測量儀器快速整平對中原理及方法研究

陳文生

（鄭州鐵路科技發(fā)展有限公司，河南 鄭州 450000）

各種工程對測量的精度要求越來越高，儀器高的量取是測繪外業(yè)中的首要程序，儀器高的精度決定了測量外業(yè)的整體精度。儀器高，是指儀器度盤中心到測站點的鉛垂距離。目前量取儀器高的通用方法是鋼尺量距法，其理論精度約為2～3mm[1]，實際操作中在各種因素的影響下其精度會更低，這在精密工程測量中是一個不能回避的問題，如何設(shè)法提高儀器高的量取精度是一個很重要的基礎(chǔ)問題[2]。整平和對中是測量中的基礎(chǔ)工作，整平是使儀器豎軸為鉛垂線狀態(tài)，使其水平度盤為水平狀態(tài)；對中是使儀器中心與對中點在同一鉛垂線上[3]。在工程測量中，由于不清楚整平和對中的原理，導(dǎo)致在實際操作中盲目而又不得法，浪費了大量的時間精力。通過實踐發(fā)現(xiàn)，先使儀器中心與對中點重合，在儀器大致水平的情況下，通過調(diào)節(jié)三腳架進行整平時儀器中心與對中點并沒有明顯分離，有人稱之為三腳架的指心現(xiàn)象[4-6]。文章對這一現(xiàn)象進行研究，總結(jié)出一套實用的儀器快速整平對中方法，為相關(guān)工作人員提供實際的工作參考。

1 快速整平對中方法

1.1 精對中粗整平

安置儀器后，移動三腳架，并注意觀察以光學(xué)對中器或?qū)χ屑す恻c為代表的儀器中心，通過移動使儀器中心與對中點重合，在這個過程中保證儀器大致水平。

1.2 精整平

根據(jù)水準(zhǔn)氣泡位置，調(diào)節(jié)對應(yīng)的腳架，操作方法為沿腳架中心線在地面上的投影線上前后移動腳架或選擇伸縮腳架。在堅硬地面選擇直接移動腳架較快捷，在松軟地面將腳架踩實后進行伸縮較快捷，也可以二者同時進行，直至水準(zhǔn)氣泡居中。

1.3 精對中精整平

基于三腳架的指心現(xiàn)象，此時儀器中心與對中點并沒有明顯的偏移，但由于操作上的誤差等原因可能導(dǎo)致一定范圍內(nèi)的偏移。此時通過調(diào)節(jié)儀器微動螺旋使其水平，并通過移動儀器使其精確對中即可。

2 三腳架指心現(xiàn)象的證明

2.1 腳架操作

對腳架的操作主要包括兩種：（1）腳架在地面點位置不變，伸縮某一腳架；（2）沿腳架在地面的投影線方向移動某一腳架。

2.2 腳架體分析

腳架體由三個腳架及上平面組成，三腳架實物圖見圖1。可以將腳架簡化為A、B、C三條線段，見圖2（a），固定腳架A、B，只研究腳架C活動時的影響，此時AB為一個整體，將其簡化，見圖2（b）。實踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)活動其中一個腳架時，腳架上平面和另外兩個腳架組成的架構(gòu)是不變的。

圖1 三腳架實物圖

2.3 腳架整平及對中模型研究

腳架整平及對中的實質(zhì)可以認(rèn)為是腳架上平面的幾何中心O處垂線的延長線與對中點P相交，見圖3（a）。在腳架C方向進行整平，其他方向本質(zhì)與此相同，由于腳架操作法的限制條件，腳架移動時，AB-O總是一起活動，又根據(jù)AB-O在腳架活動過程中是不變形的，因此腳架整平可以看作以AB與地面的交點為旋轉(zhuǎn)點進行順時針旋轉(zhuǎn)直至上平面水平為止，此時水準(zhǔn)氣泡居中。假設(shè)在理想情況下腳架上平面達到水平位置，見圖3（b），需要研究在這個過程中儀器中心偏離對中點的程度。

進一步發(fā)現(xiàn)圖3（b）狀態(tài)時的結(jié)構(gòu)組成平面四邊形，見圖4（a），操作過程相當(dāng)于以腳架旋轉(zhuǎn)點為中心的幾何旋轉(zhuǎn)。圖4（a）中α為固定角度，ε為腳架上平面不平行引起的夾角，此時對中垂線與地面的交點設(shè)為P′，見圖4（b），P′偏移對中點P的距離設(shè)為R，腳架旋轉(zhuǎn)點到對中點P的距離設(shè)為L。由圖4（a）得知R=L-L×cosε，在實際情況下，腳架距對中點的距離L≤0.5m。在儀器粗平的情況下，ε一般小于10°，由此進行計算得R≤7mm。而在一般情況下，R遠小于這個數(shù)值，可以認(rèn)為在腳架整平過程中，儀器中心在對中點的投影幾乎沒有偏移，這就證明了三腳架的指心現(xiàn)象。

圖2 腳架體分析圖

圖3 腳架活動示意圖

圖4 整平對中結(jié)構(gòu)分析圖

3 結(jié)束語

在實際的操作中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)移動腳架C時全站儀對中點處的激光會在其周圍小范圍移動，其原因是在實際操作中，不可能精確保證AB-O在同一平面活動，從而導(dǎo)致儀器中心的偏移，所以本方法的要點就在于操作時要注意腳架的正確移動。文章用幾何方法證明了三腳架指心現(xiàn)象，進一步說明了儀器整平對中是可以分開進行的事實，提出的整平對中方法也能快速地應(yīng)用于實際工作中。