全站仪目标棱镜偏心差及其影响(水电自动化与大坝监测2013年第5期)

研究对象：水工建筑物变形监测全站仪目标棱镜偏心差及其影响陈斌1，张宏燕2，濮久武1（1.浙江华电乌溪江水力发电厂，浙江省衢州市324000；2.浙江华光潭水力发电有限公司；浙江省临安市311322）摘要：高精度全站仪用于变形监测已日益普遍，同时对其配套的目标棱镜也提出了更高的要求，要保证全站仪在变形监测中达到预期目标，必须分析检验目标棱镜存在的误差及其对观测值的影响。通过在现场观测方法采取一定的措施消除或削弱其影响，或采用一种新型、高效、可靠、简便、经济的全站仪目标配套设施，高效地提高变形监测精度和监测资料的可靠性。工程实践证明，全站仪目标棱镜偏心差明显降低了变形监测的精度和可靠性，完全可以采取有效措施加以解决。关键词：全站仪；目标棱镜；偏心差消除CenteringerrorofTotalstationtargetprismandeffecdCHENBin1，ZHANGHongyan2，PUJiuwu1（1.ZhejiangHuadianWuxijiangHydroelectricPowerPlant，Quzhou324000，China；2.ZhejiangHuaguangtanHydrpowerCo.,Ltd.，Linan324000，China）Abstract:PreciseTotalstationisusedfordeformationmonitoringincreasinglycommonanditrequeststhetargetprismhashigherstandards.ToensurethewholeTotalstationreachestheexpectationwhilethedeformationmonitoring,itisnecessarytoanalyzethetargetprismerroranditsinfluenceontheresult.ItcanimprovethemonitoringprecisionandthedatumreliabilitythroughsomecertainmeasureatthesitetoweakentheinfluenceoradoptingakindofnewtargetkitofTotalstationwhichisefficient,credible,simple,economy.Theengineeringpracticeprovesthattheprecisionandreliabilityseverelyreducedbythecenteringerroroftargetprismintotalstationobviouslycanbeeliminatedeffective.Keyword:Totalstation；targetprism；centeringerroreliminate0目标棱镜偏心差全站仪目标棱镜是全站仪的配套设施，在全站仪观测时设置在目标端的一个反射器，以便将全站仪发射的调制光反射回去，并被全站仪的接收器接收。变形监测中常规的目标棱镜由连接棱镜和观测底座的连接螺栓、带圆气泡可调水平基座、支架、棱镜头等4部分组成，简称棱镜组。目标棱镜偏心包括棱镜基座偏心、支架偏心以及棱镜头偏心等。目标棱镜安置于观测底座后，观测底座和棱镜基座连接螺旋中心轴与棱镜基座和支架连接中心轴的偏心为棱镜基座偏心；棱镜基座和支架连接中心轴与支架和棱镜头连接中心轴的偏心为支架偏心；支架和棱镜头连接中心轴与棱镜头中心轴的偏心为棱镜头偏心。目标棱镜偏心差主要出在棱镜基座偏心差，支架偏心差及质量优良的棱镜头偏心差较小。目标棱镜偏心差以及棱镜整平安置误差的共同影响，已成为高精度变形监测的重大误差来源，必须设法予以消除。1目标棱镜偏心检验目标棱镜偏心检验前，首先应对目标棱镜水准器安置准确性进行检校。1）棱镜基座偏心检验（A）在相距5m~30m（目标清晰且尽量近的距离）的两个高程一致的观测墩A、B上，分别安置全站仪、棱镜基座配基本无偏心的支架加目标棱镜（第Ⅰ位置）。因棱镜基座偏心使得目标棱镜照准中心处于B1位置，见图1[1]。SS1B1PA(l2-l1)B2εS2θB图1棱镜基座偏心差（B）用全站仪采用盘左或盘右“双照准法”观测目标水平方向及平距四个半测回，并取8个观测值中数作为第Ⅰ位置的水平方向1l及平距1S观测值。（C）旋转目标棱镜基座180°，重新整平棱镜基座并调整棱镜头的方向（第Ⅱ位置）对准全站仪。因棱镜基座偏心使得目标棱镜照准中心处于B2位置。（D）重复步骤（B）操作并取8个观测值中数作为第Ⅱ位置的水平方向2l及平距2S观测值。按下式计算棱镜基座偏心差1e)cos(221122122211llSSSSe上述检验过程中，棱镜头（镜框与镜头的组合）偏心差不能得到反映，得到的棱镜基座偏心差为棱镜基座和支架组合的偏心差，不包含棱镜头偏心差。如检验得到的偏心差满足要求，则表明棱镜基座与支架在这个方向组合一起使用可以满足要求。2）棱镜支架偏心检验对目标棱镜支架亦应按照上述方法在基座固定不动情况下，在基座中按120°旋转支架，分别三个位置进行观测，但观测测回数可适当减少，并分三次（第Ⅰ位置与第Ⅱ位置、第Ⅱ位置与第Ⅲ位置、第Ⅲ位置与第Ⅰ位置）计算出偏心差2e并取其均值。棱镜支架偏心一般较小，在进行棱镜基座偏心检验时应使用基本无偏心的支架。可按下式计算棱镜支架偏心差2e)cos(231122122212llSSSSe3）棱镜头偏心检验棱镜头（镜框与镜头的组合）偏心差的检验可利用基本无偏心的标准棱镜头进行对比观测。在步骤（A）中安置标准棱镜头；按步骤（B）操作；在保持原基座及支架位置不变的情况下，将标准棱镜头更换为待检棱镜头；按步骤（D）操作。按下式计算棱镜头偏心差3e)cos(2122122213llSSSSe目标棱镜偏心差232221eeee目标棱镜偏心直接导致水平方向及距离观测误差，考虑到目标棱镜偏心检验时存在的误差约为±0.1mm，目标棱镜偏心差e在0.3mm以内则可认为待检验的目标无明显偏心，一般可在视距大于50m的测点使用，如用于更近的距离则有必要考虑其使用的可行性。在图1中，现场检验时可采用通过21PBPB、长度求平方和开根号的方法进行1e的简便计算。从部分质量优良的目标棱镜偏心检验数据表明，1e、2e、3e、e的平均值分别在0.3mm、0.2mm、0.2mm、0.4mm以内。2目标偏心差对观测值的影响目标偏心差对观测值的影响包括水平方向及边长观测值的影响。（1）目标偏心差对水平方向观测值的影响如图1所示，B为目标测点中心，目标棱镜偏心使得目标棱镜中心位于B1点，相差一段距离e1。AB为由测站A点观测目标B点的方向线，边长为S；AB1为由测站A点观测目标B1点的方向线，边长为S1。两方向线所夹角值ε，就是因目标棱镜偏心差影响所产生的方向误差。若目标偏心方向与观测方向夹角为θ，则按正弦定理有1sin1sinSe因很小，上式可写成sin11Se（1）式中ρ—1弧度的角度值。当S1＝200m，θ＝90°，e1＝0.5mm时，＝0.5″；S1＝20m，θ＝90°，e1＝0.5mm时，＝5..2″。由公式（1）及上述计算结果可知，偏心差对观测方向值的影响与边长度成反比。如果对偏心差e1相同，则边越短，对观测方向值的影响便越大。因此，在短边情况观测水平角时，更应关注目标偏心影响。（2）目标偏心差对边长观测值的影响目标棱镜偏心差影响所产生的边长误差为cos1cos1sin211eeeSSS（2）上式说明目标偏心差对边长的影响与偏心差e1及夹角θ相关，而与边长本身的长度无关。但考虑到短边长观测的相对误差仍然较大，故更应关注短边情况的目标偏心影响。采用全站仪配套棱镜（或觇牌）作为观测目标时，偏心误差取决于使用的棱镜本身偏心误差大小，质量优良的目标棱镜偏心误差一般能控制在±0.4mm以内。另一方面，棱镜组整体高度约240mm，可调水平基座圆气泡分划值一般为8′/2mm。基座圆水准轴误差、调平误差共同影响可达±0.3mm，加之基座、支架、棱镜头偏心差共同影响导致的目标点平面偏心误差一般在±0.5mm以上，有时甚至在±1mm以上，显然对于边长较短的情况下即使这么小的误差仍会产生较大的水平方向误差，其综合影响难以满足高精度变形监测要求。3偏心差对观测值影响的消除或削弱为消除或削弱目标棱镜偏心差对观测值的影响，可采用下述有效方法。（1）导致棱镜偏心的主要原因是棱镜基座的装配问题。在保持棱镜基座和支架相对位置固定不动（使棱镜支架在基座中的位置不变）的情况下，在现场观测一半测回数后将棱镜基座旋转180°重新安置棱镜，观测另一半测回数。当然这种方法观测时，前一半测回数与后一半测回数的观测值不具可比性，但全部测回的观测均值能基本消除这种棱镜偏心误差对水平方向及距离观测值的影响。（2）在观测过程中重新安置棱镜基座，使得目标棱镜偏心差成为偶然误差，可削弱其对水平方向及距离观测值的影响。（3）在变形监测的位移测点，采用中国家专利产品——高精度免调节变形监测通用棱镜基座[5]，这种棱镜基座基本不存在偏心差，保证其偏心误差在±0.1mm以内，不存在棱镜整平安置误差，且每次观测中棱镜高度保持不变，这已在许多工程中取得了成功的经验，尤其是在高精度三维坐标观测工作中是一种很好的全站仪配套目标棱镜。其优点是基本无偏心差，免去了现场安置的繁琐操作没有调平误差，有效提高大坝安全监测精度及监测系统的整体可靠水平，降低劳动强度、缩短观测时间、减少维护成本。4工程应用实例狮子口水库是位于浙江省常山县的一座中型水库，大坝为粘土心墙坝，在大坝三维变形控制网监测系统，位于坝顶的4个工作基点组成的大地四边形中，A、B及C、D分别为左岸及右岸坝顶工作基点，其中最短边长ABS17.9m，最长边长ADS295.0m，见图2。ABCD图2狮子口大坝三维变形控制网通视图大坝三维变形控制网观测于2013年5月份进行[2]，观测在全天阴天的良好环境中进行，采用TCA2003全站仪及配套目标棱镜通过12测回边角网观测法观测。因最短边长仅18m，如按常规方法考虑到即使目标棱镜偏心在0.5mm以内，其导致的水平方向误差为5.8″，显然无法满足一等边角网的三角形闭合差及测角中误差要求[3]。现场观测采用了在完成6个测回的观测以后，将各目标棱镜基座旋转180°重新安置棱镜，观测另外6个测回最后取平均值的方法，有效地消除了棱镜偏心误差对水平方向及距离观测值的影响，见表1、表2。表1中的三角形闭合差上6测回与下6测回中各有2个三角形闭合差超过规范规定的±2.5″，且6测回测角中误差严重超限。而12测回的观测均值，所有三角形闭合差均明显小于规范限值，测角中误差仅为±0.35″，明显小于规范规定的±0.7″。表2中的边长往返差上6测回与下6测回中各有1条边超过规范规定的±1.7mm、±1.4mm，而12测回的观测均值，所有边长往返差明显小于规范限值[4]。在本四边形中使用的4只棱镜，B点、D点的目标棱镜偏心差均在0.5mm以上。表1三角形闭合差计算表三角形编号上6测回下6测回12测回W（″）三角形闭合差验算W（″）三角形闭合差验算W（″）三角形闭合差验算B-C-A2.95超限-3.62超限-0.33符合B-C-D1.66符合-0.49符合0.59符合A-D-B3.61超限-3.41超限0.10符合A-D-C2.32符合-0.28符合1.02符合测角中误差（″）±1.58超限±1.44超限±0.35符合表2边长往返差计算表边长编号上6测回下6测回12测回△S（mm）边长往返差验算△S（mm）边长往返差验算△S（mm）边长往返差验算A-D0.09符合0.33符合0.21符合A-B0.69符合-1.59超限-0.44符合A-C0.81符合-0.01符合0.40符合B-C-0.63符合0.28符合-0.17符合B-D-1.82超限0.21符合-0.80符合D