精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置

陳科宇 陳子揚 王 健 付開隆 楊 爽 于 飛

（東北林業(yè)大學(xué) 土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱150040）

水準(zhǔn)儀望遠鏡鏡十字絲通過上下兩側(cè)的V 形槽固定，而下方V 形槽鏈接彈簧，一旦內(nèi)外環(huán)境發(fā)生變化，彈簧就可能發(fā)生變形。[1]此時視線與水平面并不平行，夾角即為誤差角i，測距如果超過一定距離，那么讀數(shù)誤差此時不可忽略。所以如果能夠測出這一誤差角i，那便可通過V 形槽出的螺絲進行校準(zhǔn)，提高測量精度。

目前水準(zhǔn)儀器消除i 角通常有兩種常用方法：平行光管法或者現(xiàn)場調(diào)試。平行光管法運用了物鏡聚焦灌輸于焦面的原理。平行光管由光源和透鏡組成，光源發(fā)出的光照亮目標(biāo)板并且位于焦面處時，目標(biāo)板的像便位于無窮遠處，此時光束便成了平行光束。如果使用經(jīng)緯儀代替平行光管便可使用平行光管法來測量起始方向線。平行光管法測量精度高，數(shù)據(jù)精確。管狀水準(zhǔn)儀和自動水準(zhǔn)儀亦可通過平行光管法校準(zhǔn)。但是平行光管法儀器復(fù)雜，成本較高。與現(xiàn)場調(diào)試校正比較，現(xiàn)場調(diào)試校正是在施工現(xiàn)場,為了想檢測出水準(zhǔn)儀的i 角,通常會將水準(zhǔn)儀儀器安放在兩支水準(zhǔn)標(biāo)尺中點處, 水準(zhǔn)儀和兩標(biāo)尺之間測距在30～40m 之間,前后測距大致相等即可。[2]此時可以通過水準(zhǔn)儀讀取兩水準(zhǔn)標(biāo)尺的讀數(shù),這樣就可以得到兩點的高差值。之后還要將水準(zhǔn)儀搬移到兩支水準(zhǔn)標(biāo)尺的一側(cè)或外側(cè)均可, 這時的水準(zhǔn)儀距離近處的水準(zhǔn)標(biāo)尺只有幾米遠, 而距離遠的水準(zhǔn)標(biāo)尺已經(jīng)是幾十米遠的距離。同樣,需要用水準(zhǔn)儀讀出此時兩支水準(zhǔn)標(biāo)尺的讀數(shù),得到此時的高差值。若兩次的高差值相等,則說明水準(zhǔn)儀的i 角為零；高差值不相等,就說明存在著i 角的誤差。此時校正水準(zhǔn)儀的i 角的方法就是調(diào)節(jié)螺絲釘?shù)奈恢? 同時反復(fù)對比高差值,使i 角減小到允許范圍內(nèi)。此方法雖說也能保證精度,但耗費人力,使用上也不是十分方便。而精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置，操作過程簡單，無需專業(yè)知識也可以完成，安裝簡便靈活，極具市場發(fā)展前景。

1 精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置詳述

1.1 玻璃管

內(nèi)徑：粗管（d=40mm）的化學(xué)用冷凝管兩支。

作用：水箱中的液體通過硬管、軟管注入冷凝管，讀取兩支冷凝管內(nèi)液面高度讀數(shù)，得到檢校水準(zhǔn)儀i 角的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1.2 刻度尺

取兩個熒光刻度尺，套于木棱一端外側(cè)，另一端則削成半徑7.5 毫米圓柱，再將其與支架連接。玻璃管通過帶有螺絲旋鈕的環(huán)扣固定到刻度尺的適宜處，此時便可進行水準(zhǔn)儀的讀數(shù)。

1.3 支架

選用相機架兩個、輸液袋升降器一個，分別用來架設(shè)兩玻璃管及輸液袋，兩個相機架架分別與連接玻璃管及尺的木棱固定。

優(yōu)點：通過相機架升降即可控制玻璃管的液面升降。

1.4 裝置中液體的選擇

摻有藍色墨水的清水。

1.5 掛式輸液袋

容積為2L 的掛式輸液袋一個，連接總導(dǎo)管。

1.6 塑料硬管

內(nèi)徑為12mm 的塑料硬管三段，長度分別為：1m、1m、5m；三通連接口一個；塑料水閥一個。

第一段（1m）一端與輸液袋孔相連，一端與塑料三通相連；

第二段（1m）一端與冷凝管相連，一端與塑料三通相連；

第三段（5m）一端與另一冷凝管相連，一端與塑料三通相連；

作用：塑料硬管可將輸液袋中的藍色清水輸入到兩支冷凝管中。

圖1 精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置布置圖

2 裝置的使用方法

在具有一定空間的室內(nèi)架設(shè)支架，固定好輸液袋及冷凝管后，將塑料硬管通過三通及軟管連接起來，并控制兩只冷凝管支架間距大于7m，其中一個支架與水準(zhǔn)儀間距大于1m，如圖1所示安裝裝置。向輸液袋中注入滴有藍色墨水的清水，通過控制支架升降輸液袋，控制冷凝管中液面的高度。關(guān)閉水閥，直至液面穩(wěn)定后，測量距水準(zhǔn)儀近的冷凝管觀察記錄液面刻度；繼續(xù)觀察距離水準(zhǔn)儀較遠的那支冷凝管，根據(jù)連通器的原理，兩處玻璃管液面高度應(yīng)該相同。但由于i 角造成的誤差，兩刻度讀數(shù)存在差值；最后，測量出水準(zhǔn)儀與較遠冷凝管之間的距離L。計算得到的i 角通過調(diào)節(jié)v 形槽處的螺絲來減小。不斷重復(fù)上述操作測量i 角，緊接著繼續(xù)調(diào)試，直至十字絲與兩個液面完全重合。上述裝置可達到使i 角減小到8 秒的精度要求。[3]

3 實驗原理及計算方法

3.1 連通器原理

精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置可根據(jù)連通器原理使得兩支冷凝管中液面保持相平，運用簡單的連通器原理即可完成實驗。

3.2 三角形反算角的原理

圖2 求解水準(zhǔn)儀i 角的原理圖

如圖所示，將水準(zhǔn)儀安置在C 點，與B 點距離1m 左右，與A 點相距L 遠處，兩支架分別安裝于A、B 點，測得B 點玻璃管中的液面在刻度尺上的讀數(shù)a2，由于儀器與B 點相距近，忽略兩軸之間不平行產(chǎn)生的誤差。此時在A 處讀數(shù)a1應(yīng)滿足：a1+h1=a2+h2，若存在誤差角i，A 處讀數(shù)為便可得i=arctan（△h/L）[3]。

4 精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置在特殊環(huán)境下的適應(yīng)性

精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置具有較強的環(huán)境適應(yīng)性，在光線不好、可視度較低的環(huán)境中依舊可以很好使用，出于以下兩點:

4.1 本裝置采用的是熒光刻度尺，而不是普通的塑料尺或鋼尺，所以本裝置在光線不好、可視度較低的環(huán)境中仍具有很好的適應(yīng)性。

4.2 本裝置所采用的液體為滴有藍色墨水的清水，可更加清晰地讀取讀數(shù)。

5 技術(shù)可行性及經(jīng)濟、環(huán)保效益分析

5.1 技術(shù)可行性

精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置簡單易做，對技術(shù)性要求就不高；設(shè)計理念通俗易懂，即采用簡單的連通器原理和三角形反算原理加上成本很低的設(shè)備原件，使得整個裝置使用簡單靈活，可單人操作，安裝簡便，并且移動性強。在目前市場條件下，該裝置可以較大范圍的推廣使用。

5.2 經(jīng)濟可行性及環(huán)保性

精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置取材于日常生活，方便易獲取，并且價格便宜、來源廣泛，例如：塑料水箱、塑料硬管、塑料三通、冷凝管等都可在日用五金店購買得到。此外本檢校裝置采用的液體為滴有藍色墨水的清水，都是日常生活中常見到的物品，而且檢校完畢后也不會對環(huán)境造成污染，這也秉行了節(jié)約環(huán)保的生活理念。

6 結(jié)論

精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置通過壓強原理、三角形幾何關(guān)系反算及其它測量學(xué)基本原理，從而進行待測水準(zhǔn)儀i角校驗的實驗與計算處理過程。本裝置在使用上，操作簡單、使用靈活，可大規(guī)模推廣使用，無需專業(yè)性知識很高的人員，單人即可完成整個i 角檢校過程，一定程度上節(jié)約了人力、財力以及物力。此外，本裝置所需設(shè)備原件源于生活中常見且易獲得物品，實驗裝置可循環(huán)使用，裝置所需液體來源于最常見的水和墨水的組合，實驗完成后容易處理且不會對生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生任何危害。同樣，能夠很好地滿足精度上的需求也是很重要的。當(dāng)然，目前仍存在冷凝管易碎、不易保存攜帶的問題，如何能夠更加優(yōu)化此問題也是今后需要進一步研究的方面。