03第三章 角度测量

第三章角度测量第一节水平角测量原理在测量工作中，为了测定地面点的平面位置，往往需要测量水平角。

所谓水平角，就是地面上两直线之间的夹角在水平面上的投影。

如图3—l，在地面上有A、O、B三点，其高程不同，倾斜线OA和OB所夹的角AOB是倾斜面上的角。

如果通过倾斜线OA、OB分别作竖直面与水平面相交，其交线oa与ob 所构成的角aob就是水平角。

怎样测定水平角aob的大小呢？若在角顶O点（称为测站点）的铅垂线上放置一个与该铅垂线正交，且依顺时针方向刻有从0°到360°分划的水平度盘，通过OA、OB的两竖直面与水平度盘平面交于o′a′和o′b′,并设o′a′在水平度盘上的读数为m，而o′b′的读数为n，则：βnb∠maaobo=-='''=∠β就是水平角aob的角值。

由此可知，测量水平角的仪器必须具备下列主要条件：（1）必须有一个带刻度的圆盘，测角时能水平放置，且圆盘中心位于角顶O的铅垂线上。

（2）必须有一个能上下、左右转动用以瞄准目标的望远镜，且在仪器水平，望远镜上下转动时扫出一个竖直面。

经纬仪就是根据上述要求设计制造的。

第二节DJ6型光学经纬仪我国生产的光学经纬仪，按精度从高至低排列，分为DJ07、DJ1、DJ2和DJ6数种（各等级的技术参数参阅附录一），本章主要介绍普通测量中常用的DJ6和DJ2型光学经纬仪及电子经纬仪。

我国生产的DJ6型光学经纬仪，其读数装置多属测微尺类型，如图3—2所示。

仪器概略地分为照准部、水平度盘和基座三大部分。

现将这三大部分及该仪器的光学线路说明如下：1、照准部照准部绕仪器竖轴在水平面内转动。

照准部的主要部件是望远镜，其与横轴固连在一起，横轴安置于支架上，藉助于望远镜的制动螺旋和微动螺旋控制它绕横轴在竖直面内上下转动。

为了便于读数，望远镜旁有一读数镜。

横轴的一端装有竖直度盘（简称竖盘），当望远镜在竖直面内上下转动时，竖盘跟着一起转动，用以观测竖直角。

照准部上装有水准管供整平仪器用。

2、水平度盘图3－2 DJ6型经纬仪外形图1一对光螺旋；2一目镜；3一读数显微镜；4一照准部水准管；5一脚螺旋；6一物镜；7一望远镜制动螺旋；8一望远镜微动螺旋；9一中心锁紧螺旋；10一竖直度盘；11一竖盘指标水准管微动螺旋；12一光学对中器目镜；13一水平微动螺旋；14一水平制动螺旋；15一竖盘指标水准管；16一反光镜；17一度盘变换手轮；18一保险手柄；19一竖盘指标水准管反光镜；20一托板；21一压板图3－3 DJ6型经纬仪的读数水平度盘系用光学玻璃制成。

在度盘上依顺时针刻有0°到360°的分划，用以测量水平角。

图3—3的上半部是从读数镜中看到的水平度盘的像，此图中只能看到115°和116°两根刻度线，并看到刻有60个分划的测微尺。

读数时读取度盘刻划线落在测微尺内的读数，不到1°的读数根据度盘刻划线在测微尺上的位置读出，并估读到0.1′。

图3—3中，上半部是水平度盘的成像，其读数为115°53.6′，下半部是竖直度盘的成像，其读数为78°07.5′。

为了控制照准部与水平度盘的相对转动，在度盘上装有方向手轮。

使用时拨下保险手柄，将手轮推压进去并转动，水平度盘亦随之转动，待转至需要位置后，将手松开，退出，再拨上保险手柄，手轮就压不进去。

具有以上装置的经纬仪，称为方向经纬仪。

有的仪器没有方向手轮，而是利用复测装置改变度盘位置。

当扳手拨下时，度盘与照准部扣在一起同时转动，度盘读数不变；若将扳手拨向上，则两者分离，照准部转动时水平度盘不动，读数随之改变。

具有复测装置的经纬仪，称为复测经纬仪。

图3－4 DJ6光学经纬仪部件及光路图1、2、3、5、6、7、8一光学读数系统棱镜；4一分微尺指标镜；9一竖直度盘；10一竖盘指标水准管；11一反光镜；12一照准部水准管；13一度盘变换手轮；14一轴套；15一基座；16一望远镜；17一读数显微镜；18一内轴；19一水平度盘；20一外轴3、基座基座是用来支承整个仪器的底座，使用中心螺旋把整个经纬仪与三脚架相连接，基座上备有三个脚螺旋，转动脚螺旋，可使照准部水准管气泡居中，从而导致水平度盘处于水平位置，亦即仪器的旋转轴（竖轴）处于竖直位置。

光学经纬仪为什么能从读数镜里看见水平度盘和竖直度盘的像呢？为了说明光学读数的一般原理，现将测微尺读数装置的光学原理介绍如下：如图3—4所示，外来光线由反光镜11的反射，穿过毛玻璃经过棱镜1，转折90°就可以照明水平度盘。

此后，光线通过棱镜2、3的折射到达刻有测微尺的聚光镜4，再经棱镜5的又一次转折，就可由读数镜里看到水平度盘的分划线和测微尺的成像。

竖直度盘的光学读数线路与水平度盘相仿。

外来光线经过棱镜6的折射，照亮了竖直度盘，再由棱镜7、8的转折，可达测微尺的聚光镜4，最后经过棱镜5的折射，同样可在读数镜内看到竖直度盘的分划和另一个测微尺的成像。

第三节DJ2型光学经纬仪图3－5是我国苏州第一光学仪器厂生产的DJ2型光学经纬仪，其构造与DJ6型基本相同，但读数装置和读数方法有所不同。

DJ2型光学经纬仪在读数显微镜中水平度盘和竖直度盘的像不能同时显现，为此，要用换像手轮10和各自的反光镜1、5进行像的转换。

打开水平度盘反光镜5，转动换像手轮，使轮面的指标线成水平时，读数显微镜内观察到水平度盘的像。

打开竖盘反光镜1，转动换像手轮，当指标线在竖直位置时，读数显微镜内看到竖直度盘的像。

图3－5 DJ2型光学经纬仪外形图1一竖盘反光镜；2一竖盘指标水准管观察镜；3一竖盘指标水准管微动螺旋;4一光学对中器目镜；5一水平度盘反光镜；6一望远镜制动螺旋。

7一光学瞄准器；8一测微手轮；9一望远镜微动螺旋；10一换像手轮；11一水平微动螺旋；12一水平度盘变换手轮；13一中心锁紧螺旋；14一水平制动螺旋；15一照准部水准管；16一读数显微镜；17一望远镜反光扳手轮；18一脚螺旋读数装置采用对径符合数字读数设备。

它是将度盘上相对180°的分划线，经过一系列棱镜和透镜的反射和折射，显现在读数显微镜内，并用对径符合和光学测微器，读取对径相差180°的读数，取平均值，以消除度盘偏心所产生的误差，提高测角精度。

如图3－6（a）所示，读数窗中右上窗显示度值及10′的整倍数值；左边小窗为测微尺，用以读取10′以下的分、秒值，共分60 0格，每格1″，估读至0.1″，左边的注字为分值，右边注字为10″的倍数值；右下窗为对径分划线的像。

图3－6 DJ 2型光学经纬仪的读数（a）读数窗；（b）水平度盘读数；（c）竖直度盘读数读数前应首先运用换像手轮和相应的反光镜，使读数显微镜中显示需要读数的度盘像，如图3－6（a）所示为水平度盘的像。

读数时，转动测微手轮使右下窗中的对径分划线重合，如图3－6（b）和（c）所示，而后读取上窗中央或中央左边的度值和窗内小框中10′的倍数值，最后读取测微尺上小于10′的分值和秒值，两者相加得整个读数。

例如图3－6（b）水平度盘读数为150°00′＋01′54″＝150°01′54″，图3－8（c）所示竖直度盘读数为75°50′＋07′16″=74°57′16″。

第四节电子经纬仪电子经纬仪是用光电测角代替光学测角的经纬仪，为测量工作自动化创造了有利条件。

图3—7是南方ET—05型电子经纬仪，电子经纬仪具有与光学经纬仪类似的结构特征，测角的方法步骤与光学经纬仪基本相似，最主要的不同点在于读数系统——光电测角。

电子经纬仪采用的光电测角方法有三类：编码度盘测角、光栅度盘测角及动态测角系统。

图3—7 南方ET—05型电子经纬仪编码度盘测角系统是一种较好的测角系统，现将电子经纬仪的编码度盘测角系统的测角原理简介如下。

编码度盘为绝对式度盘，即度盘的每一个位置，都可读出绝对的数值。

电子计数一般采用二进制。

在码盘上以透光和不透光两种状态表示二进制代码“0”和“1”。

若要在度盘上读出四位二进制数，则需在度盘上刻四道同心圆环，又称四条码道，表示四位二进制数码，在度盘最外圈刻的是透光和不透光相间的16个格。

如图3—8(a)所示，里圈为高位数，外圈为低位数，透光表示为“0”，不透光表示为“l”，沿径向方向由里向外可读出四位二进制数，如图由0000起．顺时针方向可依次读得0001，0010，…直到1111，也就是十进制数0～15。

(a)(b)图3—8 码盘读数原理实现码盘读数的方法是：将度盘的透光和不透光两种光信号，由光电转换器件转换成电信号，再送到处理单元，经过处理后，以十进制数自动显示读数值。

其结构原理如图3—8(b)所示，四位码盘上装有四个照明器（发光二极管），码盘下面相应的位置上装有四个光电接收二极管，沿径向排列的发光二极管发出的光，通过码盘产生透光或不透光信号。

被光电二极管接收，并将光信号转换为“0”或“1”的电信号，透光区的输出为“0”，不透光区的输出为“1”，四位组合起来就是某一径向上码盘的读数。

如图3—8(b)中输出为1001。

设想观测时码盘不动，照明器和接收管（又称传感器）随照准部转动，便可在码盘上沿径向读出任何码盘位置的二进制读数。

在仪器上，如果要求码盘最小分划值为10″，则度盘上最低位的码道将分成360×60×6＝129600等分，需要以17条码道（称为17位码盘）表示成二进制读数，相应地需要17个传感器组成光电扫描系统。

第五节水平角测量经纬仪的主要用途是进行角度测量，角度测量包括水平角观测和竖直角观测，这里先叙述水平角观测的方法。

一、经纬仪的安置在进行水平角测量之前，首先要将经纬仪对中和整平。

对中的目的是使仪器的竖轴和水平度盘的中心对准水平角的顶点（测站点），而整平则是为了使水平度盘处于水平位置。

现将对中和整平方法分别叙述如下：1、对中安置三脚架于测站点上，挂上垂球，然后移动脚架，使垂球尖端粗略地对准测站点，此时要注意保持三脚架的架头大致水平，随即将脚架插入土中。

其后，将经纬仪安置到三脚架上，不要拧紧连接螺旋，以便仪器可以在架头上微微平移，直到垂球尖端精确对准测站点为止。

最后把连接螺旋拧紧，以防仪器从架头上摔下。

垂球对中的最大偏差一般不应大于3mm。

也可以采用光学对中器对中。

两手分别抓住三角架的两条腿，观察光学对中器，挪动三角架，使测站点粗略对准光学对中器中点；利用三角架的关节螺旋伸缩脚架的方法使圆水准器气泡居中；松开中心螺旋，移动仪器，使测站点精确对中，然后再利用脚螺旋整平仪器。

如此反复，直到对中和整平满足要求。

值得注意的是：在光学对中时，整平和对中相互影响。

2、整平仪器对中以后，就要进行整平。