第二环节——光学仪器结构分析

一．实验概况

实验时间：20##年7月13日上午

实验地点：合肥工业大学仪器学院平房实验室

指导老师：纪峰

实验要求：掌握经纬仪的使用方法，了解光学经纬仪的内部结构

二．实验内容

（一）仪器简介

经纬仪,是测量工作中的主要测角仪器。经纬仪由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成。测量时，将经

纬仪安置在三脚架上，用垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上，用水准器将仪器定平，用望远镜瞄准测量目标，用水平度盘和竖直度盘测定水平角和竖直角。经纬仪按精度分为精密经纬仪和普通经纬仪；按读数设备可分为光学经纬仪和游标经纬仪；按轴系构造分为复测经纬仪和方向经纬仪。此外，有可自动按编码穿孔记录度盘读数的编码度盘经纬仪；可连续自动瞄准空中目标的自动跟踪经纬仪；利用陀螺定向原理迅速独立测定地面点方位的陀螺经纬仪和激光经纬仪；具有经纬仪、子午仪和天顶仪                                                             图2-1 经纬仪                      三种作用的供天文观测的全能经纬仪；将摄影机与经纬仪结合一起供地面摄影测量用的摄影经纬仪等。

经纬仪是望远镜的机械部分，使望远镜能指向不同方向。经纬仪具有两条互相垂直的转轴，以调校望远镜的方位角及水平高度。此类架台结构简单，成本较低，主要配合地面望远镜（大地测量、观鸟等用途）使用，若用来观察天体，由于天体的日周运动方向通常不与地平线垂直或平行，因此需要同时转动两轴并随时间变换转速才能追踪天体，不过视场中其它天体会相对于目标天体旋转，除非加上抵消视场旋转的机构，否则不适合用於长时间曝光的天文摄影。但由于电子科技的发展，上述问题已获得解决，而且经纬仪使望远镜指向不同方向时的空间姿态改变最小，因此不少专业天文台的大口径望远镜均使用经纬仪，以减轻由机械变形所引起的精度下降。甚至一些天文爱好者自制的专门用于低倍率目视观测的天文望远镜，在一些建设项目的工地上，我们会经常看到一些技术人员架着一台仪器在进行测量工作，他们所使用的仪器就是经纬仪。经纬仪最初的发明与航海有着密切的关系。在十五、十六世纪，英国、法国等一些发达国家，因为航海和战争的原因，需要绘制各种地图、海图。最早绘制地图使用的是三角测量法，就是根据两个已知点上的观测结果，求出远出第三点的位置。但这样绘出的地图与实际地形，往往有一些差距。经纬仪的发明，大大简化了测量和计算的过程，也为绘制地图提供了更加精确的数据，后来经纬仪被广泛地使用于各项工程建设的测量上。经纬仪包括基座、水平度盘和照准部三个部分。基座用来支撑整个仪器。水平度盘用来测量水平角。照准部上有望远镜、水准管以及读数装置等等

（二）经纬仪的特点：

1.   望远镜采用内调焦系统（J6E为正向内调焦系统，J6为反向内调焦系统），主物镜为三片分离型结构。分划板设有双丝和单丝，便于找准不同目标，水平和垂直分划丝上均有供测距用的视距丝。望远镜孔径大，鉴别率高，成像清晰，用于观测远近目标均适宜。

2.   度盘读数采用光学带尺读数系统，在同一视场内可同时读取水平角和天顶距，并公用一个照明系统，使用方便，读数快速、精确。

3.   对点器小型望远镜，用于对地面点进行观测，其物镜可随照准部转动；易于发现和消除对点误差，仪器还附有垂球，便于在不同条件下的对点工作。

4.   竖轴采用强制定心球面导轨滚珠制成的半运动式轴系，定向及置中精度高，对温度不敏感，不易卡死。由于强制定心和大型球面滚珠制成的摩擦力矩较大，运转时有轻微“沙沙”生，但绝不影响使用。

5.   基座内设有防偏扭簧片，通过此簧片将基座上、下体作半刚性联结，可防止扭转，消除偏扭误差。

6.   按用户要求可提供管状定心磁针。

7.   仪器出厂前均经环境模拟实验和防霉、防雾处理，经久耐用。仪器可在-25摄氏度到+40摄氏度环境温度下工作。

（三）经纬仪的结构：

如图2-2所示为经纬仪结构，由由望远镜、水平度盘、竖直度盘、水准器、基座等组成。

望远镜与竖盘固连，安装在仪器的支架上，这一部分称为仪器的照准部，属于仪器的上部。望远镜连同竖盘可绕横轴在垂直面内转动，望远镜的视准轴应与横轴正交，横轴应通过水盘的刻画      图2-2 经纬仪结构图     中心。照准部的数轴（照准部旋转轴）插入仪器基座的轴套内，照准部可以作水平转动。测量时，将经纬仪安置在三脚架上，用垂球或光学对点器将仪器中心对准地面测站点上，用水准器经纬仪将仪器定平，用望远镜瞄准测量目标，用水平度盘和竖直度盘测定水平角和竖直角。按精度分为精密经纬仪和普通经纬仪；按读数设备可分为光学经纬仪和游标经纬仪。

（四）经纬仪的光路结构分析

如下图2-3所示为经纬仪的光路结构。

图2-3   经纬仪的光路结构

1.对点光路：

光线由1保护玻璃进入装置，通过2光学对点器物镜，由3光学对点器转向棱镜，使得光90度转向通过5光学对点器分划板，再通过4光学对点器目镜组，由旁边的窗口观察，通过调节使能看到中心点在视场的中间位置。

2.读数光路：

光线由20度盘照明反光镜进入装置，通过毛玻璃使得光线均匀化。一部分光通过22水平盘照明棱镜，由24水平聚光镜聚光，照射到25水平度盘上。光透过水平读盘，经过26水平度盘反光棱镜反射，反射到23水平度盘显微物镜组，通过16水平度盘转向棱镜使光线90度角转向，就可以使光通过14读数窗。

另一部分光通过21竖盘照明棱镜，反射光线到18竖盘转向棱镜，光线90度角转向通过17竖盘显微物镜组。光到达15竖盘转向棱镜，使光90度转向，照射到13竖直度盘，通过14读数窗。

光通过读数窗，由7读数系统转向棱镜，使光90度转向通过8转向透镜，再通过11读数显微目镜组，最后读取水平和竖直的两组数值。

（五）仪器使用

（1）对中，整平方法一：对中 稍松开连接螺栓,两手扶基座,在架头上平移仪器,从光学对中器中观察，直到测站点移至光学对中器的刻画圈内为止(对中误差小于3mm),再拧紧连接螺栓，若误差过大，可重新移动三脚架，直到符合要求为止。整平 转动照准部，使水准管平行于任意一对脚螺旋，相对旋转这对脚螺旋,使水准管气泡居中；将照准部绕竖轴转动90度，旋转第三只脚螺旋，仍使气泡居中，再旋转90度,检查气泡误差，直到小于分划线的一格为止。脚螺旋整平会影响到仪器的对中，因此要检查对中的结果，如果测站点发生了偏离，则重复以上的对中，整平的步骤，直到对中,整平误差都符合要求为止。方法二:对中 观察光学对中器，同时转动脚螺旋，使测站点移至刻画圈内(对中误差小于3mm)，至符合要求为止。整平 转动照准部，使水准管平行于三脚架的其中一只脚架1，观察水准管气泡的位置，通过脚架1的伸缩，使气泡尽量居中，转动照准部，依次使水准管平行脚架2，脚架3，同样通过脚架的伸缩，使水准管气泡在相应位置上尽可能的居中，然后再通过脚螺旋整平经纬仪，步骤同方法一，直到整平的误差符合要求为止。整平结束后，检查对中结果，此方法对对中的影响不大，一般可一次完成对中整平。

(2)瞄准,用望远镜上瞄准器瞄准目标，旋紧望远镜和照准部的制动螺旋，转动目镜对光螺旋，使十字丝清晰；再转动物镜对光螺旋使目标影象清晰；转动望远镜和照准部微动螺旋，使目标被单根竖丝平分，或将目标夹在双根竖丝中央。

(3)读数,打开反光镜，调节反光镜使读数窗亮度适当，旋转读数显微镜的目镜，看清读数窗分划，根据使用的仪器用测微尺或分微尺读数，并记录。

注意事项：1,瞄准目标时尽可能瞄准其底部；

2,各螺旋的使用，不可用力过猛，过大；

3,仪器出箱时要注意仪器在箱内的放置情况，以便按原样放回。

（六）用经纬仪测量身高和人与观测处的距离

1.经纬仪的使用流程：

首先，我们需要找准位子，把仪器安装好。需要注意的是首先要把三脚架的三条腿调到齐平，不然就谈不上后面的调平了。而且要使三脚架的高度适中方便后面的观察，立起来时刚好到使用者的下颚，张开到使用者的胸前。

其次，进行初步对中整平。对中的方式我们有两种，一个是垂球对中，还有一个是光学对中。使得光学对点器目镜中观察到的像在中心处，对中精度要求小于等于3mm。整平时，我们以圆水准器为参考标准，调节三脚架的三条腿使得水准器的气泡在中心处（气泡在哪边就说明哪边的高了）。对中和整平反复进行，直到都达标为止。

再来，进行精确对中整平。以管水准器为参考，用左手大拇指法则调节脚螺旋整平。首先让管水准器在两个螺旋之间，同时调节两个螺旋使得气泡在中心，再把管水准器逆时针旋转90度调节第三个螺旋，使得气泡在中心，然后再旋转90度，反复调节使得气泡总在中心。

然后，我们就开始瞄准目标了。瞄准时先调节目镜，使得分划板清晰成像，在调节物镜使得可以清晰地看到目标。注意先调节水平盘找到目标，制动后微调，再调节俯仰精确找到目标点。

最后，读数记录数据，再收好设备。读数时，“H”表示的是水平度盘读数，“V”表示的是竖直度盘读数。分度尺的分划值为1分，估读到0.1分（即6秒）。

2.实际操作：

（1）测量前的准备工作

1）仪器的安置。

①在实验场地上选择一点，作为测站，另外两点作为观测点。

②将全站仪安置于点，对中、整平。

③在两点分别安置棱镜。

2）竖直度盘和水平度盘指标的设置。

①竖直度盘指标设置。松开竖直度盘制动钮，将望远镜纵转一周（望远镜处于盘左， 当物镜穿过水平面时），竖直度盘 指标即已设置。随即听见一声鸣响，并显示出竖直角。

②水平度盘指标设置。松开水平制动螺旋，旋转照准部360，水平度盘指标即自动设置。随即一声鸣响，同时显示水平角。至此，竖直度盘和水平度盘指标已设置完毕。注意：每当打开仪器电源时，必须重新设置和的指标。

3）调焦与照准目标。

操作步骤与一般经纬仪相同，注意消除视差。

（2）测量人与观测处的距离

测量原理和结果：

在人的旁边放一标杆，在观测处用经纬仪侧得标尺上确定两点的竖直角，相减得到两点的夹角。显然这个夹角很小，sin值约等于弧度值，弧长约等于弦长，即标尺确定长度值除以夹角的弧度值就是所得的距离。

我们测得夹角，那么换算成弧度是，标尺长度为20cm，

那么所得长度是。

1)   人的身高。

测量原理和结果：由（1）可知长度是53米了，由正切定理可得到h，身高是多少。

用经纬仪算得夹角为，又，用上面的公式可以计算得到。

（七）仪器拆装

（1）注意事项：

1、实验时认真观察各部件及光学系统的作用，了解构件原理、熟悉拆卸方法与步骤。

2、进入实验实训室必须按规定就位，听从实验指导老师的要求进行实验。

3、保持实验实训室的安静、整洁，不得吵闹、喧哗，不得随地吐痰及乱扔赃物，与实验无关的物品不得带入实验实训室。

4、爱护实验仪器及设备，严格按照实验规程使用仪器和设备，不得随便乱按乱拆卸。

5、由一人扶着拆装，以免人多将其拆乱，无法安装。

6、有专人负责拍照、专人负责保管拆下的零件，并将其编号，按顺序摆放。

7、拆装过程中，不得凑近观看，以免细小部件弹出，溅入眼睛造成伤害。

9、仪器部件轻拿轻放，拆卸时不得用蛮力，以免造成部件损伤或影响其精度。

10、工作结束后，清理场地，保持清洁。

（2）拆装过程：

首先拆下外壳，观察了一下，然后拆支架，两边的支架都拆掉，中间有一些棱镜也拆下来，观察光路。取下望远镜，仔细观察是怎么机械制动的。之后开始安装，先装望远镜，再装棱镜，然后装支架，内部零件主要观察光路是怎么走的，我们就差点儿把转向棱镜装反了，并不是镜子恰好放得进去就是正确的。最后在把仪器检查一下，看看有没有遗漏的。

下面是拆装经纬仪的一些截图：

首先拆卸非光学臂：

        

    图2-4 拆卸非光学臂及其结构              图2-5 拆卸非光学臂及其结构

其次，拆卸光学臂

接着，拆卸望远镜

       

     图2-6 拆卸中的望远镜                     图2-7 拆卸下来的望远镜

然后，拆卸底盘

              

 图2-8 拆卸底盘                      图2-9 拆卸下来的零件图

最后，按顺序组装

           

图2-10 组装后的经纬仪                图2-11 拆卸工具

三．实验感受

这次实践使我对经纬仪有了初步的认识。它的光路原理，应用都有了一定的了解。拆卸的过程很简单，但是组装的过程却很痛苦。这是因为拆卸的过程太快，应该拆一点零件，记一点，同时还要记录好各个零部件的安装位置。要吸取教训。光学仪器看似简单，其实内部很复杂，在拆卸和组装的过程中一定要细心和耐心！不管做任何事都要细心和耐心！

 

第二篇：水准仪经纬仪实习报告

水准仪经纬仪实习报告

一．实习目的：

1．联系水准仪的安置、整平、瞄准与读书和怎样测定地面两点间的高程；

2．掌握经纬仪对中，整平，瞄准与读书等基本操作要领；

3．掌握钢尺量距的一般方法；

4．练习用经纬仪配合水准仪测绘地形图；

5．培养学生综合应用测量理论知识分析解决土建施工放样中一般问题的能力。

二．实习要求：

1．掌握水准仪、经纬仪等一些主要一起的性能和如何操作使用；

2．掌握数据的计算和处理方法；

3．掌握地形图测绘的基本方法，具有初步测绘小区域大比例尺地形图的工作能力；

4．掌握测设的基本方法。

三．实习任务；

1．控制点高程测量；

2．导线长度测量；

3．水平角度测量；

4．圆曲线内业计算；

5．测绘地形图；

6．建筑物放样，道路中线测量和管线测量。

四．实习项目与程序：

1．外业测量：

（1）测量控制点高程；

（2）测量控制点间距离；

（3）测量圆曲线拐角。

2．内业计算：

（1）计算控制点间高差，推算各点间高程；

（2）计算各控制点间距离及相对误差；

（3）计算个内角闭合差及内角；

（4）根据以上计算数据推算个点坐标。

3．测绘地形图：

（1）将坐标范围内的控制点标定到图纸上；

（2）根据控制点周围的地物地貌测量某些点的高程，再标在图纸上。

4．施工测量：圆曲线，缓和曲线测量。

纵断面测量

渠道或管道纵断面测量的任务，是测出中心线上各里程桩和加桩的地面高程，了解纵向地面高低的情况，并绘出纵断面图，其工作包括外业和内业。

★纵断面测量外业

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