水准仪经纬仪综合检验仪

水准仪经纬仪综合检验仪
齐乘光付辉清
(中国地震局地震研究所430071)
【摘要】本文简述了水准仪及经纬仪检定技术的现状，着重分析了利用自动补偿技术建立水平标准的原理及实现的方法，介绍了JSJ水准仪、经纬仪综合检验仪的组成特点及所具备的功能。

一、概述
水准仪和经纬仪是应用广泛的工作计量器具，全国拥有量近百万台。

随着计量技术的进步，这类计量器具的检测方法已由室外转为室内并逐步在采用比较测量法得出被测量的值。

近年来，以多齿分度台作为圆分度标准，以平行光管作为照准目标的经纬仪检定方法取得了较大进展，但水准仪的检定仍存在准确度低、稳定性差、无量值溯源关系的缺点。

主要表现在缺乏评定主要精度指标i角误差及调焦运行差的检定标准。

此外，由于水准仪和经纬仪的计量项目多，通常需要近十种仅具备单项功能的专用设备，极大地影响了检测效率及系统的造价。

研制具有完整计量学特性的综合检验仪器对于保证计量准确度，提高检定效率的重要性日益明显。

本文介绍的JSJ水准仪经纬仪综合检验仪，成功地将自动补偿技术与光学技术相结合，建立了标准偏差小于±0.5角秒的水平准线标准，并将该标准与圆分度标准以及开展计量工作所需要的功能单元有机地结合在一台仪器上，能对国内外所有精度等级、各种尺寸系列的水准仪和经纬仪进行技术评定。

作为计量标准仪器，JSJ综合检验仪取得了国家及省级计量行政部门的正式批准。

二、自动补偿水平准线标准
水平线是一条抽象的几何线，通常是利用光学的方法模拟出在水平方向直线传播的光束来复现水平线。

视准轴安置误差、温度及应力变化、光管焦距过短是影响当前水平准线精度不高和检定单位间量值不统一的主要因素。

为解决这一问题，JSJ检验仪采用了基于重力基准的补偿技术，使视准轴迅速、稳定、自动地安置到水平面上。

如图1所示，光源发出的光经反光棱镜后均匀照明分划板。

根据平面镜成像原理，分划板十字中心发出的同心光束被平面镜反射后成像于虚发光点S，当满足分划板中心与物镜后主点H重合以及反光镜的反射面铅垂这两个条件时，就能使视准轴HS严格位于水平面上。

如果此时反射面位于二分之一焦距位置，由物镜出射的光束与水平面平行，形成无穷远的分划板人造影像。

当移动反光镜作负调焦时，与H点共轭的S点亦在水平视准轴上移动。

根据高斯成像原理，这些虚发光点通过物镜形成一系列远近距离的模拟影像，所有影像的中心均共线于水平视准轴HS上。

1—光楔；2—物镜；3—分划板及光源；4—反光镜
图1 水平准线工作原理
为了保证反射面铅垂，检验仪采用了自动补偿技术。

反光镜及空气阻尼器的活动件悬挂在两组交叉型吊丝上，组成了沿光轴方向能灵敏转动的摆动系统。

如果由于安置误差或环境
条件的变化使仪器相对于水平方向有微小倾角α时，反光镜组件在重力作用下将反向摆动β角，稳定于新的平衡位置。

正确选择吊丝的工作长度、截面积、弹性模量以及摆体的重量，能保证角度放大系数n=β／α等于-1，即反光镜根据仪器的倾斜量自动作反向等量补偿，保持反射面与重力线一致。

理论计算及实测数据表明，由于采用了这种光路结构，视准轴偏离理论水平线的变量系统误差仅为0.1″/′。

分划板中心与物镜主点未严格重合也会引起视准轴偏离水平面，由于该项误差是定值系统误差，通过旋转物镜前面的小角度光楔可以完全消除。

同目前采用的双平行光管建立水平基线，多分划板准直仪实现3～5个照准目标的方法相比，综合检验仪具有以下明显的技术进步：(1) 视准轴的水平精度由3″提高到0.1″。

(2) 照准取样点多，无穷远至3 m连续可调，所有照准目标的非共线误差小于0.05 mm。

(3) 具有较强的抗干扰能力，能自动补偿温度、应力等变化引起的视准轴偏斜。

(4) 简化了装置和检定操作。

三、综合检验仪的组成及技术参数
水准仪和经纬仪作为被检定的对象具有以下特点：(1) 它们都是通过望远镜系统精确照准定位后，分别利用水平视线或圆分度器具，以几何量的形式来定量描述坐标高差或平面角。

(2) 质量指标既有综合指标，也有许多单项指标，需要用仪器检测的项目共26项。

(3) 标称精度系列广，尺寸参数规格多。

考虑到上述特点，在拟订合理的计量方法的基础上，JSJ综合检验仪对相关功能进行了组合，选定了计量标准系统、测微读数系统、升降微倾系统、微机处理系统四部分相互配合构成一个整体。

仪器的总体框图和结构简图分别见图2和图3。

计量标准系统是仪器的基本组成部分，相应建立了准确度高、具有量值溯源能力的水平准线标准、水平角标准、垂直角标准并提供了从无穷远到近距离不同视距的共线照准目标，能满足最高精度等级仪器的检定需要。

其他单元的设计以扩大使用范围、提高检定效率为目的，具有功能多、占地少、操作方便的特点。

图2 仪器总体框图
图3 综合检验仪结构简图
1. 计量标准
(1) 水平准线系统
采用图1所示的平面外调焦先进光路。

主物镜设计成长焦距(1 000 mm)、大口径(φ70 mm)、
分离式物镜组，以提高成像质量和分辨率。

目标分划板上刻有视距公差带、i角限差带及10″格值分划线，能满足不同检定项目的需要。

该系统自动产生σ≤±0.5″的稳态准水平线，提供3m～∞的共轴照准目标。

补偿工作范围≥±5′，补偿精度优于±0.1″/′，并设计有零位检校机构，能实时提供理论水平线的准确方位。

(2) 水平角标准
选用具有整分度和非整分度特征的552齿立轴式分度台作为圆分度标准，最大分度误差0.2″。

配置的强制归心结构保证被检仪器与分度台的回转中心严格同轴。

以多齿分度台的各测点之间的分度角作为标准角，以经纬仪照准中心光管所对应的方向值之差作为实测角，二者相比较可以得出经纬仪的水平测角真误差。

(3) 垂直角标准
5个焦距为500 mm的平行光管刚性连接在旋转座上，组成了夹角为±15°19′7.8″及±31°18′15.7″的非整分度照准目标。

当5个光管水平状态时，利用分度台作为传递标准标定光管之间的夹角，整体旋转5个光管于垂直状态时，便可作为标准竖直角检测经纬仪的竖直测角精度。

将水平准线系统作为传递标准，可将中心光管的视准轴校至水平。

这种技术充分利用了已有的水平准线及多齿分度台的功能，在保证仪器传递质量的基础上能以较经济的方式达到科学实用的目的。

垂直目标系统的主要误差包括：多齿分度台作为传递标准引入的系统误差0.2″，标定光管间夹角时的照准误差0.3″，光管方向值稳定性在一日之内的变化量统计值0.18″，整体旋转90°±30′引入的交叉误差0.03″，总不确定度0.4″。

2. 其他功能单元
测微读数系统采用正切机构单平板测微器，测量范围10 mm，最小格值0.05 mm，全程运行差小于0.1 mm。

四维工作台能满足对国内外不同中心高度的仪器进行检定，承重40 kg。

具有升降、平移、纵向及横向倾斜测微，1″微倾多种功能。

微机系统具有电子记簿及实时数据处理功能。

应用软件采用了在线监控策略，根据被检仪器的精度等级能及时发现粗大误差。

四、应用
本文论述的综合检验仪以较高的准确度建立了具有溯源能力的标准，为水准仪、经纬仪的室内检定提供了科学实用的检测工具，同时适用于平板仪、全站仪测角系统以及其他光学电子三维测量仪器的计量检定。