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光学经纬仪的检校技术及教学措施

摘要   本文介绍工民建专业《工程测量学》课程光学经纬仪的检验和校正技术及教学措施。对光学经纬仪检校的必要性、水准管轴垂直于竖轴、十字丝竖丝垂直于横轴、视准轴垂直于横轴、横轴垂直于竖轴、竖盘指标差、光学对中器的检验和校正技术以及教学措施做了论述，并结合本课 程内容的教学要求，提出了一些值得思考的问题。 
关键词  光学经纬仪   检校技术   教学措施 
    一、光学经纬仪检校的必要性 
    光学经纬仪是测角仪器，在使用它之前必须对它进行检验，看看它是否满足测角仪器的基本要求，若不满足，则必须进行校正，使之满足这些基本要求。使用未检验校正的光学经纬仪，是无法取得合格成果的。从测角原理可知，测角时，光学经纬仪水平度盘必须居于水平位置，而水平度盘是否水平，是借助水准管气泡居中来实现的，水准管气泡居中了才能保证水准管轴水平，故要求水准管轴垂直于仪器竖轴（水平度盘垂直于竖轴是由仪器生产厂家保证的）；第二个要求是视准轴要扫出一个竖直面，为了达到此目的，必须使光学经纬仪望远镜的视准轴垂直于横轴，横轴垂直于竖轴，视准轴就能扫出竖直面，进行点的投影和读数。

光学经纬仪是一种设计巧妙的精密仪器，可以在自身的翻转过程中进行基本几何条件的检验。检验是发现光学经纬仪几何条件是否满足要求的过程，校正却是解决光学经纬仪几何条件必须满足要求的过程。检验校正通常应在测量工作之前进行。 
    二、水准管轴垂直于竖轴的检校 
    水准管轴是指过水准管零点的切线，竖轴是仪器的旋转轴，即水平度盘轴系的几何中心。若水准管轴垂直于仪器竖轴，当气泡居中（此时意味着水准管轴水平）时，竖轴就竖直了，经过互成90°的两个方向整置气泡居中，竖轴就在空间上居于竖直位置，与竖轴垂直的水平度盘也就水平了。 
    若水准管轴不垂直于仪器竖轴，当气泡居中（此时水准管轴仍然处于水平面上）时，竖轴却倾斜了，其倾斜角即是水准管轴和水平度盘面的夹角（设为α）。当我们将光学经纬仪照准部绕竖轴旋转180°时，竖轴的空间位置没有改变，仍倾斜α，但水准管的高低两端却易位了，水准管轴倾斜了2α（即此时的水准管轴与水平面的夹角为2α），其中一个α是竖轴倾斜引起，另一个α是水准管轴和水平度盘面的夹角，所以当气泡居中后再将照准部绕竖轴旋转180°时，气泡的法线方向偏离竖直面的夹角为2α。此时可用脚螺旋整置仪器，使气泡退回偏离值的一半（α），这时竖轴就竖直了，再用校正针调整水准管支架，使气泡再退回偏离值的另一半（α），此时水准管气泡居中了，竖轴也竖直了，从而达到水准管轴垂直于竖轴。进行此方法检校时，水准管要和两脚螺旋的连线平行，且仪器经过粗略整平，旋转180°后的位置可目估进行，也就是仍然要和该两脚螺旋的连线平行，边讲解边绘图形，使学生了解每一步操作时的轴线位置，然后可以在仪器上表演一次，使同学有感性认识，并指出此检校需要反复进行几次，逐步趋近于正确关系。 
    接着可以提问学生：若仪器上有互相垂直的两个水准管该如何进行检校？若仪器上有一圆水准器和一水准管又该如何检校？检验和整平有什么区别？启发学生参与来进行讲授。在此基础上可以出这样的题目让学生回答:某光学经纬仪的照准部水准管气泡居中后,将照准部绕竖轴旋转180°,发现该气泡右偏2格,请绘出轴线间的关系。若学生对这样的题目能回答且绘出图形，那么此步检校的方法就完全清楚了。 
    在做此步校正时，有时候会遇到这样的情况：气泡偏离值的一半用脚螺旋调节，另一半用水准管的支架调节的操作会失灵，很难校正到位。这是因为α角过大，转180°后，气泡受限于水准管壁，无法自由偏移，看起来的偏移格数远小于实际应偏移的格数，故此时不应该按表面偏移的格数来计数，而应估计调整，待调到α角较小，气泡能够自由偏移时再按各一半的原则操作。 
    三、十字丝竖丝垂直于横轴的检校 
    由于十字丝分划板平面的转动，使得十字丝竖丝不一定垂直于横轴，其检验方法是：先整平仪器，用十字丝竖丝最上端瞄准一个固定点，锁定照准部和望远镜的制动螺旋；然后转动望远镜的微动螺旋，使望远镜绕横轴向上转动。如果固定点始终在十字丝竖丝上移动，则条件满足，否则需要校正。 
    其校正方法是：卸下目镜保护盖，用螺丝刀松开十字丝分划板套筒的四个压环螺丝，慢慢转动十字丝套筒，使十字丝竖丝处于铅垂位置，然后旋紧压环螺丝。 
此步检校比起其它几步检校来看，重要性要差一些，故讲课时可以简单讲一下，不占过多时间。 
    四、视准轴垂直于横轴的检校 
    望远镜视准轴是十字丝中心与物镜光心的连线，横轴是望远镜的旋转轴，也叫水平轴。当视准轴垂直于横轴时，视准轴绕横轴旋转得到一个平面；当视准轴不垂直于横轴时，视准轴绕横轴旋转得到一个锥面。辅以简单教具示范一下，让学生对这一结论印象深刻。 
    接着问学生：当视准轴不垂直于横轴而有误差角C时，照准水平方向，其水平方向读数误差有多大？此问题学生很容易回答（就是C）。又问：当照准天顶时，其水平方向读数误差又有多大？此问题学生就不容易回答，得思考一会儿了。用简单教具表演一下：光学经纬仪不可能照准到天顶，当经纬仪旋转时，视准轴绕天顶划小圈，故水平方向读数误差为∞；当目标竖直角由0°变化到90°时，其水平方向读数误差由C变化到∞。 
    当学生把物理概念搞清楚之后，就可以讲视准轴垂直于横轴的检验了。正镜照准前方大约几十米的一水平位置目标P，且使水平度盘读数为0°00′00″，然后倒镜，使水平度盘读数严格为180°00′00″，若刚好照准目标P，则说明视准轴垂直于横轴；若照准P旁的P′点，则视准轴不垂直于横轴，P和P′的夹角为2C。教师可以在黑板上画图说明之。接着又讲：正镜照准P点，仍使水平度盘读数为0°00′00″，然后倒镜再照准P点，若读数为180°00′00″，则说明视准轴垂直于横轴；否则，有误差角C存在，C角值为现读数与180°00′00″差值的一半。再接下来讲：正镜照准P，照准部不动，倒镜在几十米远的水平尺上读数（设为b），再转动照准部，倒镜照准P，又保持照准部不动，正镜在该尺上读数（设为b′），令Δb=b′-b。若Δb=0，说明视准轴垂直于横轴；若Δb≠0，说明视准轴不垂直于横轴，Δb是由几个C角引起的呢？学生需要思考了，思路敏捷的学生就会看出，由4个C引起的。这样就把三种检验方法有联系的讲了，教师可以加几句说明三种方法各自具有的优缺点。 
    视准轴不垂直于横轴的校正方法因此对应有三：一是校正到PP′的中点；二是退回C读数，校正至P点；三是求Δb/4，校正至b和b′间距离（Δb）的1/4处。在黑板上绘十字丝环图，讲校正方法，并告诉学生用校正针调节十字丝校正螺丝时，要先送一颗，再紧另一颗，这颗松多少，另一颗就紧多少，始终保持十字丝环的位置固定而不晃动。调整时要小心谨慎，不宜用力过猛，防止扭断校正螺丝。此步检校要反复进行。 
    五、横轴垂直于竖轴的检校 
    由于望远镜支架两端可能不等高，引起横轴不垂直于竖轴，而产生横轴误差（设为i）。结合简单教具说明：当竖轴竖直时，若横轴垂直于竖轴，则视准轴扫出一竖直面；若横轴不垂直于竖轴，则视准轴扫出一倾斜面，它和铅垂线的夹角也为i。因此，用带有横轴误差的经纬仪去瞄准同一铅垂面内不同高度的目标，水平度盘读数将会不同，从而影响测量水平角的精度，必须加以校正。 
    横轴垂直于竖轴的检验方法是：正镜照准几十米外一高点P，向下转动望远镜到水平位置，标出十字丝交点所得位置P′；倒镜再照准P，向下转动望远镜到水平位置，同法标出P″。若P′和P″重合，说明横轴垂直于竖轴；若P′和P″不重合，说明横轴不垂直于竖轴。P′和P″之间的距离由2i角引起。 
    横轴垂直于竖轴的校正方法是：转动照准部微动螺旋，照准P′和P″的中间点，锁定照准部，将望远镜向上转至目标P，此时照准不到P了，校正望远镜支架两端的高低，使十字丝交点照准P点。 
    光学经纬仪的横轴是密封的，一般出厂时此条件已有保证，不要轻易校正。如确需检修，要送回工厂或专门的维修部处理，测量人员只进行检验即可。 
    六、竖盘指标差的检校 
    由于竖盘指标水准管两端支架变动，当视线水平、竖盘指标水准管气泡居中时，竖盘读数不是90°的整倍数（盘左应为90°，盘右应为270°），其差值称为竖盘指标差（设为x）。竖盘指标差对半测回竖直角有影响，因此必须加以校正。 
    竖盘指标差的检验方法是：整平仪器，盘左瞄准一高处目标P，指标水准管气泡居中后读出竖盘读数L′，计算出盘左所测竖直角α左=90-L′；再盘右瞄准P点，指标水准管气泡居中后读出竖盘读数R′，计算出盘右所测竖直角α右=R′-270°。若α左=α右，说明没有竖盘指标差；若其不等的差值在容许范围之内，不需要校正竖盘指标差；若其不等的差值超过容许范围，则需要校正竖盘指标差。 
    竖盘指标差的校正方法是：先计算出竖盘指标差x =（L′+R′-360°）/2，再计算出盘右瞄准目标P时竖盘的正确读数R=R′-x 。然后转动竖盘指标水准管微动螺旋，使竖盘读数为正确读数R，此时竖盘指标水准管气泡不居中，拨动竖盘指标水准管校正螺丝，使气泡居中即可。 
    由于建筑工程测量不需要测量竖直角，所以此步的检校就没有那么重要，故讲课时可以简单讲一下，不占过多时间。 
    七、光学对中器的检校 
    光学对中器刻划圈中心与对中器物镜光心的连线叫光学对中器的视准轴，光学对中器的视准轴经棱镜折射后应与仪器竖轴重合。当棱镜位置有变动，则光学对中器的视准轴与仪器竖轴不重合，从而产生对中误差。 
    光学对中器的检验方法是：在平坦地面上安置经纬仪，并尽量架高一些，在脚架中心地面铺放一张白纸；精确整平仪器后，从对中器里将刻划圈中心标于白纸上，记为A点；转动照准部180°，从对中器里将刻划圈中心标于白纸上，记为B点。若A点和B点重合，则光学对中器的视准轴与仪器竖轴重合，否则需要校正。 
    光学对中器的校正方法是：取A点和B点的中间位置，校正直角棱镜或校正分划板，使刻划圈中心对准A点和B点的中间位置为止。此项校正，须视各仪器具体情况而定，讲课时可以简单讲一下，不占过多时间。 
    八、提出一些深入思考的问题 
    在上述讲授的基础上，可以提出一些深入思考的问题，让学生课后钻研： 
    1、 检校顺序是否可以任意改变以及改变后的影响如何？ 
    2、 水准管轴不垂直于仪器竖轴时，能否使水平度盘水平？若能的话，应该怎样操作？ 
    3、 检校视准轴是否垂直于横轴时，为什么要照准远处和仪器大致同高的点？ 
    4、 检校横轴是否垂直于竖轴时，为什么要照准高点？ 
    5、 使用横轴不垂直于竖轴的仪器，只用一个盘位去作铅垂线的投测时，会产生什么后果？若两个盘位都用呢？ 
    6、 正倒镜观测水平角取平均值，可以抵消哪些误差的影响？ 
    7、 光学经纬仪的七项检校中，哪些检校最重要？ 
    九、根据学生班级水平增减某些内容 
    本文介绍了光学经纬仪检校课的大致讲授方法，在讲解内容的取舍上还要根据学生班级水平来考虑，例如大专班和中专班应有区别，工民建专业班和装饰班也应有不同。 
    上该堂课总的原则应该是物理概念清楚，轴线间的几何关系明晰，采用启发式教学法，充分激发学生的互动意识。 
    最后可以简单谈一下电子经纬仪的普及及其优越性，说明电子经纬仪和光学经纬仪之间的承前启后的关系。 
    结束语：长期以来，我对光学经纬仪检校课的授课时数为2个学时，本文所述顺序即为讲课顺序，所介绍的内容为具体的教学内容，但要有主次之分。根据以上安排进行教学，可以使学生反映物理与几何概念清楚，实习起来心中有数，教学质量也显著提高。 
参考文献 
1．李生平.建筑工程测量.武汉理工大学出版社,2003.1 
2．武汉大学测绘学院《测量学》编写组.测量学.测绘出版社,2000