第二节 经纬仪及其使用

一、经纬仪概述

经纬仪是角度测量的主要仪器，经纬仪的种类较多，测量工作中用于测角的经纬仪主要有光学经纬仪和电子经纬仪两大类。光学经纬仪是采用光学玻璃度盘和光学测微器读数设备，电子经纬仪则采用光电度盘和自动显示系统。国产经纬仪按精度可分为DJ07、DJ1、DJ2、DJ6、DJ15和DJ60六个等级。“D”“J”分别表示“大地测量”“经纬仪”汉语拼音的第一个字母，07、1、2、6、15、60分别表示该仪器一测回水平方向观测值中误差不超过的秒数。其中DJ07、DJ1、DJ2属于精密经纬仪，DJ6、DJ15和DJ60属于普通经纬仪。

二、DJ6型光学经纬仪及其构造

DJ6型光学经纬仪根据控制水平度盘转动方式的不同可分为方向经纬仪和复测经纬仪,图2-20是南京华东光学仪器厂的分微尺装置的DJ6型光学经纬仪,各部件名称如图所注。一般将光学经纬仪分解为照准部﹑水平度盘和基座三部分。

（一）DJ6光学经纬仪构造

1.照准部

照准部是指水平度盘以上能绕竖轴旋转的部分，包括望远镜、竖直度盘(简称竖盘)、光学对中器、水准管、读数显微镜等，它们都安装在底部带竖轴(内轴)的U形支架上。其中望远镜、竖盘和水平轴(横轴)固连一体，组装于支架上。望远镜绕横轴上、下旋转时，竖盘随着转动，并由望远镜制动螺旋和微动螺旋控制。竖盘是一个圆周上刻有度数分划线的光学玻璃圆盘，用于量度垂直角。紧挨竖盘有一个竖盘指标水准管和指标水准管微动螺旋，在观测垂直角时用来保证读数指标的正确位置。望远镜旁有一个读数显微镜，用来读取竖盘和水平度盘读数。望远镜绕竖轴左、右转动时，由水平制动螺旋和水平微动螺旋控制。照准部的光学对中器和水准管用来安置仪器，以使水平度盘中心位于测站铅垂线上，并使度盘平面处于水平位置。

2.水平度盘

水平度盘是由光学玻璃制成的刻有度数分划线的圆盘，在度盘上按顺时针方向刻有注记0°~360°，用以观测水平角。在度盘的外壳有照准部制动螺旋和微动螺旋,用来控制照准部与水平度盘的相对运动。水平度盘有一个空心轴，容纳照准部的内轴；空心轴插入度盘的外轴中，外轴再插入基座的套轴内。在空心轴容纳内轴的插口上有许多细小滚珠，以保证照准部能灵活转动而不致影响水平度盘。水平度盘本身可以根据测角需要，用度盘变换手轮或复测扳手改变读数位置。采用变换手轮的仪器，水平度盘是和照准部分离的，不能随照准部一道转动；采用复测扳手(又称离合器)的仪器，水平度盘与照准部的关系可离可合；将复测扳手朝上扳到位，水平度盘便与照准部离开，照准部转动时水平度盘不动，读数则随照准部转动而变化；将复测扳手朝下扳到位，水平度盘则与照准部扣合，随照准部一道转动，读数保持不变。

3.基座

基座起支承仪器上部以及使仪器与三脚架连接的作用，主要由轴座、脚螺旋和连接板组成。仪器的照准部连同水平度盘一起插入轴座后，用轴座固定螺旋(又称中心锁紧螺旋)固紧；轴座固定螺旋切勿松动，以免仪器上部与基座脱离而摔坏。仪器装到三脚架上时，需将三脚架头上的中心连接螺旋旋入基座连接板使之固紧。采用光学对中器的经纬仪，其连接螺旋是空心的；连接螺旋下端大都具有挂钩或像灯头一样的插口，以备悬挂垂球之用。

基座上有三个脚螺旋,脚螺旋用来整平仪器。但对于采用光学对中器的经纬仪来说，脚螺旋整平作用的范围很小，主要用它将基座平面调整成与三脚架的架头平面大致平行。

（二）测微装置与读数方法

DJ6型经纬仪水平度盘的直径一般只有93.4mm，周长293.4mm；竖盘更小。度盘分值(即相邻两分划线间所对应的圆心角)一般只刻至1°或30′，但测角精度要求达到6″，于是必须借助光学测微装置。DJ6型光学经纬仪目前最常用的测微装置是分微尺，如图2-21所示，度盘上1°的分划间隔经显微物镜放大后成像于分微尺上，成像后与分微尺的全长相等。所以分微尺上每一小格就代表1′。分微尺的注记由0～60，每10格标注一下，简略地注成由0～6，分微尺零线所指的度盘影像位置，就是应该读数的位置；角度的整度值可从度盘上直接读出，不到一度的值在分微尺上读，可直接读到1′，估读到0.1′，即6″。实际读数时，只需注意哪根度盘分划线位于0～6之间，读取这根分划线的度数和它所指的分微尺上的读数即得应有的读数。如图2-21所示，水平度盘直接读数为210°37′，估读0.1′，即6″，其最终读数为210°37′06″；同理，竖盘读数为90°27′54″。

分微尺测微读数视窗上窗是水平度盘,标有“水平”或“H”,下窗是竖直度盘,标有“竖直”或“V”,也有的以注 “AZ”或“-”符号表示水平度盘，注“V”或“⊥”符号表示竖盘。

（三）测钎、标杆和觇板

测量角度的照准标志,一般是在地面的目标点上竖立测钎、标杆或觇板,如图2-22所示,测钎一般用8号铅丝或φ4的钢筋制成，长30～40cm，一端磨尖便于插入土中准确定位,另一端卷成圆环，便于串在一起携带。标杆用木或竹竿制成，直径0.5～2cm。长1m多，间隔10cm涂以红、白相间的油漆。

三、DJ6光学经纬仪的使用

光学经纬仪的使用包括仪器安置、瞄准和读数三项。

（一）经纬仪的安置

把光学经纬仪安放在三脚架上。具体操作是：先松开三脚架腿固紧螺旋，按观测者身高调整架腿长度，再将螺旋拧紧，把三脚架张开，目估使三脚架高度适中，架头大致水平；连接螺旋放在架头中心位置挂上垂球，平移三脚架，使垂球尖端大致对准测站点标志中心，再将三脚架的脚尖踩入土中，注意架头仍应基本保持水平(可升降架腿)。将经纬仪从仪器箱中取出(记住仪器安放的位置)，一手握住支架，一手托住基座连接板，用中心连接螺旋将经纬仪固紧在三脚架上即可进行安置工作主要的两项：对中和整平。

1.对中

对中的目的是使仪器的中心(竖轴)与测站点中心(角的顶点)位于同一铅垂线上,这是测量水平角的基本要求。

使用光学对中器对中时，应与整平仪器结合进行。光学对中的步骤如下：

(1)张开三脚架,目估对中且使三脚架架头大致水平，架高适中。

(2)将经纬仪固定在脚架上，调整对中器目镜焦距，使对中器的圆圈标志和测站点影像清晰。

(3)转动仪器脚螺旋，使测站点影像位于圆圈中心。

(4)伸缩脚架腿，使圆水准器气泡居中。然后旋转脚螺旋，通过管水准整平仪器。

(5)察看对中情况，若偏离不大，可以通过平移仪器使圆圈套住测站点位，精确对中。若偏离太远，应重新整置三脚架，直到达到对中的要求为止。

2.整平

整平的目的是使经纬仪的水平度盘位于水平位置或使仪器的竖轴垂直。

整平分两步进行。首先用脚螺旋使圆水准气泡居中，即概略整平。其主要是通过伸缩脚架腿长短，使圆水准气泡居中，其规律是圆水准气泡向伸高脚架腿的一侧移动，注意脚架尖不能移动。精确整平是通过旋转脚螺旋使照准部管水准器在相互垂直的两个方向上气泡都居中。精确整平的方法如图2 23所示，精确整平的步骤如下：

（1）旋转仪器使照准部水准管与任意两个脚螺旋的连线平行，用两手同时相对或相反方向转动这两个脚螺旋，使气泡居中（气泡运动方向与左手大拇指的转动方向一致）。

（2）然后将仪器旋转90°，使水准管与前两个脚螺旋连线垂直，转动第三个脚螺旋，使气泡居中。如果水准管位置正确，如此反复进行数次即可达到精确整平的目的，即水准管器转到任何方向，水准气泡都居中，或偏离不超过l格。

（二）瞄准

操作方法：松开照准部和望远镜的制动螺旋，对准一背景明亮的位置,调节望远镜目镜使十字丝清晰；利用望远镜上的准星或粗瞄器粗略照准目标并拧紧水平制动螺旋；调节物镜调焦螺旋使目标清晰并消除视差；利用水平微动螺旋和望远镜微动螺旋精确照准目标。读出水平角或竖直角数值。图2-24为DJ6型经纬仪的十字丝情况。

照准时应注意：水平角观测时要用竖丝尽量照准目标底部,以减少照准偏差的影响。目标离仪器较近时，成像较大,可用单丝平分目标，如图2-25（a）所示；目标离仪器较远时，可用双丝夹住目标或用单丝和目标重合,如图2-25（b）所示。竖直角观测时应用横丝中丝照准目标顶部或某一预定部位，如图2-26所示。另外还应注意，无论测水平角或竖角，其照准目标的部位均应接近于十字丝的中心较好。

（三）读数

打开反光镜，并调整其位置，使进光明亮均匀，然后进行读数显微镜调焦，使读数窗内读数清晰。

对于分微尺读数装置的仪器可以直接读数。对于单平板玻璃测微器的仪器，则必须旋转测微手轮，使度盘上的某分划线位于双指标中间后才能读数。

竖直角读数前，首先要看仪器是采用指标自动补偿器，还是采用指标水准器。如果采用指标水准器，读数前则必须转动竖盘指标水准器微动螺旋使竖盘指标水准气泡居中。

在水平角观测或工程施工放样中，常常需要使某一方向的读数为零或某一预定值。照准某一方向时，使度盘读数为某一预定值的工作称为置数。测微尺读数装置的经纬仪多采用度盘变换手轮，其置数方法可归纳为“先照准后置数”，即先精确照准目标,并旋紧水平制动螺旋和望远镜制动螺旋,然后打开度盘变换手轮保险装置,转动度盘变换手轮,使度盘读数为预定值,并关上度盘变换手轮保险装置。

四、DJ6型光学经纬仪的检验与校正

（一）经纬仪轴线及应满足的几何条件

如图2 27所示，经纬仪的主要轴线有：竖轴VV（仪器的旋转轴）、横轴HH（望远镜的旋转轴）、望远镜的视准轴CC和照准部水准管轴LL。根据水平角的概念，经纬仪在水平角观测时应满足一定的几何条件。这些条件是：

（1）照准部管水准轴与竖轴正交（LL⊥VV）。

（2）十字丝竖丝与横轴正交（竖丝⊥HH）。

（3）视准轴与横轴正交（CC⊥HH）。

（4）横轴与竖轴正交（HH⊥VV）。

（5）竖盘指标差应近于零。

以上条件在仪器出厂时，一般都能满足，但由于在搬运或长期使用过程中的震动、碰撞等原因各项条件往往会发生变化。因此，在使用仪器作业前，必须对仪器进行检验与校正，即使新仪器也不例外。

（二）经纬仪的检验与校正

1.照准部管水准轴(LL)垂直于竖轴(VV)的检验与校正

（1）检验方法：整平经纬仪后，旋转照准部使管水准器与任意两个脚螺旋的连线平行，调节脚螺旋使气泡居中，再将照准部旋转180°，若气泡仍居中，则表示条件满足；若气泡偏离值超过1格,则应校正。

它的原理如图2-28所示，当气泡居中时，表明水准轴已水平，此时，如果水准轴是正交的，则竖轴应处于铅垂线方向，水平度盘应处于水平位置；若水准轴与竖轴不正交，如图2-28(a)所示，竖轴与铅垂线将有夹角α，则水平度盘与水准轴的交角也为α。当照准部旋转180°时，气泡偏离，如图2-28(b)所示，因竖轴倾斜方向没变，可见管水准轴与水平线的夹角为2α。

（2）校正方法:先调整脚螺旋,使气泡退回偏离格值的一半，如图2-28（c）所示，然后用校正针拨动管水准器一端的校正螺丝，使气泡居中，如图2-28（d）所示。

此项检验校正必须反复进行，直到照准部转到任何位置后气泡偏离值不大于1格时为止。

2.十字丝竖丝垂直于横轴的检验与校正

（1）检验方法：整平仪器，用十字丝竖丝一端照准一清晰小点A，固定照准部和望远镜，慢慢转动望远镜微动螺旋，使目标点A沿竖丝慢慢移动。若点A在竖丝上移动，则表示满足条件；否则应进行校正。如图2-29所示，点A移动到竖丝另一端时偏到A′处。

（2）校正方法：旋开十字丝环护罩，可见图2-30所示的校正装置，松开4个校正螺丝，轻轻转动十字丝环，直到望远镜上下运动时点始终在竖丝上运动为止。校正结束后，应及时拧紧4个校正螺丝，并旋上护盖。

3.视准轴(CC)垂直于横轴(HH)的检验与校正

（1）检验方法：整平经纬仪，使望远镜大致水平，用盘左照准远处（80～100m）一明显标志点A，读盘左水平度盘读数L，再用盘右照准A，读水平度盘读数R，如果L与R的读数相差180°，说明条件满足；若不差180°,其差值为两倍视准轴误差,用2C来表示。

（2）校正方法：在盘右位置，按公式R正=12 [R+（L±180°）]计算出盘右的正确读数。然后转动水平微动螺旋，使水平度盘置于正确读数R正，此时望远镜十字丝交点已偏离了目标点A，旋下十字丝分划板护盖，稍微松开十字丝环上下两个校正螺丝，再拨动十字丝环的左右两个螺丝，一松一紧 （先松后紧），推动十字丝环左右移动，使十字丝交点精确对准标志点A，如此反复校核几次，直至符合要求为止，此时条件满足。该项检校应反复进行。

应当指出：采用盘左、盘右观测并取其平均值计算角值时，可以消除该项误差的影响。

4.横轴(HH)垂直于竖轴(YY)的检验与校正

（1）检验方法：如图2-31所示，在离墙约20m处整平仪器,盘左（仰角宜大于30°）照准墙上一个清晰的照准标志P，旋紧水平制动螺旋，然后使望远镜视准轴水平，在墙面上标出照准点M；倒转望远镜，盘右再次照准P点，固定照准部，再使望远镜视准轴水平，在墙面上标出照准点N，则横轴误差的计算公式为

式中 α——P点的竖直角，通过对P点的竖直角观测一测回获得；

D——测站至P点的水平距离；

ρ——常数，ρ=206265。

计算出来的i≥20″时，必须校正。

（2）校正方法：此项误差是横轴不水平，也就是横轴两端支架不等高造成的，校正时应让横轴一端升高或降低。该项校正操作较困难，如需校正，应交专业仪器修理人员处理。

5.竖盘指标差应近于零

（1）检验方法：整平仪器后，照准一个明显标志点，分别用盘左、盘右观测目标，并读竖盘读数L和R，按式（2-3）计算指标差，若x>1′则应进行校正。

（2）校正方法：计算盘右的正确读数R正=R-x。校正时，望远镜照准目标，调节竖盘指标水准管微动螺旋，使竖盘读数置于正确读数R正上，此时，竖盘指标水准管气泡不居中，校正使气泡居中。如此反复进行，直至条件满足。

经纬仪的每项校正要完全满足理论上提出的要求是很困难的，一般只求达到实际作业所需的精度，因此必然存在着残余的误差。这些残余的误差，如果采用合理的观测方法，大部分可以消除掉。

五、其他经纬仪简介

（一）DJ2型光学经纬仪简介

DJ2型光学经纬仪常用于国家三、四等的三角测量,属于精密仪器,其结构与DJ6型光学经纬仪基本相同，所不同的主要是读数装置和读数方法。DJ2型光学经纬仪采用的是对径分划线符合读数装置,在DJ2型光学经纬仪的读数显微镜中，只能看到水平度盘刻划的影像或竖直度盘刻划的影像，须通过转动换向手轮选择所需要的度盘影像。

1.读数装置

图2-32是我国苏州光学仪器厂制造的DJ2型光学经纬仪，各部分名称如图2-32所注。这种仪器采取对径分划线符合读数装置，即外部光线进入仪器后，经过一系列棱镜和透镜的作用，将度盘直径两端分划线的影像同时成像在度盘读数窗内，并被一横线分成主像、副像，如图2-33(a)所示，上方的正像称为主像，下方的倒像称为副像，正像和倒像可以相对运动，由测微手轮控制，而测微手轮又与分微尺连接；当转动测微轮使正像与倒像的分划线重合(即符合)时，两分划线相对移动的角值就反映到分微尺上。在读数显微镜内不能同时显示水平度盘和竖盘，而在支架右侧安有一个换像手轮；当手轮上的指标红线成水平状态时，在镜内看到的是水平度盘；当手轮上的指标红线成竖直状态时，在镜内看到的是竖盘。水平度盘和竖盘的分划值均为20′，但按符合法读数只能计作10′(即度盘实际分划值的一半)。度盘左边的小光窗是分微尺，尺上每小格代表1″；尺上右边的注记是秒数，左边的注记是分数。横贯分微尺的直线是读取分秒的指标线。

2.读数方法

转动测微轮，使正像、倒像的分划线符合，如图2-33(b)所示。读出正像左边的度数，如图2-33(b)中为154°；再在倒像右边找到所读数相差180°的分划线，如图2-33(b)中为334°。数出此两线间所夹的格数，如图2-33(b)中为3格，乘上按符合法计算的格值10′即得整分数，如图2-33 (b)中为3×10′=30′；然后在分微尺上读取分秒,用指标线读取不足10′的分和秒，如图2-33 (b)中为8′39.8″；总加起来即得度盘的全部读数为154°38′39.8″。

新型苏州光学仪器厂DJ2型光学经纬仪采用了数字化的读数，如图2 33（c）所示，读数原理与上述相同，通过转动测微手轮，使度盘读数窗中的主线、副线分划线重合，如图2 33（d）所示。上面的小窗为度盘读数和整10′的注记，如图2 33（d）中为65°50′，左下侧的小窗为分和秒数，如图2 33（d）中为6′34.4″。度盘的整个读数为65°56′34.4″。

（二）电子经纬仪简介

1.电子经纬仪的结构

电子经纬仪是在光学经纬仪的基础上发展起来的新一代测角仪器，第一台电子经纬仪于1986年研制成功，电子经纬仪直到20世纪80年代初才商品化。新一代的电子经纬仪具有数字显示、自动记录、自动传输数据等功能。目前最高精度的电子经纬仪可显示到0.1″，测角精度可达0.5″。电子经纬仪与光学经纬仪具有类似的外形和结构特征，因此使用方法也基本相同，主要区别在于读数系统。光学经纬仪是在360°的全圆上均匀地刻上度（分）的刻划并注有标记，利用光学测微器读出分、秒值，电子经纬仪则采用光电扫描度盘和自动显示系统。电子经纬仪获取电信号的形式与度盘有关，目前电子测角有编码度盘、光栅度盘和区式度盘三种形式。

2.电子经纬仪的特点

由于电子经纬仪是电子计数，通过置于机内的微型计算机，可以自动控制工作程序和计算，并可自动进行数据传输和存储，因而它具有以下特点：

（1）读数在屏幕上自动显示，角度计量单位（360°六十进制、360°十进制、400g、6400密位）可自动换算。

（2）竖盘指标差及竖轴的倾斜误差可自动修正。

（3）有与测距仪和电子手簿连接的接口。与测距仪连接可构成组合式全站仪，与电子手簿连接，可将观测结果自动记录，没有读数和记录的人为错误。

（4）可根据指令对仪器的竖盘指标差及轴系关系进行自动检测。

（5）如果电池用完或操作错误，可自动显示错误信息。

（6）可单次测量，也可跟踪动态目标连续测量，但跟踪测量的精度较低。

（7）有的仪器可预置工作时间，到规定时间，则自动停机。

（8）根据指令，可选择不同的最小角度单位。

（9）可自动计算盘左、盘右的平均值及标准偏差。

（10）有的仪器内置驱动马达及CCD系统，可自动搜寻目标。

根据仪器生产的时间及档次的高低，某种仪器可能具备上述的全部或部分特点。随着科学技术的发展，其功能还在不断扩展。图2-34所示的是南方测绘公司生产的ET-02电子经纬仪。

（三）激光经纬仪简介

激光经纬仪是在经纬仪望远镜上配置一激光发生器制造而成的一种工程经纬仪。这种经纬仪可将激光器发出的激光束导入经纬仪望远镜内，使之沿着视准轴方向射出一条可见的红色激光束。

激光经纬仪提供的红色激光束可传播相当远，而光束的直径不会有显著变化，是理想的定位基准线。因此，激光经纬仪已广泛地应用于各种施工测量中，它既可用于一般准直测量，也常用于大坝变形、岸边坡位移监测等。

使用激光经纬仪时，要注意电源线的连接，使用前要开机预热半小时，使用完后，要先关上电源开关，待指示灯熄灭，激光器停止工作后再断开电源。长时间不使用仪器时，应每月通电一次，使激光器点亮半小时。若仪器发生故障，须由专业人员或仪器维修部门进行修理，不要私自拆卸仪器零部件。