水平角测量的工具与仪器

经纬仪是测量角度的仪器,它虽也兼有其他功能,但主要用来测量角度。根据测角精度的不同,我国的经纬仪系列可分为DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ30等几个等级。D和J分别是大地测量和经纬仪两个词汉语拼音的首字母,后面的数字是它的精度指标。

根据上节所述的测角原理,经纬仪的构造必须具有以下装置:

(1)对中整平装置。用以将度盘中心(即仪器中心)安置在所测角度顶点的铅垂线上,并使度盘处于水平位置。

(2)照准装置。要有一个望远镜以照准目标,即建立方向线,且望远镜可上下旋转形成一个铅垂面,以保证照准同一铅垂面上的不同目标时,其在水平面上的投影位置不变。它也可以水平旋转,以保证不在同一铅垂面上的目标在水平面上有不同的投影位置。

(3)读数装置。用以读取在照准某一方向时水平度盘和竖直度盘的读数。

经纬仪中目前最常用的是DJ6和DJ2级光学经纬仪。图2-2所示是DJ6级光学经纬仪的外观,图2-3所示是DJ2级光学经纬仪的外观。

图2-2 DJ6级光学经纬仪

图2-3 DJ2级光学经纬仪

下面分别说明光学经纬仪各种装置的具体构造。

2.2.1.1 对中整平装置

对中整平装置包括三脚架、垂球或光学对中器、脚螺旋、圆水准器及水准管。

(1)三脚架的作用是支撑仪器。移动三脚架的架腿,可使仪器的中心粗略地位于角顶上,并使安装仪器的三脚架头平面粗略地处于水平。架腿一般可以伸缩,以便于携带,但也有不能伸缩的,其优点是较为稳定,故多用于精度较高的经纬仪。

(2)垂球的作用是标志仪器是否对中,它悬挂于连接三脚架与仪器的中心连接螺旋上。当仪器整平,即仪器的竖轴铅垂时,它即与竖轴位于同一铅垂线上。当垂球尖对准地面上角顶的标志时,即表示竖轴的中心线及水平度盘的刻划中心与角顶在同一条铅垂线上。

(3)光学对中器也是用来标志仪器是否对中的。其优点是不像垂球对中会受风力的影响,所以,对中精度比垂球高。光学对中器的构造如图2-4所示,是在一个平置的望远镜前面安装一块直角棱镜。望远镜的视线通过棱镜而偏转90°,以使其处于铅垂状态,且要保持与仪器竖轴重合。当仪器整平后,从光学对中器的目镜看去,如果地面点与视场内的圆圈重合,则表示仪器已经对中。旋转目镜可对分划板调焦,推拉目镜可对地面目标调焦。

图2-4 光学对中器的构造

光学对中器安置的位置,有的在照准部上,有的则在基座上,如在照准部上,则可与照准部共同旋转,而在基座上则不能。

(4)经纬仪的3个脚螺旋位于基座的下部,当旋转脚螺旋时,可使仪器的基座升降,从而将仪器整平。

(5)水准器用来标志仪器是否已经整平。它一般有两个:一个是圆水准器,用来粗略整平仪器;另一个是水准管,用来精确整平仪器。

2.2.1.2 照准装置

经纬仪的照准装置又称照准部,它包括望远镜、横轴及其支架、竖轴和控制望远镜及照准部旋转的制动和微动螺旋。

望远镜的构造与水准仪基本相同。不同之处在于望远镜调焦螺旋的构造和分划板的刻线方式。望远镜调焦螺旋不在望远镜的侧面,而在靠近目镜端的望远镜筒上。分划板的刻划方式如图2-5所示,以适应照准不同目标的需要。

图2-5 目镜分划板十字丝

横轴与望远镜固连在一起,并且水平安置在两个支架上,望远镜可绕其上下转动。在一端的支架上有一个制动螺旋,当旋紧时,望远镜不能转动。另有一个微动螺旋,在制动螺旋旋紧的条件下,转动它可使望远镜作上下微动,以便于精确地照准目标。

望远镜连同照准部可绕竖轴在水平方向旋转,以照准不在同一铅垂面上的目标。照准部也有一对制动和微动螺旋,以控制其固定或作微小转动。

经纬仪竖轴轴系如图2-6所示。照准部旋转轴位于基座轴套内,而度盘旋转轴则套在基座轴套外,其目的是使照准部旋转轴与度盘旋转轴分离,以避免两者互相带动。根据照准部与度盘的关系可分为两类:一类是照准部和度盘可以共同转动,也可以各自分别转动,这种仪器可以用复测法测水平角,因而称作复测经纬仪,它是利用一个复测扳手,使照准部与度盘可以脱开,也可以固连,其结构如图2-7所示。当复测扳手扳下时,弹簧夹将度盘夹住,则旋转照准部时,度盘也一起转动,因此度盘读数不发生变化;当复测扳手扳上时,弹簧夹与度盘脱离,则旋转照准部时,度盘仍保持不动,从而使读数变化。另一类是照准部和度盘都可以单独转动,但两者不能共同转动。这类仪器只能用方向法测角,因而称为方向经纬仪,精度在DJ2级以上的经纬仪都采用这种结构,有的DJ6级经纬仪也采用这种结构。这类仪器有一个度盘变换手轮,转动它时,度盘在其本身的平面内单独旋转,可以在照准方向固定后,任意安置度盘读数。为了防止无意中触动而改变读数,通常设有保护装置。

图2-6 经纬仪竖轴轴系

图2-7 复测经纬仪的构造

2.2.1.3 读数装置(www.xing528.com)

经纬仪的读数装置包括度盘、读数显微镜及测微器等。不同精度、不同厂家的产品其基本结构是相似的,但测微器及读数方法则差异很大。现只介绍我国应用最为普遍的几种。

光学经纬仪的水平度盘及竖直度盘皆由环状的平板玻璃制成,在圆周上刻有360°分划,在每度的分划线上注以度数。在工程上常用的DJ6级经纬仪一般为1°或30″一个分划,DJ2级仪器则将1°的分划再分为3格,即20″一个分划。

读数显微镜位于望远镜的目镜一侧。DJ6级光学经纬仪读数装置的光路如图2-8所示。

图2-8 DJ6级光学经纬仪读数装置的光路

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,其应用甚广。如国产的TDJ6、Leica T16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,即相当于将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图2-9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2-9中的水平度盘读数为115°16.3'。

图2-9 分微尺法读数

2.单平板玻璃测微器法

单平板玻璃测微器方法也用于DJ6级经纬仪。由于该方法操作不便,且有隙动差,现已较少采用,但旧仪器中还可见到,如Wild T1和部分国产DJ6级仪器的读数装置即属此类。

单平板玻璃测微器的结构原理如图2-10所示。度盘影像在传递到读数显微镜的过程中,要通过一块平板玻璃,故称为单平板玻璃测微器。在仪器支架的侧面有一个测微手轮,它与平板玻璃及一个刻有分划的测微尺相连,转动测微手轮时,平板玻璃产生转动。由于平板玻璃的折射,度盘分划的影像则在读数显微镜的视场内产生移动,测微尺也产生位移。测微尺上刻有60个分划。如果度盘影像移动一格,则测微尺刚好移动60个分划。因此,通过它可读出不到1°的微小读数。

图2-10 单平板玻璃测微器的结构原理

在读数显微镜读数窗内,所看到的影像如图2-11所示。图中下面的读数窗为水平度盘的影像,中间为竖直度盘的影像,上面则为测微尺的影像。水平及竖直度盘不足1°的微小读数,都利用测微尺的影像读取。读数时需要转动测微手轮,使度盘刻划线的影像移动到读数窗中间双指标线的中央,并根据该指标线读出度盘的读数。这时测微尺读数窗内中间单指标线所对的读数即不足1°的微小读数。将两者相加即完整的读数。例如,图2-11(b)中的水平度盘读数为42°45.6'。

图2-11 单平板玻璃测微器法读数

3.对径符合读法

上述两种读数方法都是利用位于直径一端的指标读数。如图2-12所示,如果度盘的刻划中心O与照准部的旋转中心O'不重合,它会使读数产生误差x,这个误差称为偏心差。为了能在读数过程中将这个误差消除,一些精度较高(如DJ2级以上)的仪器,都利用直径两端的指标读数,以取其平均值。这种仪器在构造上有双平行玻璃板和双光楔两种。由于两种构造的作用相同,现只对双平行玻璃板构造加以说明。

图2-12 偏心差

采用双平行玻璃板构造的仪器,其原理如图2-13所示。位于支架一侧的测微手轮也与两块平行玻璃板及测微分划尺相连。度盘直径两端的影像,通过一系列光学组件,分别传至两块平行玻璃板,再传至读数显微镜。当旋转测微手轮时,两块平行玻璃板以相同的速度作相反方向的旋转,因此在读数窗内,度盘直径两端的刻划影像也作反方向的移动。当移动到直径两端的刻划线互相对齐后,则可从相差180°的两条刻划线上读出度数及10'数,再从测微尺上读出不足10'的分数及秒数,两者相加,即完整的读数。

图2-13 双平行玻璃板的构造原理

在图2-14(a)中,其直径两端的刻划线对齐后,相差180°的96°40'与276°40'两条刻划线对齐。由于这两条刻划线数字的影像一个为正像,一个为倒像,为了方便,通常按正像的数字读取度及10'数。图2-14(a)中的读数即96°49'28″。有时读数窗内的影像可能如图2-14(b)所示。当直径两端刻划线对齐后,没有相差180°的刻划线相对,这时需要在两相差180°刻划线的中间位置取读数,如图2-14(b)中读数为295°57'36.4″。

图2-14 对径符合读法读数

上述这种读数方法,在读取10'数时十分不便,而且极易出错,所以现在新的仪器产品都改为采用“光学数字读法”。对于这种读数方法,读数显微镜的视场如图2-15所示。中间小窗为度盘直径两端的影像,上面的小窗可读取度数及10'数,下面小窗即测微尺影像。当旋转测微手轮,使中间小窗的上、下刻划线对齐后,可从上面小窗读出度数及10'数,再从下面小窗的测微尺上读出不足10'的分、秒数。图2-15(a)中的完整读数为176°38'25.8″,但在图2-15(b)中,应注意此时上面小窗的0相当于60',故读数应为177°00',而不是176°00',完整的读数应为177°03'35.8″。

图2-15 光学数字读法

在使用该种仪器时,读数显微镜不能同时显示水平度盘及竖直度盘的读数。在支架左侧有一个刻有直线的旋钮,当直线水平时,所显示的是水平度盘读数;直线竖直时,则显示的是竖直度盘读数。另外,读数时应打开水平度盘或竖直度盘各自的进光反光镜。