垂準(zhǔn)儀的原理、校準(zhǔn)方法及不確定度分析

2013-09-07 01:56:06夏天豪寧波市計(jì)量測(cè)試研究院

上海計(jì)量測(cè)試 2013年2期

夏天豪 / 寧波市計(jì)量測(cè)試研究院

0 引言

垂準(zhǔn)儀是以重力線為基準(zhǔn)，給出鉛垂線的測(cè)繪儀器，可用來(lái)測(cè)量相對(duì)鉛垂線的微小水平偏差、進(jìn)行鉛垂線的點(diǎn)位轉(zhuǎn)遞、物體垂直輪廓的測(cè)量以及方位的垂直傳遞。它主要用于高層建筑、高塔、煙囪的施工，發(fā)射阱、架及大型柱形機(jī)械設(shè)備的安裝，大壩的水平位移測(cè)量，工程監(jiān)理和變形觀測(cè)等場(chǎng)合，為國(guó)家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和軍事發(fā)展提供有力保障。

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，對(duì)垂準(zhǔn)儀的需求越來(lái)越大，對(duì)垂準(zhǔn)儀的準(zhǔn)確度要求也越來(lái)越高，為此 2002年國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局出臺(tái)了JJF1081-2002《垂準(zhǔn)儀校準(zhǔn)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱校準(zhǔn)規(guī)范），通過(guò)校準(zhǔn)保證垂準(zhǔn)儀的測(cè)量精度，從而給施工建設(shè)提供一個(gè)可靠的標(biāo)準(zhǔn)。

1 類型

根據(jù)工作原理垂準(zhǔn)儀可分為水泡型和自動(dòng)補(bǔ)償型。

1.1 水泡型垂準(zhǔn)儀

水泡型垂準(zhǔn)儀是最常見(jiàn)的垂準(zhǔn)儀，圖1為該類型垂準(zhǔn)儀的原理圖。因?yàn)閲?guó)家尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)垂線的基準(zhǔn)，因此水泡型垂準(zhǔn)儀以重力線為參考，利用水泡水平軸與重力線的關(guān)系，將長(zhǎng)水泡時(shí)刻保持水平時(shí)照準(zhǔn)部所繞轉(zhuǎn)的機(jī)械豎軸作為參考的垂準(zhǔn)線。然后通過(guò)視準(zhǔn)軸來(lái)指示該條垂準(zhǔn)線，視準(zhǔn)軸是指通過(guò)分劃板十字絲中心和物鏡與調(diào)焦透鏡組成的透鏡組的等效光學(xué)中心的連線，要求與豎軸重合，具體表現(xiàn)為當(dāng)照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)目鏡觀察的分劃板十字中心始終對(duì)準(zhǔn)同一點(diǎn)。

為了方便指示和使用，新型的水泡型垂準(zhǔn)儀中又利用分光棱鏡耦合進(jìn)一條與視準(zhǔn)軸重合的激光光束（見(jiàn)圖1中1～7）。激光的光軸即指示了垂準(zhǔn)線。

圖1 水泡型激光垂準(zhǔn)儀原理圖

1.2 自動(dòng)補(bǔ)償型垂準(zhǔn)儀

水泡型垂準(zhǔn)儀的垂線準(zhǔn)確度直接反應(yīng)在水泡整平準(zhǔn)確度上，對(duì)于水泡的質(zhì)量和操作人員的技術(shù)要求較高，而自動(dòng)補(bǔ)償型垂準(zhǔn)儀使用吊掛懸擺、電子補(bǔ)償器等結(jié)構(gòu)，利用重力的感應(yīng)自動(dòng)補(bǔ)償垂準(zhǔn)儀機(jī)械豎軸對(duì)于重力線的偏角，因此，該類儀器只需要利用圓水泡粗略整平儀器，出射的激光光軸即為參考垂準(zhǔn)線。

2 校準(zhǔn)方法

校準(zhǔn)規(guī)范中雖然列舉了多個(gè)需要校準(zhǔn)的參數(shù)，但是并未指出校準(zhǔn)各個(gè)參數(shù)的目的和不同類型儀器校準(zhǔn)的側(cè)重點(diǎn)，下文針對(duì)不同原理的儀器分析幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)的校準(zhǔn)方法。

2.1 水泡型垂準(zhǔn)儀

從1.1的原理分析可知，長(zhǎng)水準(zhǔn)器軸與豎軸的垂直度直接影響儀器垂準(zhǔn)線的垂直度，必須首先進(jìn)行校準(zhǔn)，并最大可能減小其誤差。

其次，由圖1可見(jiàn)，在理想狀態(tài)下，要求機(jī)械豎軸、視準(zhǔn)軸與激光光軸三者與重力線同時(shí)重合，利用視準(zhǔn)軸或激光光軸來(lái)指示儀器的參考垂準(zhǔn)線。但是實(shí)際情況中，雖然通過(guò)上一步水準(zhǔn)器的校準(zhǔn)能使豎軸與重力線高度重合，但是由于分劃板和激光器安裝位置的誤差，視準(zhǔn)線和激光光軸與豎軸不能很好地重合，因此，這三者之間的重合度即為校準(zhǔn)的關(guān)鍵參數(shù)。

具體校準(zhǔn)方法分為室內(nèi)和室外兩種。

如圖2所示，室內(nèi)方法主要是利用五角棱鏡將檢定水準(zhǔn)儀用的自準(zhǔn)直光管出射的水平平行光轉(zhuǎn)折為垂直光。五角棱鏡的兩個(gè)反射面成45°，因此無(wú)論入射角為多少，出射光都與入射光相垂直。這種方法主要是用于視準(zhǔn)軸與豎軸偏差的校準(zhǔn)。自準(zhǔn)直光管內(nèi)的分劃板將成像于垂準(zhǔn)儀的分劃板上，兩者相對(duì)偏差的角值可以通過(guò)自準(zhǔn)直光管上的契角測(cè)微器測(cè)得。旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)部所測(cè)得的最大相對(duì)偏差變化量絕對(duì)值的一半即為豎軸與視準(zhǔn)軸的同軸度誤差。如果同軸度誤差較大，則需要校準(zhǔn)。首先調(diào)節(jié)五角棱鏡水平角度使兩分劃板十字絲豎線重合，然后調(diào)節(jié)儀器腳螺旋使兩十字絲完全重合。照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)180°，利用校正棒調(diào)節(jié)垂準(zhǔn)儀分劃板定位螺絲使兩十字絲橫線和豎線偏離量分別減小一半，然后調(diào)節(jié)垂準(zhǔn)儀腳螺旋使兩十字絲重合。重復(fù)以上過(guò)程，直到照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)時(shí)，兩分劃板十字絲中心始終重合。

圖2 垂準(zhǔn)儀室內(nèi)校準(zhǔn)方法

垂準(zhǔn)儀室外校準(zhǔn)方法一般用于校準(zhǔn)激光光軸與豎軸的同軸度（如圖3所示）。同樣使用五角棱鏡將垂準(zhǔn)儀出射的激光轉(zhuǎn)向水平，投射到100 m以外的標(biāo)靶上，利用調(diào)焦手輪使標(biāo)靶上光斑達(dá)到最小，旋轉(zhuǎn)照準(zhǔn)部，標(biāo)靶上光斑位置的變化即反映出激光光軸與豎軸的同軸度。校準(zhǔn)此誤差類似于校準(zhǔn)視準(zhǔn)軸與數(shù)軸同軸度誤差。但是該類誤差校準(zhǔn)一般在室內(nèi)方法校準(zhǔn)完視準(zhǔn)軸與豎軸的同軸度誤差之后進(jìn)行，此時(shí)最簡(jiǎn)便的校準(zhǔn)方法就是利用垂準(zhǔn)儀目鏡使分劃板十字絲中心與標(biāo)靶上某點(diǎn)重合，開(kāi)啟激光，調(diào)節(jié)激光器定位螺絲，將光點(diǎn)校準(zhǔn)到同一點(diǎn)即可。

圖3 垂準(zhǔn)儀室外校準(zhǔn)方法

2.2 自動(dòng)補(bǔ)償型垂準(zhǔn)儀

自動(dòng)補(bǔ)償型垂準(zhǔn)儀一般采用激光進(jìn)行垂準(zhǔn)線的指示，因此多采用室外方法校準(zhǔn)。

自動(dòng)補(bǔ)償型垂準(zhǔn)儀水泡精度低，整平后的儀器豎軸往往與重力線重合度較差，因此校準(zhǔn)不著重考慮豎軸與激光光軸的重合度，主要校準(zhǔn)的指標(biāo)是補(bǔ)償器的補(bǔ)償誤差和照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)時(shí)光斑位置的穩(wěn)定性。

補(bǔ)償誤差是利用工作臺(tái)的微傾螺旋使整平后的儀器在前后左右8′的范圍內(nèi)變化時(shí)光斑的相對(duì)于整平狀態(tài)的最大偏移量。照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)時(shí)光斑位置的穩(wěn)定性，是整平后儀器照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)時(shí)光斑的偏移程度。校準(zhǔn)這些誤差主要是校準(zhǔn)補(bǔ)償器的功能和結(jié)構(gòu)位置。

另外，校準(zhǔn)規(guī)范中還提到“一測(cè)回垂準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差”，這個(gè)指標(biāo)的意義應(yīng)該區(qū)別于經(jīng)緯儀“水平方向一測(cè)回標(biāo)準(zhǔn)偏差”。分析該參數(shù)的定義，前者所反應(yīng)的是測(cè)量的重復(fù)性，而后者所反映的是儀器綜合測(cè)角的誤差。因此，垂準(zhǔn)儀垂準(zhǔn)線測(cè)量誤差主要是體現(xiàn)在三軸重合度上，而不是用“一測(cè)回垂準(zhǔn)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)偏差”來(lái)體現(xiàn)。下文給出評(píng)定垂準(zhǔn)儀測(cè)量誤差的不確定度的實(shí)例。

3 垂準(zhǔn)儀豎軸與視準(zhǔn)軸同軸度誤差測(cè)量不確定度的評(píng)定

利用精密水準(zhǔn)儀、綜合檢驗(yàn)儀JSJ-ⅡZ和垂準(zhǔn)儀檢定附件來(lái)校準(zhǔn)垂準(zhǔn)儀豎軸與視準(zhǔn)軸同軸度誤差。JSJ-ⅡZ檢定裝置的“水平準(zhǔn)線偏差”是用0.2″陪檢器和0.2″光電自準(zhǔn)直儀進(jìn)行校準(zhǔn)的。在此基礎(chǔ)上，使用垂準(zhǔn)儀檢定附件將光路轉(zhuǎn)折，將綜合檢驗(yàn)儀的分劃板成像到垂準(zhǔn)儀的分劃板上，用綜合檢驗(yàn)儀的契角測(cè)微器測(cè)出兩者分劃板十字中心的角度差即為同軸度偏差。