影响高等级全站仪水平方向测角精度的因素

影响高等级全站仪水平方向测角精度的因素

林时金张凡

1.天津市公路处天津300170

2.中国船舶重工集团公司第七0七研究所天津300000

摘要：就影响全站仪水平方向测角精度的有关因素作了分析,并提出内业检测和外业测量，尤其是高精度的仪器或高精度的测量都应重视的因素。

关键词：全站仪；水平方向；测角精度

近些年京津冀交通一体化快速发展及天津对基础设施的大力投入，各种大中型桥（函立交桥）突飞猛进的建成、到2016年底，天津桥梁累计6000多座，累计长度150多公里。近些年来，桥梁事故频发，桥梁的安全运行离不开对桥梁的安全监测。安全监测技术,对测绘人员的智慧与技术,对测绘仪器的品质与技术性能都面临最严峻的挑战与考验。用于桥梁工程监测的莱卡TS60全站仪,如何使其发挥最佳技术性能,是备受关注的问题。本文从实际应用出发,对TS60全站仪在(竖轴倾斜)各状态下的水平角测量精度作了数据采集与分析,其结论可供内业校准和外业高精度测量时参考与应用。

1全站仪基准系统

全站仪的基准始于竖轴的中心连线,测距和测角均以竖轴的中心连线为基准线。为了保证全站仪的设计精度,各轴应满足如下几何关系:横轴垂直于竖轴,安平水准轴垂直于竖轴,视准轴(测距光轴)垂直于横轴。竖轴的回转中心乃是仪器的基准线,同心度不良将产生偏心误差,竖轴的定向精度不良也会在测角过程中直接或间接地引入误差。竖轴的同心度和定向精度取决于竖轴的结构形式及制造精度,制造精度的主要指标是间隙误差与形位误差。由机械加工原理可知,同心度误差、圆度误差、直线度误差等会影响竖轴系统的基准,造成竖轴运转时晃动,磨损加重,进而破坏水准轴与竖轴的垂直关系,使一测回水平方向标准差超限,所以,竖轴的加工工艺对测角精度有直接的、难以抵消的影响。

2竖轴铅垂度影响水平角测量精度

全站仪的倾斜传感器除了对竖轴X方向及Y方向的倾斜量补偿外,还对视准轴进行读数补偿。在补偿范围内倾斜传感器对水平角的补偿并非都能满足限差要求,然而却有在某方向与某倾斜量的点位上补偿量幅度较大。这点可能是竖轴铅垂状态,或者是竖轴倾斜量在5.0″～1.0′,这一补偿点往往能使水平角测量精度达到非常高,然而却不易遇到。倾斜传感器通常被认为补偿范围大,补偿精度高,在野外测量和内业检测中,均忽视于严格整平仪器,以致于在作高精度测量时达不到精度要求,甚至超出限差。本文取5台高等级全站仪TS60为样品,于不同(竖轴倾斜)状态下进行一测回水平方向标准偏差的校准实验。

将TS60438817全站仪(TS60水平测角精度标称值为0.5″)安在多齿分度台上,首先确认仪器各轴系基准良好,然后用电子气泡整平多齿分度台,在分度台0°刻划处锁住仪器的水平制动,调整仪器脚螺旋,使倾斜传感器示值接近0″,接着旋转分度台180°与90°,观察仪器显示屏倾斜角数值的变化。如果变化大于1.0″,则应调整微倾平台。多齿分度台整平之后,用同样方法整平TS60仪器,旋转仪器的照准部180°,确认仪器是否整平,如倾斜角数据差值在1"内,可认为仪器的竖轴已经铅垂,也可用天顶距读数法整平仪器或分度台,即将天顶距置在90°00′00″,然后把横轴制动钮锁定,旋转照准部观察上述三个方向天顶距读数。

2.1竖轴铅垂、关闭倾斜传感器

水平角是投影在水平面的夹角,因此水平码盘的水平程度,或者说竖轴的铅垂度对水平测角精度的影响十分敏感。

在对TS60作校准时,勿用外接电源,因为力的原因电缆线会对竖轴铅垂度产生影响。利用倾斜传感器将仪器和多齿分度台整平后,为避免引入倾斜传感器的补偿误差,应关闭仪器的Compensator和Hz2CORR功能,然后在多齿分度台上对TS60438817全站仪的23个受检点作一测回观测。由于剔除了倾斜传感器可能引入的补偿误差,在这种状况下作一测回水平方向标准偏差的校准,实际上是对竖轴的运转精度、码盘的安装精度以及TS60全站仪的设计精度和工艺的考察。由数据分析,其结果是真实可靠的。该观测数据经计算得:μ=±［1/mn∑Φi］?=0.342″式中,Φ为方向误差,i=1,2,…,n;m为测回数;n为受检点数。

2.2竖轴铅垂、开启倾斜传感器

如上所述,利用倾斜传感器可将仪器和多齿分度台整平,并使倾斜值控制在1″以内,开启仪器的Compensator和Hz2CORR功能,而TS60438817全站仪倾斜补偿范围是3′30″,其补偿精度:X方向绝值最小为0.1″、最大为1.2″;Y方向绝对值最小为0.1″、最大为0.7″,可见补偿精度相当高。然后在多齿分度台上对TS60438817全站仪的23个受检点作一测回观测,经计算其一测回水平方向标准偏差μ为0.442″,同样在整平的状态下,其结果却比第一种状态的结果相差0.140″。

2.3竖轴倾斜、开启倾斜传感器

多齿分度台依然是处于整平状态,而将TS60438817全站仪的竖轴在Y方向偏调1.0′。在多齿分度台上对TS60438817全站仪的23个受检点作一测回观测,其一测回水平方向标准偏差μ为0.548″,显然大于标称值0.5″。

由表1可见仪器在铅垂状态下关闭倾斜传感器,水平测角精度较高,开启倾斜传感器,水平测角精度略低。竖轴倾斜量越大,水平测角精度越可能超出限差。而TS60438865在倾斜传感器Y向偏调1.0′的状态下,水平测角精度到了0.331″,仅在这一位置上倾斜传感器补偿量是较大的。

由表2数据看,多目标平行光管法由于排除了多齿分度台的累积误差,观测所得数据纯属仪器竖轴加工精度与码盘安装精度,所以用全圆方向观测法的水平测角精度高于多齿分度台法,开启倾斜传感器水平测角精度更高。

上述结果再次说明竖轴的铅垂度是影响高等级全站仪水平角测量精度的重要因素之一。

3倾斜传感器的影响

倾斜传感器是全站仪的重要部件,其功能是竖轴在X方向和Y方向有倾斜时对天顶距作补偿,另外还能对视准轴偏差作数据补偿。补偿主要由倾斜传感器检测倾斜量,然后通过编码器对所测角度进行修正。由于轴系之间存在旋转间隙,滚珠球面度的影响以及电子元器件受温度与老化的影响会引导零点漂移,更何况轴系的倾斜量严格地讲是一矢量,X和Y方向的倾斜值仅仅是两个分量,因此决定了倾斜传感器对轴系倾斜量的补偿呈非线性,对水平测角的补偿呈离散性。

为了倾斜降低对水平角测量精度的影响,比较有效的方法是尽可能地利用倾斜传感器X方向与Y方向倾斜量的示值功能,或者用天顶距读数法精确整平仪器,然后关闭倾斜补偿功能,依靠竖轴自身的运转精度及码盘的安装精度,水平角测量精度完全符合限差要求,若超出限差则表明该全站仪有问题。

4结束语

全站仪水平测角精度实际上是一个综合性的问题,它包括人为因素、环境因素、仪器的制造工艺因素以及照准目标的稳定性等。对于高等级新全站仪的校准,建议采用全圆观测法,这样能剔除其他不确定因素,从而测定其最佳精度。用于立交桥变形监测工程测量的TS60全站仪,建议在施测时设置倾斜传感器的零位指标,并尽可能地利用倾斜传感器X方向与Y方向倾斜量的示值功能,或者用天顶距读数法精确整平仪器,然后关闭倾斜传感器补偿功能,这样可避免由于震动源的影响导致倾斜传感器的误差补偿,当然首先必须确保仪器各轴系基准严格符合要求。如环境震动感小应开启倾斜传感器,以便水平测角能达到最佳精度。