3.1角度测量原理及使用的仪器

1、角度测量原理（1）水平角测量原理水平角：是地面上一点到两目标的方向线投影到水平面上构成的夹角，也就是过这两方向线所作两铅垂面所夹的两面角。

如图3-1-1中β角所示。

图3-1-1 水平角测量原理测量水平角的仪器,须有一刻度盘和在刻度盘上读数的指标。

观测水平角时，刻度盘中心应安放在过测站点的铅垂线上，并能使之水平。

为了瞄准不同方向，仪器的望远镜应能沿水平方向转动，也能高低俯仰。

当望远镜高低俯仰时，其视准轴应划出一竖直面，这样才能使得在同一竖直面内高低不同的目标有相同的水平度盘读数。

（2）竖直角测量原理竖直角是同一竖直面内视线与水平线间的夹角。

其角值为0°～90°。

视线上倾斜，竖直角为仰角，符号为正。

视线向下倾斜，竖直角为俯角，符号为负。

如图3-1-1中αb、αc角所示。

竖直角与水平角一样，其角值也是度盘上两个方向读数之差。

不同的是竖直角的两个方向中必有一个是水平方向。

任何类型的经纬仪，制作上都要求，当竖直指标水准管气泡居中，望远镜视准轴水平时，其竖盘读数是一个固定值。

因此，在观测竖直角时，只要观测目标点一个方向，并读取竖盘读数便可算得该目标点的竖直角。

2、光学经纬仪光学经纬仪按精度分为：DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ15等五级。

D表示“大地测量”，J表示“经纬仪”，07、1、2、6和15分别表示该仪器一个测回方向观测中误差的秒值。

世界上的第一台光学经纬仪是瑞士Wild生产的，目前Leica(原Wild厂)生产的经纬仪按其精度划分的型号为：T4、T3、T2、T1、T16。

以秒为单位的一测回方向观测中误差分别为±0.5″、±1″、±2″、±6″、±16″。

工程中常用的光学经纬仪为DJ2和DJ6两种。

（1）DJ6级光学经纬仪构造及读数方法1）DJ6级光学经纬仪构造DJ6级光学经纬仪构造主要由照准部、水平度盘和基座三部分构成。

如图3-1-2所示。

1-望远镜制动螺旋2-望远镜微动螺旋3-物镜4-物镜调焦螺旋5-目镜6-目镜调焦螺旋7-粗瞄准器8-度盘读数显微镜9-度盘读数显微镜调焦螺旋10-照准部管水准器11-光学对中器12-度盘照明反光镜13-竖盘指标管水准器14-竖盘指标管水准器观察反射镜15-竖盘指标管水准器微动螺旋16-水平方向制动螺旋17-水平方向微动螺旋18-水平度盘变换手轮与保护盖19-圆水准器20-基座21-轴套固定螺旋22-脚螺旋（a）DJ6级光学经纬仪外部构造（b）DJ6级光学经纬仪内部构造图3-1-2 DJ6级光学经纬仪构造①照准部照准部包括：望远镜（用于瞄准目标，与水准仪类似，也由物镜、目镜、调焦透镜、十字丝分划板组成）、横轴（望远镜的旋转轴）、U形支架（用于支撑望远镜）、竖轴（照准部旋转轴的几何中心）、竖直度盘（用于测量竖直角，顺时针或逆时针刻划）、竖盘指标水准管（用于指示竖盘指标是否处于正确位置）、管水准器（用于整平仪器）、读数显微镜（用来读取水平度盘和竖直度盘的读数）、调节螺旋等。

②水平度盘水平度盘用来测量水平角，它是一个圆环形的光学玻璃盘，圆盘的边缘上刻有分划。

分划从按顺时针注记。

水平度盘的转动通过复测扳手或水平度盘转换手轮来控制。

我们实验中用的DJ6光学经纬仪使用的是度盘转换手轮，在转换手轮的外面有一个护盖。

要使用转换手轮的时候先把护盖打开，然后再拨动转换手轮将水平度盘的读数配置成我们想要的数值。

不用的时候一定要注意要把护盖盖上，避免不小心碰动转换手轮而导致我们的读数错误。

③基座基座用来支承整个仪器，并借助中心螺旋使经纬仪与脚架结合。

基座上有三个脚螺旋，用来整平仪器。

竖轴轴套与基座连在一起。

轴座连接螺旋拧紧后，可将照准部固定在基座上，使用仪器时，切勿松动该螺旋，以免照准部与基座分离而坠落。

2）DJ6级光学经纬仪的读数方法J6级光学经纬仪常用的读数设备有分微尺测微器和单平板玻璃测微器两种。

①分微尺测微器及其读数方法分微尺测微器的结构简单，读数方便，具有一定的读数精度，广泛应用于J6级光学经纬仪。

这类仪器的度盘分划度为1°，按顺时针方向注记。

其读数设备是由一系列光学零件组成的光学系统。

读数的方法：如图3-1-3所示，读数的主要设备为读数窗上的分微尺，水平度盘与竖盘上1°的分划间隔，成象后与分微尺的全长相等。

上面的窗格里是水平度盘及其分微尺的影象，下面的窗格里是竖盘和其分微尺的影象。

分微尺分成60等分，格值1′，可估读到0.1′。

读数时，以分微尺上的零线为指标。

度数由落在分微尺上的度盘分划的注记读出，小于1′的数值，即分微尺零线至该度盘刻度线间的角值，由分微尺上读出。

图示水平度盘读数为214°54′42″，竖盘度盘读数为79°05′20″。

图3-1-3 分微尺测微器读数装置②单平板玻璃测微器及其读数方法图3-1-4是单平板玻璃测微读数装置。

照明光线将度盘的分划经过平板玻璃以及测微尺，然后经过一系列的棱镜、透镜，最后成像在读数显微镜中。

如图所示中间是度盘的刻划和注记的影像，上面是测微尺的刻划和注记的影像。

当度盘刻划影像不位于双指标线中央时，这时的读数为92°+a，a的大小可以通过测微尺读出来。

首先转动测微螺旋使平板玻璃旋转，致使经过平板玻璃折射后的度盘刻划影像发生位移，从而带动测微尺读数指标发生相应位移。

这样，度盘分划影像位移量，就反映在测微尺上。

如图，将92°的度盘分划调节到双指标线的中央时，测微尺上的位移也是a。

仪器制造的时候，玻璃度盘被刻划为720格，每格的角度值为30′，顺时针注记。

当度盘刻划影像移动1格也即0.5°或30′时，对应于测微尺上移动90格，则测微尺上1格所代表的角度值为30×60″÷90=20″，然后还可以估读到测微尺1格的十分之一，即为2″。

如图3-1-4，在读数显微镜中我们可以看见3个读数窗口，其中下窗口为水平度盘影像窗口，中间窗口为竖直盘度影像窗口，上窗口为测微尺影像窗口。

读数时，先旋转测微螺旋，使相应度盘分划线中的某一个分划线精确地位于双指标线的中央，读出该分划线的度盘读数（如图为），不足30分和秒的读数部分从测微尺上读出（如图为），两个读数相加即为度盘的读数。

（）图3-1-4 单平板玻璃测微器读数装置（2）DJ2级光学经纬仪简介1）DJ2级光学经纬仪的构造及读数设备DJ2级光学经纬仪与DJ6级光学经纬仪构造上相似，但读数设备不同，如图3-1-5所示。

图3-1-5 DJ2级光学经纬仪DJ2级光学经纬仪有以下特点：①水平度盘与竖直度盘的像分别在读数显微镜中显现，在读数显微镜中一次只能看到水平度盘或竖直度盘一种影像.如果需要读取另一种影像需要转动换像手轮,换像手轮的指标符号指向水平位置，显现水平度盘的影像，指向竖直位置，则显现竖直度盘影像.②DJ2型光学经纬仪采用对径重合读数法，在DJ2型光学经纬仪的光学读数系统中，设置了一个固定光组和一个活动光组，活动光组与测微尺相连，入射光线经过一系列的透镜与棱镜的折射，将度盘直径两端的分划线的影象同时显现在读数显微镜的上下（左、右），度盘对经位置分划线的成像在同一平面内被一条横线隔开，分成正、倒两种影像。

由于DJ2型光学经纬仪采用对径重合读数法，读取度盘对径相差180°的两种读数，求取其平均值，可以消除照准部偏心和竖盘偏心所产生的误差，提高测角精度。

2）DJ2级光学经纬仪的读数读数的方法（如图3-1-6所示）：最初从读数显微镜中看到的影像，度盘的对径分划是错开的。

首先转动测微轮对齐上、下分划。

然后从左至右找一对注记，要求这一对注记正好相差180度。

这里要注意，正像的分划线在左边，倒像的分划线应该在右边。

所以找到的应该是202度和22度这一对分划，而不是23度和203度这一对分划。

（且要求这一对注记为相距最近的一对）从22度开始从左至右数格子，每一格为10分，一共5格，所以度盘窗口的读数为22度50分。

然后从测微尺窗口中读取分数和秒数。

前面我讲了，测微尺窗口有两部分注记，左边的代表“分”，右边的代表“十秒”，所以测微尺窗口左边的读数为6分，右边为读数为58秒，然后再估读一位，那么右边的读数为58.6秒，合起来测微尺窗口的读数为6分58.6秒。

最后将度盘窗口的读数与测微尺窗口的读数相加（22度56分58.6秒）就是最终的读数。

图3-1-5 DJ2级光学经纬仪图3-1-6 对径重合读数装置采用对径分划影像符合的读数方法，实质上是取度盘直径两端读数的平均值，这样可以消除度盘偏心误差的影响。

3、光学经纬仪的使用经纬仪的使用包括对中、整平、照准和读数四步。

①对中对中目的是使仪器的中心与测站点位于同一铅垂线上。

对中时，先目估三脚架头大致水平，且三脚架中心大致对准地面标志中心，踏紧一条架脚。

双手分别握住另两条架腿稍离地面前后左右摆动，眼睛看对中器的望远镜，直至分划圈中心对准地面标志中心为止，放下两架腿并踏紧。

调节架腿使气泡基本居中，然后用脚螺旋精确整平。

检查地面标志是否位于对中器分划圈中心，若不居中，可稍旋松连接螺旋，在架头上移动仪器，使其精确对中。

②整平整平是利用基座上三个脚螺旋使照准部水准管气泡居中，从而使竖轴竖直和水平度盘水平。

如图3-1-7所示，整平时，先转动照准部，使照准部水准管与任一对脚螺旋的连线平行，两手同时向内或外转动这两个脚螺旋，使水准管气泡居中。

将照准部旋转90°，转动第三个脚螺旋，使水准管气泡居中，按以上步骤反复进行，直到照准部转至任意位置气泡皆居中为止。

图3-1-7 经纬仪的整平③瞄准目标先调整目镜调光螺旋，使十字丝清晰。

用瞄准器初步找到目标，再调整物镜调光螺旋，使目标清晰。

并用十字丝的双竖丝夹住目标或单竖丝平分目标。

如图3-1-8所示。

图3-1-8 瞄准目标④读数：在读数窗里读取度盘读数。

2、电子经纬仪（1）电子经纬仪的特点电子经纬仪与光学经纬仪的根本区别在于它用微机控制的电子测角系统代替光学读数系统。

电子经纬仪构造如图3-1-9所示，其主要特点是：1）使用电子测角系统，能将测量结果自动显示出来，实现了读数的自动化和数字化。

2）采用积木式结构，可和光电测距仪组合成全站型电子速测仪，配合适当的接口可将电子手簿记录的数据输入计算机，以进行数据处理和绘图。

图3-1-9 电子经纬仪构造（2）电子经纬仪的测角原理目前，大部分电子经纬仪都采用三种测角系统，分述如下：1)编码度盘测角系统编码度盘类似于普通光学度盘的玻璃码盘，在此平面上分着若干宽度相同的同心圆环，而每一圆环又被刻制成若干等长的透光和不透光区，这种圆环称为编码度盘的“码道”。

在码道数目一定的条件下，整个编码盘可以分成数目一定、面积相等的扇形区，称为编码盘码区。