测量学自学教程12.doc

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《测量学》电子教案

第十二章　测量新仪器和新技术简介

一、本章重点

1．了解测量新仪器的构造特点和技术操纵方法。

2．了解测量新技术的应用情况。

二、本章难点

测量新仪器的设计思路与应用技术。

三、课时分配

本章讲授2—4学时。

第一节　电子水准仪

一、构造与工作原理

电子水准仪是一种自动化程度很高的智能水准仪器，如图12-1所示。

它由基座、水准器、望远镜及数据处理系统组成。

电子水准仪具有内藏应用软件和良好的操作界面，可以自动完成读数、记录和计算处理等工作，并通过数据通讯将数据传输到计算机内进行后续处理，还可以通过远程通讯系统将测量成果直接传输给其它用户。

若使用普通水准尺，也可当普通水准仪使用。

图12-1　电子水准仪

1-物镜；2-提环；3-物镜调焦螺旋；4-测量按钮；5-微动螺旋；6-RS接口；7-圆水准器观察窗；8-目镜；9-显示器；10-键盘；11-度盘；12-基座

电子水准仪的工作原理如图12-2所示，在仪器的中央处理器（数据处理系统）中建立了一个对单平面上所形成的图像信息自动编码程序，通过望远镜中的照相机摄取水准尺上的图像信息，传输给数据处理系统，自动地按编码转换成水准尺读数和水平距离或其它所需要的数据，并自动记录储存在记录器中或在显示器上。

图12-2　电子水准仪工作原理图

电子水准仪不仅可进行普通水准仪的各种测量，还可以进行水平角测量、高精度距离测量、坐标增量测量、水准网测量的平差计算，在较为平坦的地区可作中等精度全站仪使用，具有一机多能的作用。

尤其是自动连续测量的功能对大型建筑物的变形（瞬时变化值）观测，更具有优越性，不是常规仪器所能比拟的。

下面为瑞士徕卡NA2000型电子水准仪的主要技术参数（电子读数）：

每公里往返中误差±0.9mm

测距精度±10mm

最小视距2.0m

最大测程100m

高差最小显示值0.01mm

视场角2°

安平补偿精度±0.4″

外业作业温度-20~+50°

二、条码水准尺

图12-3　条码水准尺

条码水准尺是与电子水准仪配套的专用尺，如图12-3a）所示，它由玻璃纤维塑料制成，或用铟钢制成尺面镶嵌在基尺上形成。

尺面上刻有宽度不同的水平黑白相间的分划（条码），该条码相当于普通水准尺上的分划和注记，全长为2~4.05m。

条码水准尺上附有安平水准器和扶手，在尺的顶端留有撑杆固定螺孔，以便用撑杆固定条码尺，使之长时间保持竖直位置，减轻作业人员的劳动强度。

条码水准尺在望远镜视场中的情形如图12-3b）所示。

三、技术操作方法

电子水准仪用于测量时，其技术操作方法与自动安平水准仪类似，分为粗平、照准、读数三步。

下面以NA2000型电子水准仪为例介绍其操作方法。

1．粗平

转动脚螺旋，使圆水准气泡居中即可，气泡居中的状况可在观察窗中看到。

而后打开仪器电源开关（开机），使仪器进行自检。

当仪器自检合格后显示器显示程序清单，此时即可进行测量工作。

2．照准

转动目镜调焦螺旋，看清十字丝；按相应键选择测量模式或测量程序，如仅测量不记录、测量并记录测量数据等。

例如，按下RROG键，调出程序清单；按DSP↑或DSP↓键，选择相应的测量程序，并按RUN键予以确认。

仅测量水准尺的读数和距离时，程序为“PMEASONLY”；开始进行水准测量时的程序为“PSTARTLEVELING”；水准线路连续高程测量和输入起始点高程的程序为“PCONTLEVELING”；视准轴误差检验的程序为“PCHECK&ADJUST”；删除记录器中数据记录的程序为“PERASEDATA”。

选定测量模式后，进行物镜对光，用十字丝照准条码尺中央，并制动望远镜。

3．读数

轻按一个测量按钮（红色），显示器将显示水准尺读数；按测量键即可得到仪器至条码尺的距离。

若按相应键即可得到所需的相应数据。

若在“测量并记录”模式，仪器将自动记录测量数据。

在高程测量过程中，后视观测完毕后，仪器自动显示提示符“FORE□□□□”，提醒观测员观测前视，前视观测完毕后，仪器又自动显示提示符“BACK□□□□”，提醒进行下一站后视的观测；如此连续进行，直至观察到终点。

仪器显示待定点的高程是以前一站转点的高差推算的。

4．结束

按［IN/SO］键结束测量工作。

第二节　电子经纬仪

随着电子技术的发展，近年来出现了电子经纬仪，它测角精度高，能自动显示角度值，加快了测角精度。

电子经纬仪与光学经纬仪具有类似的外形和结构特征，因此使用方法也有许多相通的地方。

最主要的区别在于读数系统，光学经纬仪是在360°的全圆上均匀地刻上度（分）的刻化并注有标记，利用光学测微器读出分、秒值，电子经纬仪则采用光电扫描度盘和自动显示系统。

电子经纬仪具有以下特点：

（1）实现了测量的读数、记录、计算、显示自动一体化，避免了人为的影响。

（2）仪器的中央处理器配有专用软件，可自动对仪器几何条件进行检校和各种归算正。

（3）储存的数据可通过I/O接口输入计算机作相应的数据处理。

一、电子经纬仪的测角原理

图12-4　电子经纬仪编码度盘

电子经纬仪获取电信号形式与度盘有关。

目前，电子测角有三种度盘形式，即编码度盘、光栅度盘和格区式度盘。

下面分述其测角原理。

1．编码度盘

如图12-4所示编码度盘。

整个度盘被均匀地划分为16个区间，每个区间的角值相应为360°/16=22°30¢；以同心圆由里向外划分为4个环带（每个环带称为1条码道）。

黑色为透光区，白色为不透光区，透光表示二进制代码“1”，不透光表示“0”。

这样通过各区间的4个码道的透光和不透光，即可每区由里向外读出一组4位二进制数来，每组数代表度盘的一个位置，从而达到对度盘区间编码的目的，参见表12-1所列。

二进制编码表表12-1

区间

二进制编码

角值（°′）

区间

二进制编码

角值（°′）

区间

二进制编码

角值（°′）

0

0000

000

6

0110

13500

11

1000

24730

1

0001

2230

7

0111

15730

12

1100

27000

2

0010

4500

8

1000

18000

13

1101

29230

3

0011

6730

9

1001

20230

14

1110

31500

4

0100

9000

10

1010

22500

15

1111

33730

5

1101

11230

如图12-5所示，为了识别照准方向落在度盘的区间的编码，在度盘上方沿径向每个码道安装一个发光二极管组成光源系列；在度盘下方相应位置安装一组光电二极管，组成通过码道所编码的光信号转化为电信号输出的接收检测系列，从而识别了度盘区间的编码。

通过对两个方向的编码识别，即可求得测角值。

图12-5　编码接收检测系统

图12-6　电子经纬仪光栅度盘

编码度盘分化区间的角值大小（分辨率）取决于码道数n，按360°/2n式计算，如需分辨率为10¢，则需要2048个区间，11个码道，即360°/211=360°/2048=10¢。

显然，这对有限尺寸的度盘是难以解决的。

因而在实际中，采用码道数和细分法加测微技术来提高分辨率。

2．光栅度盘

在光学玻璃圆盘上全圆360°均匀而密集地刻划出许多径向刻线，构成等间隔的明暗条纹——光栅，称做光栅度盘，如图12-6所示。

通常光栅的刻线宽度与缝隙宽度相同，二者之和称为光栅的栅距。

栅距所对应的圆心角即为栅距的分划值。

如在光栅度盘上、下对应位置安装照明器和光电接收管，光栅的刻线不透光，缝隙透光，即可把光信号转换成电信号。

当照明器和接收管随照准部相对于光栅度盘转动，由计数器计出转动所累计的栅距数，就可得到转动的角度值。

因为光栅度盘是累计计数的，所以通常这种系统为增量式读数系统。

图12-7　电子经纬仪莫尔条纹度盘

仪器在操作中会顺时针转动和逆时针转动，因此计数器在累计栅距数时也有增有减。

例如在瞄准目标时，如果转动过了目标，当反向回到目标时，计数器就会减去多转的栅距数。

所以这种读数系统具有方向判别的能力，顺时针转动时就进行加法计数，而逆时针转动时就进行减法计数，最后结果为顺时针转动时相应的角值。

在80mm直径的度盘上刻线密度已达到50线/mm，如此之密，而栅距的分划值仍很大，为1°43²。

为了提高测角精度，还必须用电子方法对栅距进行细分，分成几十至上千等份。

由于栅距太小，细分和计数都不易准确，所以在光栅测角系统中都采用了莫尔条纹技术，借以将栅距放大，再细分和计数。

莫尔条纹如图12-7所示，是用与光栅度盘相同密度和栅距的一段光栅（称为指示光栅），与光栅度盘以微小的间距重叠起来，并使两光栅刻线互成一微小夹角q，这时就会出现放大的明暗交替的条纹，这些条纹就是莫尔条纹。

通过莫尔条纹，即可使栅距d放大至D。

日本索佳、瑞士克恩（Kern）厂的E1型和E2型电子经纬仪即采用光栅度盘。

3．格区式度盘

格区式度盘如图12-8所示，度盘刻有1024个分划，每个分划间隔包括一条刻线和一个空隙（刻线不透光，空隙透光），其分划值为j0测角时度盘以一定的速度旋转，因此称为动态测角。

度盘上装有两个指示光栏，LS为固定光栏，LR可随照准部转动，为可动光栏。

两光栏分别安装在度盘的内外缘。

测角时，可动光栏LR随照准部旋转，LS与LR之间构成角度j。

度盘在马达带动下以一定的速度旋转，其分划被光栏LS和LR扫描而计取两个光栏之间的分划数，从而求得角度值。

图12-8　电子经纬仪格区式度盘

由图12-8可知，j=nj0+Dj，即j角等于n个整周期j0与不足整周期的Dj之和。

n与Dj分别由粗测和精测求得。

1）粗测

在度盘同一径向的外边缘上设有两个标记a和b，度盘旋转时，从标记a通过LS时起，计数器开始计取整间隔j0的个数，当另一标记b通过LR时计数器停止计数，此时计数器所得到的数值即为j0的个数n。

2）精测

度盘转动时，通过光栏LS和LR处于同一位置，或间隔的角度是分划间隔j0的整倍数，则S和R同相，即二者相位差为零；如果LR相对于LS移动的间隔不是j0的整倍数，则分划通过LR和分划通过LS之间就存在着时间差DT，亦即S和R之间存在相位差Dj。

Dj与一个整周期j0的比显然等于DT与周期T0之比，即

DT为任意分划通过LS之后，紧接着另一分划通过LR所需要的时间。

粗测和精测数据经微处理器处理后组合成完整的角值。

瑞士徕卡公司生产的WILDT2000型电子经纬仪采用的就是这种动态测角方法。

二、WILDT2000型电子经纬仪简介

1．概述

图12-9　T2000型电子经纬仪外形

T2000型电子经纬仪如图12-9所示，内置的液体补偿器能测出仪器竖轴偏离铅垂线的偏离量；能计算或消除由于竖轴倾斜对水平读数的影响；能自动补偿竖盘指标差。

对水平度盘和竖直度盘刻划或偏心引起的误差，可由不断变化的角度扫描系统在测量过程中得到消除。

用适当的方法可计算和改正视准轴误差和横轴倾斜误差对水平角观测的影响。

该仪器对水平角和竖直角的测量精度均为0.5²。

2．控制面板

T200