大地测量仪器望远镜调焦运行误差研究

2 0 0 9 年 8月A ug. , 2009JOURNAL O F GEOD ESY AND GEOD YNAM ICS文章编号 : 1671 25942 ( 2009 ) Supp. 20136 2033大地测量仪器望远镜调焦运行误差研究刘海波凌模杨博雄(中国地震局地震研究所 ,武汉 430071)摘要分析了大地测量仪器望远镜调焦运行误差产生的原因 ,并以经纬仪为例 ,介绍一套利用 J SJ 综合检验仪对其调焦误差进行检定的方法 。关键词调焦运行误差 ; J SJ 综合检验仪 ; 检定 ; 校准 ; 经纬仪中图分类号 : TH741文献标识码 : ARESEA RC H O N FO C US I NG RUNN I NG ERRO R O FTEL ESCO PE O F GEOD ET I C I NSTRUM ENTL iu H a ibo, L in Mo and Yang Boxiong( Institu te of S eism o logy, C EA , W uhan430071 )A b stra c tR ea son fo r focu sing runn ing e rro r of te le scop e of geode tic in strum en t ha s been re sea rched. M ean2wh ile, the m e thod tha t te sts the focu s runn ing e rro r by u sing JSJ in tegra ting in sp ec tion in strum en t th rough an exam 2p le of theodo lite is in troduced.Key word s: focu s runn ing e rro r; J SJ in tegra tive te ste r; te st;ca lib ra tion; theodo lite1 引言在大地测量和工程测量中 ,经纬仪 、水准仪 、测 距仪和垂准仪等已被广泛使用 ,这些仪器共同点就 是长距离直线基准以及各被测点的自动观测和数据 采集除激光自动跟踪仪外 ,都是通过组成该测量系 统的精密测量仪器的内调焦望远镜来实现的 ,而内 调焦望远镜的调焦运行误差则直接影响测量结果的 可靠性 。因此在仪器检定中望远镜调焦运行误差是 他们共同的检项 。而且 此检 定 项目 也是 非 常重 要 的 ,他将直接影响仪器的正常使用 ,严重时可影响工 程的质量 。2 望远镜光学原理及等效模型所有形式的经纬仪 、全站仪 、水准仪由于结构复 杂小巧 ,选用了负透镜内调焦望远镜系统 。其光学 原理如图 1所示 。图 1 望远镜的光学原理F ig. 1 Op tica l p rinc ip le of te le scop e负透镜内调焦望远镜调焦时固定目镜和物镜的3 收稿日期 : 2008 209 223基金项目 :中国地震局地震研究所所长基金 ( IS200726024 )作者简介 :刘海波 ,男 , 1975 年生 ,副研究员 ,主要从事计量检定方面的工作. E - m a il: liuhb eqhb. gov. cn增刊刘海波等 :大地测量仪器望远镜调焦运行误差研究137位置 ,在其间加入一个可以前后移动的透镜进行调焦 ,其特点是镜筒尺寸短 ,调焦时光轴偏移小且长度 不变 ,透镜移动平稳而距离短 。由于上述优点内调 焦望远镜系统被广泛采用 。所谓调焦运行误差 ,也称调焦直线性误差 ,就是 调焦透镜主点在调焦运行中偏离了正确的视准轴位置 ,使新的视轴在水平或竖直面内的投影发生变化 而带来的误差 。调焦镜偏离视轴时的光学系统简化 成等效的光学系统模型 (图 2 ) 。 f1 f2 - df2 l2 =( 7 )f1 + f2 - d将式 ( 7 )代入式 ( 6 )可得d - f1 =X( )80f1 f2将 X0 看作常量对 d 求偏导得X0 =d( 9 )f1 f2式 ( 9 )即为负透镜内调焦运行误差计算关系式 。可以看出当调焦镜偏离视轴方向时 , 调焦镜的移动距 离越大所引起的视准轴的角误差改变量就越大 , 也 就是说由此引起的调焦运行误差越大 。4 调焦运行误差的检定调焦误差的检定一直是大地测量仪器检定工作 中的难点 。因为调焦误差检定需要一条高精度的标 准准线 ,而目前缺乏好的检测手段和设备 , JSJ 综合 检验仪的出现填补了这项空白 。下面介绍利用 J SJ 综合检验仪进行调焦误差检定的方法 。图 2 调焦镜的光学系统模型F ig. 2 Mode l of op tica l system of focu sing len s4. 1JSJ综合检验仪的基本原理J SJ 检验仪采用最新平面外调焦自动安平原理3 调焦运行误差计算原理设计 ,能自动安平且在准线方向上 2 m 准线目标连续可调的水平准线 ,此系统本身垂直方向理论 上不存在调焦运行误差 ,实际准线上多个目标点偏 离准线最大误差均在范围内 。水平方向依靠高精度 玻璃导轨可保证最大偏差小于 1 ,从而解决望远镜 调焦误差的检定问题 。如图 2所示 , = tan X 为 很小可化简为, 因l1 = X ( 1 )l1根据三角形相似原理可得 X l2 -l2=X0l2 l2 - l2X =X0( 2 )l2111根据物像原 理 可 得 -=-( f 为 调 焦 镜 焦2f2 l2l2距 ) l2 f2 图 3 J SJ 综合检验仪的基本原理F ig. 3 B a sic p rinc ip le of J SJ in tegra tive te ste rl2 = f( 3 )-l22将式 ( 3 )代入式 ( 2 )可得 :4. 2 检定方法水准仪调焦误差只需检测垂直方向 ,得其高差 值 。经纬仪 、垂准仪严格意义上水平和竖直两方向 检测矢量和 ,计算得其角度值 。以经纬仪检定为例 , 其检测步骤如下 :1 )经纬仪安置在自平准线系统的工作 台上 并 置平 ,望远镜照准主光管 处十字目标 (以水平线 对准 ) ;2 )将 准 线 目 标 移 到 5 m 位 置 , 调 焦 望 远 镜 照 准 ,若十字丝水平线不重合 ,可升降工作台使其重 (下转第 143页 ) l2 X =X0( 4 )l2 - f2 l2 f2 l1 = d + l2 = d + f( 5 )-l22将式 ( 4 ) 、( 5 )代入式 ( 1 )可得 - X0 =( 6 )df2 / l2 - d + f2d根据光学 系 统 组 合 等 效 公 式 : l2 = f ( 1 -) ; f=f1 f1 f2 ( f为等效焦距 ; f1 为物镜焦距 ) , 可得f1 + f2 - d增刊马武刚等 : PC I9052在 PC I接口卡中的应用143位代表的范围 :M SB = 27000000000000引脚用 0. 01 uf的电容退耦 。( 3 )关于布线层数 。电源和地线尽可能宽且电 源滤波要良好 ,原则上要求布 4层板 ,中间两层为电 源和地层 ,但是元器件少的话布线合理两层也可以 。L SB = 00010000000000000决定基地址 = 24 000 H;决定基地址倍数为 24 000 H /4 000 H = 9 H;转换基地址倍数为二进制 : 1001 b;直接在范围位的高位设置基地址倍数 。4 结语实践证明 , PC I9052 是一款优秀的 PC I总线 接 口芯片 ,它的使用减少了板卡设计的工作量 ,降低了 开发难度 ,具有很强的实用性 。虽然更新的接口芯 片 已 经 出 来 , 但 是 作 为 一 款 经 典 的 接 口 芯 片 , PC I9052仍有着广阔的使用空间 。M SB = 27L SB = 00000 0000 0010 0110 0000 0000 00003 ) PCB 板布线时需要注意的问题 由于该接口卡上的信号是高速信号 ,因此布线时要考虑到 PC I9052 数据手册上的一些特殊要求 ,结合设计实际 ,需要注意的问题包括以下几点 5 :( 1 ) 关于走线的长度 。由于驱动信号的一半需 要靠 PC I规范中提到的反射波信号来提升 ,所以对 信号线的长度要求为 : 64 位卡的 32 位信号具备的最大连线长度是 1 500 m il, 64位扩展信号的附加信 号的连线长度为 2 000 m il, PC I的 CL K长度为 2 500 m il 100 m il。特别是 CL K长度一定要保证在规范 要求内 ,长度不够的话 ,可以蛇形走线 。( 2 )关于退耦电容 。原则上 PC I板卡上所有电源都必须退耦 。V IO 引脚用 0. 047 uf的电退耦 , VCC参考文献PLX PC I9052 D a ta Book (V e rsion 1. 02 ) S . 2000. 苏治国 . PC I总线接口芯片 PC I9052 及其应用 J . 世界 电子元器 , 2002 , 5: 31 - 37.李贵山 ,戚德虎 . PC I局部总线开发者指南 M . 西安 :西 安电子科技大学出版社 , 1997.刘建中 ,李清宝 . 基于 PC I总线加密卡的硬件设计 J . 电 子技术应用 , 2004 , 12: 12 - 13.张涛 ,高强 . PC I9052 总线接口芯片 9052 及其 应 用 J .仪器仪表用户 , 2007, ( 3 ) : 72.12345(上接第 137页 )合 ,相差比较小时 ,也可用平板测微器微动 ,反复查 近 、远两目标直到完全重合为止 ;3)将准线目标调到 5、10、20、40、50 m 位置 ,并 相应调焦望远镜一一对准这些目标使成像清晰 。用 平板测微器读出各检测点的水平高差 hi (格 ) , i为 目标位置 ;表 1 比对检测结果 Ta b. 1 C om pa r ison am on g te st re su lts N i002 N 3 TCA 2003 TDA 5005 TM 5100AW H W V W1. 11. 01. 51. 0 1. 0 1. 4 0. 80. 71. 10. 1 mm 0. 3 mm5 结语通过理论分析和长期实践经验得到以上检定和 数据处理方法 ,可解决以往包括规程中对望远镜调 焦误差检定的复杂而且不全面的问题 。4 )往返测量后 , 计算得各点 平均值hi (格 ) ; 0. 05 hi5 )通过公式 h i =206 265可得各i 103点的角度变化 ;6 )望远镜调焦视轴变动误差W V = 0. 05 (h 5 - h m ax )hm ax为各有限距离上测得的最大偏移角值 (秒 ) ;7 )将 JSJ 检验仪读数测微器旋转 90 , 同理可得W H 。4. 3 实验比对选择几台高精度全站仪 、经纬仪和水准仪 , 利用 上述方法进行检测比对结果如表 1所示 。以上数据是不同时间段多次测量的结果 , 通过 比对可以证明此装置按照此种方法检定完全可以满 足现在所有大地测量仪器望远镜调焦误差的检定 。参考文献1李晓彤 . 几何光学和光学设计 M . 杭州 . 浙江大学出版社 , 2001.梅利