陀螺儀原理及其在礦山測量方面的應用概述

摘要：本文主要介紹了當前礦井定向所應用的方法，陀螺全站儀在定向時的優點，概述了陀螺全站儀的定向原理，及其在礦井定向時的應用發法及其注意事項。

關鍵詞：陀螺儀 全站儀 礦井定向

引言

在礦井建設及運營過程中，為了確定井下采礦巷道與地面建筑物、道路、河流及與相鄰礦井之間的位置關系，需要井下和地面測量控制網采用同一坐標系統，即需要對礦井定向。

礦井定向方法可分為兩類:幾何定向，物理定向。幾何定向有一井定向，兩井定向及通過平硐或斜井的定向；物理定有磁羅盤定向，投向儀定向及陀螺經緯儀儀定向。

陀螺儀定向與其他方法比具有很多優點，相對安全，定向精度高，定向速度快，不影響礦井生產，簡單方便，不耗費大量的人力物力等。本文主要介紹了陀螺經緯儀的基本原理及其在礦山測量方面的發展應用。

1、陀螺儀的基本原理

沒有任何外力作用，并具有三個自由度的陀螺儀稱為自由陀螺儀。陀螺儀具有兩個特性：定軸性、進動性。如果把自由陀螺儀的重心從中心下移，即在自由陀螺儀軸上加以懸重Q，則陀螺儀靈敏部的重心由中心O下移到O1點，此時它具有兩個完全的自由度和一個不完全的自由度。因為它的靈敏部和鐘擺相似，所以稱為鐘擺式陀螺儀。

2、陀螺全站儀的工作原理

一般在礦井用的多的定向儀器有陀螺經緯儀和陀螺全站儀。

當地球繞其自轉軸旋轉時，地球上的所有物體都隨其轉動。鐘擺式陀螺儀在其影響下，其主軸總是向子午面方向進動。但在地球自轉的同時，子午面亦在隨其不斷的變換位置。雖然陀螺儀能在某一時刻與地平面平行且位于子午面內，此種狀態也不能維持。即陀螺儀軸與子午面軸之間具有相對運動的形式。鐘擺式陀螺儀就是這樣在子午面附近作連續不斷的，不衰減的橢圓簡諧擺動。

3、陀螺全站儀定向

3.1 陀螺全站儀作業定向過程

3.1.1測定陀螺儀常數

由于制作儀器時的精度有限，陀螺儀軸與望遠鏡光軸及觀測目鏡分劃板零刻線代表的光軸通常不在同一豎直面中，陀螺儀軸的穩定位置與地理子午線通常并不重合。二者的夾角稱為儀器常數，用Δ表示。通過用儀器測定方位角為Ao的精密導線邊CD可求出一起常數：

Δ=A0-aT(3-1)

為CD邊陀螺方位角，在已知邊上測定儀器常數應進行2～3次，各次互差應滿足限差。

3.1.2.測定井下定向邊的陀螺方位角

井下定向邊的長度應大于50m，儀器安置在C′點上，可測出C'D'邊的陀螺方位角。則定向邊的地理方位角A為：

A=a'T+Δ(3-2)

3.1.3在井上重新測定儀器常數

儀器上井后，應在已知邊上重新測定儀器常數2~3次。前后兩次測定的儀器常數，其中任意兩個儀器常數的互差應滿足限差。然后求出儀器常數的最或是值，并按白塞爾公式來評定一次測定中誤差。

3.1.4 求算子午線收斂角

一般地面精密導線邊或三角網邊已知的是坐標方位角α0，需要求算的井下定向邊，也是要求出其坐標方位角α，而不是地理方位角A。因此還需要求算子午線收斂角γ。地理方位角和坐標方位角的關系為：

A0=a0+γ0(3-3)

子午線收斂角γ0的符號可由安置儀器點的位置來確定，即在中央子午線以東為正，以西為負；其值可根據安置儀器點的高斯平面坐標求得。

3.1.5 求算井下定向邊的坐標方位角

由圖1及以上公式可得：

Δ=A0-aT=a0+γ0-aT(3-4)

井下定向邊的坐標方位角則為：

a=A-γ=a'T+Δ平-γ(3-5)

式中：Δ平——儀器常數的平均值。

3.2 陀螺儀懸帶零位觀測

在陀螺儀觀測工作開始之前和結束后，要作懸帶零位觀測，相應稱為測前零位和測后零位觀測。測定懸掛零位時，先將經緯儀整平并固定照準部，下放陀螺靈敏部從讀數目鏡中觀測靈敏部的擺動在分劃板上連續讀三個逆轉點讀數，估讀到0.1格。同時還需用秒表測定周期，即光標像穿過分劃板零刻劃線擺動一周的時間，其讀數稱為自由擺動周期T3。零位觀測完畢，鎖緊靈敏部。

3.3 精密定向

精密定向是精確測定已知邊和定向邊的陀螺方位角。其方法可分為兩大類：一類是儀器照準部處于跟蹤狀態，即多年來國內外都采用的逆轉點法；另一類是儀器照準部固定不動，如中天法、時差法、擺幅法等。

3.4陀螺經緯儀定向時的注意事項

陀螺經緯儀是以動力原理論為基礎的光、機、電結合的精密儀器。工作時，陀螺靈敏部具有較大的慣性，必須注意合理使用，妥善保管，才能保持儀器的精度和壽命。

在使用時，必須由具有一定操作經驗的人員來使用儀器；在啟動陀螺馬達到額定轉速之前和制動陀螺馬達的過程中，陀螺靈敏部必須處于鎖緊狀態，防止懸掛帶和導流絲受損傷；在陀螺靈敏部處于鎖緊狀態、馬達又在高速旋轉時，嚴禁搬動和水平旋轉儀器；在使用陀螺電源逆變器時，要注意接線的正確；使用外接電源時應注意電壓、極性是否正確等。

結束語

陀螺儀是慣性導航系統與慣性儀表的核心部件，以陀螺儀為核心的相關設備和系統不僅在礦山測量方面應用廣泛，也廣泛應用于航海、航空、航天、陸地和兵器等導航領域。雖然我國在陀螺儀方面的發展狀況與國外先進水平相比仍有較大差距，隨著我國經濟技術的飛速發展，陀螺儀必將在我國獲得更大發展，并在軍民兩領域得到更為廣泛的應用。

參考文獻：

[1]張國良，顧和和等.礦山測量[M].徐州:中國礦業大學出版社，2008.

[2]許江寧等.陀螺原理及應用[M].北京:國防工業出版社，2009.

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