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        精密光學(xué)水準(zhǔn)儀i 角室內(nèi)檢校裝置

        2021-04-26 04:12:54陳科宇陳子揚(yáng)付開(kāi)隆
        科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新 2021年10期
        關(guān)鍵詞:檢校光管水準(zhǔn)儀

        陳科宇 陳子揚(yáng) 王 健 付開(kāi)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(yuǎn)鏡鏡十字絲通過(guò)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(shí)視線與水平面并不平行,夾角即為誤差角i,測(cè)距如果超過(guò)一定距離,那么讀數(shù)誤差此時(shí)不可忽略。所以如果能夠測(cè)出這一誤差角i,那便可通過(guò)V 形槽出的螺絲進(jìn)行校準(zhǔn),提高測(cè)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(chǎng)調(diào)試。平行光管法運(yùn)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(shí),目標(biāo)板的像便位于無(wú)窮遠(yuǎn)處,此時(shí)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(lái)測(cè)量起始方向線。平行光管法測(cè)量精度高,數(shù)據(jù)精確。管狀水準(zhǔn)儀和自動(dòng)水準(zhǔn)儀亦可通過(guò)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(chǎng)調(diào)試校正比較,現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試校正是在施工現(xiàn)場(chǎng),為了想檢測(cè)出水準(zhǔn)儀的i 角,通常會(huì)將水準(zhǔn)儀儀器安放在兩支水準(zhǔn)標(biāo)尺中點(diǎn)處, 水準(zhǔn)儀和兩標(biāo)尺之間測(cè)距在30~40m 之間,前后測(cè)距大致相等即可。[2]此時(shí)可以通過(guò)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(diǎn)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(shí)的水準(zhǔn)儀距離近處的水準(zhǔn)標(biāo)尺只有幾米遠(yuǎn), 而距離遠(yuǎn)的水準(zhǔn)標(biāo)尺已經(jīng)是幾十米遠(yuǎn)的距離。同樣,需要用水準(zhǔn)儀讀出此時(shí)兩支水準(zhǔn)標(biāo)尺的讀數(shù),得到此時(shí)的高差值。若兩次的高差值相等,則說(shuō)明水準(zhǔn)儀的i 角為零;高差值不相等,就說(shuō)明存在著i 角的誤差。此時(shí)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(shí)反復(fù)對(duì)比高差值,使i 角減小到允許范圍內(nèi)。此方法雖說(shuō)也能保證精度,但耗費(fèi)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(guò)程簡(jiǎn)單,無(wú)需專(zhuān)業(yè)知識(shí)也可以完成,安裝簡(jiǎn)便靈活,極具市場(chǎng)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(guò)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(gè)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(guò)帶有螺絲旋鈕的環(huán)扣固定到刻度尺的適宜處,此時(shí)便可進(jìn)行水準(zhǔn)儀的讀數(shù)。

        1.3 支架

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

        優(yōu)點(diǎn):通過(guò)相機(jī)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(lán)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(gè),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(zhǎng)度分別為:1m、1m、5m;三通連接口一個(gè);塑料水閥一個(gè)。

        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(lán)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(guò)三通及軟管連接起來(lái),并控制兩只冷凝管支架間距大于7m,其中一個(gè)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(lán)色墨水的清水,通過(guò)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(cè)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(yuǎn)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(cè)量出水準(zhǔn)儀與較遠(yuǎn)冷凝管之間的距離L。計(jì)算得到的i 角通過(guò)調(diào)節(jié)v 形槽處的螺絲來(lái)減小。不斷重復(fù)上述操作測(cè)量i 角,緊接著繼續(xù)調(diào)試,直至十字絲與兩個(gè)液面完全重合。上述裝置可達(dá)到使i 角減小到8 秒的精度要求。[3]

        3 實(shí)驗(yàn)原理及計(jì)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(yùn)用簡(jiǎn)單的連通器原理即可完成實(shí)驗(yàn)。

        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(diǎn),與B 點(diǎn)距離1m 左右,與A 點(diǎn)相距L 遠(yuǎn)處,兩支架分別安裝于A、B 點(diǎn),測(cè)得B 點(diǎn)玻璃管中的液面在刻度尺上的讀數(shù)a2,由于儀器與B 點(diǎn)相距近,忽略?xún)奢S之間不平行產(chǎn)生的誤差。此時(shí)在A 處讀數(shù)a1應(yīng)滿(mǎn)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(qiáng)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(diǎn):

        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(lán)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(jì)、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(jiǎn)單易做,對(duì)技術(shù)性要求就不高;設(shè)計(jì)理念通俗易懂,即采用簡(jiǎn)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(gè)裝置使用簡(jiǎn)單靈活,可單人操作,安裝簡(jiǎn)便,并且移動(dòng)性強(qiáng)。在目前市場(chǎng)條件下,該裝置可以較大范圍的推廣使用。

        5.2 經(jīng)濟(jì)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(jià)格便宜、來(lái)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(gòu)買(mǎi)得到。此外本檢校裝置采用的液體為滴有藍(lán)色墨水的清水,都是日常生活中常見(jiàn)到的物品,而且檢校完畢后也不會(huì)對(duì)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(guò)壓強(qiáng)原理、三角形幾何關(guān)系反算及其它測(cè)量學(xué)基本原理,從而進(jìn)行待測(cè)水準(zhǔn)儀i角校驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)與計(jì)算處理過(guò)程。本裝置在使用上,操作簡(jiǎn)單、使用靈活,可大規(guī)模推廣使用,無(wú)需專(zhuān)業(yè)性知識(shí)很高的人員,單人即可完成整個(gè)i 角檢校過(guò)程,一定程度上節(jié)約了人力、財(cái)力以及物力。此外,本裝置所需設(shè)備原件源于生活中常見(jiàn)且易獲得物品,實(shí)驗(yàn)裝置可循環(huán)使用,裝置所需液體來(lái)源于最常見(jiàn)的水和墨水的組合,實(shí)驗(yàn)完成后容易處理且不會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生任何危害。同樣,能夠很好地滿(mǎn)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(wèn)題,如何能夠更加優(yōu)化此問(wèn)題也是今后需要進(jìn)一步研究的方面。

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