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(jìn)行長度和偏距、角度和方向、高程和傾斜、準(zhǔn)直、坐標(biāo)等測量的儀器及其測量方法重點(diǎn)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(zhǔn)部（望遠(yuǎn)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(duì)點(diǎn)器我國光學(xué)經(jīng)緯儀系列分為J07、J1、J2、J6等型號(hào)，J為經(jīng)緯儀漢語拼音的第一個(gè)字母，下標(biāo)表示儀器的精度指標(biāo)。 經(jīng)緯儀是測角的儀器，按讀數(shù)系統(tǒng)區(qū)分類：游標(biāo)經(jīng)緯儀、光學(xué)經(jīng)緯儀、電子經(jīng)緯儀;游標(biāo)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(duì)儀器進(jìn)行“對(duì)中”和“整平”盤左，粗略瞄準(zhǔn)一個(gè)目標(biāo)仔細(xì)對(duì)光，消除視差精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)，取水平度盤讀數(shù)不動(dòng)調(diào)焦鏡，盤右，精確瞄準(zhǔn)目標(biāo)，取水平度盤讀數(shù)對(duì)于下一個(gè)目標(biāo)，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(shí)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(zhǔn)同一目標(biāo)各一次，并分別讀豎盤讀數(shù)；盤右，同上一樣的觀測；分別計(jì)算三根水平絲所測得的指標(biāo)差和垂直角，并取垂直角的平均值作為一個(gè)目標(biāo)的一測回之值。若僅使用中間的水平絲進(jìn)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(fù)。 §4.1角度測量四、電子經(jīng)緯儀在光學(xué)經(jīng)緯儀的照準(zhǔn)部中，將讀數(shù)系統(tǒng)用電子度盤替代光學(xué)模擬度盤，實(shí)現(xiàn)度盤讀數(shù)的自動(dòng)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(dòng)態(tài)測角系統(tǒng)。 在光學(xué)經(jīng)緯儀的照準(zhǔn)部中，將讀數(shù)系統(tǒng)用電子度盤替代光學(xué)模擬度盤，實(shí)現(xiàn)度盤讀數(shù)的自動(dòng)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(dòng)態(tài)測角系統(tǒng)。 §4.1角度測量五、目標(biāo)照準(zhǔn)自動(dòng)化（基本原理）帶ATR望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)示意圖 §4.1角度測量五、目標(biāo)照準(zhǔn)自動(dòng)化在角度測量時(shí)，ATR自動(dòng)識(shí)別并照準(zhǔn)目標(biāo)主要有三個(gè)過程：目標(biāo)搜索過程目標(biāo)照準(zhǔn)過程測量過程。 §4.1角度測量六、全自動(dòng)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(dòng)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(dòng)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(dá)②靈敏部③懸掛帶自動(dòng)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(dòng)陀螺經(jīng)緯儀測量步驟將儀器安置到三腳架上并精確對(duì)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(jī)，陀螺儀開機(jī)啟動(dòng)測量程序進(jìn)行定向測量經(jīng)緯儀照準(zhǔn)測線目標(biāo)，盤左、盤右觀測兩測回，將結(jié)果輸入到陀螺儀中，即可計(jì)算并顯示測線方位角 §4.1角度測量六、全自動(dòng)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(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的自動(dòng)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(shí)間，利用下列基本公式來計(jì)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(shí)間的。相位式測距原理返程往程N(yùn)?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(yuǎn)程測距儀和超遠(yuǎn)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(zhǔn)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(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)用戶計(jì)算機(jī)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(zhǔn)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(zhǔn)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(tái)差示光電管接收機(jī)組成 §4.3高程測量一、幾何水準(zhǔn)測量電子水準(zhǔn)儀基本結(jié)構(gòu)基本構(gòu)造由光學(xué)機(jī)械部分、自動(dòng)安平補(bǔ)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(jī)、接口（外部電源和外部存儲(chǔ)記錄）、顯示器件、鍵盤以及影像數(shù)據(jù)處理軟件等，標(biāo)尺采用條形碼標(biāo)尺供電子測量使用。 §4.3高程測量一、幾何水準(zhǔn)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(zhǔn)測量電子水準(zhǔn)儀的測量原理由于生產(chǎn)電子水準(zhǔn)儀的各廠家采用不同的專利，測量標(biāo)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(zhǔn)儀的測量原理。 §4.3高程測量一、幾何水準(zhǔn)測量（徠卡電子水準(zhǔn)儀原理）物鏡調(diào)焦發(fā)送器補(bǔ)償器補(bǔ)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(shí)的位置0.116m參考信號(hào)（存入NA2000中的標(biāo)尺像）測量信號(hào)（標(biāo)尺可見部分）基碼 §4.3高程測量一、幾何水準(zhǔn)測量（蔡司電子水準(zhǔn)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(biāo)尺底面光軸（中絲）標(biāo)尺CCD陣列Gi間距中點(diǎn) §4.3高程測量一、幾何水準(zhǔn)測量電子水準(zhǔn)儀的性能及特點(diǎn)它與傳統(tǒng)光學(xué)水準(zhǔn)儀相比有以下：優(yōu)點(diǎn)：讀數(shù)客觀精度高速度快效率高操作簡單缺點(diǎn)：電子水準(zhǔn)儀對(duì)標(biāo)尺進(jìn)行讀數(shù)不如光學(xué)水準(zhǔn)儀靈活電子水準(zhǔn)儀受外界條件影響較大 §4.3高程測量一、幾何水準(zhǔn)測量電子水準(zhǔn)儀的應(yīng)用由于電子水準(zhǔn)儀優(yōu)點(diǎn)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(zhǔn)測量h2h1ⅡⅠ?2?1P01P02A連通器內(nèi)液體的平衡abhAB液體靜力水準(zhǔn)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(diǎn)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(dòng)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(zhǔn)氣泡作為參考線；后者一般根據(jù)靜力水準(zhǔn)測量的原理做成。 §4.4準(zhǔn)直測量一、光的相干性原理AKpOqSr光的相干性因?yàn)楣饩哂胁▌?dòng)性，所以如機(jī)械波那樣，當(dāng)兩列光波頻率相同、方向相同、相位相同或相位差恒定時(shí)，這兩列光波將產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 §4.4準(zhǔn)直測量二、波帶板激光準(zhǔn)直測量的設(shè)備波帶板激光準(zhǔn)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(zhǔn)直測量三、波帶板激光準(zhǔn)直測量方法波帶板激光準(zhǔn)直測量步驟如下：在一基準(zhǔn)點(diǎn)A安置激光器在另一基準(zhǔn)點(diǎn)B安置探測器在待測點(diǎn)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(zhǔn)直測量 §4.4準(zhǔn)直測量四、激光準(zhǔn)直測量的精度與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)表明用這種裝置準(zhǔn)直，測定偏離值的精度可達(dá)測線長度的10-6；由于激光準(zhǔn)直受大氣的影響，如果將高精度激光準(zhǔn)直系統(tǒng)安裝在真空管道內(nèi)，則準(zhǔn)直精度還可達(dá)10-7~10-8。由于波帶板激光準(zhǔn)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)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(biāo)測量三、激光跟蹤儀激光跟蹤儀的測量原理和坐標(biāo)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(dòng)棱鏡分光鏡光束1光束2 §4.5坐標(biāo)測量三、激光跟蹤儀激光跟蹤儀的測量原理和坐標(biāo)系激光跟蹤儀坐標(biāo)測量原理圖VXHzzYPDZyxz §4.5坐標(biāo)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(zhǔn) §4.5坐標(biāo)測量四、激光掃描儀不同廠家激光掃描儀外型LR200激光雷達(dá) §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(shí)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(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，它把測深技術(shù)從點(diǎn)、線擴(kuò)展到面，并進(jìn)一步發(fā)展到立體測深和自動(dòng)成圖，從而使水下地形測量技術(shù)發(fā)展到了一個(gè)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(shí)用價(jià)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(huì)、距離交會(huì)、極坐標(biāo)法等，目前主要采用GPS動(dòng)態(tài)定位方法和無線電定位等。 §4.6水深測量四、深度基準(zhǔn)面的概念在工程測量中，水下地形點(diǎn)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(shí)需用水深描述水下地形點(diǎn)的豎向位置，則得到用等深線表示的水深圖或海圖。水深計(jì)算的起算面稱為深度基準(zhǔn)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(shí)環(huán)境干擾時(shí)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(diǎn)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(diǎn)儀