4-第四章-工程测量的仪器与方法.pptx

主要内容主要内容工程测量中，进行长度和偏距、角度和方向、工程测量中，进行长度和偏距、角度和方向、高程和倾斜、准直、坐标等测量的仪器及其测高程和倾斜、准直、坐标等测量的仪器及其测量方法量方法重点重点专用仪器专用仪器特殊方法特殊方法4.1 角度测量角度测量角度是几何测量的基本元素，包括角度是几何测量的基本元素，包括水平角水平角和和垂直角垂直角。角度测量的仪器主要是经纬仪，分为光学经角度测量的仪器主要是经纬仪，分为光学经纬仪和电子经纬仪两大类。纬仪和电子经纬仪两大类。4.1 角度测量角度测量一、光学经纬仪的基本结构一、光学经纬仪的基本结构主要包括主要包括:n照准部（望远镜）照准部（望远镜）n读数装置（含水平度盘、读数装置（含水平度盘、垂直度盘）垂直度盘）n安平设备及基座和对点器安平设备及基座和对点器我国光学经纬仪系列分为我国光学经纬仪系列分为J07J07、J1J1、J2J2、J6J6等型等型号，号，J J为经纬仪汉语拼音的第一个字母，下标表为经纬仪汉语拼音的第一个字母，下标表示仪器的精度指标。示仪器的精度指标。经纬仪是测角的仪器，按读数系统区分类：游标经纬仪、光学经纬仪、电子经纬仪;游标经纬仪游标经纬仪光学经纬仪光学经纬仪电子经纬仪电子经纬仪全站仪全站仪4.1角度测量角度测量二、水平角观测二、水平角观测 u对仪器进行对仪器进行“对中对中”和和“整平整平”u盘左，粗略瞄准一个目标盘左，粗略瞄准一个目标 u仔细对光，消除视差仔细对光，消除视差u精确瞄准目标，取水平度盘读数精确瞄准目标，取水平度盘读数u不动调焦镜，盘右，精确瞄准目标，取水平不动调焦镜，盘右，精确瞄准目标，取水平度盘读数度盘读数u对于下一个目标，重复上述操作对于下一个目标，重复上述操作水平角观测原理水平角观测原理 定义：空间两相交直线在水平投影面上的夹角，也就是过这两方向线所作两竖直面之间的二面角。范围：顺时针003600 水水平平面面abcABCbca水平度盘水平度盘4.1角度测量角度测量三、垂直角观测三、垂直角观测盘盘左左，按按上上、中中、下下三三根根水水平平丝丝的的顺顺序序依依次次照照准准同同一一目标各一次，并分别读竖盘读数；目标各一次，并分别读竖盘读数；盘右，同上一样的观测；盘右，同上一样的观测；分分别别计计算算三三根根水水平平丝丝所所测测得得的的指指标标差差和和垂垂直直角角，并并取取垂直角的平均值作为一个目标的一测回之值。垂直角的平均值作为一个目标的一测回之值。若仅使用中间的水平丝进行观测，则称为若仅使用中间的水平丝进行观测，则称为“中丝法中丝法”。三丝法垂直角观测的具体操作程序：三丝法垂直角观测的具体操作程序：竖直角观测原理竖直角观测原理天顶天顶铅铅垂垂线线水平线水平线ACB090 180270定义：定义：定义：定义：同一竖直面内，某方向线与水平线的夹角。同一竖直面内，某方向线与水平线的夹角。同一竖直面内，某方向线与水平线的夹角。同一竖直面内，某方向线与水平线的夹角。范围：范围：范围：范围：=0=0=0=0 90909090，仰角为正，俯角为负。，仰角为正，俯角为负。，仰角为正，俯角为负。，仰角为正，俯角为负。4.1角度测量角度测量四、电子经纬仪电子经纬仪在光学经纬仪的照准部中，将读数系统用电子在光学经纬仪的照准部中，将读数系统用电子度盘替代光学模拟度盘，实现度盘读数的自动度盘替代光学模拟度盘，实现度盘读数的自动化，则成为电子经纬仪化，则成为电子经纬仪。用于电子经纬仪的角度传感器主要有两种：编码度用于电子经纬仪的角度传感器主要有两种：编码度盘和动态测角系统。盘和动态测角系统。在在光光学学经经纬纬仪仪的的照照准准部部中中，将将读读数数系系统统用用电电子子度度盘盘替替代代光光学学模模拟拟度度盘盘，实实现现度度盘盘读读数数的的自自动动化，则成为化，则成为电子经纬仪电子经纬仪。用用于于电电子子经经纬纬仪仪的的角角度度传传感感器器主主要要有有两两种种：编编码度盘和动态测角系统码度盘和动态测角系统。4.1角度测量角度测量五、目标照准自动化（基本原理）五、目标照准自动化（基本原理）五、目标照准自动化（基本原理）五、目标照准自动化（基本原理）带带ATR望远镜结构示意图望远镜结构示意图4.1角度测量角度测量五、目标照准自动化五、目标照准自动化五、目标照准自动化五、目标照准自动化在角度测量时，在角度测量时，ATR自动识别并照准目标主自动识别并照准目标主要有三个过程：要有三个过程：目标搜索过程目标搜索过程 目标照准过目标照准过程程 测量过程。测量过程。4.14.1角度测量角度测量六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪经经纬纬仪仪与与陀陀螺螺仪仪配配合合使使用用，成成为为陀陀螺螺经经纬纬仪仪。目目前前，自自动动化化陀陀螺螺经经纬纬仪仪的的主主要要产产品品有有德德国国威威斯斯特特发发伦伦采采矿矿联联合合公公司司的的Gyromat2000和和日日本本索索佳佳公公司司（SOKKIA）的的AGP1等等。GYROMAT2000GYROMAT2000AGP1AGP14.1角度测量角度测量六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪 陀螺经纬仪的基本结构陀螺经纬仪的基本结构注：注：陀螺马达陀螺马达 灵敏部灵敏部 悬挂带悬挂带 自动定向原理自动定向原理陀螺仪悬挂结构示意图陀螺仪悬挂结构示意图4.1角度测量角度测量六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪 测量步骤测量步骤将仪器安置到三脚架上并精确对中、整平将仪器安置到三脚架上并精确对中、整平连接陀螺仪与经纬仪之间的数据通信电缆连接陀螺仪与经纬仪之间的数据通信电缆经纬仪开机，陀螺仪开机经纬仪开机，陀螺仪开机启动测量程序进行定向测量启动测量程序进行定向测量经经纬纬仪仪照照准准测测线线目目标标，盘盘左左、盘盘右右观观测测两两测测回回，将将结果输入到陀螺仪中，即可计算并显示测线方位角结果输入到陀螺仪中，即可计算并显示测线方位角4.1角度测量角度测量六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪六、全自动陀螺经纬仪国产国产TDA5005+Y/JTG-1陀螺经纬仪陀螺经纬仪国产国产TDA5005+Y/JTG-1TDA5005+Y/JTG-1陀螺经纬仪陀螺经纬仪 测角装置采用测角装置采用TDA5005全站仪，还实现了目标全站仪，还实现了目标的自动跟踪功能的自动跟踪功能4.2距离测量距离测量距离是几何测量的基本元素，距离测量的方法距离是几何测量的基本元素，距离测量的方法主要有三种：主要有三种：直接丈量直接丈量 间接视距测量间接视距测量 物理测距物理测距4.2距离测量距离测量一、钢尺量距一、钢尺量距钢尺量距一般包括以下几方面工作：钢尺量距一般包括以下几方面工作：定线定线 量距量距 测量定向桩之间的高差测量定向桩之间的高差 成果整理成果整理 4.2距离测量距离测量二、电磁波测距二、电磁波测距电磁波测距是通过测定电磁波在待测距离上往电磁波测距是通过测定电磁波在待测距离上往返传播的时间，利用下列基本公式来计算待测返传播的时间，利用下列基本公式来计算待测距离的。距离的。4.2距离测量距离测量二、电磁波测距二、电磁波测距 相位式测距原理：相位式测距原理：相位式测距是通过测量调制波在测线上往返传播相位式测距是通过测量调制波在测线上往返传播所产生的相位移间接地测定电磁波在测线上往返所产生的相位移间接地测定电磁波在测线上往返传播时间的。传播时间的。相位式测距原理相位式测距原理返程往程N2=N2+4.2距离测量距离测量二、电磁波测距二、电磁波测距电磁波测距仪分类电磁波测距仪分类按按载载波波分分：光光波波测测距距仪仪、微微波波测测距距仪仪和和多多载载波波测测距距仪仪按按测测程程分分：短短程程测测距距仪仪、中中程程测测距距仪仪、远远程程测测距距仪仪和超远程测距仪和超远程测距仪按按精精度度分分：超超高高精精度度测测距距仪仪、高高精精度度测测距距仪仪、一一般般精度测距仪精度测距仪按按测测距距方方式式分分：脉脉冲冲式式测测距距仪仪、相相位位式式测测距距仪仪和和混混合式测距仪合式测距仪4.2距离测量距离测量二、电磁波测距二、电磁波测距 电磁波测距仪的使用电磁波测距仪的使用测测距距仪仪一一般般由由照照准准头头、控控制制器器、电电源源和和反反射射器器四四部分组成，一般与经纬仪连接使用。部分组成，一般与经纬仪连接使用。仪器加常数和乘常数改正仪器加常数和乘常数改正 气象改正气象改正 倾斜改正倾斜改正4.2距离测量距离测量三、双频激光干涉测距三、双频激光干涉测距光电检测光电检测接口 计 算 机 M1M2PBSf1f2f1f2ff2f1f1f2ff2-f1ff2-f1P2P1f1f2LM24.2距离测量距离测量三、双频激光干涉测距三、双频激光干涉测距 用双频激光干涉仪检定测距仪激光干涉仪测距仪干涉仪计算机用户计算机导轨干涉仪、测距仪反射镜4.2距离测量距离测量四、偏距测量四、偏距测量 尼龙丝准直系统尼龙丝准直系统系统由三部分组成：尼龙丝，带有探测器系统由三部分组成：尼龙丝，带有探测器的尺子及控制装置的尺子及控制装置 激光准直系统激光准直系统该系统由一带有专门光学系统的激光源及一台差该系统由一带有专门光学系统的激光源及一台差示光电管接收机组成示光电管接收机组成4.3高程测量高程测量一、几何水准测量一、几何水准测量 电子水准仪基本结构电子水准仪基本结构基基本本构构造造由由光光学学机机械械部部分分、自自动动安安平平补补偿偿装装置置和和电电子子设设备备组组成成。电电子子设设备备主主要要包包括括：调调焦焦编编码码器器、光光电电传传感感器器（即即线线阵阵CCD器器件件）、读读数数电电子子元元件件、单单片片微微处处理理机机、接接口口（外外部部电电源源和和外外部部存存储储记记录录）、显显示示器器件件、键键盘盘以以及及影影像像数数据据处处理理软软件件等等，标标尺尺采采用条形码标尺供电子测量使用。用条形码标尺供电子测量使用。4.3高程测量高程测量一、几何水准测量一、几何水准测量徕卡徕卡DNA03/10徕卡徕卡DNA03/蔡司蔡司DINI1010徕卡徕卡D拓普康拓普康DL101/102NA03/10徕卡徕卡DNA索佳索佳SDL203/104.3高程测量高程测量一、几何水准测量一、几何水准测量 电子水准仪的测量原理电子水准仪的测量原理 由由于于生生产产电电子子水水准准仪仪的的各各厂厂家家采采用用不不同同的的专专利利，测测量量标标尺尺也也各各不不相相同同，因因此此读读数数原原理理各各异异，下下面面主主要要介介绍绍徕徕卡卡和和蔡蔡司司两两家家公公司司生生产产的的电电子子水水准准仪仪的测量原理。的测量原理。4.3高程测量高程测量一、几何水准测量（徕卡电子水准仪原理）一、几何水准测量（徕卡电子水准仪原理）物镜调焦发送器补偿器补偿器监视CCD探测器分划板分光镜目镜调焦透镜210最佳相关时的位置0.116m 参考信号（存入NA2000中的标尺像）测量信号（标尺可见部分）基码4.3高程测量高程测量一、几何水准测量（蔡司电子水准仪原理一、几何水准测量（蔡司电子水准仪原理）11000111粗码近距离码双相位码精测g(I+0.5)A(bi+1+bi)/2bi+1bi1Bi+1BiBNB0GNG0GiGi+1物镜标尺底面光轴（中丝）标尺CCD阵列Gi间距中点4.3高程测量高程测量一、几何水准测量一、几何水准测量 电子水准仪的性能及特点电子水准仪的性能及特点 它与传统光学水准仪相比有以下：它与传统光学水准仪相比有以下：优点：优点：读数客观读数客观 精度高精度高 速度快速度快 效率高效率高 操作简单操作简单缺点：缺点：电子水准仪对标尺进行读数电子水准仪对标尺进行读数不如光学水准仪灵活不如光学水准仪灵活 电子水准仪受外界条件影响电子水准仪受外界条件影响较大较大4.3高程测量高程测量一、几何水准测量一、几何水准测量 电子水准仪的应用电子水准仪的应用 由由于于电电子子水水准准仪仪优优点点显显著著，目目前前已已经经广广泛泛应应用用于大地测量、工程测量、工业测量等领域。于大地测量、工程测量、工业测量等领域。4.3高程测量高程测量二、液体静力水准测量二、液体静力水准测量h2h121P01P02A连通器内液体的平衡连通器内液体的平衡abhAB液体静力水准测量原理液体静力水准测量原理气管水管C1C24.3高程测量高程测量三、三角高程测量三、三角高程测量 HAHBiAjBABAB水平面DAB4.3高程测量高程测量四、倾斜测量四、倾斜测量 虽虽然然地地面面或或建建筑筑物物的的倾倾斜斜可可用用常常规规的的测测量量方方法法测测定定两两点点间间高高差差的的变变化化，从从而而求求出出倾倾斜斜值值，但但在在一一些些工工作作面面倾倾斜斜测测量量和和连连续续自自动动化化倾倾斜斜监监测测中中，一一般般采采用用专专用用的的倾倾斜斜测测量量仪仪。目目前前倾倾斜斜仪仪的的种种类类很很多多，大大体体可可以以分分为为“短短基基线线”倾倾斜斜仪仪和和“长长基基线线”倾倾斜斜仪仪两两种种。前前者者一一般般用用垂垂直直摆摆锤锤或或水水准准气气泡泡作作为为参参考考线线；后后者者一一般般根根据据静力水准测量静力水准测量的原理做成。的原理做成。4.4准直测量准直测量一、光的相干性原理一、光的相干性原理AKpOqSr光的相干性光的相干性因因为为光光具具有有波波动动性性，所所以以如如机机械械波波那那样样，当当两两列列光光波波频频率率相相同同、方方向向相相同同、相相位位相相同同或或相相位位差差恒恒定定时时，这两列光波将产生干涉现象。这两列光波将产生干涉现象。4.4准直测量准直测量二、二、波带板激光准直测量的设备波带板激光准直测量的设备波带板激光准直设备主要有以下部件组成：波带板激光准直设备主要有以下部件组成：He-NeHe-Ne激光器，用于发射激光激光器，用于发射激光 波带板波带板 激光探测器激光探测器(a)圆形波带板圆形波带板(b)方形波带板方形波带板4.4准直测量准直测量三、波带板激光准直测量方法三、波带板激光准直测量方法波带板激光准直测量步骤如下：波带板激光准直测量步骤如下：在一基准点在一基准点A安置激光器安置激光器 在另一基准点在另一基准点B安置探测器安置探测器 在待测点在待测点i安置一特定安置一特定“焦距焦距”的波带板的波带板A(S)B(K)iii激光波带板准直测量激光波带板准直测量4.4准直测量准直测量四、激光准直测量的精度与应用四、激光准直测量的精度与应用实实验验表表明明用用这这种种装装置置准准直直，测测定定偏偏离离值值的的精精度度可可达达测测线线长长度度的的10-6；由由于于激激光光准准直直受受大大气气的的影影响响，如如果果将将高高精精度度激激光光准准直直系系统统安安装装在在真真空空管管道道内内，则准直精度还可达则准直精度还可达10-710-8。由由于于波波带带板板激激光光准准直直测测量量的的高高精精度度，目目前前已已被被广广泛泛应应用用于于线线状状工工程程建建筑筑物物的的变变形形观观测测，如如大大坝坝变变形形观观测测，精精密密导导轨轨标标定定和和高高能能粒粒子子加加速速器器直直线线段段的的安安装装与与变变形形检检测测中中，也也用用于于高高能能粒粒子子加加速速器器环环形网三角形高的测量中。形网三角形高的测量中。4.5坐标测量坐标测量一、全站仪测量一、全站仪测量 速测术与速测仪速测术与速测仪 全站型电子速测仪全站型电子速测仪 全站仪的系统结构全站仪的系统结构 全站仪的分类全站仪的分类 全站仪的发展趋势全站仪的发展趋势4.5坐标测量坐标测量二、全球定位系统（二、全球定位系统（GPS）伪距法定位原理伪距法定位原理 载波相位测量原理载波相位测量原理 GPSGPS作业方式作业方式 GPSGPS数据处理数据处理 GPSGPS定位的误差来源定位的误差来源4.5坐标测量坐标测量三、三、激光跟踪仪激光跟踪仪目目前前，国国际际上上主主要要有有三三家家仪仪器器公公司司生生产产激激光光跟跟踪踪仪仪，分分别别是是瑞瑞士士徕徕卡卡公公司司，美美国国SMXSMX公公司司（现现已已并并如如FAROFARO）、）、APIAPI公司。公司。徕卡徕卡LTD500SMXTracker4500API TrackerII4.5坐标测量坐标测量三、三、激光跟踪仪激光跟踪仪 激光跟踪仪的基本组成激光跟踪仪的基本组成 角度测量部分角度测量部分 距离测量部分距离测量部分 跟踪部分跟踪部分 控制部分控制部分 支撑部分支撑部分4.5坐标测量坐标测量三、三、激光跟踪仪激光跟踪仪 激光跟踪仪的测量原理和坐标系激光跟踪仪的测量原理和坐标系激光干涉测距原理激光干涉测距原理He-Ne激光器干涉条纹检测、记数固定反射镜移动棱镜分光镜光束1光束24.5坐标测量坐标测量三、三、激光跟踪仪激光跟踪仪 激光跟踪仪的测量原理和坐标系激光跟踪仪的测量原理和坐标系激光跟踪仪坐标测量原理图激光跟踪仪坐标测量原理图VXHzzYPDZy x z 4.5坐标测量坐标测量三、三、激光跟踪仪激光跟踪仪 激光跟踪仪应用激光跟踪仪应用车身在线检测设备车身在线检测设备CCDCCD传感器的校准传感器的校准4.5坐标测量坐标测量四、四、激光扫描仪激光扫描仪不同厂家激光扫描仪外型不同厂家激光扫描仪外型LR200激光雷达激光雷达4.6水深测量水深测量一、回声测深仪一、回声测深仪回声测深原理回声测深原理显示设备激发器电源接收放大器发射换能器接收换能器 为超声波在水中的传播速度，约为为超声波在水中的传播速度，约为1500m/s为水面至水底反射往返的时间间隔为水面至水底反射往返的时间间隔 4.6水深测量水深测量二、多波束测深仪二、多波束测深仪与传统的单波束测深仪比较，多波束测深仪具有测与传统的单波束测深仪比较，多波束测深仪具有测量范围大、速度快、精度高、记录数字化以及成图量范围大、速度快、精度高、记录数字化以及成图自动化等优点，它把测深技术从点、线扩展到面，自动化等优点，它把测深技术从点、线扩展到面，并进一步发展到立体测深和自动成图，从而使水下并进一步发展到立体测深和自动成图，从而使水下地形测量技术发展到了一个较高的水平。地形测量技术发展到了一个较高的水平。4.6水深测量水深测量三、水位观测三、水位观测水水深深测测量量需需与与陆陆地地上上平平面面位位置置与与高高程程联联系系起起来来才才具具有有水水下下地地形形测测绘绘等等实实用用价价值值。测测深深的的平平面面定定位位可可籍籍助助陆陆地地测测量量技技术术，如如传传统统的的方方向向交交会会、距距离离交交会会、极极坐坐标标法法等等，目目前前主主要要采采用用GPS动动态定位方法和无线电定位等。态定位方法和无线电定位等。4.6水深测量水深测量四、深度基准面的概念四、深度基准面的概念在在工工程程测测量量中中，水水下下地地形形点点竖竖向向位位置置的的描描述述可可使使用用与与陆陆地地同同样样的的高高程程系系统统，由由此此得得到到水水下下地地形形图图。但但有有时时需需用用水水深深描描述述水水下下地地形形点点的的竖竖向向位位置置，则则得得到到用用等等深深线线表表示示的的水水深深图图或或海海图图。水水深深计计算算的的起算面称为深度基准面。起算面称为深度基准面。4.7其他测量仪器其他测量仪器一、手持式激光测距仪一、手持式激光测距仪4.7其他测量仪器其他测量仪器一、手持式激光测距仪一、手持式激光测距仪测量不便时环境干扰时装修与房产 手持式激光测距仪的应用手持式激光测距仪的应用4.7其他测量仪器其他测量仪器二、激光扫平仪二、激光扫平仪激光扫平仪和探测器激光扫平仪和探测器水平和垂直平面扫描水平和垂直平面扫描水 平面垂直面4.7其他测量仪器其他测量仪器三、投点仪三、投点仪A.A.天顶仪天顶仪B.B.天底仪天底仪C.C.天顶天底仪天顶天底仪D.D.激光天顶仪激光天顶仪光学或激光投点仪光学或激光投点仪