大地测量仪器学4.ppt
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1、第四章 水准器 4.1水准器的结构原理与分类 一、水准器的用途 水准器用来指示仪器的某一轴线处于水平或铅垂位置,如水准仪 就借助于它将望远镜视线安平;经纬仪就借助于照准部上的水准器将 竖轴安放至铅垂位置等等。 水准器也用来精确地测量微小倾角,如经纬仪横轴倾斜量的测量 。 水准器在大型及精密机械设备安装中使用也相当广泛,如精密圆刻线 机的安装,大型发电机主轴的安装、矿井大型提升机主轴的安装等等 。 二、水准器的结构原理 目前水准器均用玻璃管(或片)将其内壁研磨成一定曲率,里面填 充精馏乙醇或乙醚等,在封口前内腔形成一气泡,如图4-1。在水准 器中点O对管内圆弧所作的切线LL,称为水准器轴,它与通
2、过 O点的铅垂线OO垂直。为了指示气泡的位置,在玻璃管(或片)上 均刻有分划线,格宽一般均为2毫米。 水准器的格值:每一格分划(2毫米)所对应的圆弧角为 式中R为圆弧半径,单位为毫米。格值(角值) 也可理解为气泡移动2毫 米时,水准器所倾斜的角度值。它与R成反比,从几何尺寸来讲,R值 是水准器精度的决定因素,当 时R=412530米,当 时 R=0115米。 图4-1 三、水准器的分类 从形状分有管状水准器(亦称长水准器)和圆形水准 器。 圆形水准器如图4-2所示,上部玻璃片内表面为一 均匀的圆球面,并划有同心分划圈,片下部为一带封嘴 的玻璃座,两者用专门的合成胶胶合在一起。从目前使 用情况来
3、看,胶合面脱胶的问题未得到彻底解决,各国 都在提高胶的牢度上下功夫。我国有的厂家为了解决脱 胶问题,将上玻璃片与玻璃座进行熔接,脱胶问题得到 彻底解决,但在烧熔过程中玻璃片内表面的R易变形, 而且不能在短时间内稳定下来。废品率也比胶合的高。 圆水准器的格值,是指气泡由圆水准器分划中心向任意方向移动2毫 米时,水准器所倾斜的角度。格值有8、15、30、60等。 长水准器(图4-1)和圆水准器(图4-2),一般均采用烧制过的石膏固结 在水准器座上(图4-3)。为了提高气泡的衬度,在水准器底部垫一白纸或 涂以白漆,在两侧衬以黑纸。在地下或夜间使用的仪器,可以涂上夜光 材料,外加保护层。 如图4-2
4、如图4-3 四、水准器的国家标准 为了仪器制造、使用、维修上的方便,由一机部提出,国家标准计 量局发布了水准器的国家标准,代号为GBll4674(代替JB51064)。 现列出“基本参数,尺寸及系列”。以供参考。 圆形水准器:结构与基本参数标注见图4-4。尺寸及系列见表4-1。 如图4-4 长水准器:结构与基本参数标注见图4-5。尺寸及系列见表4-2。 水准器玻璃材料为温度计玻璃,九五灯工料或GG17玻璃。 水准器内填充的液体为精馏乙醇、乙醚或两者混合液。长水准器为 了保证一定的气泡长度,采用补偿式和隔室式等多种形式。 如图4-5 五、水准器格(角)值的测定方法 对于换配质量不明的或者经过剧烈
5、震动和温度剧烈变化的水准器 ,新出厂但长期存放过的仪器上的水准器,均应测定其格值,均匀性 ,气泡符合精度等,以便确定该仪器对某一等级测量工作的适应性。 测定格值的方法很多:如水准器检验仪法、脚螺旋法、竖盘直读法、 标尺法以及竖轴倾斜法(康司托克法)。方法不同,但其实质相同,即 要设法使待测水准器的气泡在使用范围内移动,同时把气泡移动时水 准器倾角的变化量求出,最后把移动的格数除以倾角的变化量,即水 准器的格值。 4.2 水准器灵敏度及其影响因素 一、灵敏度 水准器的灵敏度是指当气泡产生02毫米(01格)位移时,水准 器倾角的变化量,也就是说,当水准器倾斜一个很小的角度,气泡就 产生可察觉的位移
6、,这个角度愈小灵敏度就愈高。另外,从(4-1)式可 知 , 也就是说一般格值小(R大)时灵敏度高。灵敏度不仅取决于 水准器的格值,同时取决于气泡的长度,外界温度,内灌液体的性质 ,管子的材料及研磨的质量及方法等。下面分析这些影响因素及减少 其不良影响的措施。 二、灵敏度与气泡长度的关系 气泡长度是影响灵敏度的重要因素,气泡在玻璃管内要产生移动 ,必需克服液体对管壁的附着力,只有当气泡两端压力差值大于其附 着力时,气泡才会产生移动。对于格值相同的水准器,当水准器倾斜 角时,气泡长度较长(L2L1),气泡两端压力差就较大(可用气泡两端 高差h2h1近似表示之),也就愈容易产生移动,即灵敏度愈高。有
7、人 曾对一个质量良好的水准器(=16),用不同的气泡长度,在相同的外 界条件下进行了试验,得出如下结果: 气泡长长度(格)4 10 16 20 29 气泡置中中误误差(秒)1.4 0.6 0.4 0.3 0.2 从上表看出,气泡置中误差(m中)与气泡长度(L气)成反比,可用一近似 经验式表示: 式中,K为一随格值变化的系数,当=16时 K6。 三、气泡长度与温度的关系 水准器内灌注的液体为乙醇或乙醚等,都是冰点低而挥发性大的 液体,对温度变化非常敏感,当气温升高时,液体气体均产生膨胀, 因液体难于压缩,气泡由于它的可缩性与转化性,体积缩小,长度变 短了,因此灵敏度降低了。温度对气泡长度影响的大
8、小,取决于管内 液体和气体的比例,液体越多,温度变化对气泡长度的影响就愈大。 有人对不同格值的水准器进行了实际测定,其结果列于表4-4。 水准器格值值(秒)5 10 15 20 30 温度变变化1时时气泡长长度变变化量(毫 米) 1.0 0.8 0.6 0.5 0.4 另外,对一格值为16的水准器,当温度由0+30时,气泡长 度由25格17格,即气泡缩短了16毫米,置中误差增大了约50。为 了减少温度变化对气泡长度的影响,使水准器的置中精度比较稳定, 人们创造了不少行之有效的方法: (一)补偿式水准器 在水准器内加入一玻璃棒,或一玻璃管,也可用一瓦形玻璃片,其 目的在于减少水准器内所灌注的液体
9、。 (二)断面为椭圆形的水准器 一般水准器断面均为圆形,这在工艺上比较简单,近来有的仪器已 采用椭圆断面的水准器,如蔡司Ni 004精密水准仪。据计算,在截面积 相同的情况下,具有宽弧面的椭圆形断面,液体所占面积比圆形断面的 少。这样可以减小温度的影响,而不需要上述那根起补偿作用的玻璃棒 。此外,这种水准器在同一格值和同一气泡长度的情况下,比圆形断面 的灵敏度要高,主要原因是它的气泡大。这种水准器在结构上虽优于圆 形断面水准器,但加工工艺比较复杂,对其置中精度与扁率的关系以及 加工精度要求等还在探讨之中。 (三)隔室式水准器 结构如图46,将一水准器中间用一玻璃片 隔开,在隔片下开一孔,而形成
10、一个可调的气泡 储存室,“气室”在水准器工作范围以外,当气泡 变化时,可将水准器倾斜使气泡长度得到调节, 这种结构在使用时要进行较仔细的调节,过一段 时间后又要调,比较麻烦。在一些精密水准仪上 ,由于当时没有找到别的更简便的方法,气泡长 度又要求比较严格而采用了此种结构。 如图4-6 (四)胶合式水准器 上面所讨论的水准器,大都是采用玻璃管内壁研磨后,两头烧封的 ,在烧封的过程中,两端内壁的R发生变化而形成的“无用区段” (一般 每端有35毫米长),在两端的“无用区段”内都注满了液体,当气泡长 度(-40+60的平均长度)为水准器总长的三分之一时,水准器内腔 液体占93,气泡仅占7。为缩短这两
11、端的“无用区段”,现采用一种 胶合的所谓“多部件水准器”(图47)采用这种结构,气泡所占的体积由7 增至18,明显地减少了温度变化对气泡长度的影响。当温度由- 40变化至+60时,普通的全玻璃水准器的气泡长度(L)由37毫米5 毫米,而胶合式水准器则只由24毫米16毫米。 这种胶合式水准器两端的钢制密封零件同时也就是水准器的安放支 架,不再用石膏加以固定,又省下了埋在石膏中两端那段长度,也就缩 小了水准器的尺寸。这种水准器关键问题在于寻找牢固耐用的胶合剂, 过去所用的环氧树脂胶经过乙醇和乙醚长时间的泡蚀后,有脱胶现象, 现在采用一种新的合成树脂胶。 除在结构上改进外,在野外作业的过程中,也要尽
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