仪器误差对经纬仪水平角测量精度的影响

摘要：经纬仪是用来测量水平及竖直角度、测量点与竖轴距离的重要工具。测量中受人、机、法、环等因素影响，测量结果会有偏差。为保证测量结果的准确有效，应挖出误差的根源，研究其控制措施和消减办法。水平角测量误差主要有仪器误差、观测误差和外界条件引起的误差。文章就仪器误差的成因、控制、消除进行了探讨。

关键词：经纬仪；水平角测量；测量精度；仪器误差；三轴误差 文献标识码：A

中图分类号：TH761 文章编号：1009-2374（2015）14-0081-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.040

仪器的制造和安装不论如何严格要求，也不可能百分之百地达到仪器各部件及其相互几何关系的要求，伴随使用中的磨损、变形及外界因素的影响，测定结果不可避免地存在误差，这就是所谓的仪器误差。

三轴误差（视准轴误差、水平轴倾斜误差、垂直轴倾斜误差）、照准部旋转误差以及分划误差（水平度盘分划误差、测微盘分划误差）、光学测微器行差共同组成仪器误差。本文将主要阐述和分析仪器误差的成因、控制措施和消减办法。

1 三轴误差的影响

1.1 视准轴误差

产生视准轴误差的原因是安装和调整不规范，望远镜的十字丝中心不在正确的位置，视准轴与水平轴不正交而产生的。另外，视准轴位置也会因温度的差异引起变化，造成视准轴误差。

视准轴误差对观测方向值的影响，在望远镜纵转前后，大小相等，符号相反。因此，可利用取盘左与盘右的平均数消除。

1.2 水平轴倾斜误差

水平轴倾斜误差是在水平轴与视准轴正交、垂直轴与测站铅垂线一致的前提下，仅由于水平轴与垂直轴不正交使水平轴倾斜一个小角造成的。

水平轴倾斜误差出现的原因：未按规范正确安装、调整仪器，造成仪器水平轴两支架不等高或轴两端的直径不等。

在盘左、右读数中，取平均值来消除水平轴倾斜误差对观测值的影响。

1.3 垂直轴倾斜误差

仪器三轴间关系均已符合要求时，仪器水平未严格整置，使仪器垂直轴和测站铅垂线间有一个微小的偏离角度，称垂直轴倾斜误差。结果视准轴（与水平轴正交）也偏离了正确位置，在其绕水平轴俯仰时的照准面形成了倾斜照准面，而不是要求的垂直照准面，造成了水平方向观测的误差。该误差不像水平轴倾斜误差通过盘左盘右观测取平均能抵消，要仔细整平。

2 照准部旋转误差

在观测过程中仪器转动可能产生一些误差。

2.1 弹性带动误差

轴套和垂直轴间存在摩擦力使照准部转动时，仪器的基座局部出现弹性扭转，水平度盘因摩擦力被带动发生微小的方位变动。需要克服轴与轴套间互相的惯性阻力，弹性带动主要发生在照准部转动起始时，照准部转动过程中，摩擦力较小。故而照准部右转（左转）时，水平度盘向右（向左）被带动一个微小的角度，导致读数偏小（偏大），给观测带来系统性影响。

图1

消除其影响的方法是：保持照准部在半测回中旋转方向不变，照准各个目标测量误差的符号相同，大小基本相等，可定值消除各方向组成的角度值误差。三角观测中规定，在一测回中保持照准部旋转方向不变。如图1，观测目标A、B夹角，假如目标A在上半测回先照准，随后按同一旋转方向转动照准部照准目标B。目标B在下半测回先照准，然后按同一旋转方向旋转照准部照准目标A。上、下半测回测角分别是、360°-，上、下半测回中照准旋转方向保持一致，误差影响基本相同，可以使用取上、下半测回的角度值的平均数的方法基本上消除此种误差影响。

2.2 脚螺旋的空隙带动

存在螺纹制造的误差，转动照准部时，脚螺旋杆初始转动时有些微距离的空程。这样在观测过程中，基座连同水平度盘因空行程产生方位的微小偏差，使观测结果与实际值不一致。这种方位的微小偏差就是脚螺旋空隙带动。

显而易见，脚螺旋空隙带动存在对改变照准部旋转方向后照准的第一个目标影响最大。以后各方向的观测中照准部保持旋转方向不变，对结果的影响逐渐减小。降低这种误差影响的方法是：开始照准目标前，预先按预定旋转方向转动照准部1～2周后进行观测；在一测回或半测回中，照准旋转方向始终不变。

2.3 水平微动螺旋的隙动差

水平微动螺旋的隙动差：旋退水平微动螺旋照准目标时由于水平微动螺旋弹簧的强度衰减或污渍影响，螺旋杆端就出现微小的空隙，在读数过程中弹簧逐渐伸张消除空隙，视准轴偏离目标，给读数造成偏差。

减弱其影响的方法是：工作前，为消除隙动差需转动水平微动螺旋向压紧弹簧方向压紧。当水平微动螺旋旋进时，望远镜所指方向将向左移动，无论旋向如何，在望远镜纵丝左侧少许发现目标，望远镜成倒像，目标实际在纵丝的右侧，然后用水平微动螺旋旋进照准目标。另外，要尽量使用水平微动螺旋的中间段，需开始每一测回前，应确认微动螺旋处于中间部位。

3 水平度盘分划误差

如果度盘分划线的位置不正确，通过在水平度盘上的分划读数求得水平方向或水平角的观测值的准确度将受到影响。误差产生的原因和特性的不同，水平度盘分划误差可以划分以下三种：

3.1 分划偶然误差

水平度盘在机械刻度时，由于加工误差和环境影响，使刻度机在度盘上刻出分划线时出现或偏左或偏右无规律的变化，为分划偶然误差。它的大小在±0.20″～±0.25″以下。分划偶然误差通过在多个的度盘位置上多次观测读数，可较好地抵偿这种误差

影响。

3.2 长周期误差

刻度盘与刻度机标准盘的旋转中心不同轴、面不平行，标准齿盘有形位误差等，刻出的度盘分划线存有以水平度盘全周为周期、规律性变化的系统性误差，此误差称为分划长周期误差。其大小可达±2″。该误差的最重要特点是，在一个周期内，一半正值，一半负值，总和为零。

3.3 短周期误差

分划短周期误差是因刻度机的扇形轮和涡轮有偏心差、齿距误差，刻出的度盘分划线形成以度盘一小段弧为周期，且在度盘全周上重复出现、变化规律的系统误差。其大小可达±1.0″～±1.2″。

4 光学测微器行差

当度盘分划像移动半格时，测微盘转动的理论格数与测微盘实际转动格数之差就是测微器行差，这只是表象。我们知道，在测微器读数窗中看到的度盘分划影像是由显微镜将度盘加以放大后形成的。测微器行差实质上是由显微镜物镜位置不当而产生的。另外，如果度盘对径分划经过不正确的光路，将使正像和倒像分划的宽窄不相等。

造成物镜位置不正确的原因是：安装和调整不当及外界因素的影响。因此，当测微器行差超出规定时，就要由仪器修理人员调整测微器物镜的位置。

综合以上分析可以归纳出：测量工作受仪器本身误差的影响很大，但都有一定的规律，只要善于掌握和遵守水平角观测操作的基本规则，并通过合理必要的纠偏措施，绝大部分误差的影响是可以消除或减弱，甚至是可以避免的。

参考文献

[1] 翟翊，等.现代测量学[M].北京：解放军出版社，2003.

[2] 李峰，等.建筑施工测量[M].上海：同济大学出版社，2010.

[3] 徐育康，等.测量学[M].北京：解放军出版社，1999.

作者简介：姚坡元（1975-），男，山东济宁人，供职于济宁技师学院，硕士，研究方向：机械制造及其自动化。

（责任编辑：秦逊玉）