站上。

所谓测站。

即是所测角度的顶点。

安置工作包括对中、整平两项。

　　1．对中

　　在安置仪器以前，首先将三脚架打开，抽出架腿，并旋紧架腿的固定螺旋。

然后将三个架腿安置在以测站为中心的等边三角形的角顶上。

这时架头平面即约略水平，且中心与地面点约略在同一铅垂线上。

　　从仪器箱中取出仪器，用附于三脚架头上的连结螺旋，将仪器与三脚架固连在一起，然后即可精确对中。

　　根据仪器的结构，可用垂球对中，也可用光学对中器对中。

垂球对中（简单介绍）

如果使用光学对中器对中，可以先用垂球粗略对中，然后取下垂球，再用光学对中器对中。

但在使用光学对中器时，仪器应先利用脚螺旋使圆水准器气泡居中，再看光学对中器是否对中。

如有偏离，仍在仪器架头上平行移动仪器，在保证圆水准气泡居中的条件下，使其与地面点对准。

如果不用垂球粗略对中，则一面观察光学对中器一面移动脚架，使光学对中器与地面点对准。

这时仪器架头可能倾斜很大，则根据圆水准气泡偏移方向，伸缩相关架腿，使气泡居中。

伸缩架腿时，应先稍微旋松伸缩螺旋，待气泡居中后，立即旋紧。

因为光学对中器的精度较高，且不受风力影响，应尽量采用。

待仪器精确整平后，仍要检查对中情况。

因为只有在仪器整平的条件下，光学对中器的视线才居于铅垂位置，对中才是正确的。

　　2．整平

　　经纬仪整平的目的，乃是使竖轴居于铅垂位置。

整平时要先用脚螺旋使圆水准气泡居中，以粗略整平，再用管水准器精确整平。

由于位于照准部上的管水准器只有一个，如图3－10所示，可以先使它与一对脚螺旋连线的方向平行，然后双手以相同速度相反方向旋转这两个脚螺旋，使管水准器的气泡居中。

再将照准部平转90°

，用另外一个脚螺旋使气泡居中。

这样反复进行，直至管水准器在任一方向上气泡都居中为止。

在整平后还需检查光学对中器是否偏移。

如果偏移，则重复上述操作方法，直至水准气泡居中，对中器对中为止。

（二）照准目标

1．水平角观测时，应尽量照准目标的底部。

当目标较近时，成像较大，则用单丝平分目标；

当目标较远时，成像较小，则用双丝夹住目标或用单丝与目标重合。

2．竖直角观测时，应用中横丝照准目标顶部或某一预定部位。

（三）读数或置数

1．读数：

按照先前介绍的读数方法进行。

2．置数：

照准需要的方向，使水平度盘读数为某一预定值叫做置数。

具体方法是：

先照准后置数。

照准目标后，打开度盘变换手轮保险装置，转动度盘变换手轮，使度盘读数等于预定读数，然后，关上变换手轮保险装置。

§

3－4水平角和竖直角的观测

一．水平角观测

一）测回法测水平角

　　当所测的角度只有两个方向时，通常都用测回法观测。

如图3－1示，欲测OA、OB两方向之间的水平角∠AOB时，在角顶O安置仪器，在A、B处设立观测标志。

经过对中、整平以后，即可按下述步骤观测。

图3－1

（1）将复测扳手扳向上方。

松开照准部及望远镜的制动螺旋。

利用望远镜上的粗瞄器，以盘左（竖盘在望远镜视线方向的左侧时称盘左）粗略照准左方目标A。

关紧照准部及望远镜的制动螺旋，再用微动螺旋精确照准目标，同时需要注意消除视差及尽可能照准目标的下部。

对于细的目标，宜用单丝照准，使单丝平分目标像；

而对于粗的目标，则宜用双丝照准，使目标像平分双丝，以提高照准的精度。

最后读取该方向上的读数

（2）松开照准部及望远镜的制动螺旋，顺时针方向转动照准部，粗略照准右方目标B。

再关紧制动螺旋，用微动螺旋精确照准，并读取该方向上的水平度盘读数

盘左所得角值即为：

以上称为上半测回。

　　（3）将望远镜纵转180°

，改为盘右。

重新照准右方目标B，并读取水平度盘读数

然后顺时针或逆时针方向转动照准部，照准左方目标A。

读取水平度盘读数

，则盘右所得角值

以上称为下半个测回。

两个半测回角值之差不超过规定限值时，取盘左盘右所得角值的平均值

，即为一测回的角值。

根据测角精度的要求，可以测多个测回而取其平均值，作为最后成果。

观测结果应及时记入手簿，并进行计算，看是否满足精度要求。

　　手簿的格式见实习手簿。

值得注意的是：

上下两个半测回所得角值之差，应满足有关测量规范规定的限差，对于DJ6级经纬仪，限差一般为30″或40″。

如果超限，则必须重测。

如果重测的两半测回角值之差仍然超限，但两次的平均角值十分接近，则说明这是由于仪器误差造成的。

取盘左盘右角值的平均值时，仪器误差可以得到抵消，所以各测回所得的平均角值是正确的。

　　两个方向相交可形成两个角度，计算角值时始终应以右边方向的读数减去左边方向的读数。

如果右方向读数小于左方向读数，则应先加360°

后再减，例如表3－1中

＝11°

23′20″+360°

－298°

47′00″＝72°

36′20″。

若用298°

47′00″－11°

23′20″＝287°

23′40″，所得的则是∠AOB的外角。

所以测得的是哪个角度与照准部的转动方向无关，与先测哪个方向也无关，而是取决于用哪个方向的读数减去哪个方向的读数。

在下半测回时，仍要顺时针转动照准部，是为了消减度盘带动误差的影响。

二）方向观测法测水平角

　　当在一个测站上需观测多个方向时，宜采用这种方法，因为可以简化外业工作。

它的直接观测结果是各个方向相对于起始方向的水平角值，也称为方向值。

相邻方向的方向值之差，就是它的水平角值。

　　如图3－2所示，设在O点有OA、OB、OC、OD四个方向，其观测步骤为：

图3－2

（1）在O点安置仪器，对中、整平。

（2）选择一个距离适中且影像清晰的方向作为起始方向，设为OA。

　　（3）盘左照准A点，并安置水平度盘读数，使其稍大于0°

，用测微器读取两次读数。

　　（4）以顺时针方向依次照准B、C、D诸点。

最后再照准A，称为归零。

在每次照准时，都用测微器读取两次读数。

　　（5）倒转望远镜改为盘右，以逆时针方向依次照准A、D、C、B、A，每次照准时，也是用测微器读取两次读数。

这称为下半测回，上下两个半测回构成一个测回。

　　（6）如需观测多个测回时，为了消减度盘刻度不匀的误差，每个测回都要改变度盘的位置，即在照准起始方向时，改变度盘的安置读数。

为使读数在圆周及测微器上均匀分布，如用DJ2级仪器作精密测角时，则各测回起始方向的安置读数依下式计算：

式中

——总测回数；

——该测回序数。

　　每次读数后，应及时记入手簿。

手簿的格式见实习手簿。

数据整理：

表中4、7两栏横线上下分别为盘左、盘右时的两次测微器读数。

5、8两栏为两次读数的平均值。

第9栏为同一方向上盘左盘右读数之差，名为2c，意思是二倍的照准差，它是由于视线不垂直于横轴的误差引起的。

因为盘左、盘右照准同一目标时的读数相差180°

，所以

第10栏是盘左盘右的平均值，在取平均值时，也是盘右读数减去180°

后再与盘左读数平均。

起始方向经过了两次照准，要取两次结果的平均值作为结果。

从各个方向的盘左盘右平均值中减去起始方向两次结果的平均值，即得各个方向的方向值。

　　为避免错误及保证测角的精度，对各项操作都规定了限差。

方向观测法的限差

仪器

型号

光学测微器两次重合读数之差

半测回归零差

各测回同方向

值互差

各测回同一方向值互差

1″

6″

9″

3″

8″

13″

10″

18″

24″

二．竖直角观测

一）竖盘的构造

为测竖直角而设置的竖直度盘（简称竖盘）固定安置于望远镜旋转轴（横轴）的一端，其刻划中心与横轴的旋转中心重合。

所以在望远镜作竖直方向旋转时，度盘也随之转动。

另外有一个固定的竖盘指标，以指示竖盘转动在不同位置时的读数，这与水平度盘是不同的。

竖直度盘的刻划也是在全圆周上刻为360°

，但注字的方式有顺时针及逆时针两种。

通常在望远镜方向上注以0°

及180°

，如下图所示。

在视线水平时，指标所指的读数为90°

或270°

竖盘读数也是通过一系列光学组件传至读数显微镜内读取。

（a）（b）

对竖盘指标的要求，是始终能够读出与竖盘刻划中心在同一铅垂线上的竖盘读数。

为了满足这个要求，它有两种构造形式：

一种是借助于与指标固连的水准器的指示，使其处于正确位置，在早期的仪器都属此类；

另一种是借助于自动补偿器，使其在仪器整平后，自动处于正确位置。

（1）指标带水准器的构造

这种构造如下图所示。

指标装在一个支架上，支架套在横轴的一端，因而可以绕横轴旋转。

在支架上方安装一个水准器，下方安装一个微动螺旋。

旋转微动螺旋，指标可绕横轴作微小转动，同时水准器的气泡也发生移动。

当气泡居中时，指标即居于正确位置。

（2）指标带补偿器的构造

补偿器的构造有两类形式，但都是借助重力作用，以达到自动补偿而读出正确读数的目的。

一类是液体补偿器，利用液面在重力作用下自动水平，以达到补偿的目的；

另一类是利用吊丝悬挂补偿元件，在重力作用下稳定于某个位置，以达到补偿的目的。

现只对液体补偿器的补偿原理加以说明。

液体补偿器的构造原理如下图所示。

补偿原件是一个盛有透明液体的容器。

如果仪器的竖轴位于铅垂位置。

则容器内的液体表面水平，容器的底也是水平的；

液体相当于一块平面平行玻璃扳，而指标I也位于过竖盘刻划中心的铅垂线上，如下图（a），当视线水平时，则指标成像于竖盘的90°

处。

如果仪器有少许倾斜，如下图（b），则指标I偏离过竖盘刻划中心的铅垂线，液体容器的底也发生倾斜，但液体表面仍处于水平位置。

所以这时液体实际形成了一个光楔，如果视线是水平的，则指标I的成像通过光楔的折射，仍然成像于度盘的90°

处，这就达到了自动补偿的目的。

二）竖直角的观测方法

由竖直角的定义已知，它是倾斜视线与在同一铅垂面内的水平视线所夹的角度。

由于水平视线的读数是固定的，所以只要读出倾斜视线的竖盘读数，即可求算出竖直角值。

但为了消除仪器误差的影响，同样需要用盘左、盘右观测。

其具体观测步骤为：

1.在测站上安置仪器，对中，整平。

2.以盘左照准目标，如果是指标带水准器的仪器，必须用指标微动螺旋使水准器气泡居中，然后读取竖盘读数L，这称为上半测回。

3.将望远镜倒转，以盘右用同样方法照准同一目标，使指标水准器气泡居中后，读取竖盘读数R，这称为下半测回。

如果用指标带补偿器的仪器，在照准目标后即可直接读取竖盘读数。

根据需要可测多个测回。

三）竖直角的计算

竖直角的计算方法，因竖盘刻划的方式不同而异。

但现在已逐渐统一为全圆分度，顺时针增加注字，且在视线水平时的竖盘读数为90°

现以这种刻划方式的竖盘为例，说明竖直角的计算方法、如遇其他方式的刻划，可以根据同样的方法推导其计算公式。

如上图所示，当在盘左位置且视线水平时，竖盘的读数为90°

（图中（a）），如照准高处一点A（图中（b）），则视线向上倾斜，得读数L。

按前述的规定，竖直角应为“＋”值，所以盘左时的竖直角应为：

当在盘右位置且视线水平时，竖盘读数为270°

（图中（c）），在照准高处的同一点A时（图中（d）），得读数R。

则竖直角应为：

取盘左、盘右的平均值，即为一个测回的竖直角值，即

如果测多个测回，则取各个测回的平均值作为最后成果。

观测结果应及时记入手簿，手簿的格式见实习手簿。

四）竖盘指标差

如果指标不位于过竖盘刻划中心的铅垂线上，则如下图所示，视线水平时的读数不是90°

，而相差x，这样用一个盘位测得的竖直角值，即含有误差x，这个误差称为竖盘指标差。

为求得正确角值

，需加入指标差改正。

即：

　　　　　　　　　　　　　（3－1）

　　　　　　　　　　　　　（3－2）

解上两式可得：

　　　　　　　　　　　　　（3－3）

　　　　　　　　　　　　　（3－4）

从（3－3）式可以看出，取盘左、盘右结果的平均值时，指标差x的影响已自然消除。

将（3－1）减去（3－2）式，可得：

　　　　　　　　　　　　（3－5）

即利用盘左、盘右照准同一目标的读数，可按上式直接求算指标差x。

如果x为正值，说明视线水平时的读数大于90°

，如果为负值，则情况相反。

以上各公式是按顺时针方向注字的竖盘推导的，同理也可推导出逆时针方向注字竖盘的计算公式。

在竖直角测量中，常常用指标差来检验观测的质量，即在观测的不同测回中或不同的目标时，指标差的较差应不超过规定的限值。

例如用DJ6级经纬仪作一般工作时，指标差的较差要求不超过25″。

此外，在单独用盘左或盘右观测竖直角时，按（3－5）或（3－6）式加入指标差x，仍可得出正确的角值。

3-5经纬仪的检验与校正

按照计量法的要求，经纬仪与其他测绘仪器一样，必须定期送法定检测机关进行检测，以评定仪器的性能和状态。

但在使用过程中，仪器状态会发生变化，因而仪器的使用者应经常利用室外方法进行检验和校正，以使仪器经常处于理想状态。

一、经纬仪应满足的主要条件

　　从测角原理已知：

为了能正确地测出水平角和竖直角，仪器要能够精确地安置在测站点上；

仪器竖轴能安置在铅垂位置；

视线绕横轴旋转时，能够形成一个铅垂面；

当视线水平时，竖盘读数应为90°

　　为满足上述要求，仪器应具备下述的理想关系：

　　1.照准部的水准管轴应垂直于竖轴

2．照准部管水准器应垂直于仪器竖轴

3．视准轴应垂直于横轴

　　4．横轴应垂直于竖轴

5．横轴应垂直于竖盘且过其中心

二、经纬仪的检验和校正方法

经纬仪检验的目的，就是检查上述的各种关系是否满足。

如果不能满足，且偏差超过允许的范围时。

则需进行校正。

检验和校正应按一定的顺序进行，确定这些顺序的原则是：

　　1.如果某一项不校正好，会影响其他项目的检验时，则这一项先做。

　　2.如果不同项目要校正同一部位，则会互相影响，在这种情况下，应将重要项目在后边检验，以保证其条件不被破坏。

　　3.有的项目与其他条件无关，则先后均可。

　　现分别说明各项检验与校正的具体方法：

（一）照准部的水准管轴垂直竖轴

检验：

先将仪器粗略整平后，使水准管平行于一对相邻的脚螺旋，并用这一对脚螺旋使水准管气泡居中，这时水准管轴

已居于水平位置。

如果两者不相垂直（如下图（a）），则竖轴

不在铅垂位置。

然后将照准部平转180°

，由于它是绕竖轴旋转的，竖轴位置不动，则水准管轴偏移水平位置，气泡也不再居中，如下图（b）。

如果两者不相垂直的偏差为

，则平转后水准管轴与水平位置的偏移量为2

校正：

校正时用脚螺旋使气泡退回原偏移量的一半，则竖轴便处于铅垂位置，如下图（c）。

再用校正装置升高或降低水准管的一端，使气泡居中，则条件满足，如下图（d）。

水准管校正装置的构造如图所示。

如果要使水准管的右端降低，则先顺时针转动下边的螺旋，再顺时针转动上边的螺旋；

反之，则先逆时针转动上边的螺旋，再逆时针转动下边的螺旋。

校正好后，应以相反的方向转动上下两个螺旋，将水准管固紧。

（二）十字丝竖丝垂直横轴

以十字丝竖丝的一端照准一个小而清晰的目标点，再用望远镜的微动螺旋使目标点移动到竖丝的另一端，如下图所示。

如果目标点到另一端时仍位于竖丝上，则理想关系满足。

否则，需要校正。

校正的部位为十字丝分划板，它位于望远镜的目镜端。

将护罩打开后，可看到四个固定分划扳的螺旋，如书图3－24所示。

稍微拧松这四个螺旋，则可将分划板转动。

待转动至满足理想关系后，再旋紧固定螺旋，并将护罩上好。

　　（三）视准轴垂直于横轴

　　检验：

选一长约100m的平坦地面，将仪器架设于中间O处，并将其整平。

如下图所示，先以盘左位置照准设于离仪器约50m的一点A。

再固定照准部，将望远镜倒转180°

，改为盘右，并在离仪器约50m于视线上标出一点B1。

如果仪器理想关系满足，则A、O、B1三点必在同一直线上。

当用同样方法以盘右照准A点，再倒转望远镜后，视线应落于B1点上。

如果第二次的视线未落于B1点，而是落于另一点B2，即说明理想关系不满足，需要进行校正。

由上图可以看出，如果视线与横轴不相垂直，而有一偏差角c，则∠B1OB2=4c。

将B1B2距离分为四等份，取靠近B2点的等分点B，则可近似地认为∠BOB2=c。

在照准部不动的条件下，将视线从OB2，校正到OB，则理想关系可得到满足。

　　由于视线是由物镜光心和十字丝交点构成的，所以校正的部位仍为十字丝分划板。

在书图3－24中，校正分划板左右两个校正螺旋，则可使视线左右摆动。

旋转校正螺旋时，可先松一个，再紧另一个。

待校正至正确位置后，应将两个螺旋旋紧，以防松动。

　　（四）横轴垂直于竖轴

在竖轴位于铅垂的条件下，如果横轴不与竖轴垂直，则横轴倾斜。

如果视线已垂直横轴，则绕横轴旋转时构成的是一个倾斜平面。

根据这一特点，在作这项检验时，应将仪器架设在一个高的建筑物附近。

当仪器整平以后，在望远镜倾斜约30°

左右的高处，以盘左照准一清晰的目标点A，然后将望远镜放平，在视线上标出墙上的一点B，如下图（a）所示。

再将望远镜改为盘右，仍然照准A点，并放平视线，在墙上标出一点C，如下图（b）。

如果仪器理想关系满足，则B、C两点重合。

否则，说明这一理想关系不满足，需要校正。

（a）（b）（c）（d）

由于盘左盘右倾斜的方向相反而大小相等，所以取B、C的中点M，则A、M在同一铅垂面内。

然后照准M点，将望远镜抬高，则视线必然偏离A点，而落在

处，如上图（c）所示。

在保持仪器不动的条件下，校正横轴的一端，使视线落在A上，如上图（d），则完成校正工作。

　　在校正横轴时，需将支架的护罩打开。

其内部的校正装置是一个偏心轴承，当松开三个轴承固定螺旋后，轴承可作微小转动，以迫使横轴端点上下移动。

待校正好后，要将固定螺旋旋紧，并上好护罩。

　　由于这项校正需打开支架护罩，一般不宜在野外进行。

　　（五）竖盘指标差的检验校正

检验竖盘指标差的方法，是用盘左、盘右照准同一目标，并读得其读数L和R后，按公式计算其指标差值。

当指标差的绝对值大于1′时，则应进行校正。

A．竖盘指标水准管装置的经纬仪。

保持盘右照准原来的目标不变，这时的正确读数应为R－x。

用指标水准管微动螺旋将竖盘读数安置在R－x的位置上，这时水准管气泡必不再居中，调节指标水准管校正螺旋，使气泡居中即可。

上述的每一项校正，一般都需反复进行几次，直至其误差在容许的范围以内。

B．竖盘指标自动归零装置的经纬仪，对于这种经纬仪一般交由专业维修人员进行维修。

（六）光学对中器的视线与竖轴旋转中心线重合

如果这一理想关系满足，光学对中器的望远镜绕仪器竖轴旋转时，视线在地面上照准的位置不变。

否则，视线在地面上照准的轨迹为一个圆圈。

　　由于光学对中器的构造有在照准部上和基座上两种，所以检验的方法也不同。

　　对于安装在照准部上的光学对中器，将仪器架好后，在地面上铺以白纸，在纸上标出视线的位置，然后将照准部平转180°

，如果视线仍在原来的位置，则理想关系满足。

　　对于安装在基座上的光学对中器，由于它不能随照准部旋转，不能采用上述的方法。

可将仪器平置于稳固的桌子上，使基座伸出桌面。

在离仪器1.3m左右的墙面上铺以白纸，在纸上标出视线的位置，然后在仪器不动的条件下将基座旋转180°

，如果视线偏离原来的位置，则需校正。

　　校正：

造成光学对中器误差的原因有二：

一是在直角棱镜上视线的折射点不在竖轴的旋转中心线上；

一是望远镜的视线不与竖轴的旋转中心线垂直，或者直角棱镜的斜面与竖轴的旋转中心线不成45°

　　由于前一种原因影响极小，所以都校正后者。

不同厂家生产的仪器，可校正的部位也不同。

有的是校正对中器的望远镜分划板，如北光的DJ2E；

有的则是校正直角棱镜，如上三光的DJK-6即是。

　　由于检验时所得前后两点之差是由二倍误差造成的，因而在标出两点的中间位置后，校正有关的螺旋，使视线落在中间点上即可。

对中器分划板的校正与望远镜分划板的校正方法相同。

直角棱镜的校正装置位于两支架的中间，图3－33为上三光DJK-6校正装置的示意图。

调节螺旋1，则视线前后移动，调节螺旋2、3，则视线左右移动。

3－6角度测量的误差分析

　　在角度测量中，由于多种原因会使测量的结果含有误差。

研究这些误差产生的原因、性质和大小，以便设法减少其对成果的影响。

同时也有助于预估影响的大小，从而判断成果的可靠性。

　　影响测角误差的因素有三类：

即仪器误差、观测误差、外界条件的影响。

一、仪器误差

　　仪器虽经过检验及校正，但总会有残余的误差存在。

仪器误差的影响，一般都是系统性的，可以在工作中通过一定的方法予以消除或减小。

　　主要的仪器误差有：

水准管轴不垂直于竖轴，视线不垂直横轴、横轴下垂直竖轴、照准部偏心，光学对中器视线不与竖轴旋转中心线重合及竖盘的指标差等。

（一）水准管轴不垂直竖轴

　　这项误差影响仪器的整平，即竖轴不能严格铅垂，横轴也不水平。

但安置好仪器后，它的倾斜方向是固定不变的，不能用盘左盘右消除