任务3.2　角度测量的仪器及使用

3.2.1　经纬仪型号

根据上述测角原理设计制造的用以观测水平角、竖直角的仪器称为经纬仪。经纬仪是工程测量中最常用的一种仪器，根据读数系统的不同，可分为光学经纬仪和电子经纬仪。按测角精度的不同，光学经纬仪可分为DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ15五个等级。其中DJ分别为“大地测量”和“经纬仪”的汉语拼音第一个字母，下标07、1、2、6、15分别为该仪器一测回方向观测中误差（以秒为单位），即测角精度。由于经纬仪的精度不同，所使用的场合也不同，DJ07、DJ1、DJ2经纬仪用于精密角度测量，DJ6、DJ15经纬仪用于普通角度测量。

3.2.2　DJ6型光学经纬仪

水平度盘和竖直度盘都采用光学玻璃制造，利用光学系统读数的经纬仪称为光学经纬仪。每个等级的经纬仪，由于生产厂家的不同，有各种型号，仪器部件和结构也不完全一样，但其主要部件的构造大致相同，各部件名称如图3.3所示。

1.基本构造

光学经纬仪主要由照准部、水平度盘、基座三部分组成。

（1）照准部。主要部件有望远镜、照准部水准管、竖直度盘、读数设备等。

望远镜：由物镜、目镜、十字丝分划板、调焦透镜组成。望远镜的主要作用是照准目标，望远镜与横轴固连在一起，由望远镜制动螺旋和微动螺旋控制其作上下转动。照准部可绕竖轴在水平方向转动，由水平制动扳钮和水平微动螺旋控制其水平转动。

照准部水准管：用于精确整平仪器。

竖直度盘：是为了测竖直角设置的，可随望远镜一起转动。另设竖盘指标自动补偿器装置和开关，借助自动补偿器使读数指标处于正确位置。

读数设备：通过一系列光学棱镜将水平度盘和竖直度盘及测微器的分划都显示在读数显微镜内，通过仪器反光镜将光线反射到仪器内部，以便读取度盘读数。

另外为了能将竖轴中心线安置在过测站点的铅垂线上，在经纬仪上都设有对点装置。一般光学经纬仪都设置有垂球对点装置或光学对点装置，垂球对点装置是在中心螺旋下面装有垂球挂钩，将垂球挂在钩上即可；光学对点装置是通过安装在旋转轴中心的转向棱镜，将地面点成像在对点分划板上，通过对中目镜放大，同时看到地面点对点分划板的影像，若地面点位于对点分划板刻划中心，并且水准管气泡居中，则说明仪器中心与地面点位于同一铅垂线上。

（2）水平度盘。主要有水平度盘和复测扳手或拨盘手轮。

水平度盘：是一个光学玻璃圆环，圆环上按顺时针刻划注记0°～360°分划线，主要用来测量水平角。

复测扳手：又称离合器，在观测水平角时，经常需要将某个起始方向的读数配置为预先指定的数值，称为水平度盘的配置，复测扳手就是水平度盘的配置机构，它可以控制水平度盘与照准部之间的离与合。将复测扳手扳上时，度盘与照准部分离，照准部转动，度盘不动，此时读数就会随照准部转动而变化；将复测扳手扳下时，度盘与照准部结合在一起，随照准部一起转动，读数保持不变。所以在观测时，复测扳手应保持向上。

拨盘手轮：有的仪器没有离合器装置，而单独设有拨盘手轮，转动手轮就可以直接使水平度盘转动。

（3）基座。同水准仪类似，主要由轴座、脚螺旋、圆水准器和连接板组成。

轴座：用于支撑仪器的上部结构，将竖轴轴套插入到轴座内，用轴座固定螺旋固紧，即可将仪器上部固定连接在基座上；使用仪器时，切勿松动轴座固定螺旋，以防仪器与基座脱离而摔坏。

脚螺旋：用来整平仪器，通过调节脚螺旋可使照准部水准管气泡居中，竖轴竖直，水平度盘水平。

圆水准器：用于粗略整平仪器。

连接板：通过连接板可将仪器固定在脚架上。

2.测微装置

光学经纬仪的度盘分划线，由于度盘尺寸限制，最小分划值难以直接刻划到秒，一般只刻到1°或30′，为了实现精密测角，要借助光学测微技术制作成测微装置来测量不足度盘分划值的微小角值，所以测微装置就是用来测定不足度盘格值的读数装置。DJ6型光学经纬仪常用的测微装置有分微尺和单平板玻璃测微器两种。使用不同的测微装置，读数方法也不相同。

（1）分微尺。分微尺为一平板玻璃，上面一般刻有60格分划线，并每隔10格注记，安装在光路上的读数窗之前。经过折射和透镜组放大后的度盘分划线成像在上面，度盘分划线经放大后的间隔弧长恰好等于分微尺的全长，分微尺就可将这一间隔等分为60格。如图3.4所示，读数显微镜中所看到的度盘和分微尺影像，上面注有“H”或“水平”的窗口为水平度盘读数窗，下面注有“V”或“竖直”的窗口为竖直度盘读数窗。通常DJ6经纬仪度盘分划间隔是1°，所以分微尺一格就代表1′，每10格注记表示整10′。读数时，先读出落在分微尺间的度盘线注记的整度数（如图中水平度盘为57°），再以度盘分划线为指标线，读取微小角值的整10′数（分微尺注记数，如图中为30′），再读出分数，并估读到0.1′（如图中可读为7.7′）；最后将三部分相加就可得到完整的读数（如图中为57°37.7′，记为57°37′42″）；同理，图3.4中竖直度盘读数为97°17′30″。

（2）单平板玻璃测微器。主要由平板玻璃、测微尺、测微轮和传动装置等组成。单平板玻璃安装在光路的显微透镜组之后，与传动装置和测微尺连在一起，转动测微轮，可以使平板玻璃与测微尺同轴旋转，平板玻璃将随之倾斜，根据光学原理，此时出射光线与入射光线不共线而偏移一个量，这个量可以在测微尺上读出来。如图3.6所示，为一单平板玻璃测微器经纬仪在读数显微镜中看到的影像，共有三个读数窗，上面小窗口为测微窗，有一根单指标线；中间窗口为竖直度盘，下面窗口为水平度盘，均有双指标线。度盘格值为30′，测微尺分为30大格，每大格分3小格，因此大格为1′，小格为20″。读数前，应先转动测微轮，使某一度盘分划线位于双指标线中间读出度数和整30′数［图3.5（a）中为7°30′］，再读出测微窗中单指标线所指出的测微尺读数［图3.5（a）中为8′47″］，两者相加即为水平度盘读数7°38′47″。竖盘读数方法与此相同，如在图3.5（b）中，竖直度盘读数为97°20′40″。

3.2.3　电子经纬仪

传统的光学经纬仪采用的是玻璃度盘刻划并注记，配以光学测微器读取角值的读数系统；而随着科技发展，采用光电度盘读数系统，利用光电扫描度盘获取照准方向的电信号，通过电路对信号的识别、转换、计数，拟合成相应的角值显示在显示屏上的电子经纬仪已逐渐普及开来。如图3.6所示，电子经纬仪与光学经纬仪具有相似的外形结构，仪器操作上也具有相同之处，相比光学经纬仪，电子经纬仪具有以下的特点：

（1）实现了测量的读数、记录、计算、显示自动一体化，避免了人为影响。

（2）仪器的中央处理器配有专用软件，可自动对仪器几何条件进行检校和各种计算改正。

（3）储存的数据可通过I/O接口输入计算机做相应的数据处理。

（4）与光电测距仪联机可组成组合式全站仪，进行各种测量工作。

电子经纬仪的关键部件是光电度盘，仪器获取电信号与光电度盘形式有关。目前，有编码度盘、光栅式度盘和格区式度盘三种测角形式的光电度盘。

1.编码度盘

如图3.7所示，整个编码度盘被均匀地划分为16个区间，则可知道每个区间的角值相应为360°/16＝22°30′；以同心圆由里向外划分为4个环带（每个环带称为1条码道）。黑色为透光区，白色为不透光区，透光表示二进制代码“1”，不透光表示“0”。这样通过各区间的4个码道的透光和不透光，即可每区由里向外读出一组4位二进制数来。每组数代表度盘的一个位置，从而达到对度盘区间编码的目的。

如图3.8所示，为了识别照准方向落在度盘的区间的编码，我们在度盘上方沿径向每个码道安装一个发光二极管组成光源列，在度盘下方对应位置安装一组光电二极管，组成通过码道编码的光信号转化为电信号输出后的接收检测系列，从而识别了度盘区间的编码。通过对两个方向的编码识别，即可求得测角值。这种测角方式称为绝对测角系统。

编码度盘分划区间的角值大小（分辨率）取决于码道数n，按360°/2n计算，如需分辨率为10′，则需要2048个区间，11个码道，即360°/211＝36°/2048＝10′。显然，这对有限尺寸的度盘是难以解决的，这也就是说，只利用编码度盘进行测角不容易达到高精度。因此在实际中，还要采用码道数和细分法加测微技术来提高分辨率。

2.光栅式度盘

如图3.9所示，在光学玻璃圆盘上全圆均匀而密集地刻划出径向刻线，构成了明暗相间的条纹，也就是光栅，该圆盘即称为光栅度盘。通常光栅的刻线与缝隙的宽度相等，两者之和称为栅距。栅距所对的圆心角即为光栅度盘的分划值。在光栅度盘上下方对应安装照明器（发光管）和光电接收管，光栅的刻线不透光，缝隙透光，即可把光信号转换为电信号。当照明器和接收管随照准部相对于光栅度盘转动时，由计数器计取转动所累计的栅距数，就可得到转动的角度值。测角时当仪器照准零（起始）方向后，使计数器处于“0”状态，当仪器转动照准另一目标时，计数器计取两个方向之间所夹的栅距数，由于两相邻光栅间的夹角已知，计数器所计取的栅距数经过处理就可得到相应的角值。光栅度盘的计数是累计计数的，故通常称这类读数系统为增量式测角系统。

由上述可知，光栅度盘的栅距就相当于光学度盘的分划，栅距越小，则分划值越小，测角精度越高。由于栅距不可能很小，一般在直径为80cm的度盘上刻划50线/mm的刻线，栅距分划值为1′43.8″，仍然不能满足精度要求。为了提高测角精度，必须采用电子方法对栅距进行细分，分成几十甚至几千等份，这种电子法细分就是莫尔（Moire）技术。方法是将一段密度相同的光栅（称为指示光栅）所示与光栅度盘相叠，并使它们的刻线相互倾斜一个微小的角度θ，则会在与光栅几乎垂直的方向上形成莫尔条纹（图3.10）。将指示光栅、发光管（光源）、光电转换器和接收二极管位置固定，而光栅度盘与经纬仪照准部一起转动。发光管发出的光信号通过莫尔条纹落到光电接收管上，度盘每转动一栅距（d），莫尔条纹就移动一个周期（D）。所以，当望远镜从一个方向转动到另一个方向时，通过光电管的光信号周期数，就是两方向间的光栅数。为了提高测角精度和角度分辨率，仪器工作时，还需再将D细分和计数，就可得到测角值。

3.格区式度盘

如图3.13所示，格区式度盘的度盘全圆刻有1024个径向分划（格栅），每个分划包括一条刻线和一个空隙（刻线不透光，空隙透光），其分划值为φ0，测角时度盘以一定的速度旋转，因此又称为动态测角系统。度盘的外缘装有固定指示光栏LS，内缘装有可随照准部旋转的可动指示光栏LR（作用相当于光学度盘的指标线）。测角时，LR随照准部转动，LS与LR之间构成角度φ。度盘在马达的带动下以一定的速度旋转，其分划被光栏扫描而计取两个光栏之间的分划数，从而得到角值。

由图可知，角度φ等于n个整周期φ0与不足1个周期的Δφ之和，即φ＝nφ0＋Δφ，我们通过粗测和精测分别求得n与Δφ。

（1）粗测。在度盘同一径向的外内缘上设有两对标记a和b，当度盘开始旋转时，从标记a通过LS起开始对整间隔φ0的个数进行计取，当另一个标记b通过LR时停止计数，此时计数器就可得到φ0的个数n。

（2）精测。度盘转动时，通过光栏LS和LR分别产生两个信号S和R，Δφ可通过S和R的相位关系求得。

粗测和精测的数据经过微处理器处理后就可得到完整的角值。

电子经纬仪同光学经纬仪一样，可用于水平角、竖直角、视距测量。它配备有RS通信接口，与光电测距仪、电子记录手簿和成套附件相结合，可进行平距、高差、斜距和点位坐标等测量和测量数据自动记录。它广泛应用于地形、地籍、控制测量和多种工程测量。其操作方法与光学经纬仪相同，只是在读数时为显示器直接显示，不需要进行人工读数。

电子经纬仪在实施测角时，应该注意，开机后仪器进行自检，在确认自检合格、电池电压满足仪器供电需求时，方可进行测量；测量工作开始前，有的仪器需平转一周设置水平度盘读数指标，纵转望远镜一周设置竖直度盘读数指标；仪器具有自动倾斜校正装置，当倾斜超过传感器工作范围时，应重新整平再工作；当遇到不稳定的环境或大风天气时，应关闭自动倾斜校正功能；竖直角指标差在检校时不能发生错误操作，否则不能检校或损坏仪器内置程序。此外，光学经纬仪使用和保管的注意事项也均适用于电子经纬仪。