测量学角度测量

3.2 光学经纬仪
3.2.1 经纬仪概述 • 按读数系统分，可以分为光学和电子类经纬仪。 • 规范给出的国产光学经纬仪(optical theodolite)按其精 度划分的型号有：DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ30，其 中字母D、J分别为“大地测量”和“经纬仪”汉语拼 音的第一个字母，07、1、2、6、30分别为该仪器一 测回方向观测中误差的秒数。 • 瑞士Leica公司的光学经纬仪按其精度划分的型号为： T4、T3、T2、T1、T16，其中字母T为单词Theodolite (经纬仪)的第一个字母，以秒为单位的一测回方向观 测中误差分别为±0.5″、±1″、±″、±6″、±16″。
3.2.3 DJ6级光学经纬仪的读数方法
• 光学经纬仪的读数设备包括度盘、光 路系统和测微器。 • DJ6级光学经纬仪的读数装置多采用分 微尺测微器。 • 水平度盘和竖直度盘上的分划线，通 过一系列棱镜和透镜成像显示在望远镜 旁的读数显微镜内。将水平玻璃度盘和 竖直玻璃度盘均刻划为360格，每格的 角度为1°，顺时针注记。 • 测微尺(micrometer)读数装置的光路见右图所示。 • 照明光线通过反光镜的反射进入进光窗，其中一路光线 通过光学组件将水平度盘上的刻划和注记成像在平凸镜上； 另一路光线通过光学组件将竖直度盘上的刻划和注记也成
• 水平角测量需要旋转照准部和望远 镜依次瞄准不同方向的目标并读取水 平度盘的读数； • 在一测回观测过程中，水平度盘是 固定不动的； • 为了角度计算的方便，在观测开始 之前，通常将起始方向(称为零方向) 的水平度盘读数配置为0°左右，这 就需要有控制水平度盘转动的部件－水平度盘变换手轮 （方向经纬仪使用）。 3. 度盘: 有水平和竖直度盘,是圆环形的光学玻璃盘片， 直径约8～10cm，盘片边缘刻划并按顺时针注记有 0°~360°的角度数值。水平度盘顺时针注记。
2. 照准部
• 照准部是指水平度盘之上，能绕其旋转轴旋转的全部部 件的总称，它包括竖轴、U形支架、望远镜、横轴、竖 直度盘、管水准器、竖盘指标管水准器(vertical index bubble tube)和读数装置等。 • 照准部旋转轴称为仪器竖轴，竖轴插入基座内的竖轴轴 套中旋转； • 照准部在水平方向的转动，由水平制动、水平微动螺旋 控制； • 望远镜在纵向的转动，由望远镜制动、望远镜微动螺旋 控制； • 竖盘指标管水准器的微倾运动由竖盘指标管水准器微动 螺旋控制； • 照准部上的管水准器，用于精平仪器。
1-望远镜制动螺旋，2-望远镜微动螺旋，3-物镜， 4-物镜调焦螺旋，5-目镜， 6-目镜调焦螺旋，7-光学瞄准器，8-度盘读数显微镜，9-度盘读数显微镜调焦 螺旋，10-测微轮，11-水平度盘与竖直度盘换像手轮，12-照准部管水准器， 13-光学对中器，14-水平度盘照明镜，15-垂直度盘照明镜，16-竖盘指标管水 准器进光窗口，17-竖盘指标管水准器微动螺旋，18-竖盘指标管水准气泡观察 窗，19-水平制动螺旋， 20-水平微动螺旋，21-基座圆水准器，22-水平度盘位 置变换手轮，23-水平度盘位置变换手轮护盖 24-基座 25-脚螺旋
• 电子经纬仪是在光栅度盘的上、下对称位置分别安装光 源和光电接收机。由于栅线不透光，而缝隙透光，则可将 光栅度盘是否透光的信号变为电信号。 • 光栅度盘的栅距相当于光学度盘的分划，栅距越小，则 角度分划值越小，即测角精度越高。 • 在80mm直径的光栅度盘上，刻划有12500条细线（刻线 密度为50条/mm），栅距分划值为1′44″。
3.2.2 DJ6级光学经纬仪的结构 • 根据控制水平度盘转动方式的不同，DJ6级光学经纬仪 又分为方向经纬仪和复测经纬仪。 • 地表测量中，通常使用方向经纬仪，复测经纬仪主要应 用于地下工程测量。 • 一般将光学经纬仪分解为基座(tribrach)、水平度盘 (horizontal circle)和照准部(alidade)三部分。 1. 基座 • 基座用于支撑整个仪器。 • 基座上有三个脚螺旋，一个圆水准气泡，用来粗平仪器 • 水平度盘旋转轴套套在竖轴套外围，拧紧轴座固定螺旋 ，可将仪器上部固定在基座上；旋松该螺旋，可将经纬 仪水平度盘连同照准部从基座中拔出。
3.3 电子经纬仪
世界上第一台电子经纬仪(electronic theodolite)于1968年 研制成功，80年代初生产出商品化的电子经纬仪。 随着电子技术的飞速发展，电子经纬仪的制造成本急 速下降，现在，国产电子经纬仪的售价已经逼近同精 度的光学经纬仪的价格。 电子经纬仪主要有以下三方面的特点： ①采用电子测角系统，利用不同类型的扫描度盘(如编码 度盘、光栅度盘)及其相应的测角原理，实现了测角自动 化和数字化，并可将测量结果自动显示和储存，减轻了劳 动强度，提高了工作效率； ②采用轴系补偿系统，在微处理器支持下，配以相关的专 用软件，可对各轴系误差进行补偿或归算改正；
1. DJ6型光学经纬仪采用单指标读数，受度盘偏心的影 响。DJ2型光学经纬仪采用对径分划符合读数法，相 当于利用度盘上相差 的两个指标读数并取其平均值， 可消除度盘偏心差的影响。 2. DJ2型光学经纬仪在读数显微镜中只能看到水平度盘 或竖直度盘中的一个。读数时，可通过换像手轮，选 择所需要的度盘影像。 3. 竖盘指标水准管采用符合水准器，提高了气泡居中的 精度。 • DJ2型光学经纬仪通常采用对径分划线影像符合读数装 置进行读数，可以消除度盘偏心差，提高读数精度。读 数前，需转动测微轮，使度盘对径影像相对移动，直至 上下分划线精确重合后，再读出读数。
•在光栅度盘测角系统中，采用 •了莫尔干涉条纹技术进行测微。 • 莫尔条纹：是将两块密度相同 的光栅重叠，并使它们的刻划线相互倾斜一个很小的角度 θ，此时便会出现明暗相间的条纹，该条纹称为莫尔条纹 • 根据光学原理，莫尔条纹有如下特点： ①两光栅之间的倾角越小，条纹间距 ω 越宽，则相邻明 条纹或暗条纹之间的距离越大； ②在垂直于光栅构成的平面方向上，条纹亮度按正弦规律 周期性变化； ③当光栅在垂直于刻线的方向上移动时，条纹顺着刻线方 向移动。光栅在水平方向上相对移动一条刻线，莫尔条纹 则上下移动一周期，即移动一个纹距 ω ；
• 仪器中两光栅之间的夹角是已知的，所以通过自动数据 处理，即可算得并显示两方向间的夹角。 • 为了提高测角精度和角度分辨率，仪器工作时，在每个 周期内再均匀地填充n个脉冲信号，计数器对脉冲计数， 则相当于光栅刻划线的条数又增加了n倍。即角度分辨率 就提高了n倍。 • 为了判别测角时照准部旋转的方向，采用光栅度盘的电 子经纬仪其电子线路中还必须有判向电路和可逆计数器。 判向电路用于判别照准时旋转的方向，若顺时针旋转时， 则计数器累加；若逆时针旋转时，则计数器累减。 2. 动态测角原理 • 动态测角的仪器度盘仍为玻璃圆环，测角时由微型马达 带动而旋转。
“度”数由落在测微器上的度盘分划线的注记读出，测微 尺的“ 0 ”分划线与度盘上的“度”分划线之间的、小于 1°的角度在测微尺上读出；最小读数可以估读到测微尺 上1格的十分之一，即为0.1′或6″。 • 图 中 水 平 度 盘 读 数 为 115°03′36″ ， 竖 直 度 盘读 数为 72°51′18″ 。 • 测微尺读数装置的读数误差为测微尺上一格的十分之一 ，即0.1′或6″。 3.2.4 DJ2级光学经纬仪 • DJ2型光学经纬仪常用于三、四等三角测量、精密导线 测量和工程测量。 • DJ2型光学经纬仪的几个特点：
角值为负。 – 为了测量竖直角，经纬仪必 须在铅垂面内安置一个有圆盘 ，称为竖直度盘或竖盘 (vertical circle)。 • 竖直角也是两个方向在度盘上的读数之差，与水平角不 同的是，其中有一个是水平方向。 • 经纬仪设计时，一般使视线水平时的竖盘读数为0°或 90°的倍数，这样，测量竖直角时，只要瞄准目标，读 出竖盘读数并减去仪器视线水平时的竖盘读数就可以计 算出视线方向的竖直角。
1-望远镜制动螺旋 2-望远镜微动螺旋 3-物镜 4-物镜调焦螺旋 5-目镜 6-目镜 调焦螺旋 7-光学瞄准器 8-度盘读数显微镜 9-度盘读数显微镜调焦螺旋 10照准部管水准器 11-光学对中器 12-度盘照明反光镜 13-竖盘指标管水准器 14-竖盘指标管水准器观察反射镜15-竖盘指标管水准器微动螺旋 16-水平方 向制动螺旋 17-水平方向微动螺旋 18-水平度盘变换螺旋与保护卡 19-基座 圆水准器 20-基座 21-轴套固定螺旋 22-脚螺旋
④纹距 ω 与栅距 d 满足如下关系：
d
式中，ρ=3438′，θ—两光栅(指示光栅和光栅度盘)之 间的倾角。 • 例如，当θ =20′时，纹距ω = 172d，即纹距比栅距放大 了172倍。 • 使用光栅度盘的电子经纬仪，其指示光栅、发光管(电 源)、光电转换器和接收二极管位置固定，而光栅度盘与 经纬仪照准部一起转动。 • 发光管发出的光信号通过莫尔条纹落到光电接收管上， 度盘每转动一栅距(d)，莫尔条纹就移动一个周期(ω)。 望远镜从一个方向转动到另一个方向时，流过光电管光信 号的周期数，就是两方向间的光栅数。

③采用积木式结构，可与光电测距仪组合成全站型电子速 测仪，配合适当的接口，可将电子手簿记录的数据输入计 算机，实现数据处理和绘图自动化。 • 电子经纬仪的测角系统有三种：编码度盘、光栅度盘测 角系统和动态测角系统。 • 本节主要介绍光栅度盘测角系统的测角原理。 1.光栅度盘测角原理 光栅的基本参数是刻划线的密度和栅距。如图所示，在 玻璃圆盘的径向，均匀地按一定的密度刻划有交替的透明 与不透明的辐射状条纹，密度为一毫米内刻划线的条数。 栅距为相邻两栅的间距。光栅宽度为a，缝隙宽度为b，栅 距为d = a + b。这就构成了光栅度盘。
成像在平凸镜上；在平凸镜上有两个测微尺，测微尺上刻 划有60格。 • 通过折射棱镜，两个度盘分划线的像连同测微尺上的刻 划和注记可以被读数显微镜观察到，读数装置大约将两 个度盘的刻划和注记放大了65倍。 • 右图为读数显微镜视场； • 注记有“—”(有些仪器为“Hz”或 “水平”)字样窗口的像是水平度盘 分划线及其测微尺的像； • 注记有“⊥”(有些仪器为“V”或 “竖直”)字样窗口的像是竖直度盘 分划线及其测微尺的像。 • 读数方法为：以测微尺上的“0”分划线为读数指标，