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經(jīng)緯儀

經(jīng)緯儀,測(cè)量水平角和豎直角的儀器;是根據(jù)測(cè)角原理設(shè)計(jì)的。目前最常用的是電子經(jīng)緯儀。

  歷史

  經(jīng)緯儀最初的發(fā)明與航海有著密切的關(guān)系。在十五 十六世紀(jì),英國(guó)、法國(guó)等一些發(fā)達(dá)國(guó)家,因?yàn)楹胶:蛻?zhàn)爭(zhēng)的原因,需要繪制各種地圖、海圖。最早繪制地圖使用的是三角測(cè)量法,就是根據(jù)兩個(gè)已知點(diǎn)上的觀測(cè)結(jié)果,求出遠(yuǎn)處第三點(diǎn)的位置,但由于沒(méi)有合適的儀器,導(dǎo)致角度測(cè)量手段有限,精度不高,由此繪制出的地形圖精度也不高。而經(jīng)緯儀的發(fā)明,提高了角度的觀測(cè)精度,同時(shí)簡(jiǎn)化了測(cè)量和計(jì)算的過(guò)程,也為繪制地圖提供了更精確的數(shù)據(jù)。后來(lái)經(jīng)緯儀被廣泛地使用于各項(xiàng)工程建設(shè)的測(cè)量上。

  經(jīng)緯儀是由英國(guó)機(jī)械師西森(Sisson)約于1730年首先研制的,后經(jīng)改進(jìn)成型,正式用于英國(guó)大地測(cè)量中。1904年,德國(guó)開(kāi)始生產(chǎn)玻璃度盤(pán)經(jīng)緯儀。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,60年代出現(xiàn)了電子經(jīng)緯儀。在此基礎(chǔ)上,70年代制成電子速測(cè)儀。

  構(gòu)造

  經(jīng)緯儀的結(jié)構(gòu)(主要常用部件):

  1. 望遠(yuǎn)鏡制動(dòng)螺旋 2. 望遠(yuǎn)鏡 3. 望遠(yuǎn)鏡微動(dòng)螺旋 4.水平制動(dòng) 5. 水平微動(dòng)螺旋 6. 腳螺旋 9. 光學(xué)瞄準(zhǔn)器 10.物鏡調(diào)焦 11.目鏡調(diào)焦 12. 度盤(pán)讀數(shù)顯微鏡調(diào)焦 13. 豎盤(pán)指標(biāo)管水準(zhǔn)器微動(dòng)螺旋 14. 光學(xué)對(duì)中器 15.基座圓水準(zhǔn)器 16.儀器基座 17. 豎直度盤(pán) 18. 垂直度盤(pán)照明鏡 19. 照準(zhǔn)部管水準(zhǔn)器20. 水平度盤(pán)位置變換手輪

  望遠(yuǎn)鏡與豎盤(pán)固連,安裝在儀器的支架上,這一部分稱為儀器的照準(zhǔn)部,屬于儀器的上部。望遠(yuǎn)鏡連同豎盤(pán)可繞橫軸在垂直面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng),望遠(yuǎn)鏡的視準(zhǔn)軸應(yīng)與橫軸正交,橫軸應(yīng)通過(guò)水盤(pán)的刻畫(huà)中心。照準(zhǔn)部的數(shù)軸(照準(zhǔn)部旋轉(zhuǎn)軸)插入儀器基座的軸套內(nèi),照準(zhǔn)部可以作水平轉(zhuǎn)動(dòng)。

  分類

  經(jīng)緯儀根據(jù)度盤(pán)刻度和讀數(shù)方式的不同,分為電子經(jīng)緯儀和光學(xué)經(jīng)緯儀。目前我國(guó)主要使用光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀,游標(biāo)經(jīng)緯儀早已淘汰。

  光學(xué)經(jīng)緯的水平度盤(pán)和豎直度盤(pán)用玻璃制成,在度盤(pán)平面的周圍邊緣刻有等間隔的分劃線,兩相鄰分劃線間距所對(duì)的圓心角稱為度盤(pán)的格值,又稱度盤(pán)的最小分格值。一般以格值的大小確定精度,分為:

  DJ6 度盤(pán)格值為1° DJ2 度盤(pán)格值為20′ DJ1 (T3)度盤(pán)格值為4′

  按精度從高精度到低精度分:DJ0.7,DJ1,DJ2,DJ6,DJ30等(D,J分別為大地和經(jīng)緯儀的首字母)

  經(jīng)緯儀是測(cè)量任務(wù)中用于測(cè)量角度的精密測(cè)量?jī)x器,可以用于測(cè)量角度、工程放樣以及粗略的距離測(cè)取。整套儀器由儀器、腳架部?jī)刹糠纸M成。

  作用

  測(cè)量時(shí),將經(jīng)緯儀安置在三腳架上,用垂球或光學(xué)對(duì)點(diǎn)器將儀器中心對(duì)準(zhǔn)地面測(cè)站點(diǎn)上,用水準(zhǔn)器將儀器定平,用望遠(yuǎn)鏡瞄準(zhǔn)測(cè)量目標(biāo),用水平度盤(pán)和豎直度盤(pán)測(cè)定水平角和豎直角。按精度分為精密經(jīng)緯儀和普通經(jīng)緯儀;按讀數(shù)設(shè)備可分為光學(xué)經(jīng)緯儀和游標(biāo)經(jīng)緯儀;按軸系構(gòu)造分為復(fù)測(cè)經(jīng)緯儀和方向經(jīng)緯儀。此外,有可自動(dòng)按編碼穿孔記錄度盤(pán)讀數(shù)的編碼度盤(pán)經(jīng)緯儀;可連續(xù)自動(dòng)瞄準(zhǔn)空中目標(biāo)的自動(dòng)跟蹤經(jīng)緯儀;利用陀螺定向原理迅速獨(dú)立測(cè)定地面點(diǎn)方位的陀螺經(jīng)緯儀和激光經(jīng)緯儀;具有經(jīng)緯儀、子午儀和天頂儀三種作用的供天文觀測(cè)的全能經(jīng)緯儀;將攝影機(jī)與經(jīng)緯儀結(jié)合一起供地面攝影測(cè)量用的攝影經(jīng)緯儀等。

  應(yīng)用

  經(jīng)緯儀是望遠(yuǎn)鏡的機(jī)械部分,使望遠(yuǎn)鏡能指向不同方向。經(jīng)緯儀具有兩條互相垂直的轉(zhuǎn)軸,以調(diào)校望遠(yuǎn)鏡的方位角及水平高度。此類架臺(tái)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,成本較低,主要配合地面望遠(yuǎn)鏡(大地測(cè)量、觀鳥(niǎo)等用途)使用,若用來(lái)觀察天體,由于天體的日周運(yùn)動(dòng)方向通常不與地平線垂直或平行,因此需要同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)兩軸并隨時(shí)間變換轉(zhuǎn)速才能追蹤天體,不過(guò)視場(chǎng)中其它天體會(huì)相對(duì)于目標(biāo)天體旋轉(zhuǎn),除非加上抵消視場(chǎng)旋轉(zhuǎn)的機(jī)構(gòu),否則不適合用于長(zhǎng)時(shí)間曝光的天文攝影。

  應(yīng)用舉列(已知A、B兩點(diǎn)的坐標(biāo),求取C點(diǎn)坐標(biāo)):

  是在已知坐標(biāo)的A、B兩點(diǎn)中一點(diǎn)架設(shè)儀器(以儀器架設(shè)在A點(diǎn)為例),完成安置對(duì)中的基礎(chǔ)操作以后對(duì)準(zhǔn)另一個(gè)已知點(diǎn)(B點(diǎn)),然后根據(jù)自己的需要配置一個(gè)讀數(shù)1并記錄,然后照準(zhǔn)C點(diǎn)(未知點(diǎn))再次讀取讀數(shù)2。讀數(shù)2與讀數(shù)1的差值既為角BAC的角度值,再精確量取AC、BC的距離,就可以用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出C點(diǎn)的精確坐標(biāo)。

  自制方法

  一、赤經(jīng)及赤緯

  在茫茫大海中,航行的船只遇到危險(xiǎn),求急救時(shí),第一就是要讓救援的人知道船只的所在處,也就是說(shuō)要將船只所在的經(jīng)緯度告知救援的人。經(jīng)緯度不僅能在海洋上指出船只的位置。它的最大好處是能將一個(gè)物體的確實(shí)位置,很簡(jiǎn)潔地讓大家都能明了。同樣的,在無(wú)際無(wú)涯的夜空星海中,一旦發(fā)現(xiàn)了新的星體,你如何將它的正確位置,公諸于世呢?你是否想到應(yīng)該有一種類似經(jīng)緯度的度量系統(tǒng),來(lái)標(biāo)定星球位置,制作星圖呢?天文學(xué)家所使用的度量系統(tǒng)是赤經(jīng)(Rightascension)及赤緯(Declination),赤緯的單位是度(Degrees),赤經(jīng)單位是時(shí)(Hours)、分(Minutes),我們對(duì)這些也許并不熟悉,但要了解也并不難。

  由于星辰距我們甚遠(yuǎn),單靠眼睛實(shí)在辨別不出它們之間的遠(yuǎn)近差別,因此這些星球在我們看來(lái)都好像同樣遠(yuǎn)近。我們就假想有一懸空之球殼罩住了整個(gè)地球,這個(gè)假想的球就叫做天球(Celestialsphere),而這些星星就固定在球殼內(nèi)面,每次我們只能看到半個(gè)球面。因?yàn)榈厍蜃赞D(zhuǎn)的結(jié)果,天球便好像由東至西不斷地繞著我們旋轉(zhuǎn),而天球北(南)極恰在地球地理北(南)極的正上空,天球赤道也恰在地球赤道的正上空,即位在二天極的中央。像地球一樣,我們將天球刻劃上了經(jīng)緯度,在天文學(xué)中這相當(dāng)于地球緯(經(jīng))度的,便叫做赤緯(赤經(jīng))。從天極到天球赤道間,赤緯共分90°;而赤經(jīng)共分24時(shí),1時(shí)又分60分,即1h=60m=15°,這是因?yàn)榈厍蚧蛱烨蛎啃r(shí)旋轉(zhuǎn)15°而得名。這套決定天體位置的方法,看起來(lái)相當(dāng)復(fù)雜,但是它有許多好處。例如,天球不斷旋轉(zhuǎn),所以星星的視位置不斷改變,像是由東至西橫過(guò)夜空;同時(shí),又因地球公轉(zhuǎn)結(jié)果,雖在同一時(shí)刻,隔幾天后,星星位置也稍稍偏西;或是你由北向南行走時(shí),星星對(duì)地平線之相對(duì)位置,也都有所改變。既然星星之視位置,如此善變,故要依照所見(jiàn)來(lái)說(shuō)明其位置,是相當(dāng)困難的,只能藉著赤經(jīng)、赤緯來(lái)說(shuō)明了,因?yàn)槊恳粋€(gè)星球恰與一組赤經(jīng)緯度相對(duì)應(yīng)。但也由于星象瞬息萬(wàn)變,到底應(yīng)如何去測(cè)量其赤經(jīng)及赤緯呢?

  二、經(jīng)緯儀之制作

  經(jīng)緯儀(Theodolite)是用來(lái)量度赤經(jīng)、赤緯的,它是一種具有許多天文望遠(yuǎn)鏡特性的觀測(cè)裝置。介紹一種簡(jiǎn)單的經(jīng)緯儀做法,所須材料列于表一,各材料之尺寸大小僅供參改,可自斟酌,但各零件之相關(guān)位置必須弄清。制作之前先看看圖1,圖2,圖3,及作法:1.用厚(3/8)"之三夾板,鋸下二個(gè)圓盤(pán),直徑比量角器(分度器)稍大約(1/2)"即可。以強(qiáng)力膠在每一圓盤(pán)上,黏上二塊量角器,量角器底邊中點(diǎn),須確實(shí)黏在圓盤(pán)中心上。(見(jiàn)圖2)。2.把一個(gè)圓盤(pán)用二根螺絲釘,固定在D上,圓盤(pán)之圓心與90°之連線,必須與D之中線重疊,在D之兩端各釘上一個(gè)螺絲圈,(注意不是釘在有圓盤(pán)的那一面,見(jiàn)圖2)視線便可通過(guò)兩個(gè)小圈觀察。3.在另一圓盤(pán)圓心處,鑿一(1/4)"的洞,這洞要同時(shí)穿過(guò)A、C,(見(jiàn)圖3),用一螺絲穿過(guò)栓好,調(diào)整一下松緊程度,使C很容易旋轉(zhuǎn)。4.從附于D之量角器圓心鑿洞,以木栓或螺絲將D、C旋緊。但D、C間要能轉(zhuǎn)動(dòng),不要固定。5.用鐵片截取三個(gè)三角形,以螺絲釘或小釘子將它們附于C上,三角形之尖端必須平貼于量角器上。6.以鉸鏈將A、B接好。(見(jiàn)圖1)7.G、H上距一端(3/4)"處鑿一小洞,距此洞1"處起,沿每一木絳之中線,鑿一寬(3/16)"之細(xì)縫,直到距另一端1"處。在小洞處以螺絲釘將G、H栓在A之二邊,再用座鉆通過(guò)細(xì)縫將G、H栓在B之邊上,這是用來(lái)調(diào)整角度x的。釘螺絲或座鉆時(shí),應(yīng)釘在適當(dāng)位置,以致當(dāng)調(diào)整至細(xì)縫末端時(shí),A、B能夠重合。經(jīng)緯儀這時(shí)便可使用了。

  三、經(jīng)緯儀之使用

  將經(jīng)緯儀支在架子上,像椅子、像機(jī)三角架均可,目的只在使視線容易通過(guò)D之螺絲圈觀察。把經(jīng)緯儀面向南方放好,首先視臂D不要舉起,(即緯度表E指在零),調(diào)整B板之傾斜,使視線沿視臂看到地平線,將B板固定在這位置,此時(shí)B板即保持水平,現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)C、D觀察天體,則E即指示出天體之地平緯度(Altitude)?,F(xiàn)在將經(jīng)緯儀A板舉高至x角,x=90°-(測(cè)量地之緯度),例如,你在臺(tái)北測(cè)量,緯度大約25°3',角x就等于64°57';另一個(gè)法子是將視臂指向北極星,D保持在這方向,而移動(dòng)A板,使緯度表E之讀數(shù)為90°,此時(shí)A板即與B成x角了,當(dāng)然你稍微想想便知道,可用這種方法來(lái)測(cè)量你所在地的緯度了,為什麼這樣子A與B就成x角呢?(注一)仰望天極(即北極星處)時(shí)仰角即為你的緯度,因此當(dāng)E讀數(shù)為零時(shí),將板A舉起x角后,視臂即指向天球赤道,為什么?(注二)調(diào)整x角之目的,在于求得星星對(duì)天球赤道面之仰角(即赤緯度),而不須顧慮到因觀測(cè)地之緯度不同,所引起之星星視位置之變化。此時(shí)由西至東旋轉(zhuǎn)視臂,便畫(huà)出了天球赤道位置。為了測(cè)度赤經(jīng),你必經(jīng)將經(jīng)度表F刻成赤經(jīng)單位——時(shí),每隔15°為1時(shí),由零度起反時(shí)針?lè)较蚩獭,F(xiàn)在移動(dòng)視臂注視南天之一已知星,從星圖、天文日歷或其它參考星源,決定此星之赤經(jīng)、赤緯,旋轉(zhuǎn)經(jīng)度表F,使C之指針指向適當(dāng)之赤經(jīng)值。此時(shí)緯度表應(yīng)即自動(dòng)指在了正確的赤緯值,否則儀器便有了偏差。將F固定住,現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)C、D,把視臂指向另一星球,此時(shí)從E、F就可讀出,此星球之赤緯度、赤經(jīng)度了。在天球赤道以北之星球赤緯度為正,在天球赤道以南之星赤緯度為負(fù),即E盤(pán)上朝開(kāi)口處之量角器度數(shù)為正,另一個(gè)為負(fù)。例如:角宿大星(Spica),在四、五、六月夜空均可見(jiàn),它的赤經(jīng)度(R.A.)=13h23m37s,赤緯度(D.)=-11°00'19'',將視臂指向角宿大星,此時(shí)緯度表E讀數(shù)應(yīng)約為-11°,調(diào)整經(jīng)度表F至13h23m37s。現(xiàn)在旋轉(zhuǎn)視臂D,注視軒轅大星(Regulus),此時(shí)在E上就可讀出約12°06',F(xiàn)上約10h07m,于是知道軒轅大星之R.A.=10h07m,D.=12°06'。再舉個(gè)例,在冬季夜空可見(jiàn)天狼星(Sirius)R.A.約為6h44m,D.約為-16°40',將F調(diào)整至6h44m后,將視臂舉高約在25°赤緯度,再向西旋轉(zhuǎn)到赤經(jīng)度約為3h45m,此時(shí)通過(guò)D上之螺絲圈,你就可以看到昴宿(Pleiades)了。在秋冬夜晚較早時(shí),在飛馬座(Pegasus)大正方形附近,可見(jiàn)朦朧亮帶,那是仙女座大星云(Andromeda),它是漩渦星云中唯一能被肉眼清晰看見(jiàn)的,你有興趣求求它的概略位置嗎?大約是R.A.=0h40m,D.=41°。用這樣方法求赤經(jīng)、赤緯的好處,便在于不必顧慮到觀測(cè)時(shí)間不同,引起星球視位置改變的因素,為什么?因?yàn)锳板經(jīng)x角修正后,即與天球赤道面重合,E求得的是星星對(duì)A板(即天球赤道面)之仰角,自然就是赤緯度了。又天球雖然不斷旋轉(zhuǎn),但各星星差不多全是極遠(yuǎn)處之恒星,它們之間的相對(duì)位置均不變,我們已知一星之赤經(jīng)度,以此為準(zhǔn),自然便可由此星與他星之夾角,而求出另一星的赤經(jīng)度了,所以不論你在什么緯度,什么季節(jié),什么時(shí)間觀察,你所求得星星之赤經(jīng)、赤緯度數(shù)均不會(huì)有所差別。一些參考星源列于表二。許多偉大的實(shí)驗(yàn),它所需要的裝置,往往是相當(dāng)簡(jiǎn)單的,所以你不要小看經(jīng)緯儀,很可能有一天,你利用它標(biāo)定出一顆從未為人發(fā)現(xiàn)的星球的位置,而馳名于世呢?原文系摘自“ChallengeoftheUriverse”117頁(yè)“ProjectsandExperiments”1962年由“NationalScienceTeachersAssociation”出版。原文僅說(shuō)明制作法,并不討論原理,譯者加入一些原理的簡(jiǎn)單說(shuō)明而成。注一:見(jiàn)圖4,B板指向南方地平線,D指向天球北極,A板與D垂直,∠Y即觀測(cè)地之緯度,因北極星距地球甚遠(yuǎn),故指向天球北極之D,與北極至地心之聯(lián)線平行,很容易的我們就可證出∠Z=∠Y,而∠x+∠Z=90°,因此∠x=90°-∠Z=90°-∠Y=90°-(觀測(cè)地之緯度)。注二:E讀數(shù)為零時(shí),D與A平行,見(jiàn)圖4知,A與天球北極成直角,即指向天球赤道,故D也指向天球赤道。原理 經(jīng)緯儀是根據(jù)測(cè)角原理設(shè)計(jì)的。為了測(cè)定水平角,必須在通過(guò)空間兩方向線交點(diǎn)的鉛垂線上,水平地放置一個(gè)帶有角度分劃的圓盤(pán)──水平度盤(pán)(圖2)。圖上,OAA1豎直面與水平度盤(pán)的交線在度盤(pán)上得到讀數(shù)ɑ,OBB1豎直面與水平度盤(pán)的交線在度盤(pán)上得到讀數(shù)b,b減ɑ就是圓心角β,即為水平角A1O1B1的角值β1。為了測(cè)定豎直角,又必須豎放一個(gè)圓盤(pán)──豎直度盤(pán)。由于豎直角的一個(gè)方向是特定的方向(水平方向或天頂方向),所以只需在豎直度盤(pán)上讀取視線指向欲測(cè)目標(biāo)時(shí)的讀數(shù),即可獲得豎直角值。類別 經(jīng)緯儀的種類很多,按精度可分為普通經(jīng)緯儀和精密經(jīng)緯儀,有一定的系列標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)生產(chǎn)的精密光學(xué)經(jīng)緯儀,一測(cè)回水平方向中誤差不大于±0.7″,其望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)為56倍、45倍、30倍,水平度盤(pán)直徑158毫米,最小讀數(shù)值0.2″,豎直度盤(pán)直徑88毫米,最小讀數(shù)值 0.4″。經(jīng)緯儀按讀數(shù)設(shè)備分為游標(biāo)經(jīng)緯儀、光學(xué)經(jīng)緯儀和電子經(jīng)緯儀;按軸系又可分為復(fù)測(cè)經(jīng)緯儀和方向經(jīng)緯儀。目前最常用的是光學(xué)經(jīng)緯儀。為使作業(yè)方便,提高效率,這類儀器在原有基礎(chǔ)上又有所改進(jìn)。例如采用正像望遠(yuǎn)鏡;快調(diào)焦、慢調(diào)焦機(jī)構(gòu);同軸制動(dòng)、微動(dòng)機(jī)構(gòu);度盤(pán)讀數(shù)數(shù)字化,用帶有分劃尺的讀數(shù)顯微鏡或帶有光學(xué)測(cè)微器的讀數(shù)顯微鏡;兩個(gè)度盤(pán)影像呈現(xiàn)不同顏色;粗、精配置度盤(pán)機(jī)構(gòu)以及豎盤(pán)指標(biāo)自動(dòng)歸零裝置等。還有某些具有特殊功能的經(jīng)緯儀,例如,帶有光學(xué)測(cè)距裝置的視距經(jīng)緯儀;利用磁針定磁北方位的羅盤(pán)經(jīng)緯儀;將陀螺儀和經(jīng)緯儀組合,能測(cè)定真北方位的陀螺經(jīng)緯儀(見(jiàn)礦山測(cè)量);利用激光形成可見(jiàn)視準(zhǔn)軸,能進(jìn)行導(dǎo)向、定位和準(zhǔn)直測(cè)量的激光經(jīng)緯儀;進(jìn)行地面攝影的攝影經(jīng)緯儀;自動(dòng)跟蹤測(cè)量的電影經(jīng)緯儀;自動(dòng)測(cè)角和記錄的電子經(jīng)緯儀;以及將電子經(jīng)緯儀、電磁波測(cè)距裝置、微型信息處理機(jī)和記錄器等綜合成單體整機(jī)的電子速測(cè)儀。電子速測(cè)儀不僅可在現(xiàn)場(chǎng)迅速獲得斜距、平距、高差(或高程)和坐標(biāo)增量(或坐標(biāo))等數(shù)據(jù),并能自動(dòng)顯示、打印和穿孔記錄,或在磁帶上存貯數(shù)據(jù),還可建立數(shù)字地形模型,或利用專用接口與計(jì)算機(jī)連接自動(dòng)成圖。在如隧道工程等黑暗環(huán)境下作業(yè)時(shí),利用 LDT520對(duì)測(cè)點(diǎn)發(fā)射的可見(jiàn)激光束可高效率實(shí)施方向控制和點(diǎn)位定位。陰天環(huán)境下,激光束有效作業(yè)半徑達(dá)600m,黑暗環(huán)境下則更遠(yuǎn)。


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