第三章經緯儀、測距儀及其檢驗

【問題提出】本章要解決兩個問題：介紹經緯儀、測距儀的基本結構和幾種常見儀器分析儀器可能產生的誤差并找出誤差消除減弱和檢驗方法§3－1經緯儀的基本結構一、水平角和垂直角水平角

(Hz)定義：兩視準線在水平面上的投影線（即水平視線）構成的角度。范圍：0～360o

順時針量取垂直角(V)定義：視線與相應水平面的夾角。范圍：－90～＋900

上正下負補充：垂直角與天頂距之間的關系為：α＝900－Z二、經緯儀的基本結構及其相互關系

基本結構

望遠鏡：構成視準軸，放大影像，精確照準

垂直軸：照準不同方位的目標

水平軸：照準不同高度的目標

垂直度盤：量度垂直角

水平度盤：量度水平角

照準部水準器：引導垂直軸

指標水準器：引導垂直度盤讀數指標

讀數棱鏡與測微器：讀定度盤讀數

基座：垂直軸套、調平儀器的腳螺旋、§3－1經緯儀的基本結構二、經緯儀的基本結構及其相互關系主要部件的相互關系（三軸正確，兩盤垂直）垂直軸與照準部水準器軸垂直水平軸應與垂直軸正交視準軸應與水平軸垂直垂直軸與水平度盤正交，且同心水平軸與垂直度盤正交，且同心當指標水準器氣泡居中時，垂直度盤的讀數指標必須水平或垂直

經緯儀分類：讀數方式分類：游標經緯儀、光學經緯儀、電子經緯儀測量精度分類：

J05、J1、J2、J6。三、望遠鏡和水準器（一）

望遠鏡1．

望遠鏡的作用(1)

放大目標(2)

精確照準2．

望遠鏡的結構

由物鏡、調焦透鏡、十字絲板、目鏡

組成目標照準的標準：

從目鏡中看到十字絲中心與目標影像一致。3．

視差的產生與消除視差：由于目標影像面與十字絲面不一致，使兩者相對位置隨人眼位置而變化，這種現象稱為視差。視差的產生原因目標影像與十字絲板的相對位置不正確視差的消除①

望遠鏡指向天空，調節目鏡，使十字絲清晰②

將望遠鏡指向目標，調節調焦透鏡，使目標清晰，稍改變眼睛位置，若目標像與十字絲相對位置不變即可。三、望遠鏡和水準器三、望遠鏡和水準器（二）、

水準器1．

管狀水準器（1）結構：

管內：冰點低、流動性強、附著力小的液體管壁：玻璃管，腰鼓狀曲面，刻有分劃線固定：金屬框架，透明罩，校正螺旋兩軸：

水準軸和水準器軸（2）

整平

整平的概念

儀器安置完畢之后，調節角螺旋使水準氣泡居中，于是水準器的兩軸重合，這個過程稱“整平”。

整平后的效果

氣泡在各個方向都已居中，垂直軸與測站鉛垂線一致，垂直于測站水平面。

符合棱鏡的概念

使氣泡便于觀察并提高置中精度三、望遠鏡和水準器2．

圓形水準器精度：比管狀水準器低，用于概略整平結構：上部：球冠面，有同心分劃圓下部：帶分咀的玻璃座外部：金屬底殼3．

水準器的格值、靈敏度（1）水準器的格值

定義：相鄰分劃線形成的一格寬度所對應的圓心角值

表示：

τ＝t/R

τ"=t

ρ"/R其中：τ：格值；

t：格值寬度；

R：圓弧半徑；

ρ：常數；當t=2mm，ρ＝206265“

時，

τ”=412.53“/R(m)，T3儀器τ”=5－8“,T2τ”=20’’

（2）

水準器的靈敏度定義：氣泡產生可以查覺的最小位

移時，水準器軸傾斜變化的角值表示：氣泡移動0.1格的角值比較：圓水準器

<管狀水準器tRτ幾個重要概念：水平角、垂直角、視差、整平幾個重要問題：1、經緯儀的基本結構及其相互關系

2、望遠鏡的作用

3、視差的產生與消除

4、水準器的格值四、光學經緯儀水平度盤及光學系統

水平度盤（T3,T2)構成：經緯儀水平度盤由厚6mm,直徑 140/90mm的光學玻璃制成，刻劃精度：經緯儀水平度盤全周刻劃3600，每度注記，順時針增值。每度分15/3等份，每份寬度為

T3為0.078毫米，刻劃值為4//20/光學系統：由照明、光學度盤、光學讀數、光學測微器等構成。蔡司010光路圖WildT3光路圖

§3－2光學測微器讀數方法及電子測角原理

2.

光學測微器的原理

雙平行玻璃板：平行移動量與入射角相關，垂直入射時，移動量為零；視線隨之發生平移，這樣可測取不足一個整分劃的值。雙光楔測微器：光楔角相等，相互倒置，光楔組可使光偏轉，量值相同，方向相反，視線隨之發生平移。一、光學測微器及其原理1．測微器的分類雙平行玻璃板測微器：T3、T2、J05雙光楔測微器：蔡司010、蘇光J21681682016840169指標1681682016840169指標aa168020/+a3.平行玻璃板測微原理轉動測微輪兩平行玻璃板作相對等量轉動，分別來自正倒度盤對徑分劃影像作等量相對移動。當對徑分劃線重合時，測微盤轉到一定分劃位置，其讀數K就是所需要測量的微小量值。設計T3正倒度盤對徑分劃影像相對移動一格，測微器（盤）轉動了60大格600小格；而T2相對移動一格，測微器（盤）轉動了600小格。4.雙光楔測微原理雙光楔行粘合在一起時，等效為一塊平行玻璃板，對垂直入射面的光線不移動一光楔固定，另一光楔沿光線方向前后移動，則光線平移量

p與光楔移動量成正比。雙光楔由直線運動導致光線平移。轉動齒輪，齒條、雙移動光楔和測微尺沿光線方向移動，分別來自正倒度盤對徑分劃影像作等量相對移動。當對徑分劃線重合時，測微尺移動到一定分劃位置，其讀數K就是所需要量測的微小量值。5.重合讀數法轉動測微輪，使度盤對徑分劃影像作相對等量移動，采用正倒分劃影像重合進行讀數的方法，稱為重合讀數法，相當兩次指標讀數取平均值。6.測微盤的格值T3測微盤的一大格的格值：2”

（T2儀器：1”）T3測微盤的一小格的格值：0.2”

（T2儀器：0.1”）

73°27’59.6”

5度4分分劃與指標重合得到a值:5°04’29.3g185度4分分劃與指標重合得到b值:5°04’28.9g

測量結果：5°04’58.2”

“平均效應”：重合讀數法的自動取中數。7.特例說明指標線

可以不設置度盤分劃線，蔡司010的度盤讀數視窗內無指標線。T2儀器讀數

T2儀器讀出格值以角秒為單位，無需乘2。指標線不在中央，或無指標線正倒像重合后，直接讀出兩分劃線之間的格數，然后乘以格值的一半（2’），便是正確的分讀數。No

和（N＋180）o分劃線在度盤視窗內沒有出現時等于兩度相應的分格數（T3為30格）減去（N＋1）o

和（N＋1＋180）o之間的分格數。8.讀數程序歸納轉動測微螺旋，使靠近指標線的正倒分劃像精密重合；讀出靠近指標線（視場中央）左側正像分劃的度數No；讀出No

和（N＋180）o之間的分格數n，乘以其分格值之半：G/2，得到“分”讀數：n×G/2；讀出測微盤的秒數C”。一般讀數公式：對于任一種精密光學經緯儀均適用，只是度盤和測微器格值可能不同。二、電子測角原理電子經緯儀與光學經緯儀不同之處，在于用數字顯示來代替目視讀數，采用的是電子測角技術，故又稱電子數字經緯儀。它由光學器件、機械器件、電子傳感器和微處理機等構成。其軸系、望遠鏡、制微動機構的構造與光學經緯儀相同，用電子傳感器來代替普通經緯儀的讀數指標，通過摸擬數字轉換方法，從度盤上取得電信號，再把電信號轉換成角度由顯示器輸出。從總體上看，根據度盤是否轉動分為動態測角和靜態測角兩類；根據度盤刻制方式不同又可分為編碼度盤測角和光柵度盤測角兩種。這里將對模擬數字轉換方法的原理作介紹，主要介紹編碼盤、光柵盤測角讀數基本原理。

圖為純二進制編碼盤，在度盤全周分成16個區，每個區中黑色部分為不透光區，用邏輯“1”表示，白色部分為透光區，用邏輯“0”表示。度盤圓周上刻有四層環道，稱為四碼道度盤。稱為四碼道度盤。沿徑向由里向外可讀出四位二進制數，表為各區所對應的編碼，如第9區讀數為1001，相應的讀數為202030/。

1、編碼度盤測角

編碼度盤為絕對式度盤，即度盤的每個位置與經緯儀一樣，都可以讀出相應的度、分數值。區間編碼方向值區間編碼方向值00000

81000

1000122309100120230200104530101010225003001160301110112473040100900012110027000501011123013110129230601101350014111031500701111573015111133730碼盤的讀數是通過圖的光電裝置實現的。沿徑向在四個碼道上面分別裝四個發光二極管作為光源，在碼盤下面相應位置上裝四個接收二極管。光源發出的光，通過碼道產生透光和不透光的信號。透光信號被光電管接收輸出為0，不透光信號輸出為1。圖中為通過第9區碼盤時的情況，輸出信號為1001。測角時根據兩方向所反映電信號的不同，就可算出其間的夾角。

2光柵度盤測角①

光柵度盤在光學玻璃度盤上均勻地沿徑向刻有等間隔的格線構成光柵度盤，見圖。光柵上沒有絕對度數.測角時要測定兩方向間累加的光柵數，因而，該法稱為增量式測角方法。光柵柵距一般較小，80mm直徑的度盤上刻有5000條刻劃，即每1mm范圍內刻20條線，其柵距相應的分劃值為4.32/。為提高測角精度，可采用莫爾條紋技術測微

②莫爾條紋技術用兩塊刻劃寬度一樣的光柵相疊，其中一塊稱移動光柵，一塊為指示光柵，并

使其刻線相交一微小夾角，這樣就可以看見明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋，見圖。當移動光柵橫向移動一個間距，莫爾條紋就下下移動一段，顯然即莫爾條紋的紋距比柵距放大了θ倍，當θ=20/，則可放大172倍。光柵度盤測角原理見圖，指示光柵、接收管、發光管位置固定。當度盤隨照準部轉動，度盤上的分劃相當于移動光柵，光柵度盤通過一條格線時，光強就由暗到明，再由明到暗，光電流變化為一個正弦周期。若在光電流一周內均勻插1000個脈沖，相當于光柵刻劃提高了1000倍，從而提高了角分辨能力。

③正弦內插測微技術用編碼度盤或光柵度盤時，為提高度盤分辨率，就要增加碼道或格線數，但這種增加是有限度的。為此，可在度盤格線中進行內插，以提高度盤分辨率，正弦縫隙內插就是一種精密測微技術。若度盤全周有n個分劃，在度盤上相應地刻上n個相同的正弦縫隙。每個正弦圖形的零點都是已知的。圖表示一個正弦圖形，兩曲線間的部分為通光區，陰

影部分為遮光區，a、b、c、d為4個指標光電管，其間隔均為1/4正弦波長。若能求得指標在正弦波中的相位，就能算得指標距離度盤刻線間的角值，從而達到內插目的。四個光電管受正弦圖形的影響，其光照面積各不相同，從而產生不同的光照電流，見圖，根據4個指標測得電流，就能算得相應值。若測定的相位計能把正弦刻縫按1000等分，測角分辨率就提高了1000倍。

一、

垂直度盤1．問題提出：水平視線在實地無照準參照物。2．問題解決：加裝指標水準器，并調整系統結構。3．調整過程：（1）

將水準器與讀數指標固聯，且水準器軸與指標正交或平行目的：取得水平視線的位置

效果：水準器軸水平時，指標處于垂直(水平）位置（2）

將垂直度盤與水平軸一端固聯，水平軸與垂直度盤正交，且同心。目的：讀出垂直度盤讀數并計算出垂直角4.指標差：指標的實際位置與理論位置之差稱為指標差。

§3－3垂直度盤及垂直角計算§3－3垂直度盤及垂直角計算5.舉例說明：T3儀器的垂直角測定系統結構安置：

T3儀器的讀數指標是豎立安置的,其作用是與水平安置是一樣的。

注記方式：它采用對稱注記的注記方式：對徑分劃的注記相同。注記格值：實際角度為140o的度盤周邊上，注記則是55～125（70度），即實際的2o間隔注記僅為1o。每度分為15格，即每格4’，而實際上是8’。望遠鏡視準軸與度盤90o對徑分劃正交。二、

垂直角和指標差的計算設度盤的零分劃線與視準軸平行，并靠近分劃注記為

55的一端，L0、R0

：盤左、盤右的正確讀數

L、R：盤左、盤右的實際讀數I：按度盤注記計量的指標差

左、

右：盤左、盤右的垂直角值

I：實際指標差

：計算出的垂直角

設指標差的實際讀數比正確讀數大時，I為正，有：

L0=L-IR0=

R-I考慮到度盤的分劃注記值為實際大小的一半，所以在角值表達式前面乘以2，才是盤左、盤右的垂直角值。§3－3垂直度盤及垂直角計算盤左90551251255590二、

垂直角和指標差的計算

垂直角計算可以直接寫出盤左的垂直角值表達式：

（1）縱轉望遠鏡重新照準目標時，指標將繞垂直軸轉1800，盤右的垂直角值表達為：

（2）取的中數作為垂直角的觀測結果，故垂直角的計算公式為：說明