全站儀對(duì)中器檢定方法研究

高海燕

(中兵勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司, 北京 100053)

0 引言

為了能夠完成角度和距離的測(cè)量工作,需要將地面標(biāo)志點(diǎn)安置到全站儀或者經(jīng)緯儀(以下簡(jiǎn)稱為“全站儀”)的豎軸延長(zhǎng)線上(這個(gè)過(guò)程稱為對(duì)中),同時(shí)需要置平全站儀,使過(guò)地面標(biāo)志點(diǎn)的鉛垂線與全站儀的豎軸重合(這個(gè)過(guò)程稱為置平),為了確保測(cè)繪成果的精度,必須同時(shí)滿足這兩個(gè)條件。通常情況下,對(duì)中和置平需要交替反復(fù)進(jìn)行,這樣才能夠滿足測(cè)量工作的要求。

在光學(xué)對(duì)中器發(fā)明之前,測(cè)繪人員是利用垂球、通過(guò)移動(dòng)基座的辦法來(lái)將地面標(biāo)志點(diǎn)安置到全站儀豎軸延長(zhǎng)線上的,但這種方法的精度較低,據(jù)文獻(xiàn)[1]報(bào)道,這種對(duì)中方法的精度在2.7～4.2 mm,同時(shí)對(duì)中效率低,也易受環(huán)境條件例如刮風(fēng)等的影響。在20世紀(jì)50年代后,垂球?qū)χ械姆绞揭呀?jīng)逐漸被光學(xué)對(duì)中器及激光對(duì)中器所取代,光學(xué)/激光對(duì)中器不僅對(duì)中精度高,而且操作更加方便,例如光學(xué)對(duì)中器在1.5 m視距處的對(duì)中精度達(dá)到0.5～1.0 mm,激光對(duì)中器在1.5 m高度處的對(duì)中精度也達(dá)到0.5～1.0 mm[2]。

光學(xué)對(duì)中器及激光對(duì)中器在對(duì)中原理上沒(méi)有本質(zhì)性的差別,其檢定方法也是一致的,以下將光學(xué)對(duì)中器和激光對(duì)中器統(tǒng)稱為對(duì)中器。

對(duì)中器一般安置在全站儀的照準(zhǔn)部上,可以隨著全站儀的豎軸旋轉(zhuǎn),專用的對(duì)中器也采用這種結(jié)構(gòu),為以下敘述方便,將這類能隨豎軸旋轉(zhuǎn)的對(duì)中器稱為旋轉(zhuǎn)式對(duì)中器;另外一種是將對(duì)中器安置在基座上,其位置固定,不能夠隨豎軸旋轉(zhuǎn),同樣為了后續(xù)敘述方便,將這種結(jié)構(gòu)的對(duì)中器稱為固定式對(duì)中器。

關(guān)于對(duì)中器的檢定與調(diào)整,國(guó)內(nèi)外已有很多文獻(xiàn)都進(jìn)行了論述,旋轉(zhuǎn)式對(duì)中器的檢定與調(diào)整方法比較簡(jiǎn)單,已有成熟的方法可以使用;但對(duì)于固定式對(duì)中器,人們則提出過(guò)多種檢定與調(diào)整方法,例如文獻(xiàn)[2-6]提出的全站儀橫臥法,這種方法偏離了對(duì)中器的正常使用狀態(tài),特別是豎軸之間的間歇與基座的重量,導(dǎo)致檢定結(jié)果不準(zhǔn)確;文獻(xiàn)[7]提出的檢定方法,類似測(cè)量工作中常用的強(qiáng)制對(duì)中法,需要同時(shí)滿足置平和對(duì)中這兩個(gè)條件,降低了工作效率;新近出版的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)[8]提出的檢定方法,更是無(wú)法完成固定式對(duì)中器的正常檢定。

針對(duì)現(xiàn)有文獻(xiàn)無(wú)法高效完成固定式對(duì)中器的檢定問(wèn)題,本文首先論述了對(duì)中器的結(jié)構(gòu),以此為基礎(chǔ),對(duì)不同結(jié)構(gòu)的對(duì)中器提出了相應(yīng)的檢定方案,供測(cè)繪生產(chǎn)單位參考,也為今后修改國(guó)家規(guī)程提供參考。

1 對(duì)中器的結(jié)構(gòu)

文獻(xiàn)[9]給出了對(duì)中器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖1為安置在全站儀照準(zhǔn)部上光學(xué)對(duì)中器的示意圖，圖2為安置在全站儀照準(zhǔn)部上的激光對(duì)中器示意圖。

圖1 旋轉(zhuǎn)式光學(xué)對(duì)中器示意圖[9]

圖2 旋轉(zhuǎn)式激光對(duì)中器示意圖[9]

在一些不需要全站儀或者無(wú)專用對(duì)中器的場(chǎng)合,例如在架設(shè)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)接收機(jī)天線、架設(shè)全站儀反射棱鏡等場(chǎng)合[10-11],為了降低設(shè)備的成本,則只需要固定式對(duì)中器即可滿足要求,固定式對(duì)中器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 固定式對(duì)中器[12]

2 對(duì)中器的檢定

對(duì)中器是全站儀豎軸的延長(zhǎng)器,對(duì)其檢定就是確認(rèn)光學(xué)對(duì)中器的視準(zhǔn)軸或者激光對(duì)中器的激光束(以下簡(jiǎn)稱為“對(duì)中器視準(zhǔn)軸”)是否與全站儀的豎軸重合,鑒于旋轉(zhuǎn)式對(duì)中器可以繞全站儀的豎軸選擇,可以方便地實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)式對(duì)中器的檢定;而固定式對(duì)中器不能夠繞全站儀的豎軸旋轉(zhuǎn),必須增加一個(gè)豎軸轉(zhuǎn)接器,間接地實(shí)現(xiàn)固定式對(duì)中器繞豎軸旋轉(zhuǎn)這一功能,從而實(shí)現(xiàn)固定式對(duì)中器的檢定。為了檢定固定式對(duì)中器,文獻(xiàn)[3-6]將全站儀橫臥在桌子邊緣,卡緊照準(zhǔn)部固定,然后讓對(duì)中器繞全站儀豎軸旋轉(zhuǎn),以此來(lái)檢定固定式對(duì)中器。但全站儀的豎軸與軸套之間的間歇、對(duì)中器的重量直接加載到全站儀橫軸上等條件的改變,導(dǎo)致檢定結(jié)果的可信度較差。因此，采用橫臥全站儀的方法來(lái)檢定固定式對(duì)中器的方法并沒(méi)有得到推廣。

2.1 旋轉(zhuǎn)式對(duì)中器檢定方法

由于只需要檢定對(duì)中器的視準(zhǔn)軸是否與全站儀豎軸重合,不涉及豎軸是否鉛直這一條件,因此在檢定對(duì)中器時(shí),不需要顧及全站儀的水準(zhǔn)器是否居中。對(duì)于水準(zhǔn)器的檢定,如何置平全站儀等,有興趣的讀者可以查閱相關(guān)文獻(xiàn),這里不再贅述。

旋轉(zhuǎn)式對(duì)中器的檢定方法非常簡(jiǎn)單,圖4為用三腳架及一個(gè)地面標(biāo)志點(diǎn)來(lái)檢定對(duì)中器的示意圖,如果采用專業(yè)經(jīng)緯儀檢定裝置,檢定原理相似,操作步驟也簡(jiǎn)單。

如圖4(a)所示,將全站儀固定在三腳架上后,在整體移動(dòng)全站儀及三腳架的同時(shí),觀察地面標(biāo)志點(diǎn),使其地面標(biāo)志點(diǎn)的像進(jìn)入對(duì)中器的視場(chǎng)中心位置;踩緊三腳架并固緊三腳架的螺旋,以防在檢定過(guò)程中三腳架發(fā)生位移;固緊全站儀照準(zhǔn)部,用基座的腳螺旋使對(duì)中器的十字絲對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)A;然后松開(kāi)全站儀,旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)部180°,假設(shè)此時(shí)對(duì)中器視準(zhǔn)軸與地面相交于B,如圖4(b)所示,AB即為對(duì)中器視準(zhǔn)軸與全站儀豎軸偏移量的兩倍;用對(duì)中器調(diào)整螺絲調(diào)整期偏移量AB的一半,用腳螺旋再次照準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)A;然后再旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)部180°,觀察對(duì)中器十字絲偏離標(biāo)志點(diǎn)A的情況,如果有偏移,仍然用對(duì)中器調(diào)整螺絲調(diào)整期偏移量的一半,用腳螺旋再次照準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn);重復(fù)這個(gè)過(guò)程,直至對(duì)中器旋轉(zhuǎn)180°后,對(duì)中器的十字絲仍然與地面標(biāo)志點(diǎn)重合為止。需要特別注意的是，在整個(gè)檢定過(guò)程中,都無(wú)須顧及水準(zhǔn)器是否水平,這是因?yàn)樵摍z定過(guò)程,不需要保持全站儀豎軸鉛直。

圖4 旋轉(zhuǎn)式對(duì)中器檢定原理圖[9]

2.2 固定式對(duì)中器檢定方法

為了能夠使固定式對(duì)中器繞豎軸轉(zhuǎn)動(dòng),需要如圖5所示的豎軸轉(zhuǎn)接器用來(lái)連接固定式對(duì)中器與輔助基座,豎軸轉(zhuǎn)接器承擔(dān)了豎軸的功能,輔助基座承擔(dān)了圖4的中全站儀基座的功能、即用來(lái)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn)。

圖5 豎軸轉(zhuǎn)接器

對(duì)圖5所示的轉(zhuǎn)接器的要求是:上部與下部之間勻速旋轉(zhuǎn);上部跟與下部之間的連接軸套的間隙差與全站儀豎軸的間歇差相同。按圖6所示，將輔助基座安置到三腳架上,在輔助基座上安裝豎軸轉(zhuǎn)接器,然后在豎軸轉(zhuǎn)接器上安裝待檢基座。為了減少重復(fù)調(diào)整次數(shù),在檢定之前,需要將輔助基座及待檢基座的3個(gè)腳螺旋處于居間位置,其最佳狀態(tài)為每個(gè)基座的3個(gè)腳螺旋的高度相等。

圖6 固定式對(duì)中器檢定[10]

具體檢定步驟如下:

(1)在距待檢基座1.5 m左右的天花板上設(shè)置標(biāo)志點(diǎn),調(diào)整輔助基座的腳螺旋,使待檢對(duì)中器的十字絲對(duì)準(zhǔn)標(biāo)志點(diǎn);

(2)旋轉(zhuǎn)待檢基座180°,觀察待檢十字絲與標(biāo)志點(diǎn)之間的偏移量,用對(duì)中器調(diào)整螺絲調(diào)整其偏移量的一半,用輔助基座的腳螺旋調(diào)整余下的一半;

(3)再次旋轉(zhuǎn)待檢基座180°,如果對(duì)中器十字絲與標(biāo)志點(diǎn)之間還存在偏移,則仍然用對(duì)中器調(diào)整螺絲調(diào)整其偏移量的一半,用輔助基座的腳螺旋調(diào)整余下的一半;

(4)重復(fù)第2～3步,直至對(duì)中器旋轉(zhuǎn)180°后,對(duì)中器十字絲與標(biāo)志點(diǎn)重合。

如果在野外工作時(shí),無(wú)法在天花板設(shè)置標(biāo)志點(diǎn)的情況下,為了完成固定式對(duì)中器的檢定,則需要將豎軸轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)成圖7的形式。

圖7 中心螺旋鏤空的豎軸轉(zhuǎn)接器

在將圖6中的豎軸轉(zhuǎn)接器換成圖7中的中心鏤空的豎軸轉(zhuǎn)接器后,待檢對(duì)中器的視場(chǎng)將受限于鏤空的豎軸轉(zhuǎn)接器及三腳架中心螺旋的中心孔徑。因此,需要首先用輔助基座和待檢基座的腳螺旋,分別置平輔助基座和待檢基座,然后再在待檢對(duì)中器十字絲投影中心位置附近處設(shè)置地面標(biāo)志點(diǎn),這樣就可以按照固定式對(duì)中器的檢定方法檢定待檢對(duì)中器了。其檢定方法與步驟與前述方法一致,只是將天花板上的標(biāo)志點(diǎn)換成了地面標(biāo)志點(diǎn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)中誤差是影響角度和距離測(cè)量的重要因素,旋轉(zhuǎn)式對(duì)中器可以在測(cè)量工作開(kāi)始時(shí)進(jìn)行自檢,這樣就能夠保證其對(duì)中精度,而固定式對(duì)中器在使用過(guò)程中無(wú)法實(shí)現(xiàn)自檢,這會(huì)將固定式對(duì)中器的誤差直接帶入到測(cè)量成果中,因此，需要經(jīng)常對(duì)固定式對(duì)中器進(jìn)行檢校。本文提出采用輔助基座加豎軸轉(zhuǎn)接器的方案,可以快速準(zhǔn)確地檢定固定式對(duì)中器,彌補(bǔ)了現(xiàn)有對(duì)中器檢定方法的不足,為測(cè)繪生產(chǎn)單位確保測(cè)繪成果的精度提供了一種備選途徑。