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陀螺经纬仪稳定性检验方法探讨李永明【摘要】陀螺经纬仪是一种光、机、电相结合的精密定向仪器,它在内在的、外部的各种因素影响下,会导致仪器光路、电路状态及其参数发生改变,而定向时前后只测定仪器常数不一定能发现问题.针对这种情况,作者从理论到实践上研究了一套陀螺经纬仪稳定性的检验方法,包括检验陀螺经纬仪连接误差、悬挂带弹性质量、悬带零位、磁屏蔽防护质量、电压、频率、动量矩等;并根据对多台陀螺经纬仪的检验结果,初步确定了陀螺经纬仪稳定性的参考标准,从而保证陀螺经纬仪定向结果的准确性.【期刊名称】《湖南有色金属》【年(卷),期】2008(024)003【总页数】4页(P54-57)【关键词】陀螺经纬仪;稳定性;检验;定向【作者】李永明【作者单位】福建省双旗山金矿,福建,德化,362509【正文语种】中文【中图分类】TH761.1陀螺经纬仪能在矿山井下、隧道等任何隐蔽地区直接测出真北方向，且不受时间、地点、环境条件的限制。
应用到矿山，它能把地面的方向传到井下，代替传统的几何方向；同时它又能在井下导线的任意测站上加测陀螺定向边。
这种仪器不仅不占用井筒就能定向，而且能提高井下导线精度，因此它是一种省时省力先进的定向仪器。
随着我国采矿事业的发展，我国各大矿山已普遍应用了陀螺经纬仪。
目前对陀螺经纬仪稳定性的检验很不全面，因为我国现行矿山测量规程规定，陀螺定向时只要测前测后测定陀螺仪常数。
但作者认为这样不十分可靠，因为陀螺经纬仪是一种光、机、电相结合的精密仪器，它在内在的、外部的各种因素影响下，可能导致仪器光路、电路状况及其参数发生改变，而只测定仪器常数不一定能发现问题。
针对这种情况，作者认为有必要建立一套检测陀螺经纬仪稳定性的方法，并根据对多台陀螺经纬仪的检测结果，初步确定了陀螺经纬仪稳定性的参考标准，从而保证了陀螺定向结果的准确性。
陀螺仪与经纬仪靠固定在照准部上的过渡支架来连接，每次都要把陀螺仪安置在经纬仪支架上，这样由于每次拆装连接而造成的方向误差称为陀螺经纬仪连接误差。
陀螺经纬仪观测方法研究与应用【摘要】陀螺经纬仪（gyro theodolite）是带有陀螺仪装置、用于测定直线真方位角的经纬仪。
其关键装置之一是陀螺仪，简称陀螺，又称回转仪。
陀螺经纬仪的用途在于它能够确定真北方向（子午面）在水平度盘上的读数，在跟踪状态下即陀螺轴进动（摆动）中心所对应的水平度盘读数，求M的方式不同，确定了两大类陀螺经纬仪定向观测方法：跟踪式与不跟踪式。
本文对观测精度进行分析后总结出观测方法、注意事项。
【关键词】陀螺经纬仪；观测方法；研究与应用引言陀螺经纬仪（见图1）主要由一个高速旋转的转子支承在一个或两个框架上而构成。
具有一个框架的称二自由度陀螺仪；具有内外两个框架的称三自由度陀螺仪。
经纬仪上安置悬挂式陀螺仪，是利用其具指北性确定真子午线北方向，再用经纬仪测定出真子午线北方向至待定方向所夹的水平角，即真方位角。
指北性，是指悬挂式者在受重力作用和地球自转角速度影响下，陀螺轴将产生进动、逐渐向真子面靠拢，最终达到以真子面为对称中心，作角简谐运动的特性。
确定真子午线北方向的常用方法，有中天法和逆转点法。
图1 陀螺经纬仪目前主要应用于矿用巷道施工测量，以及盾构掘进中的水平及真北方向测量，可大大弥补导线过长所造成的精度损失。
1 陀螺经纬仪观测方法简介1.1 逆转点法逆转点法是一种最基本的陀螺定向方法。
用逆转点法进行定向观测时，要求照准部处于跟踪状态，即在观测过程中使目镜分划板的零刻线始终与陀螺灵敏部的摆动光标相重合。
当跟踪陀螺灵敏部到逆转点时，在经纬仪水平读盘上读数u1；跟踪到另一个逆转点时，在经纬仪水平读盘上读数u2。
连续读取五个逆转点读数u1、u2、u3、u4、u5，取舒勒平均值计算结果。
五个读数可以得到三个舒勒平均值N1、N2、N3：则一次测定陀螺方位角的平均值为：N均=（N1+N2+N3）/3=（u1+3u2+4u3+3u4+u5）/12。
1.2 中天法陀螺经纬仪照准部固定不动，当灵敏部的摆动光标线通过目镜分划板零刻线时，在秒表上读取中天时间ti，光标线到达逆转点时，在目镜分划板上读取摆幅格值aE和aW，取连续的五个中天时间t1、t2、t3、t4、t5，依此求得陀螺北方向值N。
实验四 陀螺经纬仪定向方法一、实验目的了解陀螺仪定向的原理，熟悉陀螺仪常用的定向方法，学会使用逆转点法和中天法进行精密定向。
二、实验仪器索佳GP-1陀螺全站仪1台，三脚架1个，棱镜1个。
三、陀螺仪一次测定作业流程本实验为演示实验，由指导教师结合PPT 及仪器操作进行演示教学。
1、陀螺仪悬挂带零位观测【原理】悬挂零位是指陀螺马达不转时，陀螺灵敏部受悬带和导流丝扭力作用而引起扭摆的平衡位置，即扭力矩为零的位置。
观测三次。
在陀螺观测开始之前和结束之后，要作悬带零位观测，相应简称为测前零位和测后零位观测。
【方法】测定悬挂零位时，先将全站仪整平并固定照准部，下方陀螺灵敏部（不启动马达），从读数目镜中观测灵敏部的摆动，在分划板上连续读三个逆转点的读数，估读到0.1格。
()132122L a a a =++⎡⎤⎣⎦2、陀螺仪粗定向在测定已知边和定向边的陀螺方位角之前，首先进行粗略定向，即把全站仪望远镜视准轴置于近似北方向。
3、精密定向（逆转点法）粗定向后，全站仪转到粗定向的北方向，再次下放陀螺，控制摆幅在5~8格之间，用逆转点法通过全站仪精确跟踪逆转点。
[]131224*********a a N a a a N a N N n +⎛⎫=+ ⎪⎝⎭+⎛⎫=+ ⎪⎝⎭=-……4、精密定向（中天法）首先通过逆转点法确定陀螺北方向在±20′内，然后托起陀螺；再放陀螺使其摆幅在8~10格之间，用中天法开始观测；至少测量2个周期。
5、测后零位。
四、陀螺仪一次定向作业流程1、在地面已知边上测定仪器常数由于陀螺轴衰微弱的摆动系数保持不变，故其摆动的平衡位置可以仍未是假想的陀螺主轴稳定的位置。
陀螺主轴虽然指示出真北方向，但是这个方向必须借助陀螺仪光学系统读数。
由于陀螺主轴与陀螺仪光学系统的光轴以及经纬仪视准轴不在同一竖直面捏，因而陀螺仪的指向与地理子午线N 不重合，两者之间的差值称为仪器常数∆（与磁偏角概念不同）。
1 引言随着电子技术、通信技术以及光机技术的快速发展，测量仪器的生产和制造工艺也在不断提高，陀螺经纬仪作为一种矿山测量中常见的仪器，对于矿山作业的效率有着至关重要的影响。
2 陀螺经纬仪的特性和工作原理陀螺经纬仪是利用陀螺马达高速旋转时的定轴性和进动性，配合地球本身自转的作用，从而实现方向的确定。
在地球上南北纬度75°内的范围，能够不受地形、天气、地磁场的影响，不管白天还是晚上都能够快速准确地确定正北方向。
由于陀螺经纬仪优秀的系统原理、高度的精密性、广泛的应对能力，使其在矿山测量工作中占有重要的地位，为定向测量以及矿山贯通测量、联系测量等大型测量提供了帮助。
通常根据测角中的误差来区分井下导线的等级，基本的控制导线有7″和15″两种。
当陀螺定向一次启动误差在正负7″区间内的陀螺经纬仪，一般采用附合导线或闭合导线终端的定向测量方法，有时候也会采用起始边定向的测量方法，分为一井和两井的井下起始边定向测量。
陀螺经纬仪能够有效降低过去几何测量定向工作中的人力、物力、财力的消耗，节约了时间，降低了成本，提高了生产效率和企业效益，并且由于陀螺经纬仪能够应对各种不同的天气、地形，提高了在极端恶劣条件下定向测量工作的准确性以及井下平面工作时的测量精度。
陀螺经纬仪能够在井下进行精确的水平方向的定向测量，随着控制导线的测量和不断地提高准确度，同时校检控制导线测量中的误差，完成矿山的定向测量以及大型工程的贯通。
3 陀螺经纬仪定向在矿山贯通测量中的应用矿山测量中经常会要求某个巷道按照设计与另一条指定的巷道贯通连接，就是常说的巷道的贯通。
通常在进行贯通作业时，会同时开展多项挖掘工作，进而提高作业效率。
与此同时，为了能够让挖掘工作顺利进行，确保不同的工作小队能够按照计划准确进行掘进，必须进行预定方向的测量，这就是贯通测量。
贯通测量有利于确保工作的顺利进行，加快施工进度，改善工作环境，确保矿山开采和挖掘在正确的方向上进行。
科学技术创新2020.26以柠条塔S1210超长隧道贯通测量为例，加入陀螺定向测量，进行贯通误差预计。
以下主要对导线网中加测陀螺定向边后的平差计算、加测最佳位置确定及实际加测情况等进行分析，提出了提高贯通精度的具体方案。
1加测陀螺边后附合导线平差及加测陀螺边最佳位置确定1.1加测陀螺边导线终点误差估计如图1，A 为起始点，AA 1为起始定向边，其坐标方位角为α0，导线测量点K 为终点，α1，αII ，…，αN 为N 条陀螺定向边，导线段数为N ，由B 点至K 点的一段为支导线。
图1导线示意图（1）由导线量边误差引起的终点K 的贯通误差（1）其中：m l ：测边中误差；α'：导线边与水贯通方向夹角。
（2）测角误差对贯通点误差累积影响（2）式中：η：所有导线点到重心连接线y'轴投影长；R y'：支导线B 至K 各点和K 点连线y'轴投影长。
（3）陀螺定向对贯通点误差累积影响假设各条陀螺定向边精度相同为m α0时有：（3）1.2两井贯通贯通点水平方向贯通误差预计如图2，地面点P 向两竖井分布布设导线P-I-II-III 和P-IV-V-VI ，假设m β上为测角中误差，m l 上为量边中误差，陀螺定向边为α1，α2，…，α5，测定其陀螺定向方位角，陀螺定向中误差设为m α1，m α2，…，m α5，其中地下导线独立施测2次。
导线段为A-E ，E-M ，M-K ，B-C ，C-N ，N-K ，其中M-K ，B-C ，N-K 为支导线边，A-E ，E-M ，C-N 是方向附合导线边，井下测角中误差m β下，井下量边中误差m l 下。
图2导线布设示意图贯通点在x'上误差预计如下：（1）地面导线边引起贯通测量x'上的误差（4）式中：R y'：地面导线各点与井下导线的起始点A 和B 的连线在y'轴上的投影长；α'：地面导线各边与x'轴夹角。
影响陀螺经纬仪定向精度的因素研究
摘要:定向精度是一个评价陀螺经纬仪质量的重要指标。
本文对影响陀螺经纬仪测量精度的因素进行了研究，并结合多年工程实践经验，提出了一些提高陀螺经纬仪测量精度的方法和建议。
对使用陀螺经纬仪从事测量的工程技术人员有一定的参考和借鉴作用。
关键词：陀螺经纬仪定向精度影响因素
随着科学技术和各种测量技术的发展，陀螺经纬仪的出现改变了传统采用的几何定向方式，并在矿井的多种测量中得到了广泛的应用。
而定向精度是评价陀螺经纬仪质量的重要指标，但是在测量过程中，很多因素都会影响其测量精度。
通常情况下，陀螺经纬仪的定向精度误差都控制在出厂时的标称范围之内，但是由于受制造工艺水平的限制、仪器的使用状况、以及外界条件的影响，均可能导致定向精度降低，满足不了测量的实际要求。
所以对陀螺经纬仪定向精度的分析与研究具有重要的理论价值和实践意义。
1 陀螺经纬仪组成与测量原理
陀螺经纬仪是带有陀螺仪装置、用于测定直线真方位角的经纬仪，主要应用于矿山施工测量、隧道施工测量以及盾构掘进中的水平及真北方向测量，不受时间和环境的影响，观测简单方便，效率高。
经纬仪上安置悬挂式陀螺仪，其关键装置是陀螺仪，简称陀螺，主要由一个绕陀螺轴高速旋转的刚体转子支撑在一个或两个框架上而构
成。
陀螺经纬仪精密定向方法目前常采用跟踪逆转点法、中天法和陀螺静止位置法等三种。
定向原理主要是利用其具有的指北性来确定真子午线北方向，再用经纬仪测定出真子午线北方向至待定方向所夹的水平角，即真方位角。
其转子通常由陀螺马达驱动，使之绕陀螺轴高速旋转，转速高达每分钟几千转至几万转。
定向方法由陀螺本身的定轴性和进动性两个基本特性决定。
陀螺的定轴性指的是当匀速自转的陀螺在不受任何外力作用时，也就是外加力矩为零时，力图在它本身转动惯量的维持下，使其自转轴指向惯性空间恒定的初始方向的特性，也就是稳定性；陀螺的进动性是指当陀螺受外力矩作用时，陀螺的自转轴向外加力矩的方向运动。
2 影响测量精度的因素
陀螺经纬仪的测量精度是指陀螺经纬仪定向观测值与真值的偏离程度。
通常有很多因素会直接影响陀螺经纬仪的测量精度。
(1)环境因素。
某些陀螺经纬仪对环境的要求较高，影响测量精度的环境因素很多，其中温度对其影响最大，有的仪器厂家在仪器内部对测量结果进行了温度补偿处理，但温度对测量结果的影响是多方面的，非常复杂，仅依靠厂家采取的温度补偿不能很好的消除这种影响。
(2)经纬仪与陀螺仪连接时因素。
经纬仪与陀螺仪通过固定在照
准部上的过渡支架进行连接，每次定向的时候都需要将陀螺仪安置于经纬仪的支架上，因此，由于每次的拆卸与安装，可能会影响测量时的精度。
(3)摆动平衡位置改变的影响因素。
由于电源电压频率的改变会造成角动量发生变化，或灵敏部件内部温度的变化也会造成重心位移以及温度升高，从而造成悬挂带与导流丝产生形变，出现一种干扰力矩作用于灵敏部，引发平衡位置发生改变，而且此平衡位置的改变具有不确定性，从而造成陀螺经纬仪测量精度的降低。
(4)陀螺经纬仪漂移因素。
陀螺经纬仪的漂移主要分长期和短期。
长期漂移周期一般为几个月和几年，每台仪器的长期漂移周期一般不同。
在实际使用中，短期漂移的影响因素更明显，按时间顺序，短期漂移可分为三级、二级和初级漂移。
因此，在使用时，应尽快使陀螺仪进入更有规则的第二级漂移期，才能精确地进行定向。
(5)陀螺经纬仪对中与整平因素。
当仪器的气泡在东西方向不居中时，将使陀螺仪的悬挂带部分产生偏差，从而引起定向误差，影响定向精度。
3 提高测量精度的建议
考虑影响测量精度和各种因素，结合工程实践经验，提出如下几点提高测量精度的建议。
(1)测定定向时，必须由具有一定操作经验的人来使用仪器，而且前后几次测量仪器常数，一般应在三昼夜内完成。
(2)在较为恶劣的外界环境情况下，如大风、大雨、大雾等天气不适宜进行陀螺定向，应该使用强制对中装置来进行对中，尽可能地消除温差对仪器常数造成的影响，使仪器温度与外界环境一致后再进行定向工作。
也可以根据使用的仪器的测量经验及情况，尝试建立温度补偿模型来减少温度对测量精度的影响。
(3)在启动陀螺马达到额定转速之前和制动陀螺马达的过程中，陀螺灵敏部必须处于锁紧状态，防止悬挂带和导流丝受损伤。
(4)在使用时，建立高精度室内已知边，可以分析出陀螺经纬仪仪器常数变化规律和稳定性，选准目标可以是照准误差较小的固定目标，也可以采用平行光管作为目标，在室内测量时要保持良好的环境条件，如适宜的温度及稳定的电压等。
(5)在陀螺灵敏部处于锁紧状态、马达又在高速旋转时，严禁搬动和水平旋转仪器。
(6)针对某仪器，可以在较长时间内连续观测测量结果，来分析确定仪器长时间定向的稳定性及系统性的漂移规律。
从而来建立仪器随时间漂移曲线，根据曲线，选择最佳的观测时段进行测量有利于提高定向精度。
(7)陀螺经纬仪电源作业前应充足电，防止电压的逐渐衰减引起陀螺定向数据异常，保证定向精度。
4 结语
陀螺经纬仪因测量精度高、观测简便、较高的定向精度，不受时间和环境的限制，能为井下多个水平定向等优点，在矿山工程、隧道测量、地铁工程等建设中广泛应用。
就矿山而言，它完全取代了国内矿山测量沿用已久的几何定向法，克服了几何定向法要占用井筒而造成停产、耗费大量人力、物力和时间等缺点。
参考文献
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[3]王浩,蔡栋.陀螺经纬定向在矿井联系测量中的应用[J].工业设计，2012，10：150-151.
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