垂准仪使用和校核

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1、垂准仪使用和校核垂准仪是以重力线为基准，给出铅垂直线的光学仪器。可用来测量相对铅垂线的微小水平偏差、进行铅垂线的点位转递、物体垂直轮廓的测量以及方位的垂直传递。它主要用于高层建筑施工、高塔、烟囱、高塔的施工、发射阱、架、大型柱形机械设备的安装，大坝的水平位移测量，工程监理和变形观测等场合。垂准仪的使用渗透到国民经济建设和军工制造领域的方方面面，近年来，随着国民经济的快速发展，对垂准仪的需求越来越大，对垂准仪的精度要求也越来越高，出厂和使用过程中的垂准仪都需要校准和调校，只有这样才能给施工建设提供一个可靠的标准，否则，使用一台误差过大或

2、已经损坏的垂准仪将对建筑、工程产生非常致命的打击。垂准仪是一个新型仪器，2002年国家质量监督检验检疫总局出台了一份校准规范《JJF1081-2002垂准仪校准规范》以下简称规范。笔者发现在垂准仪校准过程中还存在若干问题值得进一步探讨。从垂准仪的定义可知，垂准仪是给出铅垂基准的仪器，它的性能优劣、质量好坏直接取决于它所指示的这个铅垂光线的铅垂度。如果与理想的铅垂线相差太大（指示了一根很歪的垂线）就不能达到工程精度的要求，这样的垂准仪就不能再使用了。所以垂准仪的出厂和使用中应当校准其指示光线的铅垂度。但是现在国内外垂准仪产品的出厂指标和

3、规范中校准指标中并没有关于铅垂度的相关内容。而且一些人将垂准仪“机械轴与激光轴的同轴度”和“一测回垂准测量标准偏差”误认为是铅垂度的体现，认为只要这两个指标合格的话就能够保证仪器的铅垂度。这些问题都需要细致的分析垂准仪的原理和结构才能判断。一、       机械轴与光轴的同轴度如图1所示，为长水泡型垂准仪的机构原理图。图中所示的垂准仪同时具有光学视准轴和激光光轴（以下统称光轴），它们共用同一套光路。当分划板和激光器正好安置到理论位置的时候，此时光轴与仪器的机械轴同轴，实际中因为安置误差的存在，就使得仪器的光轴与机械轴不同轴，这就是机械

4、轴与光轴的同轴度问题。如图2所示，机械轴与光轴轴成a角度，在转动机械轴的过程中，垂准仪光轴的扫过的轨迹成一个以机械轴延长线为轴线，以2a为顶角的圆锥，同轴度越好即a角越小这个圆锥就小，当a＝0º时，机械轴与光轴同轴，此时圆锥也缩为一根直线，这是理想状态。                        垂准仪正是通过水泡或补偿器将竖轴确定为“铅垂”然后通过光轴指示的，但是不论是水泡型还是补偿器型垂准仪，其设计原理就存在误差，这就使得其竖轴不可能为完全铅垂。以长水泡型垂准仪为例，来说明这个问题。长水泡的置平精度较低，而且置平过程中人为因素

5、影响较大，按一般经验水泡左右相差半格就算是达到置平要求。所以竖轴不可能被定位到标准的铅垂线，它总与标准铅垂线有一定的夹角。即使通过旋转的方法得到光轴的中心线的办法来提高垂准仪的指示铅垂的精度，但是从图3中可以看到，这根中心线在最理想的情况下就是垂准仪的机械轴的延长线，所以通过旋转和改善同轴度方法并不能保证仪器的铅垂度。 总上，由于垂准仪置平精度的原因，机械轴与标准铅垂线始终有一定的夹角，这个夹角表征了垂准仪机械轴的铅垂度，这只由仪器的置平精度来决定，而不受机械轴与光轴的同轴度大小的影响。二、一测回垂准测量标准偏差在规范中测量一测回垂准

6、测量标准偏差的方法是：将垂准仪按对径180º测量其十字丝所在的位置，然后取两次值的平均，这样就得到这根对径线的中心位置（从上面的讨论可知这个中心对应的是机械轴延长线的位置），这是一个测回。然后每旋转垂准仪45º，重复以上操作，共测四个测回，这样就得到了四个中心点，这四个中心点表示的是垂准仪的机械轴相对于基座在不同位置时机械轴延长线的位置。如果垂准仪的机械轴系十分理想的话，从上面的讨论可知，光轴将绕机械轴画标准的圆锥（因机械轴与光轴不同轴），其横截面是规则的圆。如图4（a）所示，四根对径线的中心重合在一点，这是最理想的状态。实际中的轴系

7、总存在一定的加工误差和间隙，而且旋转过程中总免不了震动，所以在转动竖轴的过程中，这个横截面将不再是标准的圆，将呈现如图（b）所示的状态，这样四根对径线的中心将不再重合。规范中对测得的对径中心点计算标准偏差得到了一测回垂准测量标准偏差。所以可知一测回垂准测量标准偏差反映的是垂准仪机械轴或补偿器的稳定程度。当轴系配合较差，轴系加工精度较粗糙的情况下，就有会出现较大的标准偏差。即使是如图4（a）所示的理想状态，仍然不会对竖轴和光轴的铅垂度有任何的贡献。 总上，垂准仪的机械轴与光轴的同轴度和一测回垂准测量标准偏差这两个指标都不能体现仪器的铅垂

8、度。对垂准仪这个最根本的技术要求必须要有一个特定的指标来表征。三、仪器的铅垂度――铅垂i角与水准仪的水平i角类似，我们定义表征垂准仪的铅垂度的指标为“铅垂i角”。如图5所示。垂准仪指示的“铅垂线”与标准铅垂线的夹角定义为