測(cè)量儀器快速整平對(duì)中原理及方法研究

陳文生

（鄭州鐵路科技發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450000）

各種工程對(duì)測(cè)量的精度要求越來越高，儀器高的量取是測(cè)繪外業(yè)中的首要程序，儀器高的精度決定了測(cè)量外業(yè)的整體精度。儀器高，是指儀器度盤中心到測(cè)站點(diǎn)的鉛垂距離。目前量取儀器高的通用方法是鋼尺量距法，其理論精度約為2～3mm[1]，實(shí)際操作中在各種因素的影響下其精度會(huì)更低，這在精密工程測(cè)量中是一個(gè)不能回避的問題，如何設(shè)法提高儀器高的量取精度是一個(gè)很重要的基礎(chǔ)問題[2]。整平和對(duì)中是測(cè)量中的基礎(chǔ)工作，整平是使儀器豎軸為鉛垂線狀態(tài)，使其水平度盤為水平狀態(tài)；對(duì)中是使儀器中心與對(duì)中點(diǎn)在同一鉛垂線上[3]。在工程測(cè)量中，由于不清楚整平和對(duì)中的原理，導(dǎo)致在實(shí)際操作中盲目而又不得法，浪費(fèi)了大量的時(shí)間精力。通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，先使儀器中心與對(duì)中點(diǎn)重合，在儀器大致水平的情況下，通過調(diào)節(jié)三腳架進(jìn)行整平時(shí)儀器中心與對(duì)中點(diǎn)并沒有明顯分離，有人稱之為三腳架的指心現(xiàn)象[4-6]。文章對(duì)這一現(xiàn)象進(jìn)行研究，總結(jié)出一套實(shí)用的儀器快速整平對(duì)中方法，為相關(guān)工作人員提供實(shí)際的工作參考。

1 快速整平對(duì)中方法

1.1 精對(duì)中粗整平

安置儀器后，移動(dòng)三腳架，并注意觀察以光學(xué)對(duì)中器或?qū)χ屑す恻c(diǎn)為代表的儀器中心，通過移動(dòng)使儀器中心與對(duì)中點(diǎn)重合，在這個(gè)過程中保證儀器大致水平。

1.2 精整平

根據(jù)水準(zhǔn)氣泡位置，調(diào)節(jié)對(duì)應(yīng)的腳架，操作方法為沿腳架中心線在地面上的投影線上前后移動(dòng)腳架或選擇伸縮腳架。在堅(jiān)硬地面選擇直接移動(dòng)腳架較快捷，在松軟地面將腳架踩實(shí)后進(jìn)行伸縮較快捷，也可以二者同時(shí)進(jìn)行，直至水準(zhǔn)氣泡居中。

1.3 精對(duì)中精整平

基于三腳架的指心現(xiàn)象，此時(shí)儀器中心與對(duì)中點(diǎn)并沒有明顯的偏移，但由于操作上的誤差等原因可能導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的偏移。此時(shí)通過調(diào)節(jié)儀器微動(dòng)螺旋使其水平，并通過移動(dòng)儀器使其精確對(duì)中即可。

2 三腳架指心現(xiàn)象的證明

2.1 腳架操作

對(duì)腳架的操作主要包括兩種：（1）腳架在地面點(diǎn)位置不變，伸縮某一腳架；（2）沿腳架在地面的投影線方向移動(dòng)某一腳架。

2.2 腳架體分析

腳架體由三個(gè)腳架及上平面組成，三腳架實(shí)物圖見圖1?？梢詫⒛_架簡化為A、B、C三條線段，見圖2（a），固定腳架A、B，只研究腳架C活動(dòng)時(shí)的影響，此時(shí)AB為一個(gè)整體，將其簡化，見圖2（b）。實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活動(dòng)其中一個(gè)腳架時(shí)，腳架上平面和另外兩個(gè)腳架組成的架構(gòu)是不變的。

圖1 三腳架實(shí)物圖

2.3 腳架整平及對(duì)中模型研究

腳架整平及對(duì)中的實(shí)質(zhì)可以認(rèn)為是腳架上平面的幾何中心O處垂線的延長線與對(duì)中點(diǎn)P相交，見圖3（a）。在腳架C方向進(jìn)行整平，其他方向本質(zhì)與此相同，由于腳架操作法的限制條件，腳架移動(dòng)時(shí)，AB-O總是一起活動(dòng)，又根據(jù)AB-O在腳架活動(dòng)過程中是不變形的，因此腳架整平可以看作以AB與地面的交點(diǎn)為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)直至上平面水平為止，此時(shí)水準(zhǔn)氣泡居中。假設(shè)在理想情況下腳架上平面達(dá)到水平位置，見圖3（b），需要研究在這個(gè)過程中儀器中心偏離對(duì)中點(diǎn)的程度。

進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)圖3（b）狀態(tài)時(shí)的結(jié)構(gòu)組成平面四邊形，見圖4（a），操作過程相當(dāng)于以腳架旋轉(zhuǎn)點(diǎn)為中心的幾何旋轉(zhuǎn)。圖4（a）中α為固定角度，ε為腳架上平面不平行引起的夾角，此時(shí)對(duì)中垂線與地面的交點(diǎn)設(shè)為P′，見圖4（b），P′偏移對(duì)中點(diǎn)P的距離設(shè)為R，腳架旋轉(zhuǎn)點(diǎn)到對(duì)中點(diǎn)P的距離設(shè)為L。由圖4（a）得知R=L-L×cosε，在實(shí)際情況下，腳架距對(duì)中點(diǎn)的距離L≤0.5m。在儀器粗平的情況下，ε一般小于10°，由此進(jìn)行計(jì)算得R≤7mm。而在一般情況下，R遠(yuǎn)小于這個(gè)數(shù)值，可以認(rèn)為在腳架整平過程中，儀器中心在對(duì)中點(diǎn)的投影幾乎沒有偏移，這就證明了三腳架的指心現(xiàn)象。

圖2 腳架體分析圖

圖3 腳架活動(dòng)示意圖

圖4 整平對(duì)中結(jié)構(gòu)分析圖

3 結(jié)束語

在實(shí)際的操作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)移動(dòng)腳架C時(shí)全站儀對(duì)中點(diǎn)處的激光會(huì)在其周圍小范圍移動(dòng)，其原因是在實(shí)際操作中，不可能精確保證AB-O在同一平面活動(dòng)，從而導(dǎo)致儀器中心的偏移，所以本方法的要點(diǎn)就在于操作時(shí)要注意腳架的正確移動(dòng)。文章用幾何方法證明了三腳架指心現(xiàn)象，進(jìn)一步說明了儀器整平對(duì)中是可以分開進(jìn)行的事實(shí)，提出的整平對(duì)中方法也能快速地應(yīng)用于實(shí)際工作中。