第6章 精密距离测量.ppt

第六章 精密距离测量,6-1 概述6-2 精密距离测量的等级与精度评定6-3 精密距离测量仪器及方法6-4 精密光电测距方法6-5 实例介绍,精密距离测量应用广泛。例如，为了保证高能粒子在接近光速的飞行中与导流束管壁不发生碰撞，要求两相邻电磁铁的径向相对误差不超过(0.10.2)毫米；在直线加速器中，漂移管的横向距离精度要求达到(0.50.3)毫米；大型射电天文望远镜的安装、人造卫星和导弹的发射轨道、高速磁浮铁路建设、大型建筑物和设备的形变监测、地壳运动和地震的监测等等，都要求测距精度达到毫米或亚毫米级。,6-1 概述,精密测距的新仪器和新方法不断涌现。例如：用专制的因瓦杆尺、线尺进行测距和位移测量，精度可达0.02毫米；高精度的电磁波测距仪，特别是双色激光测距仪，1公里的测距精度可达0.2毫米；全球定位系统的空间测量技术，测量地面上相互不通视的两点距离的相对精度为百万分之0.5，即测量相距10公里的任意两点之间的距离精度为5毫米；多普勒频移效应测定位移的双频激光干涉仪的精度可高达0.5微米米，成为最精密的长度测量仪和精密测距中最重要的长度基准。,6-1 概述,6-1 概述,1973年瑞士Kern公司 ME3000测距仪:20m3km：0.2+1ppm1986年瑞士Kern公司 ME5000测距仪:20m8km：0.2+0.2ppm芬兰：维塞拉光干涉比长仪：6m400m 采用光干涉法进行精密长度测量 精度达到：0.030.05mm美国HP公司激光干涉仪 60m以内精度达到：0.01mm,高精度的精密距离测量和距离变化的测定，主要有以下几种方法：机械的测距方法（线尺和标尺）利用调制光的光电测距技术 电子机械测量方法。其中包括伸长计、应变计等 干涉测量法GPS精密基线测量法,6-1 概述,精密距离测量的等级与精度的具体确定，应根据精密工程项目的特点、精度指标、水平控制网的用途、目的等因素，综合分析，对照上表的规定选取。,6-2 精密距离测量的等级与精度评定,1）单向观测距离的精度评定 根据测距误差源的大小估算测距精度。测距中误差经验公式:,边长测距中误差的计算方法:,式中:A-固定误差,mm;B-比 例 误 差系数，mm/km;m1-加常数测定误差，由检定证书中给出;m2-相位均匀性误差，由检定证书中给出;m3-周期误差测定中误差，由检定部门给出;m4-对中误差；m5-每一距离观测结果的算术平均值的中误差：m6-乘常数测定中误差，由检定部门给出；m7-折射率计算公式误差，一般取值为0.210-6；m8-精测频率的漂移和测定相对中误差;m9-气象代表性误差，与大气状况和测线通过的地形、地表覆盖物有关,2）对向观测距离的精度评定 一次测量的中误差（利用测回间的差，dF为测回平均值的差）对向观测的平均值中误差：相对中误差:,边长测距中误差的计算方法:,6-3 精密距离测量仪器及方法,嵌合尺测距杆尺测距自动测距仪（distinvar）测距（因瓦线尺）24m因瓦线尺测距ME500精密测距仪测距精密全站仪双频静态全球定位仪,1）嵌合尺测距,功能：嵌合尺主要用于工艺设备安装的精密定位。精度:可达0.03 0.05mm。嵌合尺双丝的宽度为0.2mm，刻线误差不大于0.002mm，配用的钢丝直径为0.2mm。测量时，由读数显微镜读取偏差值，偏差值小于0.05mm时取中数调整。,测量长度,2）杆尺测距,功能：杆尺主要用于精密丈量短小距离。可丈量工程设备上的 基准点到控制点之间的线段以及控制网中的短小距离。精度:0.01mm 杆尺有以下两种类型：(1)两端点设有分划尺；(2)一端点设有分划尺,(1)两端点设有分划尺；,2读数显微镜；3杆尺；4保护筒；5杆尺的分划尺,(2)一端点设有分划尺:,杆尺制作：,杆尺由膨胀系数极小的因瓦合金或石英玻璃材料，精确加工制成具有一端点分划尺或两端点分划尺的杆尺。分划尺的分划值为1mm，刻线粗度为0.015 0.020 mm，任何一根刻划线相对于零分划线的位置误差不得超过0.005mm；端点分划尺的另一端要配强制对中轴柱，中间应有置平用的水准器。,测量要求：根据待测的长度，设计制成相应长度的杆尺使待测长度为杆尺的整倍数，对于精密距离测量一级精度要求，用2m以内的杆尺丈量时，不超过三个尺段，用24m的杆尺丈量时，不超过二个尺段。利用杆尺丈量时，待测边长应设在同一高程面上。边长应往返丈量。利用杆尺丈量直伸三角形的高时，要配置专用的引张设备，用0.2mm直径的钢丝，标定三角形长边的方向。观测边长在3050m内时，气流对钢丝的侧面速度不应超过0.1m/s，边长在30m内不超过0.2m/s。杆尺在丈量前、后必须进行尺长检定，尺长检定中误差不得超过0.010mm，测前、测后标定值之差不应超过0.020mm。,丈量距离的计算公式,一端点设有分划尺的杆尺：,式中：S(h)-每尺段距离；a1、b1-前标志上显微镜分别在标志十字丝交点上和在分划尺上的 相应读数；a2、b2-后标志上读数显微镜分别在标志十字丝交点上和在分划尺 上相应读数；sk-杆尺分划间的检定长度；t-杆尺温度改正数。,两端点设有分划尺的杆尺：,杆尺量距的技术要求：,一测回读数间互差超限时，重测二次读数，舍去最大和最小值后，若仍超限，应重新观测该测回。测回间互差超限时，重新观测二测回。往返测边长互差超限，应分析原因后重新观测。精度评定：利用测回间的差按下式计算测距中误差：,式中：d测回平均值的差，mm；nd的个数。,3）自动测距仪（distinvar）测距,功能：自动测距仪可用来精密丈量0.450m的边长距离。精度：读数内符合精度0.01mm,测量中误差0.05mm,自动测距仪结构组成 和测距原理,自动测距仪由三部分组成：带有插入式配件的1.65mm因瓦线尺、固定的基准点和测量仪器。,因瓦线尺,式中：x仪器探头读数值；Lo因瓦线尺的检定长度；t作业时温度；to检定时温度。,自动测距仪观测长度的计算公式：,自动测距仪精密丈量的作业要求：,自动测距仪精密丈量，观测四测回，往返各二测回，返测时仪器设备互换位置，一测回读数四次；作业时温度要求在以t050C内（t0为检定时温度）。作业前、后对所用的因瓦线尺应作长度检定，检定误差不应超过0.5S（m）。（S为因瓦线尺的长度，以m为单位）。前后两次检定之差不应超过1S（m）。自动测距仪精密丈量的技术规定,4）distometer测距仪,功能：机械式测距仪，可用来精密丈量50m以内的边长距离。精度：小于20m测距时,精度0.02mm,大于20m测距时,精度10-6,5）24m因瓦线尺测距,因瓦线尺为一等基线尺，标准长度24m,刻划线粗为1520（m），长距离可由多根组合量具。要求任何一根刻划线相对于零分划线的位置误差不得超过5m，温度变化1时，线尺每1m的伸缩不超过0.5m。距离丈量时，由不同温度系数的二条一等基线尺，分别往返丈量。轴杆架之间高差用DS1型水准仪的及有正副尺的1m轻便水准尺进行往返测定。端点之间的距离最好为24m的倍数，不得已才使用补尺，。,24m因瓦线尺丈量距离的计算公式：,24m因瓦线尺精密丈量的技术规定:,精度评定方法：可按下面的公式计算测距中误差 式中：d两根尺往返丈量中数的差数；n差数个数。,）精密光电测距仪测距,精密光电测距仪器有：Kern ME3000激光测距仪 0.2mm+1.0ppm Kern ME5000激光测距仪 0.2mm+0.2ppm Leica DI1000红外光测距仪 1.0mm+1.0ppm Leica TC2003精密全站仪 1.0mm+1.0ppm Leica TCA2003精密自动全站仪 1.0mm+1.0ppm Leica TM30/TS30精密自动全站仪 0.6mm+1.0ppm Trimble S6/S8精密自动全站仪 1.0mm+1.0ppm SOKKIA NET05精密自动全站仪 0.8mm+1.0ppm,）精密光电测距仪测距,Kern ME5000激光测距仪,）精密光电测距仪测距,Leica TCA2003,SOKKIA NET05,光电测距仪厂家均提供测距仪标称精度，在精密距离测量前，应根据提供的每公里测距中误差 mD，选择测距仪。三级精密距离测量，mD1mm；四级精密距离测量，mD 3mm。,6-4 精密光电测距方法,加常数和乘常数的检验（测前、测后检验）周期误差的检验 发射、接收、照准三轴关系的正确性的检验与调整；发光管光相位不均匀的检验；幅相误差的检验；棱镜常数的检验；内部符合精度的检验；精测频率的检验。,光电测距仪的检验项目,测距前，应先将仪器、气压表、温度计打开，与外界条件相适应15分钟后再观测。温度计宜采用刻划为0.2通风干湿温度计，气压表宜选用空盒气压表。在测距始末，分别在测线两端点上测定干温、湿温和气压，温度读至0.1，气压读至0.1hPa。量取仪器高和棱镜高，读至毫米；测距边两端点的高差，用二等水准测量或相当精度的其他方法测定。应在大气稳定和成像清晰的气象条件下进行距离测量。测距时，严禁有另外的反光镜位于测线或测线延长线上，步话机暂时停止通话；晴天作业时，应给测距仪、棱镜打伞；一、二级精密距离时应进行“边频”同测。频率计精度应不低于1Hz。,光电测距仪的作业要求,通风干湿温度计,空盒气压表,光电测距仪精密距离测量的技术要求,光电测距仪精密距离测量采用往返（或二光段）观测，往返（或每光段）各观测二测回。一测回照准目标一次，读数四次。测回间应重新照准目标。当一测回中读数互差超限时，整测回重测。测回间互差超限时，重新观测二测回。往返测或光段间互差超限时，重测单方向的距离，重测超限时，应重新观测往返两个方向的距离。光电测距仪观测的各项限差,按往返观测之差进行测距边的精度评定：单位权中误差 式中：d各边往返测距离之差；n测距边数；p各边距离测量的先验权，令；测距的先验中误差。任一边的实际测距中误差 pi第i边距离测量先验权。如网中的边长相差不大，可用平均测距中误差:,测距精度评定,仪器常数改正加常数改正DC=C乘常数改正DK=KS（S为观测距离m）（C、K 为仪器检测结果，送检提供）气象改正式中：no 仪器气象参考点上的折射率，由仪器设计给出；ng 作业气象条件下（干温T1、湿温T2、气压P）实际的群折射率，按仪器说明书指定的公式计算。通常测距仪说明书中直接给出作业气象条件下的改正公式：Dn=A(T1,T2,P)S注意：精密全站仪有、项改正设置，测量时应注意OFF/ON,光电测距边长的计算方法,周期误差改正 DA=Asin0+(2S/)360 式中：A 周期误差的振幅，m；(由检定给出)0 周期误差的初相角，度；(由检定给出)测距仪精测调制波长，m；频率改正 Df=(f0-f测)/f测S 式中：f0测距仪的标称（或显示）测距频率，Hz；f测频率计测定的测距频率，Hz；,光电测距边长的计算方法,光电测距边长的计算方法,改正后的边长:D=S+DK+DC+DA+Df+Dn 边长改正完成后再进行:倾斜改正(采用二等水准测量或精密三角高程)投影改正,距离投影改正:将距离投影到大地水准面或施工区平均高程面 水平距离向椭球面的化算 D=D（1+Hm/R)-1 Hm：两中心高程均值 椭球面距离向高斯平面的化算 d=(ym2/2R2)D ym：两端点高斯横坐标自然值的均值 D=D+d 注意：精密全站仪有投影改正设置，测量时应注意OFF/ON,仪器常数（K，C）测定误差 气象参数测定误差 对中误差 照准误差 调制频率误差 周期误差 测相误差 光速误差,光电测距的误差来源,光电测距的几个概念,仪器标称精度(A+BD10-6)mm 或(Amm+Bppm)仪器固定误差 A 仪器比例误差 B 仪器加常数 C 仪器乘常数 K 仪器加常数误差 Mc 仪器乘常数误差 Mk,6-5 实例介绍精密距离测量 琅琊山抽水蓄能电站大坝变形监测监测网,网形结构：9个点，边角全测网；网的精度：二等专用平面控制网；测距精度：三级精密距离测量，mD1mm观测要求：首次进行2次重复测量。观测仪器：瑞士Leica TCA2003智能型全站仪；标称精度：测边为1mm+1ppm；测角为0.5；测量模式：采用全站仪ATR（自动目标识别及定位）功能和开发的自动测量系统，由仪器自动观测，自动限差检验。记录方式：仪器自动记录，储存在随机的PCMCIA卡中。,1）概况,6-5 实例介绍精密距离测量 琅琊山抽水蓄能电站大坝变形监测监测网,观测方法：全网共25条边，均对向观测。每条边单向观测4测回，每测回读取4组数据。测站限差设置：一测回4次读数间较差2mm；4测回中数较差2.5mm；往返测较差环境量测量（同时进行）：测站：干温、湿温、气压、仪器高镜站：干温、湿温、气压、棱镜高观测注意事项：选择呈像清晰的天气观测；,2）边长外业观测,下载PCMCIA中的观测资料至计算机中；然后保存原始电子记录手簿，另将数据格式的边长观测结果转换成文本格式原始观测手簿；,LS1,16,4,0.235DistanceStart2004.11.4,15:0:49,TCA20031,LE5,1014.7410,0.2332,LE5,1014.7411,0.00003,LE5,1014.7410,0.00004,LE5,1014.7413,0.00005,LE5,1014.7411,0.00006,LE5,1014.7411,0.00007,LE5,1014.7412,0.00008,LE5,1014.7410,0.00009,LE5,1014.7412,0.000010,LE5,1014.7411,0.000011,LE5,1014.7411,0.000012,LE5,1014.7412,0.000013,LE5,1014.7410,0.000014,LE5,1014.7410,0.000015,LE5,1014.7409,0.000016,LE5,1014.7411,0.0000Distanceend2004.11.4,15:2:44,TCA2003DistanceStart2004.11.4,15:2:44,TCA20031,LE3,597.6285,0.23952,LE3,597.6285,0.00003,LE3,597.6284,0.00004,LE3,597.6284,0.00005,LE3,597.6284,0.00006,LE3,597.6284,0.00007,LE3,597.6284,0.00008,LE3,597.6284,0.00009,LE3,597.6284,0.000010,LE3,597.6284,0.000011,LE3,597.6285,0.0000,光 电 测 距 记 录 计 算 表 仪器型号:TCA2003 加常数:1.03 mm 乘常数:-2.16 mm/km 边 号:LE1 LE2开始时间:11月 5日 9时15分 天气:晴 成象:清晰 测站镜站 干 温 湿 温 气 压 仪高镜高 高 程 LE1 19.2 15.8 998.7 0.2340 196.5890 LE2 17.4 13.6 998.4 0.2350 201.0760 中 数 18.30 14.70 998.55 天顶距 未 测 观测读数 1 2 3 4 测回中数 869.2590 869.2588 869.2590 869.2590 869.25895 测 869.2591 869.2589 869.2590 869.2590 869.25900 回 869.2592 869.2590 869.2592 869.2590 869.25910 数 869.2590 869.2590 869.2591 869.2591 869.25905 各测回中数 大气改正 周期改正 倾斜改正 投影改正 改正后平距 869.25715 0.00900 0.00000-0.01159-0.00533 869.24923 结束时间:11月 5日 9时28分 观测者:喻常华 记录者:自动记录 检查者:张雪林 注:表中各项改正包括气象、周期误差、倾斜和投影改正。投影面高程H=160，曲率半经R=6368520，两差改正系数K=.14。,3）观测边长的改正计算,边长改正项目：仪器加、乘常数改正；气象改正；周期误差改正；斜距改平；投影改正（投影至160m吴淞高程面上）。边长的斜距改平及投影改正必须知道边长两端点的精确高程，由于9个测点中只有LS3和LS4能通过水准引测高程，其它点只能用三角高程法传递，而三角高程计算也需要用到边长，因此边长改正计算按初算和精算两步进行。,3）观测边长的改正计算,第一步初算：三角高程法 由已知高程（LS3和LS4）+观测边长+天顶距 近似高程（其它7点）由近似高程进行斜距改平 近似边长。第二步精算：近似边长+方向观测值 平面近似坐标；已知高程+平面近似坐标+近似边长+天顶距观测值 进行严密的三角高程网平差 精确高程值（其它7点）；取2次测量均值作为网点的精确高程值；边长的精确改平及投影改正计算。,3）边长观测资料改正计算,4）内业资料整理及计算,测段数据汇总及边长往返较差比较：应满足,测距中误差计算：满足上式表明边长观测结果 合格。,4）内业资料整理及计算,