激光垂准仪激光轴铅垂测量结果的不确定评定报告

1、激光垂准仪铅垂度的测量不确定度评定报告1. 测量原理与测量方法1.1 激光垂准仪激光轴的铅垂度 激光垂准仪是利用激光准直原理测定铅垂线的仪器。 由于仪 器的制造、安装的原因，它的激光轴或视准轴不可能与重力线完 全重合。所以垂准仪给出的铅垂线与标准的铅垂线会存在一个微 小的夹角，我们将它称做垂准仪激光轴的铅垂度。有的文献上称 铅垂 i 角。本文称标准的铅垂线为参考铅垂线，目前这种标准装 置是利用 JsJ 精密水准仪检验仪来代替。实际上给出的是水平准 线。对于激光垂准仪，还没有见到这种标准装置。本实验室是利 用精密水准仪在室外设立一条水平准线，测定激光垂准仪激光轴 的铅垂度。1.2 激光垂准仪激光

2、轴铅垂度的校准方法 激光垂准仪激光轴铅垂度的校准， 需在室外进行。 首先， 在室 外平坦的场地上， 选择一条约 50 米长的直线， 在直线的两端安置 两块直角坐标板。 比如将两块直角坐标板安置在相距约50 米的两个墙面上。安置坐标板时，要用精密水准仪（S1 级）测量坐标板中心的高差。使它们的高差等于零，即两块坐标板的中心位于同 一个水平面上。校准作业时，将激光垂准仪连同五角棱镜仪器台安置在两坐 标板之间，并且靠近某一块坐标板。由垂准仪可以看到坐标板的 网格。使用以上设备测量垂准仪激光轴的铅垂度的原理是用五角棱镜 将激光束的方向转 90 度成水平方向。观测两块视距不等的直角坐 标板，根据激光光斑

3、在两块坐标板上的读数之差，就可计算垂准仪 的激光轴铅垂度。图一是铅垂度校准的原理示意图校准的步骤与垂准仪校准规范 JJF1081-2002 的 6.9.2 节相似。(1) .假设两块坐标板的编号为A和B。垂准仪设在靠B板的5米处，整平仪器，使激光点落在坐标板A上，依光斑中心读出坐标值 a1, 然后照准 B 板，读出坐标值 b1. 设以上的测量为垂准仪照准部 起始位置，即 0 方位观测值。(2) .然后将照准部在 90， 180， 270 方位重复测量三组，得到观测值 a2, b 2, a 3, b 3, a 4, b 4 。(3) .设垂准仪距 A坐标板的距离为 45米，距B坐标板的距离 为

4、5 米。距离之差等于 40 米。按下式计算四各方位的观测值之差S1=(a 1-b 1) ， S 2=(a 2-b 2) ， S3=(a 3-b 3) ， S4=(a 4-b 4) 。2测量模型的建立计算垂准仪激光轴的一测回铅垂度测量值，以秒为单位，取四各方位的平均值得到垂准仪激光轴的铅垂度Q=(a i-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a 3-b 3)+ (a 4-b 4)( 1)4 40000式中 p - 206265 4-表示4个方位400000 表示 A,B直角坐标板距垂准仪的距离差(mm利用激光垂准仪测设铅垂线时，需要在四各方位上观测，构成一个完整的测回。实际作业时，需要测定的测回数

5、，根据精度的 要求决定。在激光垂准仪的 校准中，需要重复测量10个测回。计算激光 垂准仪激光轴的铅垂度。以提高校准的精度。垂准仪激光轴的铅垂度的校准值10S=(、Q)/10 -(2)1上式是提供给客户的校准结果.3方差和传播系数3.1u2(a)的传播系数ca将式(1)代人式(2)得：10pS=(' Q)/10 =(a 1-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a 3-b 3)+ (a 4-b 4) 114 汇 40000+ (a 1-b 1)+ (a 2-b 2)+ (a 3-b 3)+ (a 4-b 4) 2 + +(a i-b 1)+ (a2-b 2)+ (a 3-b 3)+ (a

6、4-b 4) 10)/10分析上式，激光垂准仪的铅垂度S是10个测回的4个方位的观测值的代数和的平均值。这些观测值都是独立的观测值，可以认为 是近似等精度的观测值，设它们的标准不确定度相等，用u (a)表示。上式写成方差形式u 2(S)=(')2 ( 8 0u2(a)40 40000u (S)= 1 .153 u(a) (3)4.不确定度分量的评定4.1不确定度分量评估由垂准仪激光轴的铅垂度的校准方法分析，影响铅垂度校准的不确定度来源有以下几项：(1) .安置A,B两块直角坐标板位于同一水平面误差引入的标 准不确定度分量；(2) 五角棱镜的入射光与出射光的垂直度误差引入的标准不 确定度

7、分量；(3) 激光光斑形状不规则引入的标准不确定度分量；(4) 直角坐标板读数误差引入的不确定度分量；(5) 垂准仪自动安置误差引入的标准不确定度分量；(6) .垂准仪的激光轴与竖轴的同轴度引入的标准不确定度分量；(7) 垂准仪至直角坐标板之间的距离测量误差引入的标准不确定度分量4.2.标准测量不确定度分量的计算安置A,B两块直角坐标板位于同一水平面的测量误差引入 的标准不确定度分量ui（a）用S1级水准仪安置直角坐标板位于同一水平面的过程，实际 上就是用水准仪测量直角坐标板中心位置的高差，所以，安置误 差是水准仪测站单次高差的测量标准偏差。根据水准仪检定规程 JJG425-2003的规定，S

8、1级水准仪的测站单次高差的标准差不超 过0.08 mm。将此值估计为直角坐标板中心位置的高差的标准不 确定度，“（a） =0.08 mm4.2.2.五角棱镜的入射光与出射光垂直度误差引入的标准不确定度分量U2（a）根据有关资料，五角棱镜的垂直度的误差不超过1秒。若按该值为半宽的均匀分布估计，其标准不确定度为U2（a） = 1 3当垂准仪至坐标板的距离为50m时，以毫米表示u2（a） = 1 彳厂泊 50000206265= 0.14 mm激光光斑形状不规则引入 的标准不确定度分量u3（a） 激光垂准仪的激光束投射到直角坐标板上，形成的光斑的形状一 般是不规则的，因此用光斑的中心位置在直角坐标板

9、上读数会产生误差，根据实际经验，估计这项误差最大不超过0.5mm,设这项误差为半宽等于 0.5mm的均匀分布，故由激光光斑形状不规则引入的标准不确定度比)= 0.5/ 3 二 0.29mm424.由直角坐标板读数误差引入的不确定度分量u4（a）规范规定直角坐标板的格值最大应不超过1mm，小于1mm的值只能估读，因为是以激光的光斑估读，误差大一些，设室外校准 时的估读误差为格值的1/4，则估读误差等于0.25mm,设其在半宽区间内为均匀分布，故：，u4（a）= 0.25/ 3 工=0.14mm425.垂准仪自动安置误差引入的不确定度分量U5（a）自动补偿式垂准仪自动安置误差为0.5，当垂准仪至坐

10、标板的距离h = 50m时则由此引起的测量误差为50000 X 0.5 / 206265设以该值为半宽的均匀分布，故：U5（a） = 50000 0.5/206265/、3 =0.07mm4.2.6垂准仪的激光轴与竖轴的同轴度的误差引入的标准不确定度分量U6（a）这项误差可以用垂准仪照准部旋转180°的方法，观察激光轴是否指向一点，判断两轴是否同轴，若不同轴，进行校正。规范要求同轴度误差不超过 2秒，按均匀分布 估计，标准不确定度比=2/ , 3/ 206265 X 50000=0.28mm427垂准仪至直角坐标板之间的距离测量误差引入的标准不确定度分量 u7(a)实际作业中，坐标板至垂准仪的距离用钢卷尺测量到毫米，相对几十米的距离，相对误差很小，所以对垂准仪的激光轴铅垂度校准影响，可以忽略不计。u7(a)=05合成标准不确定度计算由 4.2.1 - 4.2.6 得：2 2 2 2 2 2 2u (a) = Ui (a) u2(a)w(a)W(a)U5(a)U6(a)u2(a) =0.082 0.142 0.292 0.292 0.072 0.282 =0.213u(a)=0.46mm将上式的数据代入(3)式u (S)=1.153 X u (a) =1.153 X 0.46=0.