4_第四章 工程測量的儀器與方法

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第四章工程測量的儀器與方法 主要內(nèi)容工程測量中，進行長度和偏距、角度和方向、高程和傾斜、準直、坐標等測量的儀器及其測量方法重點專用儀器特殊方法 §4.1角度測量角度是幾何測量的基本元素，包括水平角和垂直角。角度測量的儀器主要是經(jīng)緯儀，分為光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀兩大類。 §4.1角度測量一、光學(xué)經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)主要包括:照準部（望遠鏡）讀數(shù)裝置（含水平度盤、垂直度盤）安平設(shè)備及基座和對點器我國光學(xué)經(jīng)緯儀系列分為J07、J1、J2、J6等型號，J為經(jīng)緯儀漢語拼音的第一個字母，下標表示儀器的精度指標。 經(jīng)緯儀是測角的儀器，按讀數(shù)系統(tǒng)區(qū)分類：游標經(jīng)緯儀、光學(xué)經(jīng)緯儀、電子經(jīng)緯儀;游標經(jīng)緯儀光學(xué)經(jīng)緯儀電子經(jīng)緯儀全站儀 §4.1角度測量二、水平角觀測對儀器進行“對中”和“整平”盤左，粗略瞄準一個目標仔細對光，消除視差精確瞄準目標，取水平度盤讀數(shù)不動調(diào)焦鏡，盤右，精確瞄準目標，取水平度盤讀數(shù)對于下一個目標，重復(fù)上述操作 水平角觀測原理定義：空間兩相交直線在水平投影面上的夾角，也就是過這兩方向線所作兩豎直面之間的二面角。范圍：順時針00~3600水平面abc?ABCbca水平度盤 §4.1角度測量三、垂直角觀測盤左，按上、中、下三根水平絲的順序依次照準同一目標各一次，并分別讀豎盤讀數(shù)；盤右，同上一樣的觀測；分別計算三根水平絲所測得的指標差和垂直角，并取垂直角的平均值作為一個目標的一測回之值。若僅使用中間的水平絲進行觀測，則稱為“中絲法”。三絲法垂直角觀測的具體操作程序： 豎直角觀測原理天頂鉛垂線水平線ACB0°90°180°270°定義：同一豎直面內(nèi)，某方向線與水平線的夾角。范圍：?=0°～?90°，仰角為正，俯角為負。 §4.1角度測量四、電子經(jīng)緯儀在光學(xué)經(jīng)緯儀的照準部中，將讀數(shù)系統(tǒng)用電子度盤替代光學(xué)模擬度盤，實現(xiàn)度盤讀數(shù)的自動化，則成為電子經(jīng)緯儀。用于電子經(jīng)緯儀的角度傳感器主要有兩種：編碼度盤和動態(tài)測角系統(tǒng)。 在光學(xué)經(jīng)緯儀的照準部中，將讀數(shù)系統(tǒng)用電子度盤替代光學(xué)模擬度盤，實現(xiàn)度盤讀數(shù)的自動化，則成為電子經(jīng)緯儀。用于電子經(jīng)緯儀的角度傳感器主要有兩種：編碼度盤和動態(tài)測角系統(tǒng)。 §4.1角度測量五、目標照準自動化（基本原理）帶ATR望遠鏡結(jié)構(gòu)示意圖 §4.1角度測量五、目標照準自動化在角度測量時，ATR自動識別并照準目標主要有三個過程：目標搜索過程目標照準過程測量過程。 §4.1角度測量六、全自動陀螺經(jīng)緯儀經(jīng)緯儀與陀螺儀配合使用，成為陀螺經(jīng)緯儀。目前，自動化陀螺經(jīng)緯儀的主要產(chǎn)品有德國威斯特發(fā)倫采礦聯(lián)合公司的Gyromat2000和日本索佳公司（SOKKIA）的AGP1等。GYROMAT2000AGP1 §4.1角度測量六、全自動陀螺經(jīng)緯儀陀螺經(jīng)緯儀的基本結(jié)構(gòu)注：①陀螺馬達②靈敏部③懸掛帶自動定向原理陀螺儀懸掛結(jié)構(gòu)示意圖 §4.1角度測量六、全自動陀螺經(jīng)緯儀測量步驟將儀器安置到三腳架上并精確對中、整平連接陀螺儀與經(jīng)緯儀之間的數(shù)據(jù)通信電纜經(jīng)緯儀開機，陀螺儀開機啟動測量程序進行定向測量經(jīng)緯儀照準測線目標，盤左、盤右觀測兩測回，將結(jié)果輸入到陀螺儀中，即可計算并顯示測線方位角 §4.1角度測量六、全自動陀螺經(jīng)緯儀國產(chǎn)TDA5005+Y/JTG-1陀螺經(jīng)緯儀國產(chǎn)TDA5005+Y/JTG-1陀螺經(jīng)緯儀測角裝置采用TDA5005全站儀，還實現(xiàn)了目標的自動跟蹤功能 §4.2距離測量距離是幾何測量的基本元素，距離測量的方法主要有三種：直接丈量間接視距測量物理測距 §4.2距離測量一、鋼尺量距鋼尺量距一般包括以下幾方面工作：定線量距測量定向樁之間的高差成果整理 §4.2距離測量二、電磁波測距電磁波測距是通過測定電磁波在待測距離上往返傳播的時間，利用下列基本公式來計算待測距離的。 §4.2距離測量二、電磁波測距相位式測距原理：相位式測距是通過測量調(diào)制波在測線上往返傳播所產(chǎn)生的相位移間接地測定電磁波在測線上往返傳播時間的。相位式測距原理返程往程N?2??=N?2?+???? §4.2距離測量二、電磁波測距電磁波測距儀分類按載波分：光波測距儀、微波測距儀和多載波測距儀按測程分：短程測距儀、中程測距儀、遠程測距儀和超遠程測距儀按精度分：超高精度測距儀、高精度測距儀、一般精度測距儀按測距方式分：脈沖式測距儀、相位式測距儀和混合式測距儀 §4.2距離測量二、電磁波測距電磁波測距儀的使用測距儀一般由照準頭、控制器、電源和反射器四部分組成，一般與經(jīng)緯儀連接使用。儀器加常數(shù)和乘常數(shù)改正氣象改正傾斜改正 §4.2距離測量三、雙頻激光干涉測距光電檢測光電檢測接口計算機M1M2PBSf1f2f1f2±Dff2f1f1f2±Dff2-f1±Dff2-f1P2P1f1f2<^>>>><<<>>>>>LM2’ §4.2距離測量三、雙頻激光干涉測距用雙頻激光干涉儀檢定測距儀激光干涉儀測距儀干涉儀計算機用戶計算機導(dǎo)軌干涉儀、測距儀反射鏡 §4.2距離測量四、偏距測量尼龍絲準直系統(tǒng)系統(tǒng)由三部分組成：尼龍絲，帶有探測器的尺子及控制裝置激光準直系統(tǒng)該系統(tǒng)由一帶有專門光學(xué)系統(tǒng)的激光源及一臺差示光電管接收機組成 §4.3高程測量一、幾何水準測量電子水準儀基本結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造由光學(xué)機械部分、自動安平補償裝置和電子設(shè)備組成。電子設(shè)備主要包括：調(diào)焦編碼器、光電傳感器（即線陣CCD器件）、讀數(shù)電子元件、單片微處理機、接口（外部電源和外部存儲記錄）、顯示器件、鍵盤以及影像數(shù)據(jù)處理軟件等，標尺采用條形碼標尺供電子測量使用。 §4.3高程測量一、幾何水準測量徠卡DNA03/10徠卡DNA03/蔡司DINI1010徠卡D拓普康DL101/102NA03/10徠卡DNA索佳SDL203/10 §4.3高程測量一、幾何水準測量電子水準儀的測量原理由于生產(chǎn)電子水準儀的各廠家采用不同的專利，測量標尺也各不相同，因此讀數(shù)原理各異，下面主要介紹徠卡和蔡司兩家公司生產(chǎn)的電子水準儀的測量原理。 §4.3高程測量一、幾何水準測量（徠卡電子水準儀原理）物鏡調(diào)焦發(fā)送器補償器補償器監(jiān)視CCD探測器分劃板分光鏡目鏡調(diào)焦透鏡210最佳相關(guān)時的位置0.116m參考信號（存入NA2000中的標尺像）測量信號（標尺可見部分）基碼 §4.3高程測量一、幾何水準測量（蔡司電子水準儀原理）11000111粗碼近距離碼雙相位碼精測g(I+0.5)A(bi+1+bi)/2bi+1bi1Bi+1BiBNB0GNG0GiGi+1物鏡標尺底面光軸（中絲）標尺CCD陣列Gi間距中點 §4.3高程測量一、幾何水準測量電子水準儀的性能及特點它與傳統(tǒng)光學(xué)水準儀相比有以下：優(yōu)點：讀數(shù)客觀精度高速度快效率高操作簡單缺點：電子水準儀對標尺進行讀數(shù)不如光學(xué)水準儀靈活電子水準儀受外界條件影響較大 §4.3高程測量一、幾何水準測量電子水準儀的應(yīng)用由于電子水準儀優(yōu)點顯著，目前已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大地測量、工程測量、工業(yè)測量等領(lǐng)域。 §4.3高程測量二、液體靜力水準測量h2h1ⅡⅠ?2?1P01P02A連通器內(nèi)液體的平衡abhAB液體靜力水準測量原理氣管水管C1C2 §4.3高程測量三、三角高程測量HAHBiAjBAB?AB水平面DAB §4.3高程測量四、傾斜測量雖然地面或建筑物的傾斜可用常規(guī)的測量方法測定兩點間高差的變化，從而求出傾斜值，但在一些工作面傾斜測量和連續(xù)自動化傾斜監(jiān)測中，一般采用專用的傾斜測量儀。目前傾斜儀的種類很多，大體可以分為“短基線”傾斜儀和“長基線”傾斜儀兩種。前者一般用垂直擺錘或水準氣泡作為參考線；后者一般根據(jù)靜力水準測量的原理做成。 §4.4準直測量一、光的相干性原理AKpOqSr光的相干性因為光具有波動性，所以如機械波那樣，當兩列光波頻率相同、方向相同、相位相同或相位差恒定時，這兩列光波將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 §4.4準直測量二、波帶板激光準直測量的設(shè)備波帶板激光準直設(shè)備主要有以下部件組成：He-Ne激光器，用于發(fā)射激光波帶板激光探測器(a)圓形波帶板(b)方形波帶板 §4.4準直測量三、波帶板激光準直測量方法波帶板激光準直測量步驟如下：在一基準點A安置激光器在另一基準點B安置探測器在待測點i安置一特定“焦距”的波帶板A(S)B(K)i?i?i激光波帶板準直測量 §4.4準直測量四、激光準直測量的精度與應(yīng)用實驗表明用這種裝置準直，測定偏離值的精度可達測線長度的10-6；由于激光準直受大氣的影響，如果將高精度激光準直系統(tǒng)安裝在真空管道內(nèi)，則準直精度還可達10-7~10-8。由于波帶板激光準直測量的高精度，目前已被廣泛應(yīng)用于線狀工程建筑物的變形觀測，如大壩變形觀測，精密導(dǎo)軌標定和高能粒子加速器直線段的安裝與變形檢測中，也用于高能粒子加速器環(huán)形網(wǎng)三角形高的測量中。 §4.5坐標測量一、全站儀測量速測術(shù)與速測儀全站型電子速測儀全站儀的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)全站儀的分類全站儀的發(fā)展趨勢 §4.5坐標測量二、全球定位系統(tǒng)（GPS）偽距法定位原理載波相位測量原理GPS作業(yè)方式GPS數(shù)據(jù)處理GPS定位的誤差來源 §4.5坐標測量三、激光跟蹤儀目前，國際上主要有三家儀器公司生產(chǎn)激光跟蹤儀，分別是瑞士徠卡公司，美國SMX公司（現(xiàn)已并如FARO）、API公司。徠卡LTD500SMXTracker4500APITrackerII §4.5坐標測量三、激光跟蹤儀激光跟蹤儀的基本組成角度測量部分距離測量部分跟蹤部分控制部分支撐部分 §4.5坐標測量三、激光跟蹤儀激光跟蹤儀的測量原理和坐標系激光干涉測距原理He-Ne激光器干涉條紋檢測、記數(shù)固定反射鏡移動棱鏡分光鏡光束1光束2 §4.5坐標測量三、激光跟蹤儀激光跟蹤儀的測量原理和坐標系激光跟蹤儀坐標測量原理圖VXHzzYPDZyxz §4.5坐標測量三、激光跟蹤儀激光跟蹤儀應(yīng)用車身在線檢測設(shè)備CCD傳感器的校準 §4.5坐標測量四、激光掃描儀不同廠家激光掃描儀外型LR200激光雷達 §4.6水深測量一、回聲測深儀回聲測深原理顯示設(shè)備激發(fā)器電源接收放大器發(fā)射換能器接收換能器為超聲波在水中的傳播速度，約為1500m/s為水面至水底反射往返的時間間隔 §4.6水深測量二、多波束測深儀與傳統(tǒng)的單波束測深儀比較，多波束測深儀具有測量范圍大、速度快、精度高、記錄數(shù)字化以及成圖自動化等優(yōu)點，它把測深技術(shù)從點、線擴展到面，并進一步發(fā)展到立體測深和自動成圖，從而使水下地形測量技術(shù)發(fā)展到了一個較高的水平。 §4.6水深測量三、水位觀測水深測量需與陸地上平面位置與高程聯(lián)系起來才具有水下地形測繪等實用價值。測深的平面定位可籍助陸地測量技術(shù)，如傳統(tǒng)的方向交會、距離交會、極坐標法等，目前主要采用GPS動態(tài)定位方法和無線電定位等。 §4.6水深測量四、深度基準面的概念在工程測量中，水下地形點豎向位置的描述可使用與陸地同樣的高程系統(tǒng)，由此得到水下地形圖。但有時需用水深描述水下地形點的豎向位置，則得到用等深線表示的水深圖或海圖。水深計算的起算面稱為深度基準面。 §4.7其他測量儀器一、手持式激光測距儀 §4.7其他測量儀器一、手持式激光測距儀測量不便時環(huán)境干擾時裝修與房產(chǎn)手持式激光測距儀的應(yīng)用 §4.7其他測量儀器二、激光掃平儀激光掃平儀和探測器水平和垂直平面掃描水平面垂直面 §4.7其他測量儀器三、投點儀A.天頂儀B.天底儀C.天頂天底儀D.激光天頂儀光學(xué)或激光投點儀