精密光学经纬仪及水平角观测.doc

第三章 精密光学经纬仪及水平角观测本章提要在工程控制测量和精密工程测量中，角度测量主要使用精密光学经纬仪。我国光学经纬仪的精度系列分为J07，J1，J2，J6等规格。本章主要介绍J2级以上精密光学经纬仪的基本构造和仪器检验，应用精密光学经纬仪完成一个测站上的水平角观测并获得正确观测值的方法及测站平差。 3.1 经纬仪的基本结构经纬仪既然是测量角度的工具，它的结构必须与水平角和垂直角的基本定义相适应，为此，首先了解什么是水平角和垂直角，以便认识经纬仪的基本结构及各部件的相互关系。 3.1.1 水平角和垂直角 1. 水平角 如图3-1，A、P1、P2为地面上的三个控制点。A为测站点，P1、P2为照准点。AV为A点的铅垂线(重力方向线)，过A点作垂直于AV的平面M。平面M称为水平面。铅垂线AV与视准线AP1、AP2分别构成两个垂直面Q1、Q2，两个垂直面Q1、Q2与水平面的交线分别为Aq1、Aq2。Aq1、Aq2分别叫做视准线AP1、AP2的水平视线。两水平视线Aq1、Aq2的夹角(即Q1、Q2两垂直面的二面角)称为测站点A观测目标P1、P2的水平角。图3-1 水平角和垂直角 可见，水平角不是两条视准线间的夹角，而是两条视准线在水平面上投影线的夹角，就是说，水平角是在水平面上度量的。 水平角在范围内按顺时针方向量取。 2. 垂直角 如图3-1，视准线AP1与其水平视线Aq1的夹角称为A点照准P1点的垂直角。同样，视准线AP2与其水平视线Aq2的夹角为A点对P2点的垂直角。所以，垂直角是视准线与其相应的水平视线的夹角，通常以表示。 垂直角是在垂直面上度量的。水平视线以上为正(如图中的1)，水平视线以下为负(如图中的2)。 视准线AP1、AP2与铅垂线AV的夹角Z1、Z2：分别称为AP1、AP2的天顶距。由图可见某一照准点的天顶距与垂直角有如下关系： （3-1） 3.1.2 经纬仪的基本结构 由上可知，要获得水平角和垂直角的正确值，必须正确的确定出视准线、铅垂线以及水平面和垂直面。因此经纬仪的基本结构必须能构成这些面、线，并保持正确关系。 图3-2表示经纬仪的基本结构。图3-2 经纬仪的基本结构 经纬仪的主要部件有： 望远镜构成视准轴，在照准目标时形成视准线，以便精确照准目标。 照准部水准器用来指示垂直轴的垂直状态，以形成水平面和垂直面。 垂直轴作为仪器的旋转轴，测定角度时，应与测站铅垂线一致。 水平轴作为望远镜俯仰的转轴，以便照准不同高度的目标。 水平度盘用来在水平面上度量水平角，应与水平面平行。 垂直度盘用来量度垂直角。 另外，为了精确读取度盘读数，在水平度盘和垂直度盘上均有测微器。 经纬仪的以上部件，除水平度盘以外，合称为经纬仪的照准部，照准部可以绕垂直轴旋转。 仪器的基座、水平度盘、垂直轴套和调平仪器的脚螺旋，是经纬仪的基础部分，叫做基座。 3.1.3 经纬仪主要部件之间的相互关系 为了测得水平角和垂直角，经纬仪不仅要具有上述各种主要部件，而且，这些部件还应按下列关系结合成一个整体。 （1）垂直轴与照准部水准器轴正交。即当照准部水准气泡居中时，垂直轴与测站铅垂线一致。 （2）垂直轴与水平度盘正交且通过其中心。这样，当垂直轴与测站铅垂线一致时，水平度盘就与测站水平面平行，在其上面量取的角度，才是正确的水平角。 （3）水平轴与垂直轴正交，视准轴与水平轴正交，当垂直轴与测站铅垂线一致，俯仰望远镜，视准轴所形成的面才是垂直照准面。 （4）水平轴与垂直度盘正交，且通过其中心。满足此关系，当垂直轴与测站铅垂线一致，水平轴水平时，垂直度盘就平行于过测站的垂直照准面，在它上面量取的角度，才是正确的垂直角。 经纬仪各主要部件的上述关系，总的来说，就是三轴(垂直轴，水平轴，视准轴)两盘(水平度盘和垂直度盘)之间的关系，一旦它们之间的关系被破坏，就将给角度观测带来误差。这些将在以后各节中说明。3.2 精密光学经纬仪的构造及使用方法控制测量中，需用经纬仪进行大量的水平角和垂直角观测。使用经纬仪进行角度观测，最重要的环节是：仪器整平、照准和读数。我们围绕这三个环节，对光学经纬仪的构造和使用方法作如下介绍。 3.2.1 水准器图3-3 水准轴与水准器轴 由前节可知，测角时必须使经纬仪的垂直轴与测站铅垂线一致。这样，在仪器结构正确的条件下，才能正确测定所需的角度。要满足这一要求，必须借助于安装在仪器照准部上的水准器，即照准部水准器。照准部水准器一般采用管状水准器。管水准器是用质量较好的玻璃管制成，将玻璃管的内壁打磨成光滑的曲面，管内注入冰点低，流动性强，附着力较小的液体，并留有空隙形成气泡，将管两端封闭，就成为带有气泡的水准器，如图3-3所示。1. 水准轴与水准器轴 为了便于观察水准器的倾斜量，在水准管的外壁上刻有若干个分划，分划间隔一般为2mm，其中间点称为零点。 水准器安置在一个金属框架内，并安装在经纬仪照准部支架上，所以把这种管状水准器称为照准部水准器。照准部水准器框架的一端有水准器校正螺旋，通过校正螺旋，使照准部水准器的水准器轴与仪器垂直轴正交。 所谓水准器轴，就是过水准器零点O，水准管内壁圆弧的切线，如图3-3所示。另外，由于水准管内的液体比空气重，当液体静止时，管内气泡永远居于管内最高位置，如图3-3中的位置。显然，过作圆弧的切线，此切线总是水平的，我们称此切线为水准轴由此可知，使其水准轴与水准器轴相重合，即气泡最高点与水准器分划中心O重合，这时经纬仪的垂直轴与测站铅垂线重合，这个过程称为整置仪器水平。 2. 水准器格值 我们知道，当水准器倾斜时，水准管内的气泡便会随之移动。不同的水准器，虽然倾斜的角度完全相同，各自的气泡移动量不会完全相同。这是因为不同的水准器，它们的灵敏度不同。灵敏度以水准器格值表示。所谓水准器格值，就是当水准气泡移动一格时，水准器轴所变动的角度，也就是水准管上的一格所对应的圆心角。如前所述，水准管的内壁是一圆弧，圆弧的曲率半径愈大，水准管上一格所对应的圆心角愈小，即水准器格值愈小，水准器的灵敏度就愈高。如图3-4，设气泡在水准管内移动一个格O，O所对应的圆心角为。若圆弧的半径为R，则为常量206 265) 。 图3-4水准器格值由于水准器轴与仪器的垂直轴正交，若气泡偏离水准器分划零点n个格，当水准器格值已知时，就可以按下式计算出仪器垂直轴倾斜的角度V： （3-2）即垂直轴倾斜角度等于气泡偏离水准器零点的格数乘以水准器格值。3.2.2 望远镜 如前所述，望远镜构成视准轴，在照准目标时形成视准线，以便精确地照准目标。也就是说，望远镜的作用有二：一是将不同距离的远方目标，通过成像，放大视角，以便更清晰地看到目标；二是用望远镜的视准轴精确照准目标，以确定目标的视准线方向。望远镜由物镜和目镜组成，来自目标的光线经过透镜折射成像，如图3-5所示，目标AB经物镜成像，然后再经目镜成为放大的倒像。图3-5 望远镜成像原理另外，为了能够照准目标，在望远镜内安装十字丝网，十字丝网的形状如图36所示。十字丝的竖丝应垂直，横丝应水平。观测水平角时，当目标恰被夹在竖丝中，就算照准了目标。这是测量望远镜与一般望远镜的区别。图3-6 望远镜十字丝网 十字丝的中心与物镜光心的连线称为视准轴。所谓照准，就是使视准轴指向目标，即视准轴与目标在一条直线上。为了能够正确照准目标，要求目标成像恰好落在十字丝网面上。这样在照准时，观测者的眼睛稍微左右移动时，目标与十字丝网的相对位置才不会改变。否则，就会因观测者眼睛位置不同而产生照准误差，称为视差。 为了使目标恰好落在十字丝面上，消除视差，在望远镜的物镜与目镜之间，安装一个调焦透镜。调焦透镜可以前后移动，从而改变目标像AB 的位置。这样，不同的视力，先调整目镜，使十字丝清晰，再调整调焦透镜，使目标像清晰(即目标像落在十字丝网面上)，则视差被消除。 综上所述，望远镜由物镜、目镜、十字丝网和调焦透镜四部分组成。物镜和目镜起放大目标像的作用，十字丝与物镜光心构成视准轴供照准目标用；调焦透镜用来调整目标像的位置，起消除视差的作用。其结构如图3-7。图3-7 望远镜结构示意图 3.2.3 水平度盘和测微器 经纬仪的水平度盘和测微器是用以量度水平角的重要部件，它们二者之间以一定的关系结合起来，就能读出照准目标后的水平角或水平方向值。 1. 水平度盘 光学经纬仪的水平度盘都是用玻璃制成的，安置在仪器基座的垂直轴套上，当仪器照准部转动时，要求水平度盘不得转动和移动。 在水平度盘圆周边上精细地刻有等间隔分划线，全周刻360度，每度一标记，按顺时针方向增值，每度间隔内再等间隔刻有若干个小分划，相邻小分划的间隔值就是该水平度盘的最小分格值。如威特T3经纬仪，在每度间隔内刻有十五个分格，显然，每个分格值为。 由于水平度盘的周长有限，所以度盘的分格很小，只有借助显微镜才能看清分划线。即使这样，也只能估读到110格，这远不能满足精确测角的要求。因此，需要安置显微测微器，以精确量取不足一格之值。 2. 光学测微器及测微原理 为了便于理解光学测微器的测微原理，下面首先介绍显微镜的成像光路。 （1）度盘成像光路 目前光学经纬仪的度盘成像光路可分为两类：第一类，光线能透过度盘，称为透射式度盘，以蔡司010经纬仪为代表；另一类在度盘分划面上镀一层银，光线射到度盘分划面上，照亮分划面后又被反射回来，称为反射式度盘，此类经纬仪以威特经纬仪为代表。图3-8 反射式度盘成像光路 1）反射式度盘成像光路 图3-8为反射式度盘成像光路。它与普通显微镜的共同之处在于：都有物镜和目镜。但是，它的作用是精确测定不足一个分格的微小量，因此其结构有如下特性： 第一，为了使度盘对径两端的分划同时成像，来自反光镜的一束光线，在度盘下面的长棱镜的下部被分为二束射入度盘的对径180的两端，照明度盘分划线。然后，带有度盘两端分划的光线又由长棱镜的上部各经两次反射，同时进入物镜，因而，它们能同时成像于一个平面上，又能上下分开。 第二，双菱形棱镜的两个上斜面，就是显微镜的成像面，在此上面有指标线和度盘读数窗的框子，两个棱镜上斜面的交线就是目镜中见到的度盘上、下影像之问的水平线。 第三，测微器由光路中的两块平行玻璃板及测微盘组成。图3-9 透射式度盘成像光路垂直度盘的光路如图3-8所示，不再赘述。2）透射式度盘成像光路图3-9为透射式度盘成像光路，它的成像过程与反射式度盘成像过程大体相同。其不同点之一，度盘的照明方式不同于反射式度盘。如图3-9，光线自反光镜射入后，经棱镜折射透过度盘的左端，再由透镜组将度盘左端的分划成像于度盘右端分划面上，且保持原有的分划宽度，只是将像旋转180。不同点之二，度盘分划成像于直角棱镜的垂直面上，在其上刻有度盘窗口。不同点之三，在物镜与成像面之间放置了两对光楔来构成测微器。 （2）测微器的基本结构和测微原理 由图3-8和图3-9可以看出，图3-8中所示的测微器属于双平行玻璃板式测微器，图3-9 中所示的测微器为双光楔式测微器。 1）双平行玻璃板式测微器测微原理 双平板测微器主要由两块平行玻璃板、测微盘及其他部件构成，见图3-10。 由几何光学知：当光线通过两个折射面互相平行的玻璃板时，方向不会产生变化，仅产生平行位移，其位移量与入射角有关。如图3-11所示，当光线垂直于平行玻璃板的折射面(即入射角为零)入射时，并不产生折射、平移。当光线的入射角(即不垂直于折射面)时，出射光线方向虽然不变，但其位置却平移了h。入射角改变时，平移量h也随之改变。对于一定厚度的平行玻璃板，当入射角很小时，光线的平移量h与其入射角成正比，这就是平行玻璃板的特性。 图3-10 双平行玻璃板测微器 图3-11 平行玻璃板行倾斜使光线平移 对于双平行玻璃板测微器，当将两块平行玻璃板相对转动时（即一顺时针转动，另一逆 时针转动），度盘对径两端分划也就作相对移动。如果将刻有分划的测微盘与转动平行玻璃板的机构连在一起，而且，当转动平行玻璃板使度盘分划线像相对移动一格时（即各移动半格），测微盘正好从零分划转动到最末一个分划，根据这种关系，测微器就起到量度度盘上不足一格的值的作用。 2）光楔式测微器测微原理 光楔式测微器主要由光楔和测微尺组成。由几何光学知道，光楔能使光线向光楔的底面 偏折，偏折角的大小与光楔的楔角成正比。 在测微器中，把楔角相等的两个光楔安置成图3-12的形式，使平面平行于平面，且互相倒置，与光线正交。因为它们的楔角相等且又互相倒置，A光楔使光线偏折向下，B光楔又使光线向上偏折同一量。这样，光线就被平移。如果A光楔固定不动，而把B光楔沿光轴前后移动，则光线的平移量h随两光楔之间的距离增大而增大。当两光楔贴合在一起时，它就成了一块平行玻璃板，对垂直于入射面入射的光线不产生移动。这就说明在一定条件下双光楔可以起到平行玻璃板的作用。但是，两种光学零件的运动方式却不同。平行玻璃板是由于其倾斜使光线产生平移，双光楔则是由于其中一个光楔的直线运动产生平移。图3-12 双光楔对光线的平移图3-13 光楔式测微器测微原理 如图3-13所示，将两组光楔分别安置在度盘对径分划的光路中，下面一块K1为固定光楔，上面一块K2为活动光楔。这样，沿直线移动活动光楔，便可使度盘对径两端的分划光线作相向或相背移动。把活动光楔与测微尺L固定在一起，装在一齿条上，用测微螺旋上的齿轮带动它，转动测微螺旋时，活动光楔。与测微尺便一起运动，度盘对径两端分划光线相对移动一格，测微尺相应从零分划移至末端的最后一个分划。这样，测微尺就可量度出度盘上不足一格的值来。 3. 读数方法如前所述，使用经纬仪进行角度测量，读数是三个环节之一，又由测微器和度盘的作用可知，经纬仪照准目标之后，其读数就是度盘读数和测微器读数之和。那么，只要会读取度盘读数和测微器读数，经纬仪的读数方法即被掌握。 由光学经纬仪光路和测微器结构原理可知，现代精密光学经纬仪一般都采用对径分划同时成像，通过测微器使度盘对径分划线作相向移动并作精确重合，用测微盘量取对径分划像的相对移动量，这种读数方法叫做重合读数法。 重合读数法的基本方法步骤是：（1）先从读数窗中了解度盘和测微盘的刻度与注记，确定度盘的最小格值。 度盘对径最小分格值 测微盘的格值 （2）转动测微螺旋，使度盘正倒像分划线精确重合。读取靠近度盘指标线左侧正像分划线的度数。 （3）读取正像分划线到其右侧对径的倒像分划线(即)之间的分格数n。 （4）读取测微盘上的读数c，c等于测微盘零分划线到测微盘指标线的总格数乘测微盘格值T。 综上所述，可得如下的读数公式： 综合读数公式，举例进一步说明读数方法：第一，威特T3经纬仪水平度盘读数方法，见图3-14。图3-14 威特T3经纬仪水平度盘读数第二，威特T2读数、蔡司010经纬仪水平度盘读数方法，见图3-15。图3-15 威特T2、蔡司010经纬仪水平度盘读数图3-16 新威特T2读数窗 另外，有些类型的经纬仪，虽然仍采用重合法读数，但读数窗中视场有所更新。图3-16就是新威特T2经纬仪度盘读数窗的视场。一看便知，读数应为94124。3.2.4 垂直度盘与垂直角 由3.1可知，垂直角是照准目标的视准线与相应的水平视线的夹角。为此，要测定垂直角，需要解决两个问题：一要求出视准线在垂直度盘上的读数；二要求出相应的水平视线在垂直度盘上的读数。垂直角的计算式可写成：=视准线在垂直度盘上的读数-水平视线在垂直度盘上的读数为了得到视准线在垂直度盘上的读数，在设计经纬仪时，将望远镜、垂直度盘均固定在水平轴上，并使水平轴与垂直度盘正交且通过其中心。这样，视准线在垂直度盘上的读数为一已知的定数；为了得到水平视线在垂直度盘上的读数，在垂直度盘上安置一个读数指标。用读数指标把水平视线在垂直度盘上的位置标示出来。这时，读数指标在垂直度盘上的读数就是水平视线在垂直度盘上的读数。由此可见，当俯仰望远镜照准目标后，其视准线在垂直度盘上的读数与其水平视线在垂直度盘上的读数之差，就是要测定的垂直角。这就是利用垂直度盘测定垂直角的基本原理。 由于垂直度盘、望远镜均固定在水平轴上，当垂直度盘的刻度确定之后，不论望远镜如何俯仰，照准目标后视准线在垂直度盘上的读数都是固定不变的。也就是说，视准线在垂直度盘上的读数取决于垂直度盘的刻划方法。 1. 垂直度盘刻划 垂直度盘的刻划方法随经纬仪类型不同而不同，刻划方法大致可分为两类：第一类，是在度盘的全周上沿逆时针方向由0到360，且使90到270分划线的连线与望远镜视准轴平行，如图3-17。盘左时，视准线在垂直度盘上的读数永为90；盘右时，永为270。威特T2、蔡司010型经纬仪都属于这一类。第二类，不是从0到360，而是从55到125，对径刻划(即相差180的刻划)注记相同。望远镜视准轴与对径读数均为90的刻划线平行。即不论盘左或盘右，视准线在垂直度盘上的读数永为90，如图3-18。图3-17 J2级经纬仪垂直度盘测角示意图图3-18 T3经纬仪垂直度盘测角示意图 2垂直度盘的指标水准器、自动归零装置 如前所述，水平视线在垂直度盘上的读数，是用读数指标把水平视线在垂直度盘上的正确位置确定下来。把读数指标在垂直度盘上的正确位置确定下来的方法目前有两种：符合水准器或自动归零装置。 （1）垂直度盘指标水准器光学经纬仪的垂直度盘指标水准器，一般都采用符合水准器，这样，既可提高气泡的安图3-19 符合水准器原理平精度，又便于观察，对于格值为10以上的水准器，其安平精度可提高23倍。符合水准器的原理见图3-19，它是利用两块棱镜1、2，使气泡的a、b两端经过二次反射后，符合在一个视场内。两块棱镜1、2的接触线cc 成为气泡的界线，再经过棱镜3放大为人眼看到。这种水准器叫做符合水准器。这样，在安置垂直度盘读数指标时，使读数指标与符合水准器的水准器轴重合，若两者不重合，校正符合水准器的改正螺旋，使它们重合，以此来达到垂直度盘读数指标保持水平。 （2）垂直度盘指标自动归零装置 近代一些先进的经纬仪，为了既保证垂直角观测的精度，又提高效率，采用指标自动归零(或称自动补偿)装置代替指标水准器。其目的仍然是：在进行垂直度盘读数时，使垂直度盘的读数指标保持水平状态。 各种垂直度盘读数指标自动归零装置都是利用重力使悬吊物体自然下垂，或使液面保持水平的原理，通过光学折射补偿的方法，达到垂直度盘读数指标自动归零的目的。目前采用的自动归零装置有三类：吊丝式自动归零装置、簧片式自动归零装置和液体式自动归零装置。带有垂直度盘读数指标自动归零装置的仪器，在测量垂直角时，因无须调整指标水准器符合，显得方便快捷多了。 3垂直角、指标差计算公式 我们知道，垂直角是视准线在垂直度盘上的读数与水平视线（即垂直度盘读数指标）读数之差。由于望远镜与垂直度盘固定在一起。这样，视准线在垂直度盘上的读数，将随着垂直度盘刻划方式的不同而不同，所以，其垂直角的计算公式也将不同。 （1）蔡司010和威特T2经纬仪垂直角、指标差计算公式此类仪器的垂直度盘刻划方式如图3-17（a）所示。其视准线在垂直度盘上的读数，盘左时为90（如图3-17（b），盘右时为270（如图3-17（c）。 俯仰望远镜照准目标，水平视线（即读数指标）在垂直度盘上的读数，盘左时为L（如图3-17（b），盘右时为R （如图3-17（c）。依照测定垂直角的原理，由图3-17可以看出，盘左时，垂直角为 盘右时，垂直角为： 取盘左、盘右（、）的中数，即得垂直角计算公式： （3-3） 实际上，读数指标的位置不可能完全正确，当指标水准器气泡居中时，读数指标与水平视线总有一夹角i，我们称之为指标差。存在指标差i时，盘左和盘右位置，望远镜视准轴在垂直度盘的读数不受其影响，而水平读数指标的读数分别为L、R。由图3-17的B、C可知，L、R与没有指标差时的正确读数L。、R。的关系为 垂直角为 （3-4）取其中数，垂直角计算公式为 （3-5） （3-3）式与（3-5）式完全相同。这表明，通过盘左、盘右观测垂直角，可以消除指标差的影响。将（3-4）式的两式相减，可得 即 （3-6）这就是威特T2和蔡司010经纬仪的指标差计算公式。 （2）威特T3经纬仪的垂直角、指标差计算公式 如前所述，威特T3经纬仪垂直度盘的刻划特点是：非全圆周刻划及分划注记仅为实际所对角度的一半。另外，读数指标不是与水平视线一致，而是与水平视线正交。因此，其垂直角、指标差的计算公式与威特T2、蔡司010经纬仪的不同。由图318可以看出，盘左、盘右时，望远镜照准目标后其视准轴(即视准线)的读数均为90，读数指标的读数分别为L、R。没有指标差时的正确读数为L。、R。，则 盘左、盘右时，垂直角应为 （3-7）取其中数，得垂直角计算公式 （3-8）将式（3-7）的两式相减，得 由于垂直度盘刻划是实际所对角度值的2倍，所以，上式可写成： （3-9） 3.2.5 常用精密光学经纬仪简介 经纬仪是按照所能达到的测角精度来分类的，凡适用于国家各等级三角、导线测量的光学经纬仪，通称为精密光学经纬仪。用于地形及工程测量的光学经纬仪称为普通光学经纬仪或工程光学经纬仪。 国家三角测量和精密导线测量规范指出，用于国家各级角度观测的精密光学经纬仪图3-20 威特T3经纬仪系列分为：J07，J1，J2；普通光学经纬仪分为：J6和J30。“J”为“经纬仪”汉语拼音的第一个字母；数标为该级仪器能达到的测角精度指标。图3-21 威特T2经纬仪常用精密光学经纬仪系列中的威特T3、威特T2、蔡司010、苏光J2经纬仪的外形和主要部件名称分别见图3-20、图3-21、图3-22、图3-23，主要技术参数见表3-1。1垂直制动螺旋；2测微轮；3读数显微镜的目镜管；4垂直微动螺旋；5度盘影像变换钮；6水平微动螺旋；7水平制动螺旋；8三角基座；9垂直度盘符合水准器反射棱镜；10瞄准器；11垂直度盘水准器改正螺旋；12望远镜调焦环；13度盘照明反光镜；14望远镜的目镜管；15照准部的水准器；16圆盒水准器；17照准部与基座的连接螺旋；18垂直度盘水准器；19垂直度盘水准器微动螺旋；20水平度盘变换螺旋；21水平度盘变换螺旋保险钮；22物镜内镀银面；23十字丝照明反光镜；24照准部水准器改正螺旋；25光学对点器；26脚螺旋图3-22 蔡司010经纬仪1望远镜物镜；2光学瞄准器；3十字丝照明反光板螺旋；4测微轮；5读数显微镜管；6垂直微动螺旋弹簧套；7度盘影像变换螺旋；8照准部水准器校正螺丝；9水平度盘物镜组盖板；10水平度盘变换螺旋护盖；11垂直度盘转像透镜组盖板；12望远镜调焦环；13读数显微镜目镜；14望远镜目镜；15垂直度盘物镜组盖板；16垂直度盘指标水准器护盖；17照准部水准器；18水平制动螺旋；19水平度盘变换螺旋；20垂直度盘照明反光镜；21垂直度盘指标水准器观察棱镜；22垂直度盘指标水准器微动螺旋；23水平度盘转像透镜组盖板；24光学对点器；25水平度盘照明反光镜；26照准部与基座的连接螺旋；27固紧螺母；28垂直制动螺旋；29垂直微动螺旋；30水平微动螺旋；31三角基座；32脚螺旋；33三角底板图3-23 苏光J2经纬仪3.3 经纬仪的几项调校 仪器的设计和制造不论如何精细，各主要部件之间的关系也不可能完全满足理论要求。另一方面，在仪器使用过程中，由于震动、磨损和温度变化的影响，也会改变各部件之间的正确关系。为此，应在使用仪器之前，对仪器进行检验和校正。本节先介绍经纬仪的几项一般性的调整与校正，其他有关项目的检验和校正将结合仪器误差讨论，在下节加以介绍。 3.3.1 各主要螺旋的检查与调整 将仪器取出，整置在脚架上，按规范要求对仪器进行一般性检视，然后对仪器的各主要螺旋进行检查和调整。 1脚螺旋的检视与调整 检查三个脚螺旋松紧是否适度，脚螺旋过松，仪器基座稳定性差，仪器照准部旋转时，可能使基座产生位移和偏转，给水平角观测结果带来系统误差；过紧，脚螺旋转动困难。当脚螺旋松紧度不合适时，可转动脚螺旋上的小调整螺旋，直到脚螺旋松紧合适为止。 另外，脚架上的螺丝也要检查，它们应是固紧的，不能稍有松动。否则，会使脚架松动，给观测带来影响。 2微动螺旋的检视与调整 微动螺旋(包括水平微动螺旋、垂直微动螺旋、指标水准器微动螺旋)是与弹簧共同起作用的。在使用微动螺旋的过程中，若微动螺旋旋人过多，使弹簧过分压缩，弹力过强；若旋入过少，弹簧过分伸张，弹力不足。这两种情况下，都容易产生“后效”作用，给观测带来误差影响。另外，对于旧仪器，其微动螺旋的弹簧由于长期的压缩和锈蚀，容易产生弹力不足问题，应注意检查其弹力，若弹力不足，应及时修理。 3.3.2 照准部水准器轴与垂直轴正交的检校 使经纬仪的乖直轴与测站铅垂线一致，是获得垂直照准面和水平切面(水平面)，从而测得水平角和垂直角的基本前提条件。使经纬仪的垂直轴与测站铅垂线一致的过程，叫做整平仪器。整平仪器是借助于照准部水准器进行的。当照准部水准器轴与垂直轴正交时，将给整平仪器带来方便。由于外界温度变化及震动等原因，二者的正交常不能保持。所以，观测前应进行二者正交的检查和校正。检查和校正应在整平仪器后进行。 1. 整平仪器及照准部水准器轴与垂直轴正交的检查 当照准部水准器轴与垂直轴不正交或不知道二者是否正交时，整平仪器的方法是： （1）转动照准部，使照准部水准器与任意两个脚螺旋的连线平行（设这两个脚螺旋分别为A、B，另一个脚螺旋为C），并设垂直度盘位于A端，同时对向转动A和B两个脚螺旋，使照准部水准器气泡居中。 （2）将照准部转动90，使照准部水准器与A、B两个脚螺旋的连线正交(垂直度盘置于C端)，转动脚螺旋C，使照准部水准器气泡居中。 （3）先重复（1）款再重复（2）款的操作。 （4）在（3）操作的基础上，将照准部旋转180。（此时照准部水准器仍与A、B两个脚螺旋的连线正交，垂直度盘位于C脚螺旋的另一侧），这时若照准部水准器气泡仍位于刻划中心，说明照准部水准器轴与垂直轴正交；否则，说明二者不正交，应转动脚螺旋C，改正气泡偏离量的一半。 （5）再将照准部旋转90（此时照准部水准器与A、B两个脚螺旋的连线平行，垂直度盘在B端），此时，若照准部水准器轴与垂直轴正交，气泡不偏离刻划中心；否则，将偏离刻划中心，这时，可同时对向转动A、B两个脚螺旋，改正气泡偏移量的一半。 至此，仪器已被整置水平，仪器水平的标志是：不论仪器照准部转到什么位置，气泡偏离水准管刻划中心的格数及气泡在水准管上的位置保持不变。 2照准部水准器轴与垂直轴正交的校正 经过上述的整平与正交检查，如果照准部水准器轴与垂直轴不正交(即仪器整平后气泡仍不居中)，如图3-24，应紧接着进行校正。由图3-24可以看出只要用改针改正照准部水准器一端的改正螺旋，使气泡居中，此时水准器轴即处在正确位置啊，与垂直轴正交。 几种常用经纬仪的照准部水准器改正螺旋见图3-25。图3-24 照准部水准器轴与垂直轴不正交的校正图3-25 常用经纬仪照准部水准器改正螺旋 3.3.3 望远镜的调焦及视差的消除 望远镜是用来精确照准目标的。为此，目标在望远镜中的成像必须清晰，且成像于十字丝面上，为了达到这两个目的，观测之前，应转动望远镜的调焦环（或调焦螺旋），使目标清晰地成像于十字丝面上，这个过程叫做调焦，或叫对光，调焦的方法是： （1）将望远镜指向天空，转动望远镜目镜，直到十字丝十分清晰为止。 （2）选择一个距离适中的目标，将望远镜指向目标，转动望远镜的调焦环(或调焦螺旋)，使目标在望远镜中的成像清晰为止。 3.3.4 指标差的检查校正 由垂直角测定原理知道，垂直度盘指标水准器的气泡居中时，垂直度盘的读数指标与测站铅垂线垂直（或平行），并通过垂直度盘的分划中心，或者说，垂直度盘的读数指标线应垂直（或平行）于指标水准器轴。如果指标水准器的气泡居中时，垂直度盘的读数指标线的实际位置偏离正确位置一个角度i，这个角度称为垂直度盘指标差。一般规定，当读数指标的实际位置使垂直度盘读数偏大时，i为正；反之为负。 检查指标差的方法是：在盘左和盘右位置上用中丝照准同一目标，并在指标水准器气泡居中后，读出垂直度盘读数L和R，用指标差计算公式： (J2级仪器)或 (J07、J1级仪器)计算出该仪器的指标差，如果指标差的绝对值超出规范规定的限值；应进行指标差校正。 校正指标差的基本方法： （1）对于J2级仪器，用公式算出垂直度盘的正确读数，对于J07、J1级仪器，则用。式中L、R分别是测定指标差时的垂直度盘左、盘右的读数；i为按指标差公式算得的指标差数值。 （2）在盘右（或盘左）位置上，以中丝精确照准测定指标差时的原目标，转动测微器，配置出与（或）相应的测微器读数，再转动垂直度盘指标水准器微动螺旋，使垂直度盘上的读数与（或）的大读数（度数及10或2的整倍数）相同，也就是说，至此应使垂直度盘上的读数与（或）相同。这时，指标水准器的气泡将偏离其中央位置。为此，可转动指标水准器的改正螺旋，使指标水准器气泡居中。至此，指标差的校正已经完成。 校正后，应进行检测，直到符合规范要求为止。 对于垂直度盘指标是自动归零的经纬仪，其指标差的测定与校正方法与上述的方法基本相同，只是没有使指标水准器气泡居中的操作。校正的方法是：用测微器和垂直微动螺旋使垂直度盘读数为 (或)。转动望远镜十字丝的改正螺旋，使十字丝水平中丝上下移动，直到照准原观测目标为止。 3.3.5 光学对点器的检校 在控制点上进行水平角观测时，必须使仪器中心与标志中心一致。为此，开始观测前，使用垂球或光学对点器进行仪器对中。当使用光学对点器对中时，必须使光学对点器的视准轴与仪器的垂直轴重合，才能保证对中精度。检查、校正光学对点器视准轴与仪器垂直轴重合的工作，叫做光学对点器的检校。 有光学对点器的经纬仪，大致有两种类型：一种经纬仪（如SGJ2和蔡司010经纬仪）的光学对点器安装在经纬仪的照准部上，与照准部一起转动；另一种经纬仪（如威特T2）的光学对点器安装在仪器基座上，不和照准部一起转动。 现以蔡司010和威特T2经纬仪为例，说明两种不同情况的光学对点器检校方法。 1投影法 这种方法适用于光学对点器随照准部一起转动的经纬仪，检校的具体方法步骤如下： （1）置经纬仪于脚架上，将仪器整平。 （2）在仪器下方地面上，平放一张白纸，固定仪器照准部，调整对点器目镜，直至对点器目镜中分划板上的圆圈清晰为止，然后，将对点器分划板圆圈中心标绘在白纸上，为第一位置A1。 （3）转动仪器照准部120，固定之，按（2）的方法，将对点器分划板圆圈中心标绘在白纸上，为第二位置A2。 （4）将仪器照准部再转动120，固定之，按上述方法在白纸上标绘出第三位置A3。 如果白纸上的三个投影点A1、A2、A3重合，说明对点器视准轴与仪器垂直轴一致；如果三点分离，则两轴不一致，需要进行对点器调校。调校的方法是： 将对点器目镜后面盖板上的四个螺旋取下，并将目镜管伸出至尽头，把盖板移出，可以看到目镜管的两个固定螺旋，将这两个固定螺旋松开，移动目镜管，使对点器分划板圆圈中心与A1、A2、A3组成的三角形中心一致，固定目镜固定螺旋。 再按上述方法检查对点器的对中精度，直到符合要求为止，即可固定对点器盖板。 2垂球调校 对于将对点器安装在基座上的经纬仪（如威特T2），其对点器的检校方法有两种：一是在专用脚架上检校；另一种方法是用垂球进行检校。 使用专用脚架检校对点器的方法与上述投影法基本相同。用垂球进行检校的方法是：将仪器整置在脚架上，精确整置仪器水平，挂上对中垂球，使垂球尖尽可能的接近平放在地面上的白纸。待垂球静止时，将垂球尖投影到白纸上，然后取下垂球。调好对点器目镜焦距，从目镜中观察白纸上记下的垂球尖的位置是否在对点器分划板圆圈中心。若在圆圈中心，则说明对点器的视准轴与垂直轴一致；若不在圆圈中心，则需进行校正。 校正的方法是：用改针将对点器目镜后的三个改正螺旋都略微松开，再根据需要调整三个改正螺旋中的一个，使分划板圆圈中心与垂球尖的投影位置一致为止，这项改正需反复进行。最后，将改正螺旋固定。3.4 精密光学经纬仪的仪器误差及其检验和校正 前面几节具体介绍了光学经纬仪的主要部件及其相互关系。仪器的制造和安装不论如何精细，也不可能完全满足理论上对仪器各部件及其相互几何关系的要求，加之在仪器使用过程中产生的磨损、变形，以及外界条件对仪器的影响，必然给角度测定结果带来误差影响。这种因仪器结构不能完全满足理论上对各部件及其相互关系的要求而造成的测角误差称为仪器误差。 仪器误差包括三轴误差(视准轴误差、水平轴倾斜误差、垂直轴倾斜误差)，照准部旋转误差，分划误差(水平度盘分划误差、测微盘分划误差)以及光学测微器行差等。本节将介绍这些误差的产生原因，消除或减弱其影响的措施及检验方法。 3.4.1 三轴误差 由3.1知，经纬仪的三轴（视准轴、水平轴、垂直轴）之问在测角时应满足一定的几何关系，即视准轴与水平轴正交，水平轴与垂直轴正交，垂直轴与测站铅垂线一致。当这些关系不能满足时，将分别引起视准轴误差、水平轴倾斜误差、垂直轴倾斜误差。图3-26 视准轴误差 1视准轴误差 （1）视准轴误差及其产生原因 望远镜的物镜光心与十字丝中心的连线称为视准轴。假设仪器已整置水平(即垂直轴与测站铅垂线一致)，且水平轴与垂直轴正交，仅由于视准轴与水平轴不正交即实际的视准轴与正确的视准轴存在夹角C，称为视准轴误差。如图326。当实际的视准轴偏向垂直度盘一侧时，C为正值，反之C为负值。 产生视准轴误差的原因是由于安装和调整不正确，使望远镜的十字丝中心偏离了正确的位置，造成视准轴与水平轴不正交，从而产生了视准轴误差。此外，外界温度的变化也会引起视准轴的位置变化，产生视准轴误差。 （2）视准轴误差对观测方向值的影响及消除影响的方法 视准轴误差C对观测方向值的影响为 （3-10）式中：为观测目标的垂直角。 由的表达式可知： 1）的大小不仅与C的大小成正比，而且与观测目标的垂直角有关。当越大时，C也越大，反之就越小；当=0时，=C。 2）盘左观测时，实际视准轴位于正确视准轴的左侧，使正确的方向值L0比含有视准轴误差的实际方向值L小，即 纵转望远镜，以盘右观测同一目标时，实际视准轴在正确视准轴的右侧，显然此时对方向值的影响恰好和盘左时的数值相同，符号相反，即正确的方向值较有误差的方向值R大，故 取盘左与盘右的中数，得 （3-11） 可以看出：视准轴误差对观测方向值的影响，在望远镜纵转前后，大小相等，符号相反。因此，取盘左与盘右的中数可以消除视准轴误差的影响。 3）观测一个角度时，如果两个方向的垂直角相等，则视准轴误差的影响可在半测回角度值中得到消除。即使垂直角不相等，如果差异不大且接近于0，其影响也可以忽略。 4）望远镜纵转前后，同一方向的盘左、盘右观测值之差为 （3-12） 视准轴与水平轴的关系是机械的结合，在短时间内，可以认为C是常值。由（3-11）式可知，若各个方向的垂直角a很小，且相差不大时，2C近似等于2C，亦可认为是常值。因此，可将上式写成： （3-13）2C通常被称为二倍照准差。 （3）计算2C的作用及校正2C的方法 在短暂的观测时间里，视准轴受温度等外界因素的影响所产生的变化是很小的。在观测过程中，2C变动的主要原因是观测照准读数等偶然误差的影响。因此，计算2C并规定其变化范围可以作为判断观测质量的标准之一。 另外，2C的常值部分对观测结果是没有影响的，有影响的仅是它的变动部分。但是，2C数值过大时，对记簿计算不太方便，因此2C绝对值过大时需校正。2C的绝对值对于J07 J1型仪器应不大于20，J2型仪器应不大于30。 校正2C的方法如下： 首先选择一个垂直角接近于0的目标，用盘左、盘右观测出2C值，若2C值的绝对值大于规范规定的限差，应进行2C的校正。 对于无目镜测微器的仪器，先按R0=R+C(或L0=LC)算出正确读数。然后用测微盘对准正确读数的不足度盘一格的零数，再用水平微动螺旋使水平度盘的上下分划像重合，使水平度盘读数等于R0或L0，此时望远镜的十字丝中心偏离目标影像。再用十字丝网校正螺旋使十字丝照准目标。图3-27 十字丝校正螺旋 不同类型的仪器，其十字丝校正螺旋亦不尽相同，如图3-27所示。校正时，应注意校正螺旋的对抗性，应先松开一个再紧另一个。校正后，通常应再检测一次，直到达到目的为止。2水平轴倾斜误差 （1）水平轴倾斜误差及产生原因 当视准轴与水平轴正交，且垂直轴与测站铅垂线一致时，仅由于水平轴与垂直轴不正交使水平轴倾斜一个小角i，称为水平轴倾斜误差，见图3-28。图3-28 水平轴倾斜误差 引起水平轴倾斜误差的主要原因是：在仪器安装、调