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陀螺经纬仪稳定性检测

2017-10-14 11页 doc 30KB 17阅读

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陀螺经纬仪稳定性检测陀螺经纬仪稳定性检测 刘小生 李满苗 () 南方冶金学院 江西〃赣州 341000 范俊智 () 煤炭科学研究总院唐山分院 河北〃唐山 063012 提要 该文提出了检测陀螺经纬仪稳定性的方法 ,并根据对多台陀螺经纬仪的检测结果 ,初步确定了陀螺经 纬仪稳定性的参考标准 。 关键词 陀螺经纬仪 稳定性 检测 CAL IBRATIO N OF GY ROTHEODOL ITE STABIL ITY Liu Xiaosheng Li Manmiao ( )Southern Institute of Metallurgy ...
陀螺经纬仪稳定性检测
陀螺经纬仪稳定性检测 刘小生 李满苗 () 南方冶金学院 江西〃赣州 341000 范俊智 () 煤炭科学研究总院唐山分院 河北〃唐山 063012 提要 该文提出了检测陀螺经纬仪稳定性的方法 ,并根据对多台陀螺经纬仪的检测结果 ,初步确定了陀螺经 纬仪稳定性的参考标准 。 关键词 陀螺经纬仪 稳定性 检测 CAL IBRATIO N OF GY ROTHEODOL ITE STABIL ITY Liu Xiaosheng Li Manmiao ( )Southern Institute of Metallurgy Fan Junzhi ( )Tangshan Branch , CCMRI Abstract In the paper , the calibration method of gyrotheodolite stability is proposed. In accordance with the calibrating result of a number of gyrotheodolites , the referential standard for gyrotheodolite stability is determined preliminarily. Key words gyrotheodolite ; stability ; calibration 纬仪连接误差 。连接误差的大小反映了陀螺经纬仪1 前言 的稳定性 。根据我国测绘行业标准 ,对光电测距仪的检定 ( 已经有了一套完整的检测理论和方法 光电测距仪 ,可在陀螺仪上安装 为了测定陀螺仪连接误差 ) 检定规范。相比之下 ,对陀螺经纬仪的检测很不全 一个附加望远镜 ,瞄准固定目标 T ,而经纬仪的望远 面 ,因为现行矿山测量规程规定 ,陀螺仪定向时只要 镜瞄准目标 B ,每次安装陀螺仪后分别用望远镜瞄 测前测后测定陀螺仪的仪器常数 。但作者认为这样 准目标 T 和 B ,并读取水平度盘读数 ,两数之差应为 不十分可靠 ,因为陀螺经纬仪是一种光 、机 、电相结 一固定值 ,每安装一次 ,测定此固定值 J ,而 J 值的合的精密 仪 器 , 它 在 内 在 的 、外 部 的 各 种 因 素 影 响 误差即为陀螺经纬仪的连接误差 。下 ,可能导 致 仪 器 光 路 、电 路 状 态 及 其 参 数 发 生 改 变 ,而只测定仪器常数不一定能发现问题 。针对这 我们对 3 台 FT90 及 2 台 TJ 84 陀螺经纬仪进行 种情况 ,作者认为有必要建立一套检测陀螺经纬仪 了 10 次连接误差的测定 ,测试结果见表 1 。 稳定性的方法和参考标准 ,以便保证陀螺定向结果 表 1 陀螺仪与经纬仪连接方向误差 的准确性 。 FT90 FT90 FT90 TJ 84 TJ 84 仪器型号 347 769 981 1403 3370 一次连接方 ?313 ?210 ?111 ?215 ?210 () 向中误差Π″ 2 陀螺经纬仪连接误差的检测 另外 ,文献 1 用 wildT经纬仪对 3 台 J T15 陀螺 3 陀螺仪与经纬仪靠固定在照准部上的过渡支架 仪样机进行了多次实际测试 ,求得其一次连接方向 ,每次都要把陀螺仪安臵在经纬仪支架上 ,这 样 来连接 中误差均小于 ?2″10 。 由于每次拆装连接而造成的方向误差称为陀螺经 ( 由已检验的 8 台中等精度陀螺仪 陀螺方位角 ) 一次测定中误差在 10,30″间的连接误差可知 ,一 第一作者简介 :刘小生 , 男 , 36 岁 , 博士 、教授 , 主要从事工 次连接方向中误差均值为 ?2″12 。根据数理统计理 程测量的教学与科研工作 。 根据自摆周期和零位改正公式可知 ,自由摆动 3 悬挂带弹性质量稳定性的检测 () 周期变化对定向结果的影响可用公式 1求出 ΔT c陀螺仪中的悬挂带是用来支承可动的陀螺灵敏 Δ()C = 2 C ×1 T c部 ,产生平衡的反作用力矩 。对悬挂带材料的要求 () Δ式 1中 ,T为自摆周期的变化量 ; T为自摆周期 c c 主要是弹性质量要稳定 ,而由文献 2 可知 ,其稳定 的均值 ; C 为陀螺仪纬度系数 ,即 a = 1 时的零位改 性可由自由摆动周期来判断 。 作者用电子秒表分Δ正数 ;C 为自摆周期变化对定向的影响 。 别对 GAK - 1 、FT90 、J T15 等 表 2 陀螺经纬仪的自由摆动周期 ( ″) GAK - 1 FT90 J T15 J T15 DJ 2T20 DJ 6T60 TJ 84 仪器 型号 20805 290769 06517 04939 77020 76575 2990 58180 69151 51148 48180 26112 38184 54164 均值 0118 0119 0165 0126 0122 0139 0122 最大最小互差 ?0106 ?0109 ?0120 ?0107 ?0107 ?0119 ?0106 中误差 对于 J T15 陀螺仪来说 ,在长沙地区 C?160 , T, 悬带零位偏离分划板的零刻线上 。如果在定向时 c 分划板零刻线 ,即存在零位偏差时 ,将对测定的陀螺 ( ) ΔΔ = 50 ,因此 当 T= 0 12 时 , 由 公 式 1可 知 C =c 方位角产生系统偏差 。该偏差虽然可用加零位改正 ΔΔΔ 1 13 ,同理当 T= 015 时 ,C = 3 12 ;T= 0 18时 ,c c 来消除 ,但这样做必须要求零位值稳定 。然而实际Δ C = 5 11 。 上由于悬带和导流丝安装情况 、陀螺运转的振动和 另外根据表 2 可以看出 ,检测的中等精度陀螺 温升 、外界气温的变化 、以及释放和锁紧陀螺时悬带 仪其自摆周期测定中误差的平均值为 0 11 , 最大与 和导流丝弹性后效等因素的影响 , 使得零位发生变 最小周期互差中误差为 0 12 。 化 ,具体表现是陀螺定向时测前与测后零位不一致 综合以上几方面的因素 , 作者认为中等精度陀 由于我们在用陀螺经纬仪定向时 , 测前与测后都进螺仪的悬带弹性质量稳定性的标准为自摆周期变化 行了零位观测 ,因此我们可用测前与测后零位差来 小于 0″15 。 衡量陀螺经纬仪的零位稳定性 。 4 悬带零位稳定性的检测 作者分别 对 J T15 、GAK - 1 、FT90 等 几 种 陀 螺 经 纬仪进行了 10 个测回的零位稳定性观测 ,其中测后 悬带零位是陀螺仪不运转时 , 陀螺灵敏部受悬 零位是指陀螺马达运转半小时后观测的 , 表 3 是测 带和导流丝扭力作用引起的扭摆 , 而扭摆的平衡位 前测后 10 个测回的零位均值 、中误差及其差值 。臵就是扭力矩为零的位臵 ,这个位臵应调整到目镜 表 3 陀螺经纬仪的零位稳定性 测前零位 测后零位 扭力矩 差值 格 格 仪器型号 格 均值 中误差 均值 中误差 陀螺力矩 () GAK - 1 20805- 0138 145 107 15 - 00< 0?0106 ?0105 ()FT90 290769 - 0139 - 0134 0105 > 110 ?0108?0106 ()TJ 84 9902 0120 0148 0122 < 015 ?0107?0111 ()0175 1101 0126 < 015 J T15 04932 ?0109?0113 () J T15 065171135 ?0118 1115 ?0120 0120 < 015 关 于 测 前 与 测 后 零 位 值 的 互 差 , 煤 矿 测 量 规 5 磁屏蔽防护质量稳定性的检测 3程 规定 ,对 15″级仪器不得超过 0. 2 格 , 对其它仪 器不得超过 0. 4 格 。但作者认为这样不够全面 , 因 ,为了防止磁性力矩的干扰 ,陀螺经纬仪设计时 为对不同的仪器 ,由于悬带扭力矩与陀螺力矩的比 除尽量避免选用磁性材料制造仪器零件外 ,最有效 值 K 不相同 ,尽管零位变化格值相同 ,但它们对陀 方法是在 陀 螺 灵 敏 部 周 围 采 用 高 导 磁 率 的 磁 屏 蔽 螺北方 向 值 的 影 响 却 大 不 一 样 , 如 在 唐 山 地 区 对罩 ,用以隔绝外磁场 ,从而降低磁性力矩 。然而由于 GAK - 1 来说 , K?0. 27 ;对 FT90 , K = 1. 30 ;对 Gyromat ,一般磁屏蔽的材料为软磁合金 ,它既有高的导磁率 K = 2. 5 ,因此当零位变化 0. 1 格时 ,则有 和防护品质 ,又有对碰撞特别灵敏的缺点 ,同时还有 Δ GA K - 1 , N = 0. 27 ×600 ×0. 1 = 16 . 2 剩余变形 ,因此当仪器使用时间较长时 ,自然老化 , Δ FT90 , N = 1. 30 ×600 ×0. 1 = 78 . 0导磁率减少 ,特别是有碰撞变形时屏蔽效果显著减 Δ Gyromat , N = 2. 5 ×600 ×0. 1 = 150少 ,这时如果定向 ,外磁场将有部分进入灵敏部 ,与 根据以上 , 我们认为采用零位变化格值对 灵敏部存在相互作用力 ,从而影响陀螺方位角 ,因此 δ陀螺定向影响值的大小 来衡量陀螺经纬仪零位稳 我们必须定期检测磁屏蔽防护质量的稳定性 。检测 定性比较合理 。 最简单的方法就悬带式陀螺仪而言 ,可将悬带上夹 关于稳定性标准 , 根据矿山测量规程和表 3 的沿东 、南 、西 、北四个方向定位 ,分别观测陀螺仪的悬 观测结果 ,在 K < 0. 5 时 ,可取测前与测后零位互差带零位 ,然后根据零位差 K 便可判断陀螺仪磁屏蔽 Δ0. 3 格 ,即 N = 0. 27 ×600 ×0. 3 = 48″. 6 ,因此可规定 防护质量的稳定性 。 中等精度陀螺仪零位稳定性标准为测前与测后零位 根据上述原理 ,作者对几台陀螺经纬仪进行了 δ 变化对定向的影响 小于 50″。检测 ,表 4 列出了检测结果 。 表 4 陀螺仪磁屏蔽防护质量稳定性 格 仪 器 型 号 GAK - 1 TJ 84 J T15 J T15 DJ 6T60 DJ 2T20 FT90 方向 项目 20805 9902 04932 06517 76575 77020 290769 - 0 . 46 - 0 . 40 0. 24 - 1 . 25 - 0. 58 0 . 80 - 0 . 18 均 值 北 中误差 ?0 . 07 ?0 . 04 ?0 . 05 ?0 . 08 ?0. 04 ?0 . 10 ?0 . 03 均 值 - 0 . 55 - 0 . 68 - 0 . 14 - 1 . 12 - 0. 18 0 . 21 - 0 . 17 东 中误差 ?0 . 02 ?0 . 04 ?0 . 03 ?0 . 11 ?0. 04 ?0 . 06 ?0 . 02 均 值 - 0 . 33 - 0 . 98 0. 47 - 1 . 64 0. 01 0 . 52 - 0 . 16 中误差 南 ?0 . 03 ?0 . 10 ?0 . 04 ?0 . 07 ?0. 01 ?0 . 02 ?0 . 01 均 值 中误差 - 0 . 49 - 0 . 82 0. 48 - 1 . 22 - 0. 17 0 . 73 - 0 . 17 西 ?0 . 07 ?0 . 13 ?0 . 10 ?0 . 15 ?0. 08 ?0 . 13 ?0 . 03 最大互差 0 . 22 0 . 58 0. 62 0 . 52 0. 59 0 . 59 0 . 02 根据表 4 的检测结果可知 ,6 台 中 等 精 度 陀 螺陀螺马 达 转 速 稳 定 。当 陀 螺 仪 采 用 三 相 异 步 电 机 仪沿四方零位的最大互差中误差为 0. 24 格 ,采用中 ,为了使陀螺马达的转速恒定 ,除了要求电源的频 时 误差的两倍为极限误差 ,因此可认为中等精度陀螺 率稳定外 ,还要求输出电压稳定 。考虑到陀螺仪定 仪磁屏蔽防护质量稳定性的标准为东 、西 、南 、北四向一次测量读取 5 个逆转点不超过 30min ,因此作者 个方向零位之差 K 小于 0. 5 格 。用数字电压表对几台陀螺仪进行了 30min 的电压稳 定性测定 ,结果见表 5 。 6 电压稳定性的检测 根据表 5 的观测结果可知 ,检测的 4 台中等精度陀 螺仪电压稳定性的中误差为 ?0. 42VΠ0. 5h ,因此根据中误 要使陀螺仪性能稳定 ,定向精度高 ,则必须要求 ?1 . 2VΠ0 . 5h DJ 2T20 76575 35. 4 35. 4 35. 3 35. 2 35 . 2 35 . 1 34 . 9 34 . 7 34 . 5 34 . 2 ?0 . 5VΠ0 . 5h J T15 04939 36. 9 36. 8 36. 8 36. 7 36 . 7 36 . 6 36 . 6 36 . 5 36 . 5 36 . 4 ?0 . 7VΠ0 . 5h TJ 84 8702 125 . 4 125 . 4 125 . 4 125 . 3 125 . 2 125. 3 125. 4 125. 6 125. 8 125. 9 差与允许误差的关系及陀螺仪技术指标要求 ,可认为,因此为了检测陀其转子转速稳定性均与频率有关 ?1. 0VΠ0. 5h 为中等精度陀螺仪电压稳定性的标准 。螺仪的稳定性 ,必须检测电源频率的稳定性 。 表 6 是作者用频率计对几台陀螺仪进行 30min7 陀螺电源频率稳定性的检测 频率稳定度的检测结果 。 无论陀螺仪采用三相异步电机还是直流马达 , 表 6 陀螺经纬仪频率稳定性 J T15 J T15 TJ 84 FT90 GAK - 1 仪器型号 04932 06517 8702 290769 20805 398. 5 399 . 9 397 . 5 204 . 78830 400. 58 398. 4 400 . 0 397 . 2 204 . 78834 400. 59 频 398. 6 400 . 2 397 . 3 204 . 78836 400. 59 率 值 400 . 1 397 . 4 204 . 78838 400. 58 398. 3 398. 5 399 . 8 397 . 5 204 . 78840 400. 58 Hz 398. 7 399 . 7 397 . 2 204 . 78844 400. 59 398. 8 399 . 8 397 . 3 204 . 78846 400. 59 - 3- 3- 4- 7- 51 . 25 ×10 1 . 25 ×10 7 . 5 ×10 8 . 8 ×10 2. 5 ×10 频率稳定度 根据表 6 中 5 台陀螺仪频率稳定度的结果可知 ,, H 的变化将会引起陀螺摆动中值的漂移 ,因此为量 - 4 其频率稳定度中误差为 6. 2 ×10 ,因此 ,根据允许误差 了检验陀螺仪的稳定性 ,必须检验动量矩 H 的稳定 与中误差的关系及陀螺仪技术指标和实践经验 ,可认 性 。而当观测地点确定后 ,由文献 2 可知动量矩 H - 3 为 1 ×10 为中等精度陀螺仪电源频率稳定性的标准 。的稳定性可由不跟踪周期 T 来判断 。 表 7 是作者用电子秒表对 GAK - 1 等几台陀螺 8 动量矩稳定性的检测 经纬仪进行 10 次不跟踪周期观测的结果 。 在陀 螺 运 动 方 程 中 , 动 量 矩 H 是 一 个 重 要 参 表 7 陀螺经纬仪不跟踪周期的测定( ″) GAK - 1 20805 FT90 981 Gi - G11 193141 TJ 84 9902 J T15 04932 仪器型号 399 . 51 222 . 59 381 . 93 335 . 49 439 . 80 均值 中误差 最大最?0 . 05 ?0 . 10 ?0 . 15 ?0 . 15 ?0 . 31 小互差 0 . 12 0 . 28 0 . 39 0 . 37 0 . 76 由表 7 可知 ,5 台中等精度陀螺 经 纬 仪 不 跟 踪 9 陀螺摆动中值稳定性检测 周期最大最小互差的中误差为 ?0″. 23 ,因此当采用 2 倍中误差为允许误差时 ,我们可认为 0″. 5 为中等 陀螺经纬仪在运转期间 ,由于受马达温升 、供电 精度陀螺经纬仪动量矩稳定性标准 。 电压 、频率及外界干扰力矩等方面的影响 ,一般存在 摆动中值漂移 ,其系统漂移量的大小反映了仪器的 ΔNi 或 Ni 的最大最小值互差是否满足 2 2 m 检验 稳定性 。为了获得陀螺摆动中值稳定性 ,可在陀螺 ( m 为陀螺仪仪器常数 ———测回中误差的设计值 ,以 仪指向北后 ,启动下放陀螺 ,这时用中天法或逆转点 ) 下同的摆动中值稳定性要求 ,表 8 是 5 台陀螺经纬 Δ法连续观测一小时以上 ,然后计算 Ni 或 Ni , 最 后 仪观测 1 小时的摆动中值稳定性结果 。 表 8 陀螺经纬仪 1 小时摆动中值稳定性 ( ) ″ GAK - 1 20805 TJ 84 9902 Gi - C11 193141 J T15 04932 FT90 290769 仪器型号 33 . 9 34 . 6 57 . 3 73 . 5 51 . 7 最大最小互差 57 43 71 43 71 限差 为可连续观测 5 天 ,每天上 、下午各观测仪器常数 3 10 仪器常数在不同环境温度下的稳定性检测 次 ,每次均重新连接陀螺仪 ,然后检查这 30 个仪器 常数观测值的最大最小值互差是否满足 2 2 m 作为 由于陀螺仪定向时 ,测定仪器常数时的环境温 仪器常数时间稳定性的标准 。 度一般和 在 井 下 测 定 陀 螺 方 位 时 的 环 境 温 度 不 相 同 ,因此仪器常数在不同环境温度下的稳定性显得 12 结束语 很重要 。作者认为可在仪器设计适应环境温 度的 低温 、室温和高温条件下 ,各观测仪器常数 5 测回 ,以上 10 项是作者根据经验 ,并参照光电测距仪 然后计算 3 个仪器常数的平均值 ,最后检验其常数的检定规 范 而 提 出 的 检 测 陀 螺 经 纬 仪 稳 定 性 的 方 互差是否满足 2 2 m 稳定性要求 ,表 9 是 1 台 GAK 法 ,至于中等精度陀螺经纬仪稳定性参考标准的制 - 1 和 2 台 FT90 陀螺仪在 - 10 ?、室温和 40 ?温度 定 ,作者一方面顾及了陀螺仪技术指标要求 ,另一方下进行 5 个测回仪器常数稳定性检验结果 。 面考虑了陀螺经纬仪的实际使用情况 ,另外还运用 9 不同温度下的仪器常数稳定性 表 了误差与数理统计理论 。 对于每一台新出厂的陀螺经纬仪 ,应严格按照仪器 温度 仪器常数平 仪器常数 ———测 上面所列项目进行检测 ,只有符合稳定性标准的才 型号?均值回中误差 能出厂 。 - 10 1′38″. 6 ?9″. 6 GAK - 1 对于生产单位正在使用的陀螺经纬仪 ,考虑到检 + 27 1′09″. 6?16″. 220805 测设备的限制 ,加上仪器出厂时已严格检测 ,因此作 + 40 0′51″. 6?10″. 7 - 10 1′32″. 0?9″. 5者认为只定期检测上面的 3 、4 、5 、8 、9 等款项即可 。FT90 参考文献+ 19 1′30″. 2?3″. 8981 1 + 40 0′55″. 8?13″. 1张国良. 陀螺经纬仪定向. 徐州 : 中国矿业大学出版社 , 1988 - 10 1′11″. 8?22″. 7FT90 煤科总院唐山分院陀螺经纬仪组编著. 陀螺经纬仪基本 2 + 20 0′47″. 6?14″. 4347 原理 、结构与定向. 北京 :煤炭工业出版社 ,1982 中华人′00″. 8 ?22″. 4 + 40 1 民共和国能源部制定. 煤矿测量规程. 北京 : 煤炭 工业出3 11 仪器常数时间稳定性检测 版社 ,1989 4 国家测绘局. 光电测距仪检定规范. 北京 :测绘出版社 ,1991考虑到仪器常数可能随时间变化 ,因此我们认 ( ) 收稿日期 :2000 - 04 - 18()上接第 48 页 参考文献 3 四川矿业学院 数 学 教 研 组. 数 学 手 册. 北 京 : 科 学 出 版 1 闻 道 秋. 快 速 确 定 路 线 加 桩 的 一 种 方 法. 工 程 勘 察 , 社 ,1978 . 35,53() 1998 , 3:52,55 ( ) 收稿日期 :2000 - 05 - 262 覃辉. 道路边线点的坐标计算与微机程序简介. 测绘通 () 报 ,1998 , 8:21,24
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