周波陽，李錦城，黎家州，黃瑞龍

(廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006)

采用平行光管檢驗校正臺校正光學水準儀的i角

周波陽，李錦城，黎家州，黃瑞龍

(廣東工業(yè)大學 土木與交通工程學院，廣東 廣州 510006)

摘要:i角是衡量水準儀性能最重要的指標之一.本文以DS3-Z型微傾水準儀和DSZ3-1型自動安平水準儀為例，給出了平行光管檢驗校正臺校正光學水準儀的具體步驟.實驗表明，校正后DS3-Z型與DSZ3-1型水準儀的i角分別從130.4″減小至17.2″、75.0″減小至10.2″，校正結(jié)果符合《國家三、四等水準測量規(guī)范》的要求.

關鍵詞:平行光管檢驗校正臺；微傾光學水準儀；自動安平光學水準儀；i角；水準測量

水準儀是以水平視線為基準，進行高差測量的大地測量儀器.水準儀的水準管軸理論上應平行于視準軸，這一條件在現(xiàn)實中往往得不到滿足，二者在豎直面上投影之間的夾角為水準儀的i角.潘正風等[1-6]對i角誤差進行了討論.當前后視距相等時，i角對高差的影響為0，但在實際的測量實踐中并不能保證前后視距相等，因此i角誤差是不容忽視的誤差源，將直接影響水準測量的準確度.

我國高校的測量實驗室普遍配置了電子水準儀、微傾型光學水準儀和自動安平光學水準儀.受外界條件，如溫度、濕度、振動的影響，水準儀的i角可能發(fā)生變化，因此在使用水準儀前需作i角檢驗.目前廣泛使用的i角檢驗方法有4種，即Forstner方法、Nabauer方法、Kukkamaek方法、Japanese方法.張偉富等[7]的實驗結(jié)果表明，上述4種檢驗方法之中Japanese方法的表現(xiàn)最優(yōu)，王欣[8]則認為與其他3種方法相比，F(xiàn)orstner方法中水準儀位于兩標尺之間，換站移動距離最小，儀器焦距變化不大，因此該方法較為可靠.《國家三、四等水準測量規(guī)范》[9]中規(guī)定：用于三、四等水準測量的水準儀i角指標限差不得超過20″，i角超限的水準儀必須進行校正.電子水準儀的電i角校正由內(nèi)置軟件完成[9-12].光學水準儀的i角可在野外進行現(xiàn)場校正[13-15]，或需將儀器送到檢定機構(gòu)去進行檢定、校準，前者步驟繁瑣，后者既費時費力，還增加了成本.對測量實驗室而言，如何校正i角超標的光學水準儀已成一大難題.廣東工業(yè)大學測量實驗室購置了大地測量儀器檢驗校正臺(為便于表述，后文均簡稱“檢校臺”)，并建立了室內(nèi)校正場，本文將介紹利用該檢校臺校正光學水準儀i角的具體步驟，并進行閉合水準測量檢核校正效果.

1i角檢驗

本文選用Japanese方法進行i角檢驗.具體步驟如下：在平坦的地面上選定兩個相距60 m的固定點A、B，在二者連線的中點處設測站J1，在A、B延長線上、距離A約3～6 m處設測站J2，如圖 1所示；在J1測站上，照準水準尺A和B，讀數(shù)分別為a1和b1.在J2測站上，照準水準尺A和B，讀數(shù)分別為a2和b2，記測站J2到A、B兩點標尺的距離分別為SA和SB.i角所引起的誤差Δ(單位：mm)可表示為

Δ=(a2-b2)-(a1-b1).

(1)

由于Δ=i″×(SB-SA)/ρ，i″表示i角,單位為秒，ρ=206 265.水準儀的i角為

(2)

圖1　i角檢測示意圖

2光學水準儀的i角校正

廣東工業(yè)大學測量實驗室購置了DPf550-3型大地測量儀器檢驗校正臺，如圖 2(a).在室內(nèi)將檢校臺安裝完畢后，需對其進行“整平”操作，即轉(zhuǎn)動3個安平螺旋，將圓水泡調(diào)至中間，如圖 2(b).檢校臺的光學系統(tǒng)在出廠時均已調(diào)校至準確的位置，但因長途運輸、震動等因素，可能產(chǎn)生誤差.在使用前，應使用一臺高精度的、已確認消除了i角誤差的水準儀對檢校臺的光學系統(tǒng)進行校正，具體過程參見檢校臺的說明書，為保證檢校臺的穩(wěn)定性，該工作需每半年進行一次.下文將詳細介紹采用該檢校臺校正光學水準儀i角的具體步驟.

圖2　平行光管檢驗臺

2.1微傾型水準儀的i角校正

以南京鐘光DS3-Z型微傾水準儀為例，具體操作步驟如下：

(1) 將水準儀固定在檢校臺上，調(diào)節(jié)檢校臺，使水準儀視準軸和檢校臺的平行光管大致在一個水平面上.

(2) 調(diào)節(jié)腳螺旋，使得水準儀在任意方向上圓水準氣泡都居中.

(3) 水準儀視準軸對準檢校臺的平行光管，調(diào)節(jié)對焦螺旋，對準平行光管中無窮遠處的十字絲，調(diào)節(jié)微傾螺旋，使水準儀十字絲橫絲和無窮遠處的十字絲橫絲重合.

(4) 在鏡管中觀察符合氣泡，調(diào)節(jié)符合水泡的4顆螺釘(在白色塑料蓋板下)中的上下兩顆，使符合氣泡重合.

2.2自動安平型水準儀的i角校正

以北京光學儀器廠生產(chǎn)的DSZ3-1型自動安平水準儀為例，具體操作步驟如下：

(1) 將水準儀固定在檢校臺上，調(diào)節(jié)檢校臺，使水準儀視準軸和檢校臺的平行光管大致在一個水平面上.

(2) 調(diào)節(jié)腳螺旋，使得水準儀在任意方向上圓水準氣泡都居中.

(3) 水準儀視準軸對準校正臺的平行光管，調(diào)節(jié)對焦螺旋，對準平行光管中無窮遠處的十字絲，調(diào)節(jié)十字絲處上下兩個螺釘，如圖 3(a)，使水準儀十字絲橫絲和無窮遠處的十字絲橫絲重合.

(4) 觀察讀數(shù)窗，如不清晰則調(diào)節(jié)儀器左側(cè)圓形蓋板里的螺釘，如圖 3(b).

(5) 查看讀數(shù)窗中的復核線是否居中，如圖 4所示.如果不居中，打開右側(cè)圓形蓋板，如圖 3(c)，用一字螺絲刀調(diào)松螺釘，然后左右調(diào)節(jié)，使之復核線居中，再固定螺釘.

圖3　DSZ3-1自動安平水準儀

圖4　讀數(shù)窗和復核線

3實驗與分析

廣東工業(yè)大學測量實驗室在實驗實習過程使用了數(shù)臺i角超標的光學水準儀，從中選取了一臺南京鐘光DS3-Z型微傾水準儀和一臺北京光學儀器廠生產(chǎn)的DSZ3-1型自動安平水準儀，并采用上文中的Japanese方法對兩臺儀器進行了i角檢測，檢驗場地勢平坦，氣溫約為25℃.檢驗結(jié)果如表1和表2所示(表中K值為4 687或4 787)，采用公式(1)和(2)可算出兩臺水準儀的i角分別為130.4″、75.0″，均超出了《國家三、四等水準測量規(guī)范》的要求，必須對儀器進行i角校正.

表1　校正前微傾水準儀的i角檢驗表

表2　校正前自動安平水準儀的i角檢驗表

在測量實驗室中按照本文第2部分提及的i角校正步驟采用檢校臺分別對上述i角超標的DS3-Z型和DSZ3-1型水準儀進行了校正，校正過程只需幾分鐘就可以完成，相比野外(室外)操作而言，大大提升了工作效率.校正完成后再次對兩臺儀器的i角進行了檢驗，檢驗記錄如表3和表4所示，采用公式、可算出兩臺水準儀的i角分別為17.2″、10.2″，均符合《國家三、四等水準測量規(guī)范》的要求.

表3　校正后微傾水準儀的i角檢驗表

表4　校正后自動安平水準儀的i角檢驗表

4結(jié)論

實踐證明，采用大地測量儀器檢驗校正臺校正光學水準儀的i角既省時又省力，在實驗室中進行i角檢驗和校正可以提高儀器的利用率.值得注意的是，該檢校臺不僅可以用來校正水準儀，還可以用來校準經(jīng)緯儀和全站儀.采用檢驗臺校正測量儀器，對測量儀器的維護和保養(yǎng)具有一定的意義，建議高校的測量實驗室配置檢校臺.

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Calibrating the i-angle of Optical Level Using a Calibrator Stand with Collimators

Zhou Bo-yang, Li Jin-cheng, Li Jia-zhou, Huang Rui-long

(School of Civil and Transportation Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract:The i-angle is one of the most important specifications of levels. Concrete procedures to calibrate the i-angle of optical levels using a calibrator stand with collimators are presented, taking the DS3-Z level and DSZ3-1 level as examples. The experiments show that the i-angles of DS3-Z level and DSZ3-1 level are respectively reduced from 130.4″ to 17.2″ and 75.0″ to 10.2″ after calibrating, and that the calibrating results accord with National Specifications for the Third and Fourth Order Leveling.

Key words:calibrator stand with collimators; tilting optical level; automatic optical level; i-angle; leveling

收稿日期:2015-09-22

基金項目:國家自然科學基金資助項目(41504013)；武漢大學地球空間環(huán)境與大地測量教育部重點實驗測繪基礎研究基金資助項目(14-01-03)

作者簡介:周波陽(1983-)，男，博士，助理研究員，主要研究方向為航空重力測量數(shù)據(jù)處理.E-mail:wdzbyang@163.com

doi:10.3969/j.issn.1007-7162.2016.02.003

中圖分類號:P202

文獻標志碼:A

文章編號:1007-7162(2016)02-0015-04