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用全站仪对建筑物倾斜度进行监测的误差分析
摘　要：本文在全站仪自由设站基础上，推导了空间任意两点连线方向角γ的测试误差计算公式。通过计算分析认为：（１）方向角γ的测试误差不仅与测点的斜距、天顶距及水平方向量的测试误差有关，而且与测点的布置有关；（２）如果测点布置合理，可以用全站仪对建筑物的倾斜进行监测。
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全站仪的基本认识|一​些​关​于​全​站​仪​的​基​本​知​识
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SET B／C全站仪的Y轴倾斜传感器的水平角补偿全站仪在高层建筑倾斜测量中的应用械斜械,斜械,械,斜,械斜
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全站仪在高层建筑倾斜测量中的应用
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全站仪竖直角与水平角的修正
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文章编号: (3203 中图分类号:P204
文献标识码:B试论全站仪的补偿与补偿器于书奎(索佳测绘仪器(上海) 有限公司,上海200131)On Compensation and Compensator of Total StationYU Shu2kui摘要:将全站仪水平制动后,在转动望远镜时水平角度会变化,这是为什么? 这种变化对测量结果会造成什么影响? 针对上述问题,从补偿器工作原理出发做分析、说明。关键词:全站仪;补偿器;误差
; 修回日期:作者简介:于书奎(19732) ,男,河南南阳人,工程师,主要从事测量仪器维修工作。
一、全站仪竖轴误差的产生仪器在架设、精确整平以后,由于受作业条件、地面疏松、各种气象等条件的影响,会使仪器整平失常;也就是仪器的竖轴偏离垂直,存在一定的倾斜,这种竖轴不垂直的误差称为竖轴误差。在测量作业时,竖轴误差经常存在。
二、竖轴发生倾斜时如何产生垂直角、水平角误差
竖轴的倾斜实际上有两种。一种是在望远镜的纵转方向( X 轴) 的倾斜,另一种是在与X 轴垂直的横轴方向( Y 轴) 的倾斜。若不是正对X 轴和Y 轴倾斜,根据几何关系可以将倾斜方向解析到X 轴和Y 轴方向。假设:测量中发生仪器竖轴在X 轴的倾斜为&x , Y 轴的倾斜为&y 。同时假设所测得的天顶距为Z′,天顶距的真实值为Z 。那么存在以下函数关系天顶距的误差= &x水平角的误差= &y/ tan Z′Z′= Z + &x根据上面的函数关系可知水平角的误差=&ytan Z′=&ytan ( Z + &x)(1)也就是说,水平角的误差与测得的天顶距有关。由于tan Z′在0°～90°范围内是增函数,先假设Y 轴的倾斜为一个定量, 则水平角的误差随着望远镜的转动而变化。若从水平方向开始向天顶转动望远镜:在接近90°(水平方向) 时tan Z′= tan 90°= ∞为无穷大,根据公式(1) 可以知道水平角的误差趋近于0 ,就是说此时没有误差;但接近天顶(0°) 但未达到天顶时(达到天顶时因为tan Z′= tan 0°= 0 ,根据公式(1) ,0 作为分母时公式没有意义) ,根据极限函数知识利用公式(1) 我们知道此时的误差较大。根据公式(1) , 当Y 轴的倾斜量越大(即&y 越大) ,望远镜从90°(水平方向) 向天顶转动,当转动的角度相同时, 水平角的误差就越大。比如:若Y 轴倾斜30〃即&y = 30〃,当望远镜转动到天顶距为25°位置时, 水平角的误差大约为64〃( 30tan 25°=300. 4663=64) ,即大约有1′的误差。另外,tan Z′又是奇函数, 当从水平方向向下转动望远镜时,误差数值仅改变符号,接近天底就会有大的误差。由于测得水平角度= 水平角度真值+ 水平角度改正值这里的“水平角度改正值”是指“补偿器使用”改正数值,它包含了对上面所述的“水平角的误差”的改正。当仪器没有精确整平时, 会出现将全站仪水平制动后,在转动望远镜时水平角度会变化的现象。这是使用高精度补偿器的电子经纬仪和全站仪特有的功能反映。
三、补偿器的工作原理竖轴倾斜造成垂直角、水平角的误差,通过观测的方法是不能消除的。目前,国内全站仪大都采用电子式自动倾斜补偿机构。1. 单轴倾斜补偿器。单轴倾斜补偿器的功能2003年 第2期
测 绘 通 报
6 3 是:仪器竖轴倾斜时能自动改正由于竖轴倾斜对竖盘读数的影响。为了达到同时补偿水平度盘读数,厂家可以用两个单轴补偿器,安装时使它们位置相互垂直。磁性流体单轴倾斜补偿器原理,如图1 所示。图1
磁性流体单轴倾斜补偿器工作原理将线圈绕在封有磁性流体和气泡的水泡管的中央,并接通电源。传感器在水平状态下,气泡居中央、离左右两端应相等,检测线圈的电压(即电势) 也相等。当向左或向右倾斜时气泡就移动,左右检测线圈产生电势差。根据电势差求得倾斜方向和倾斜角度。2. 双轴倾斜补偿器。双轴倾斜补偿器的功能是,仪器竖轴倾斜时能自动改正由于竖轴倾斜对竖盘以及水平度盘读数的影响。厂家采用一个补偿器可以满足对竖盘以及水平盘读数的补偿改正。SOKKIA 仪器使用双轴倾斜补偿器。双轴倾斜补偿器原理,如图2 所示。图2
双轴倾斜补偿器工作原理从发光二极管发出的光透过玻璃圆水准器,射在气泡上的光被遮掉,在接收基板上装有4 只彼此相距90°的接收光敏二极管。当仪器完全整平时,气泡在接收基板的中央;若仪器稍微有一点倾斜时,气泡就相应移动,接收光敏二极管所接收的光能量也就发生变化。通过光能量变化比可以求得倾斜角度。
四、补偿器的运用为了改正由于仪器竖轴倾斜造成的测角误差,全站仪生产厂家采用了用补偿器来进行改正的技术。双轴补偿器的作用是当仪器竖轴发生倾斜时自动改正垂直角度和水平角度的倾斜量,而对于单轴补偿器来说本质上只改正垂直角度倾斜。假若当仪器的竖轴绝对垂直时补偿器的0 位也处于绝对垂直位,那么当竖轴发生倾斜时、补偿器的自动改正量才是完全正确的。对于双轴补偿器,由于其结构的特殊性(只有一个气泡) ,无论仪器向那个方向倾斜,气泡的偏移量利用几何知识可以很方便理解其在X 轴, Y 轴上的分量关系,也就是说能方便的同时测出在X 轴, Y轴上的偏移量并进行改正。这样就即时对仪器竖轴发生倾斜造成的垂直角度和水平角度误差同时进行了改正。对于采用单轴补偿器的仪器,为了达到能同时进行X 轴和Y 轴方向的补偿功能,就采用2 个补偿器使他们的位置分别垂直,并且分别沿X 轴和Y 轴方向安装。市场上采用的单轴补偿器的仪器, 在补偿器安装形式上有两种:一种是分离式,就是说两个单轴补偿器分别独立安装, 一般安装方式是一个沿照准部水准轴方向安装( Y 轴) 另一个安装在仪器盘左位置时仪器支架的右侧(对应X 轴) ;另一种是组合式,就是将两个单轴补偿器组合在一起,在外观上看像一个补偿器, 在本质上只是两个单轴补偿器在位置上的组合。另外,我们知道仪器的照准误差是视准轴与横轴不正交所产生的误差;横轴误差是横轴与竖轴不垂直的误差;垂直0 点偏移即竖盘指标差是仪器正镜时将视准轴水平放置而垂直角度不等于90°00′00〃的误差,而垂直0 点偏移与垂直度盘和横轴的垂直关系度有关;也就是说,照准误差、横轴误差、竖盘指标差等3 个指标差是相互关联和影响的。在用平行光管以及检测台对仪器进行校正时(SOKKIA 的客户或代理店、授权维修站等读者请参考索佳公司的“用平行光管检查”资料) ,尽管对仪器的照准误差、横轴6 4
测 绘 通 报
2003年 第2期误差进行过校正,但这两个指标差的余量是存在的。在校正竖盘指标差时仪器会自动对照准误差余量、横轴误差余量进行改正。根据JJ G规范,国家要求检定的照准误差、横轴误差、竖盘指标差也是对其预置后的残剩值。
五、补偿器的0 位误差以及调整如前所述,当仪器的竖轴绝对垂直时补偿器的0 位也处于绝对垂直位,那么当竖轴发生倾斜时、补偿器的自动改正量才是完全正确的。若补偿器0 位不正确(发生0 位误差) ,那么在进行照准误差、横轴误差、竖盘指标差预置校正时,竖盘指标差、照准误差、横轴误差的余量值就包含了补偿器的0 位误差量。就是说,改正的结果包含了误差。为了消除补偿器0 位误差, SOKKIA 仪器(使用“双轴补偿器”) 在用户应用程序中向用户提供了“补偿器0 位改正”功能,即“Tilt offset”功能。使用单轴补偿器的仪器,为了消除两个单轴补偿器0 位误差,厂商在用户程序中也向用户提供了改正功能。作用和采用双轴补偿器的“补偿器0 位改正”相仿。
六、补偿器与补偿的关系前面讲到单轴补偿器以及双轴补偿器,但在厂商对仪器的广告宣传中提到了单轴补偿,双轴补偿甚至三轴补偿的概念。针对这些问题顺便也做个探讨。其实,在说明单轴倾斜补偿器工作原理时也提到了“为了达到同时补偿水平度盘读数,厂家可以用两个单轴补偿器,安装时使它们位置相互垂直”。这里就涉及了“补偿器与补偿(或者称为改正) 的关系”的主题。厂商在广告资料或者在说明书中讲到的“双轴补偿”实际上与仪器所采用的补偿类型在概念上是不同的。各厂商在仪器操作手册上提到的“单轴补偿(有的仪器提示为X 轴) ”,当在使用仪器时若用户选择该功能使其有效,那么当仪器竖轴发生倾斜时,仪器只自动改正“垂直角度”,本质上是对沿X 轴方向的改正。对于使用“单轴补偿器”的仪器只是使沿X轴方向的补偿器有效。对于使用“双轴补偿器”的仪器是关闭了沿Y 轴方向(水平角度) 改正的功能。用户选择“双轴补偿”时, 对于使用单轴补偿器的仪器来讲,是使分别沿X 轴和Y 轴方向安装并且位置相互垂直的两个单轴补偿器都有效;当仪器发生竖轴倾斜时,两个单轴补偿器分别探测沿X 轴和Y 轴方向上的电势差(因为仪器倾斜造成) , 从而进行改正。对于使用“双轴补偿器”的仪器,因为“双轴补偿器”的工作原理(前面有说明) 我们知道它本质上就是当仪器竖轴发生倾斜能够同时对垂直角( X轴) 和水平角度( Y 轴) 进行改正,这里不再赘述。所谓三轴补偿改正很多都是指除了对X 轴和Y轴的改正仪器修正垂直角和水平角度读数外, 增加照准误差的自动改正。实际上, 照准误差利用测量方法可以消除。欢迎订阅《地图》杂志观图知天下【图事传真】图说天下大事【纵横故事】畅谈历史、地理、文化、科技之种种【地图报道】新图速递,收藏经略,专家点评,地图市场排行榜,优劣评判,购图指南【地图之旅】世界风光、神州胜景,地理地貌探险考察,民俗风情,旅行资讯本刊为海内外公开发行全彩色双月刊,单月15 日出版,每期定价8. 00 元,全年定价48. 00 元。全国各地邮局均可订阅,邮发代号:2 - 912。编辑部可办理补订。地址:北京复外三里河路50 号 邮编:100045电话: ,2003年 第2期
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