采用平行光管檢驗(yàn)校正臺(tái)校正光學(xué)水準(zhǔn)儀的i角

周波陽(yáng)，李錦城，黎家州，黃瑞龍

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

采用平行光管檢驗(yàn)校正臺(tái)校正光學(xué)水準(zhǔn)儀的i角

周波陽(yáng)，李錦城，黎家州，黃瑞龍

(廣東工業(yè)大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

摘要:i角是衡量水準(zhǔn)儀性能最重要的指標(biāo)之一.本文以DS3-Z型微傾水準(zhǔn)儀和DSZ3-1型自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀為例，給出了平行光管檢驗(yàn)校正臺(tái)校正光學(xué)水準(zhǔn)儀的具體步驟.實(shí)驗(yàn)表明，校正后DS3-Z型與DSZ3-1型水準(zhǔn)儀的i角分別從130.4″減小至17.2″、75.0″減小至10.2″，校正結(jié)果符合《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》的要求.

關(guān)鍵詞:平行光管檢驗(yàn)校正臺(tái)；微傾光學(xué)水準(zhǔn)儀；自動(dòng)安平光學(xué)水準(zhǔn)儀；i角；水準(zhǔn)測(cè)量

水準(zhǔn)儀是以水平視線為基準(zhǔn)，進(jìn)行高差測(cè)量的大地測(cè)量?jī)x器.水準(zhǔn)儀的水準(zhǔn)管軸理論上應(yīng)平行于視準(zhǔn)軸，這一條件在現(xiàn)實(shí)中往往得不到滿足，二者在豎直面上投影之間的夾角為水準(zhǔn)儀的i角.潘正風(fēng)等[1-6]對(duì)i角誤差進(jìn)行了討論.當(dāng)前后視距相等時(shí)，i角對(duì)高差的影響為0，但在實(shí)際的測(cè)量實(shí)踐中并不能保證前后視距相等，因此i角誤差是不容忽視的誤差源，將直接影響水準(zhǔn)測(cè)量的準(zhǔn)確度.

我國(guó)高校的測(cè)量實(shí)驗(yàn)室普遍配置了電子水準(zhǔn)儀、微傾型光學(xué)水準(zhǔn)儀和自動(dòng)安平光學(xué)水準(zhǔn)儀.受外界條件，如溫度、濕度、振動(dòng)的影響，水準(zhǔn)儀的i角可能發(fā)生變化，因此在使用水準(zhǔn)儀前需作i角檢驗(yàn).目前廣泛使用的i角檢驗(yàn)方法有4種，即Forstner方法、Nabauer方法、Kukkamaek方法、Japanese方法.張偉富等[7]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，上述4種檢驗(yàn)方法之中Japanese方法的表現(xiàn)最優(yōu)，王欣[8]則認(rèn)為與其他3種方法相比，F(xiàn)orstner方法中水準(zhǔn)儀位于兩標(biāo)尺之間，換站移動(dòng)距離最小，儀器焦距變化不大，因此該方法較為可靠.《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》[9]中規(guī)定：用于三、四等水準(zhǔn)測(cè)量的水準(zhǔn)儀i角指標(biāo)限差不得超過(guò)20″，i角超限的水準(zhǔn)儀必須進(jìn)行校正.電子水準(zhǔn)儀的電i角校正由內(nèi)置軟件完成[9-12].光學(xué)水準(zhǔn)儀的i角可在野外進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)校正[13-15]，或需將儀器送到檢定機(jī)構(gòu)去進(jìn)行檢定、校準(zhǔn)，前者步驟繁瑣，后者既費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還增加了成本.對(duì)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室而言，如何校正i角超標(biāo)的光學(xué)水準(zhǔn)儀已成一大難題.廣東工業(yè)大學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置了大地測(cè)量?jī)x器檢驗(yàn)校正臺(tái)(為便于表述，后文均簡(jiǎn)稱“檢校臺(tái)”)，并建立了室內(nèi)校正場(chǎng)，本文將介紹利用該檢校臺(tái)校正光學(xué)水準(zhǔn)儀i角的具體步驟，并進(jìn)行閉合水準(zhǔn)測(cè)量檢核校正效果.

1i角檢驗(yàn)

本文選用Japanese方法進(jìn)行i角檢驗(yàn).具體步驟如下：在平坦的地面上選定兩個(gè)相距60 m的固定點(diǎn)A、B，在二者連線的中點(diǎn)處設(shè)測(cè)站J1，在A、B延長(zhǎng)線上、距離A約3～6 m處設(shè)測(cè)站J2，如圖 1所示；在J1測(cè)站上，照準(zhǔn)水準(zhǔn)尺A和B，讀數(shù)分別為a1和b1.在J2測(cè)站上，照準(zhǔn)水準(zhǔn)尺A和B，讀數(shù)分別為a2和b2，記測(cè)站J2到A、B兩點(diǎn)標(biāo)尺的距離分別為SA和SB.i角所引起的誤差Δ(單位：mm)可表示為

Δ=(a2-b2)-(a1-b1).

(1)

由于Δ=i″×(SB-SA)/ρ，i″表示i角,單位為秒，ρ=206 265.水準(zhǔn)儀的i角為

(2)

圖1　i角檢測(cè)示意圖

2光學(xué)水準(zhǔn)儀的i角校正

廣東工業(yè)大學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室購(gòu)置了DPf550-3型大地測(cè)量?jī)x器檢驗(yàn)校正臺(tái)，如圖 2(a).在室內(nèi)將檢校臺(tái)安裝完畢后，需對(duì)其進(jìn)行“整平”操作，即轉(zhuǎn)動(dòng)3個(gè)安平螺旋，將圓水泡調(diào)至中間，如圖 2(b).檢校臺(tái)的光學(xué)系統(tǒng)在出廠時(shí)均已調(diào)校至準(zhǔn)確的位置，但因長(zhǎng)途運(yùn)輸、震動(dòng)等因素，可能產(chǎn)生誤差.在使用前，應(yīng)使用一臺(tái)高精度的、已確認(rèn)消除了i角誤差的水準(zhǔn)儀對(duì)檢校臺(tái)的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行校正，具體過(guò)程參見(jiàn)檢校臺(tái)的說(shuō)明書(shū)，為保證檢校臺(tái)的穩(wěn)定性，該工作需每半年進(jìn)行一次.下文將詳細(xì)介紹采用該檢校臺(tái)校正光學(xué)水準(zhǔn)儀i角的具體步驟.

圖2　平行光管檢驗(yàn)臺(tái)

2.1微傾型水準(zhǔn)儀的i角校正

以南京鐘光DS3-Z型微傾水準(zhǔn)儀為例，具體操作步驟如下：

(1) 將水準(zhǔn)儀固定在檢校臺(tái)上，調(diào)節(jié)檢校臺(tái)，使水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)軸和檢校臺(tái)的平行光管大致在一個(gè)水平面上.

(2) 調(diào)節(jié)腳螺旋，使得水準(zhǔn)儀在任意方向上圓水準(zhǔn)氣泡都居中.

(3) 水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)軸對(duì)準(zhǔn)檢校臺(tái)的平行光管，調(diào)節(jié)對(duì)焦螺旋，對(duì)準(zhǔn)平行光管中無(wú)窮遠(yuǎn)處的十字絲，調(diào)節(jié)微傾螺旋，使水準(zhǔn)儀十字絲橫絲和無(wú)窮遠(yuǎn)處的十字絲橫絲重合.

(4) 在鏡管中觀察符合氣泡，調(diào)節(jié)符合水泡的4顆螺釘(在白色塑料蓋板下)中的上下兩顆，使符合氣泡重合.

2.2自動(dòng)安平型水準(zhǔn)儀的i角校正

以北京光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的DSZ3-1型自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀為例，具體操作步驟如下：

(1) 將水準(zhǔn)儀固定在檢校臺(tái)上，調(diào)節(jié)檢校臺(tái)，使水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)軸和檢校臺(tái)的平行光管大致在一個(gè)水平面上.

(2) 調(diào)節(jié)腳螺旋，使得水準(zhǔn)儀在任意方向上圓水準(zhǔn)氣泡都居中.

(3) 水準(zhǔn)儀視準(zhǔn)軸對(duì)準(zhǔn)校正臺(tái)的平行光管，調(diào)節(jié)對(duì)焦螺旋，對(duì)準(zhǔn)平行光管中無(wú)窮遠(yuǎn)處的十字絲，調(diào)節(jié)十字絲處上下兩個(gè)螺釘，如圖 3(a)，使水準(zhǔn)儀十字絲橫絲和無(wú)窮遠(yuǎn)處的十字絲橫絲重合.

(4) 觀察讀數(shù)窗，如不清晰則調(diào)節(jié)儀器左側(cè)圓形蓋板里的螺釘，如圖 3(b).

(5) 查看讀數(shù)窗中的復(fù)核線是否居中，如圖 4所示.如果不居中，打開(kāi)右側(cè)圓形蓋板，如圖 3(c)，用一字螺絲刀調(diào)松螺釘，然后左右調(diào)節(jié)，使之復(fù)核線居中，再固定螺釘.

圖3　DSZ3-1自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀

圖4　讀數(shù)窗和復(fù)核線

3實(shí)驗(yàn)與分析

廣東工業(yè)大學(xué)測(cè)量實(shí)驗(yàn)室在實(shí)驗(yàn)實(shí)習(xí)過(guò)程使用了數(shù)臺(tái)i角超標(biāo)的光學(xué)水準(zhǔn)儀，從中選取了一臺(tái)南京鐘光DS3-Z型微傾水準(zhǔn)儀和一臺(tái)北京光學(xué)儀器廠生產(chǎn)的DSZ3-1型自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀，并采用上文中的Japanese方法對(duì)兩臺(tái)儀器進(jìn)行了i角檢測(cè)，檢驗(yàn)場(chǎng)地勢(shì)平坦，氣溫約為25℃.檢驗(yàn)結(jié)果如表1和表2所示(表中K值為4 687或4 787)，采用公式(1)和(2)可算出兩臺(tái)水準(zhǔn)儀的i角分別為130.4″、75.0″，均超出了《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》的要求，必須對(duì)儀器進(jìn)行i角校正.

表1　校正前微傾水準(zhǔn)儀的i角檢驗(yàn)表

表2　校正前自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的i角檢驗(yàn)表

在測(cè)量實(shí)驗(yàn)室中按照本文第2部分提及的i角校正步驟采用檢校臺(tái)分別對(duì)上述i角超標(biāo)的DS3-Z型和DSZ3-1型水準(zhǔn)儀進(jìn)行了校正，校正過(guò)程只需幾分鐘就可以完成，相比野外(室外)操作而言，大大提升了工作效率.校正完成后再次對(duì)兩臺(tái)儀器的i角進(jìn)行了檢驗(yàn)，檢驗(yàn)記錄如表3和表4所示，采用公式、可算出兩臺(tái)水準(zhǔn)儀的i角分別為17.2″、10.2″，均符合《國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范》的要求.

表3　校正后微傾水準(zhǔn)儀的i角檢驗(yàn)表

表4　校正后自動(dòng)安平水準(zhǔn)儀的i角檢驗(yàn)表

4結(jié)論

實(shí)踐證明，采用大地測(cè)量?jī)x器檢驗(yàn)校正臺(tái)校正光學(xué)水準(zhǔn)儀的i角既省時(shí)又省力，在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行i角檢驗(yàn)和校正可以提高儀器的利用率.值得注意的是，該檢校臺(tái)不僅可以用來(lái)校正水準(zhǔn)儀，還可以用來(lái)校準(zhǔn)經(jīng)緯儀和全站儀.采用檢驗(yàn)臺(tái)校正測(cè)量?jī)x器，對(duì)測(cè)量?jī)x器的維護(hù)和保養(yǎng)具有一定的意義，建議高校的測(cè)量實(shí)驗(yàn)室配置檢校臺(tái).

參考文獻(xiàn)：

[1] 潘正風(fēng), 程效軍, 成樞, 等. 數(shù)字測(cè)圖原理與方法[M]. 武漢: 武漢大學(xué)出版社, 2009.

[2] 徐宇飛. 數(shù)字測(cè)圖技術(shù)[M]. 鄭州: 黃河水利出版社, 2005.

[3] 楊曉明, 沙從術(shù), 鄭崇啟, 等. 數(shù)字測(cè)圖[M]. 北京: 測(cè)繪出版社, 2009.

[4] 梁振英, 董鴻聞, 姬恒煉. 精密水準(zhǔn)測(cè)量的理論和實(shí)踐[M]. 北京: 測(cè)繪出版社, 2004.

[5] 張興福, 魏德宏, 趙滔滔, 等. “工程測(cè)量學(xué)” 實(shí)踐課程建設(shè)的若干思考[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2009, 9(B06): 201-203.

Zhang X F, Wei D H, ZHANG X F,WEI D H,ZHAO T T, et al. Some thoughts on the construction of practice course engineering surveying[J]. Journal of Guangdong University of Technology(Social Science Edition), 2009, 9(B06): 201-203.

[6] 易又慶, 蔣利龍. 淺議測(cè)量實(shí)踐教學(xué)改革[J]. 廣東工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(社會(huì)科學(xué)版), 2004, 3(B06): 178-179.

YI Y Q, JIANG L L. The Reform Measures to Survey Practical Teaching[J]. Journal of Guangdong University of Technology (Social Science Edition), 2004, 3(B06): 178-179.

[7] 張偉富, 劉文谷. 水準(zhǔn)儀i角檢驗(yàn)方法及其精度分析[J]. 重慶建筑大學(xué)學(xué)報(bào), 2003, 25(5): 47-51.

ZHANG W F, LIU W G. Testing methods for level’s “i” angle and their accuracy analysis[J]. Journal of Chongqing Jianzhu University, 2003, 25(5): 47-51.

[8] 王欣. 數(shù)字水準(zhǔn)儀i角檢校方法對(duì)比研究[J]. 科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào), 2010(13): 15-15.

WANG X. Comparative research on calibration methods of digital level’s “i” angle[J]. Science and Technology Innovation Herald, 2010(13): 15-15.

[9] GB/T 12898-2009, 國(guó)家三、四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)范[S]. 北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2009.

[10] 羅官德, 任道勝, 陳如麗. 數(shù)字水準(zhǔn)儀i角檢校方法探討[J]. 測(cè)繪信息與工程, 2002, 27(4): 45-46.

LUO G D, REN D S, CHEN R L. Calibration method of the trunnion axis error in digital level[J]. Journal of Geomatics, 2002, 27(4): 45-46.

[11] 顧若冰. 電子水準(zhǔn)儀i角檢驗(yàn)校正方法比較研究[J]. 礦山測(cè)量, 2008(4): 15-16.

GU R B. Comparative research of calibration methods of digital level’s “i” angle[J]. Mine Survey, 2008(4): 15-16.

[12] 張占陽(yáng), 許明元, 何慶龍. DINI12 型數(shù)字水準(zhǔn)儀規(guī)范性檢驗(yàn)若干問(wèn)題探討[J]. 測(cè)繪科學(xué), 2014, 39(B06): 195-197.

ZHANG Z Y, XU M Y, HE Q L. Discussion on problems in standardized inspection of DINI12-type digital level[J]. Science of Surveying and Mapping, 2014, 39(B06): 195-197.

[13] 袁濤. 徠卡水準(zhǔn)儀i角的檢驗(yàn)與調(diào)校[J]. 鐵道勘測(cè)與設(shè)計(jì), 2009(4): 21-22.

YUAN T. Test and calibration of Leica level’s “i” angle[J]. Railway Survey and Design, 2009(4): 21-22.

[14] 羅官德, 黃智, 閔學(xué)鵬, 等. 水準(zhǔn)儀i角室內(nèi)檢定方法探討[J]. 中國(guó)計(jì)量, 2008(7): 106-108. Luo G D, LUO G D， HUANG Z， MIN X P, et al. Discussion on the indoor calibration methods of level’s “i” angle[J]. China Metrology, 2008(7): 106-108.

[15] 胡夏生. DS3水準(zhǔn)儀i角誤差檢校的簡(jiǎn)易方法[J]. 中國(guó)計(jì)量, 2005(2): 63-64.

HU X S. Simple methods for calibration of DS3 level’s “i” angle error[J]. China Metrology, 2005(2): 63-64.

Calibrating the i-angle of Optical Level Using a Calibrator Stand with Collimators

Zhou Bo-yang, Li Jin-cheng, Li Jia-zhou, Huang Rui-long

(School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract:The i-angle is one of the most important specifications of levels. Concrete procedures to calibrate the i-angle of optical levels using a calibrator stand with collimators are presented, taking the DS3-Z level and DSZ3-1 level as examples. The experiments show that the i-angles of DS3-Z level and DSZ3-1 level are respectively reduced from 130.4″ to 17.2″ and 75.0″ to 10.2″ after calibrating, and that the calibrating results accord with National Specifications for the Third and Fourth Order Leveling.

Key words:calibrator stand with collimators; tilting optical level; automatic optical level; i-angle; leveling

收稿日期:2015-09-22

基金項(xiàng)目:國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41504013)；武漢大學(xué)地球空間環(huán)境與大地測(cè)量教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)測(cè)繪基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目(14-01-03)

作者簡(jiǎn)介:周波陽(yáng)(1983-)，男，博士，助理研究員，主要研究方向?yàn)楹娇罩亓y(cè)量數(shù)據(jù)處理.E-mail:wdzbyang@163.com

doi:10.3969/j.issn.1007-7162.2016.02.003

中圖分類號(hào):P202

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號(hào):1007-7162(2016)02-0015-04