大地测量仪器学课件

大地测量仪器学第三章第三章 读数设备读数设备31读数设备的构成与分类读数设备的构成与分类一、读数设备的组成一、读数设备的组成 仪器在观测过程中，照准用的望远镜带着与照准部固仪器在观测过程中，照准用的望远镜带着与照准部固结在一起的指标，在水平度盘的轴套中旋转，结在一起的指标，在水平度盘的轴套中旋转，读数设备包读数设备包括度盘和指标括度盘和指标，若要比较精确地测出不满度盘一格的小量，若要比较精确地测出不满度盘一格的小量，需采用测微装置，为了缩小体积而又能提高精度，读，需采用测微装置，为了缩小体积而又能提高精度，读数设备均采用放大或显微装置。数设备均采用放大或显微装置。二、读数设备的分类二、读数设备的分类 由于采用不同的测微装置，将读数设备分为：由于采用不同的测微装置，将读数设备分为： 机械的机械的：游标游标；光学的光学的：光学游标、显微估计器、显光学游标、显微估计器、显微带尺、光学测微器等微带尺、光学测微器等；光学机械的光学机械的：显微测微器显微测微器；电子电子读数设备读数设备：如编码度盘、光栅度盘等如编码度盘、光栅度盘等。三、读数方法三、读数方法大地测量仪器学1估读法估读法 估读最小间隔的110。据实验所知，当最小间隔的宽度d=1015毫米，指标线的宽度b为010015毫米时，则估读的极限误差约为d10，按眼睛的明视距离(一般取250毫米)换算成用眼睛直接观测的极限角值P目为：P目=80120这和眼睛的分辨角(60120)相近似。采用估读法的读数设备有显微估计器和带尺显微估计器和带尺显微镜显微镜两种。2平分法平分法 使一条直线对称地处于另外两条使一条直线对称地处于另外两条直线的中央，称为平分法。直线的中央，称为平分法。据试验，用眼睛直接平分的极限误差为1030，采用平分法的读数设备，常见的有单玻璃平板光学测微器单玻璃平板光学测微器。大地测量仪器学3符合法符合法 使一条直线与另一条直线的延伸方向相符合，称为符使一条直线与另一条直线的延伸方向相符合，称为符合法。合法。据实验，用眼睛符合的极限误差为据实验，用眼睛符合的极限误差为815。采用。采用符合法的读数设备，有游标和符合读数系统的光学测微符合法的读数设备，有游标和符合读数系统的光学测微器器(参见图参见图3-3)。 4、电子读数装置、电子读数装置大地测量仪器学3.2 度盘度盘一、度盘的构造及分类一、度盘的构造及分类 测量仪器上的水平度盘和竖直度盘都是用金属或玻璃测量仪器上的水平度盘和竖直度盘都是用金属或玻璃制成的圆盘。在靠近圆盘边缘的全圆周上，刻有等间隔的制成的圆盘。在靠近圆盘边缘的全圆周上，刻有等间隔的格线格线(分划线分划线)。我国生产的仪器都是采用“60分制”，即全圆周共360，1=60，1=60。 度盘上相邻两格线的圆心角角值，称为度盘的格值度盘上相邻两格线的圆心角角值，称为度盘的格值(亦称为度盘分划值亦称为度盘分划值)。度盘格值的大小随仪器精度的高低有所不同，精度高的仪器一般格值要小些。如J2级经纬仪一般为20，而J6级一般则为1或30。 金属度盘金属度盘：金属度盘上的格线是刻在银环的表面，而银环是镶嵌在锡青铜制成的圆盘上(图3-5)。由于银层比较致密，可以刻出仅为001毫米细的格线，但由于银质较软，在使用中因与游标接触或因不小心弄上的灰砂等物，极易把度盘擦坏，在维修时更应加倍注意。这种度盘多见于老式的游标经纬仪上。 大地测量仪器学 玻璃度盘玻璃度盘：一般均用光学玻璃或优质的窗户玻璃制成，其形状如图3-6所示。这种度盘对玻璃的质量要求较高，透明度要好，内应力要小。对于加工度盘两平面的平直度和平行性均有严格的要求，表面光洁度要求很高，用放大100倍的显微镜检查，在分划部位不能有可察觉的条痕及魔点等。所以在维修过程中，要特别注意防止碰撞和擦伤度盘。 玻璃度盘在构造上又分透射式和反射式透射式和反射式两种，前者光线可以直接透过度盘，如图3-7，后者刻线和度盘同时成为一反光镜面，如图3-8所示。为此，还需要在度盘的刻划面上镀镟反射层。大地测量仪器学二、度盘的刻制二、度盘的刻制 度盘上格线的刻制方法有下述几种： 1直刻法直刻法 将度盘放在圆刻度机上，用金钢石刻刀直接在度盘上刻划，然后对刻划进行填色。此法可以刻出较细的分划，一般约可达23微米。在这么细的刻划中填入涂料是很不容易的。即使刻线较粗，填入的涂料也是容易擦掉的，所以在清洁度盘时必须十分注意。此外，由于刻刀直接在度盘上刻，尤其是在玻璃度盘上刻，刀尖很容易磨损，造成度盘刻划粗细不匀，故此法现已很少采用。大地测量仪器学 2刻保护层腐蚀法刻保护层腐蚀法 先在度盘上涂一层薄薄的蜡膜，然后放在圆刻度机上用刻刀刻划蜡膜，再用酸(银质度盘可用硝酸，玻璃度盘可用氢氟酸)将刻线腐蚀出来，最后清洗并清除蜡膜，再对腐蚀的刻划填入涂料。但这种方法并没有解决刻线中涂料易擦掉的问题，例如，北京光学仪器厂在1970年前生产的“红旗号”光学经纬仪的玻璃度盘，就是采用腐蚀着色的。 3刻保护层镀铬法刻保护层镀铬法 用上述刻保护层的办法刻好的玻璃度盘，也可不用酸来腐蚀出刻线，而放在真空镀膜机内进行镀铬。由于铬粒子与玻璃的附着力极强，因而留在度盘上的分划线和注记就不易脱落。大地测量仪器学 4照相复制法照相复制法 将待制的玻璃度盘涂满薄。薄一层感光膜，烘干后与底板(有分划线的母盘底片)紧贴进行曝光，经显影和定影之后即成。为了保护感光胶层，在有分划线的胶层面上，一般胶有一圈保护玻璃。这种方法工艺简单、成本低、生产效率高，但是由感光形成的度盘分划线，日久后容易慢慢褪色，以致读数困难，所以已被照相镀铬法所取代。5照相镀铬法照相镀铬法 照相的过程同上述一样，不过感光胶层不同。经显影后的度盘，只有分划线部分暴露在外，通过真空镀铬以后，再在硝酸中除去感光胶层，即可获得牢固的度盘分划线铬层。这种镀铬度盘，一般亦胶上一片保护玻璃圈。 目前我国生产的光学经纬仪，大都采用刻保护层真空目前我国生产的光学经纬仪，大都采用刻保护层真空镀铬或照相真空镀铬这两种方法。镀铬或照相真空镀铬这两种方法。大地测量仪器学 32 单平板玻璃光学测微器单平板玻璃光学测微器一、测微器原理一、测微器原理 单玻璃平板光学测微器的原理如图单玻璃平板光学测微器的原理如图3-9所示。这是在显微物镜与读数窗指标线之所示。这是在显微物镜与读数窗指标线之间，安置了一块可以绕着固定轴转动的玻间，安置了一块可以绕着固定轴转动的玻璃平板，利用转动玻璃平板能使通过它的璃平板，利用转动玻璃平板能使通过它的光线产生平行位移的特点而制成的。由式光线产生平行位移的特点而制成的。由式(1-6)可知，当玻璃平板旋转一个小角度可知，当玻璃平板旋转一个小角度i后，光线通过玻璃平板产生的平移量后，光线通过玻璃平板产生的平移量h可可按下列近似公式求得：按下列近似公式求得：1nhdin大地测量仪器学对于一定尺寸的玻璃平板，它的厚度对于一定尺寸的玻璃平板，它的厚度d和玻璃折射率和玻璃折射率n均为均为一常量。例如，一常量。例如，K9号玻璃号玻璃n=15163，取，取d=10mm，则，则11.5163 110()0.06 ()1.516357.296nihdii mmn式中，式中，i角以度为单位。上式说明，角以度为单位。上式说明，度盘格线的象在指标面度盘格线的象在指标面上的移动量上的移动量h是与玻璃平板的旋转角是与玻璃平板的旋转角i成正比的。成正比的。但是，玻但是，玻璃平板旋转角的本身，还没有告诉我们度盘格线的移动角璃平板旋转角的本身，还没有告诉我们度盘格线的移动角值，因而还必须通过一种特殊的设备，把玻璃平板旋转角值，因而还必须通过一种特殊的设备，把玻璃平板旋转角归化为度盘格线的移动角值。这种设备就是利用与玻璃平归化为度盘格线的移动角值。这种设备就是利用与玻璃平板连结在一起转动的测微尺板连结在一起转动的测微尺(一般是一段圆弧，刻有一般是一段圆弧，刻有n个分个分划划)。当度盘格线影象移动一整格时，测微尺移动了。当度盘格线影象移动一整格时，测微尺移动了n格，格，于是，测微尺的格值于是，测微尺的格值t为为Vtn式中式中V为度盘最小格值。为度盘最小格值。例如，瑞士例如，瑞士WILD T1经纬仪的度盘最小格值经纬仪的度盘最小格值t=1，测微尺，测微尺刻有刻有n=60格，则测微尺格值格，则测微尺格值V=6060=1。大地测量仪器学二、北京二、北京DJ6-1型经纬仪测微器型经纬仪测微器的构造的构造 北京光学仪器厂生产的北京光学仪器厂生产的DJ6-1型经型经纬仪所采用的单玻璃平板测微器，纬仪所采用的单玻璃平板测微器，其结构比较典型。在图其结构比较典型。在图3-10中，与测中，与测微手轮微手轮1相连结的小齿轮转动时，带相连结的小齿轮转动时，带动扇形齿动扇形齿2，绕小轴，绕小轴3-3旋转，此时与旋转，此时与之固连在一起的玻璃平板之固连在一起的玻璃平板4也一同旋也一同旋转，其转动量通过与之固连在一起转，其转动量通过与之固连在一起的弧形测微尺的弧形测微尺5表示出来。由于玻璃表示出来。由于玻璃平板的转动，使度盘格线产生平移，平板的转动，使度盘格线产生平移，当度盘格线平移至固定双指标线的当度盘格线平移至固定双指标线的中央时中央时(视场如图视场如图3-11所示所示)，即可读，即可读得度盘读数为得度盘读数为51330。图3-11大地测量仪器学图3-10大地测量仪器学 这种仪器的竖直度盘和水平度盘共用同一测微器，两读这种仪器的竖直度盘和水平度盘共用同一测微器，两读数必须分别读取。当读取平盘读数时，固定双指标线必须数必须分别读取。当读取平盘读数时，固定双指标线必须对准平盘格线的中央，而读取竖盘读数时，双指标线则又对准平盘格线的中央，而读取竖盘读数时，双指标线则又必须对准竖盘格线的中央。因此，读数窗指标面必须对准竖盘格线的中央。因此，读数窗指标面6上的两个上的两个度盘的影象必须要一样宽才行。度盘的影象必须要一样宽才行。这一要求可以通过调节竖这一要求可以通过调节竖盘成象透镜组的位置来达到。盘成象透镜组的位置来达到。 这种测微器的结构，仅仅多了一块玻璃平板及其转动这种测微器的结构，仅仅多了一块玻璃平板及其转动机构，然而度盘的刻划工艺却比较简单，度盘的格线可以机构，然而度盘的刻划工艺却比较简单，度盘的格线可以允许较粗允许较粗(00050012mm)，测微器使用也稳定可靠，测微器使用也稳定可靠，精度又能满足工程经纬仪的要求，所以在精度又能满足工程经纬仪的要求，所以在J6级精度的光学级精度的光学经纬仪中，目前应用的也不算少。经纬仪中，目前应用的也不算少。大地测量仪器学33 显微带尺测微器显微带尺测微器一、显微估计器一、显微估计器 显微估计器是利用显微镜成象的原理，将度盘的格线放显微估计器是利用显微镜成象的原理，将度盘的格线放大，同时在物镜成象平面处装一指标线大，同时在物镜成象平面处装一指标线(构造如图构造如图3-12)，利，利用指标线可以估读至度盘格值的用指标线可以估读至度盘格值的110。显微估计器的读数。显微估计器的读数视场如图视场如图3-13所示，图中的读数为所示，图中的读数为9234。图3-12图3-13大地测量仪器学 显微估计器对度盘格线的放大，并没有很严格的要求，显微估计器对度盘格线的放大，并没有很严格的要求，因此不存在行差的问题，故显微物镜组只要一组透镜就可以因此不存在行差的问题，故显微物镜组只要一组透镜就可以了。因此，它的构造较为简单，读数也简便，但精度不高。了。因此，它的构造较为简单，读数也简便，但精度不高。只在一些较为轻便的勘测经纬仪和某些带度盘的水准仪上可只在一些较为轻便的勘测经纬仪和某些带度盘的水准仪上可以见到。以见到。显微估计器在结构和使用上，需要满足下列两项要显微估计器在结构和使用上，需要满足下列两项要求：求： 1度盘格线应该成象在指标线平面上。所以显微物镜度盘格线应该成象在指标线平面上。所以显微物镜必须是可以调节的，一般利用伸缩的物镜筒进行对光。必须是可以调节的，一般利用伸缩的物镜筒进行对光。 2指标线必须与度盘格线平行。这一点可以通过旋转指标线必须与度盘格线平行。这一点可以通过旋转显微镜镜筒显微镜镜筒(连同指标线连同指标线)来调整。来调整。二、带尺显微镜二、带尺显微镜大地测量仪器学 带尺显微镜也称显微带尺或显微分划尺，这是在显微物带尺显微镜也称显微带尺或显微分划尺，这是在显微物镜的成象平面上用一带尺镜的成象平面上用一带尺(也称分划尺也称分划尺)代替显微估计器的代替显微估计器的单指标线。采用这种方法，在同一度盘直径的情况下，可单指标线。采用这种方法，在同一度盘直径的情况下，可以提高读数的精度。此外，为了满足对行差的调整，显微以提高读数的精度。此外，为了满足对行差的调整，显微物镜组必须由两组透镜所组成。它的构造原理及读数视场物镜组必须由两组透镜所组成。它的构造原理及读数视场如图如图3-14所示。所示。图3-14大地测量仪器学带尺显微镜应满足下列条件：带尺显微镜应满足下列条件： 1带尺从带尺从0n格的总宽度，应等于经显微物镜放大格的总宽度，应等于经显微物镜放大后的度盘格宽，而且度盘格线也应成象在带尺的平面上。后的度盘格宽，而且度盘格线也应成象在带尺的平面上。亦即应无亦即应无“行差行差”和和“视差视差”。 2带尺分划格线应与度盘分划格线平行，其相互位带尺分划格线应与度盘分划格线平行，其相互位置应有部分重叠，以便于读数。置应有部分重叠，以便于读数。 带尺显微镜的设计应使经显微镜放大后的度盘格线的带尺显微镜的设计应使经显微镜放大后的度盘格线的粗细，最好为粗细，最好为01015mm左右，度盘格线的宽度，最左右，度盘格线的宽度，最好为好为1015mm左右。过宽和过窄都会影响到读数精左右。过宽和过窄都会影响到读数精度。某些进口仪器由于达不到上述要求，给估读带尺格值度。某些进口仪器由于达不到上述要求，给估读带尺格值的的110带来一定的困难。带来一定的困难。 由于带尺显微镜的读数直观方便，又能保证一定的精由于带尺显微镜的读数直观方便，又能保证一定的精度，读数设备的构造也比较简单，所以被广泛地应用于度，读数设备的构造也比较简单，所以被广泛地应用于J6级以下的工程经纬仪上，如德国蔡司级以下的工程经纬仪上，如德国蔡司Theo 030型、意大利型、意大利沙漠拉沙漠拉T4150NE型等。我国生产的型等。我国生产的J6级光学经纬仪，除北级光学经纬仪，除北光厂的北京光厂的北京DJ6-1型以外，都是采用这种类型的结构。型以外，都是采用这种类型的结构。大地测量仪器学34 光学经纬仪读数设备的检验光学经纬仪读数设备的检验 由于读数设备直接影响仪器的精度，仪器上由于读数设备直接影响仪器的精度，仪器上采用的读数设备，从设计到加工以及最后的装调采用的读数设备，从设计到加工以及最后的装调质量，是否符合该等级仪器的精度要求，直接关质量，是否符合该等级仪器的精度要求，直接关系到成果精度的好坏。在系到成果精度的好坏。在工程测量规范工程测量规范中对中对测角仪器的检验，专有详细规定。有关度盘偏心测角仪器的检验，专有详细规定。有关度盘偏心差和照准部偏心差的检验，请参阅测量学相关章差和照准部偏心差的检验，请参阅测量学相关章节内容。节内容。 大地测量仪器学J6经纬仪的检验经纬仪的检验1）水准管轴应垂直于数轴的检验与校正；）水准管轴应垂直于数轴的检验与校正； 2）十字丝竖丝垂直于横轴的检验与校正；）十字丝竖丝垂直于横轴的检验与校正；3）视准轴应垂直于横轴的检验与校正；）视准轴应垂直于横轴的检验与校正；4）光学对电器检验与校正。）光学对电器检验与校正。大地测量仪器学J2经纬仪的检验经纬仪的检验 1水平度盘对径分划线符合一次中误差的测定；水平度盘对径分划线符合一次中误差的测定； 2光学测微器隙动差的测定；光学测微器隙动差的测定； 3光学测微器行差的测定；光学测微器行差的测定； 4光学测微器分划误差的测定。光学测微器分划误差的测定。