最新土木工程测量-第四章距离测量幻灯片.ppt

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1、4 4 距离测量距离测量距离测量是测量工作的基本工作之一，所谓距离是指距离测量是测量工作的基本工作之一，所谓距离是指两点间的两点间的水平长度水平长度。如果测得的是倾斜距离，还必须改算为水平距离。按照。如果测得的是倾斜距离，还必须改算为水平距离。按照所用仪器、工具的不同，测量距离的方法有所用仪器、工具的不同，测量距离的方法有钢尺直接量距钢尺直接量距、光电测光电测距仪距仪和和光学视距法测距光学视距法测距等。等。本章要点本章要点钢尺量距方法钢尺量距方法钢尺量距成果处理钢尺量距成果处理视距测量原理视距测量原理测量方法和成果计算测量方法和成果计算介绍电磁波测距原理，红外测距仪简介介绍电磁波测距原理，红外

2、测距仪简介4 4 距离测量距离测量4 4 距离测量距离测量4 4 距离测量距离测量4 4 距离测量距离测量4 4 距离测量距离测量4 4 距离测量距离测量4 4 距离测量距离测量4.1 钢钢 尺尺 量量 距距4.1.4 4.1.4 钢尺量距成果整理钢尺量距成果整理精密量距中，每一尺段需进行尺长改正、温度改正及倾斜改正精密量距中，每一尺段需进行尺长改正、温度改正及倾斜改正，求出改正后的尺段长度。，求出改正后的尺段长度。尺长改正尺长改正 钢尺名义长度钢尺名义长度l l0 0一般和实际长度不相等，每量一段都需加入尺一般和实际长度不相等，每量一段都需加入尺长改正。在标准拉力、标准温度下经过检定实际长度

3、为长改正。在标准拉力、标准温度下经过检定实际长度为ll，其差，其差值值ll为整尺段的尺长改正，即为整尺段的尺长改正，即l=l-ll=l-l0 0任一长度任一长度l l尺长改正公式为：尺长改正公式为：lld d=l=ll/ll/l0 0(4-3)(4-3)l=l-ll=l-l0 0lld d=l=ll/ll/l0 0(4-3)(4-3)温度改正温度改正设钢尺在检定时的温度为设钢尺在检定时的温度为t t0 0，丈量时的温度为，丈量时的温度为tt，钢尺的线，钢尺的线膨胀系数膨胀系数( (一般为一般为0.0000125/)0.0000125/)。则某尺段。则某尺段l l的温度改正为：的温度改正为：ll

4、t t=(t-t=(t-t0 0)l)l(4-4)(4-4)llt t=(t-t=(t-t0 0)l)l(4-4)(4-4)4 4 距离测量距离测量4.1 钢钢 尺尺 量量 距距4.1.4 4.1.4 钢尺量距成果整理钢尺量距成果整理倾斜改正倾斜改正设沿地面量斜距为设沿地面量斜距为l l，测得高差为，测得高差为h h, ,换成平距换成平距d d要进行倾斜改正要进行倾斜改正。公式为。公式为( (图图L-4-9)L-4-9)：上式用级数展开：上式用级数展开： 1)1()(21222/122lhllhlldlh 1)821(4422lHlhllh当高差不大时，当高差不大时，h h与与l l比值很小，

5、取前两项得倾斜改正为：比值很小，取前两项得倾斜改正为：(4-5)lhlh22每一尺段改正后的水平距离为：每一尺段改正后的水平距离为：(4-6)htdlllld4 4 距离测量距离测量4.1 钢钢 尺尺 量量 距距4.1.5 4.1.5 钢尺检定钢尺检定由于钢尺制造误差，以及长期使用产生的变形使得钢尺名义长由于钢尺制造误差，以及长期使用产生的变形使得钢尺名义长度和实际长度不一样，因此在精密量距前必须对钢尺进行检定。度和实际长度不一样，因此在精密量距前必须对钢尺进行检定。钢尺检定室应是恒温室，一般用平台法。将钢尺放在长度为钢尺检定室应是恒温室，一般用平台法。将钢尺放在长度为30m(30m(或或50

6、m)50m)的水泥平台上，平台二端安装有施加拉力的拉力架。给的水泥平台上，平台二端安装有施加拉力的拉力架。给钢尺施加标准拉力钢尺施加标准拉力(100N)(100N)，然后用标准尺量测被检定钢尺，得到在，然后用标准尺量测被检定钢尺，得到在标准温度、标准拉力下的实际长度，最后给出尺长随温度变化的函标准温度、标准拉力下的实际长度，最后给出尺长随温度变化的函数式，称为尺长方程式。数式，称为尺长方程式。l lt t=l=l0 0+l+ld d+(t-t+(t-t0 0)l)l0 0 (4-7)(4-7)l lt t=l=l0 0+l+ld d+(t-t+(t-t0 0)l)l0 0 (4-7)(4-7)

7、4 4 距离测量距离测量4.2 钢尺量距误差及注意事项钢尺量距误差及注意事项影响钢尺量距精度的因素很多，主要有定线误差、尺长误差、影响钢尺量距精度的因素很多，主要有定线误差、尺长误差、温度测定误差、钢尺倾斜误差、拉力不均误差、钢尺对准误差、读温度测定误差、钢尺倾斜误差、拉力不均误差、钢尺对准误差、读数误差等。现择其主要者讨论如下。数误差等。现择其主要者讨论如下。定线误差定线误差在量距时由于钢尺没有准确地安放在待量距的直线方向上，所在量距时由于钢尺没有准确地安放在待量距的直线方向上，所量的是折线而不是直线，造成量距结果偏大，如图量的是折线而不是直线，造成量距结果偏大，如图4-44-4所示。所示。

8、设定线误差为设定线误差为，一尺段的量距误差为：，一尺段的量距误差为：(4-8)lll222222)(2当当 ，l=30ml=30m时，时，0.12m0.12m，3mm3mm，所以目视，所以目视定线即可达此精度。定线即可达此精度。300001l4 4 距离测量距离测量4.2 钢尺量距误差及注意事项钢尺量距误差及注意事项尺长误差尺长误差钢尺名义长度与实际长度之差产生的尺长误差对量距的影响，钢尺名义长度与实际长度之差产生的尺长误差对量距的影响，是随着距离的增加而增加的。在高精度量距时应加是随着距离的增加而增加的。在高精度量距时应加尺长改正尺长改正，并要，并要求钢尺检定误差求钢尺检定误差1mm1mm。

9、温度测定误差温度测定误差据钢尺温度改正公式据钢尺温度改正公式llt t=(t-t=(t-t0 0)l)l，当温度引起的误差为，当温度引起的误差为1/300001/30000时，温度测量误差不应超出时，温度测量误差不应超出33，此外在测试温度计显示此外在测试温度计显示的是空气环境温度，不是钢尺本身的温度。在阳光暴晒下，钢尺与的是空气环境温度，不是钢尺本身的温度。在阳光暴晒下，钢尺与环境测试可差环境测试可差55。所以量距冝在阴天进行。最好用半导体温度计。所以量距冝在阴天进行。最好用半导体温度计测量钢尺的自身温度。测量钢尺的自身温度。拉力不均误差拉力不均误差钢尺具有弹性，会因受拉而伸长。钢尺弹性模量

10、钢尺具有弹性，会因受拉而伸长。钢尺弹性模量E=2E=210105 5MPaMPa，设钢尺断面积设钢尺断面积A=0.04cmA=0.04cm2 2, ,钢尺拉力拉力误差为钢尺拉力拉力误差为pp，据虎克定律，据虎克定律，钢尺伸长误差为：钢尺伸长误差为：(4-9)EAPlp当拉力误差为当拉力误差为30N30N，尺长，尺长30m30m，钢尺量距误差为，钢尺量距误差为1mm1mm，所以精密量，所以精密量距时应使用弹簧秤控制拉力。距时应使用弹簧秤控制拉力。4 4 距离测量距离测量4.2 钢尺量距误差及注意事项钢尺量距误差及注意事项钢尺对准及读数误差钢尺对准及读数误差在量距时，由于钢尺对点误差、测钎安置误差

11、及读数误差都会在量距时，由于钢尺对点误差、测钎安置误差及读数误差都会使量距产生误差。这些误差是偶然误差，所以量距时，应仔细认真使量距产生误差。这些误差是偶然误差，所以量距时，应仔细认真。并采用多次丈量取平均值的方法，以提高量距精度并采用多次丈量取平均值的方法，以提高量距精度。此外，钢尺。此外，钢尺基本分划为基本分划为1mm1mm，一般读数也到毫米，若不仔细会产生较大误差，一般读数也到毫米，若不仔细会产生较大误差，所以测量时要认真仔细。所以测量时要认真仔细。钢尺倾斜误差钢尺倾斜误差钢尺量距时若钢尺不水平，或钢尺测量距离时两端高差测定有钢尺量距时若钢尺不水平，或钢尺测量距离时两端高差测定有误差，对

12、测量会产生误差，使距离测量值偏大，倾斜改正公式见式误差，对测量会产生误差，使距离测量值偏大，倾斜改正公式见式(4-5) (4-5) (llh h=-h=-h2 2/2l/2l ) )。从式从式(4-5)(4-5)可见，高差的大小及其测定误差对测距误差有影响可见，高差的大小及其测定误差对测距误差有影响。对于。对于30m30m的钢尺，当的钢尺，当h=1mh=1m，高差测定误差，高差测定误差m mh h= =5mm5mm时，产生测距时，产生测距误差为误差为0.17mm0.17mm。所以在精密量距时，用普通水准仪测定高差即可。所以在精密量距时，用普通水准仪测定高差即可在普通量距时，用目估持平钢尺，经统

13、计会产生在普通量距时，用目估持平钢尺，经统计会产生5050倾斜倾斜( (相相当于当于0.44m0.44m高差误差高差误差) )，对量距约产生，对量距约产生3mm3mm误差。误差。4 4 距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.1 4.3.1 视距测量原理视距测量原理视距测量是利用望远镜内的视距装置配合视距尺，根据几何光视距测量是利用望远镜内的视距装置配合视距尺，根据几何光学和三角测量原理，同时测定距离和高差的方法。最简单的视距装学和三角测量原理，同时测定距离和高差的方法。最简单的视距装置是测量仪器置是测量仪器( (如经纬仪、水准仪如经纬仪、水准仪) )的望远镜十字丝分划板上刻制上

14、的望远镜十字丝分划板上刻制上、下对称的两条短线，称、下对称的两条短线，称视距丝视距丝。如图如图4-54-5。视距测量中的视距尺。视距测量中的视距尺可用普通水准尺，也可用专用视距尺。可用普通水准尺，也可用专用视距尺。视距测量精度一般为视距测量精度一般为1/2001/2001/3001/300，精密视距测，精密视距测量可达量可达1/20001/2000。由于视距测。由于视距测量用一台经纬仪即可同时完量用一台经纬仪即可同时完成两点间平距和高差的测量成两点间平距和高差的测量，操作简便，操作简便，所以当地形起所以当地形起伏较大时，常用于碎部测量伏较大时，常用于碎部测量和图根的加密。和图根的加密。4 4

15、距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.2 4.3.2 视线水平时视距测量公式视线水平时视距测量公式 l=N-M l=N-M待测距离待测距离D D为：为： D=D+fD=D+f1 1+ (4-10)+ (4-10)从凸透镜从凸透镜L L1 1成像原理可得：成像原理可得：l=N-Ml=N-MD=D+fD=D+f1 1+ (4-10)+ (4-10)(4-11)lDpfplfD11, D=Kl+c (4-14) D=Kl+c (4-14)D=Kl+c (4-14)D=Kl+c (4-14)视距尺视距尺焦距焦距物镜物镜调焦透镜调焦透镜焦距焦距令f1/p=K ,f1+C则令令f1/p=K

16、 ,f1+C则则4 4 距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.2 4.3.2 视线水平时视距测量公式视线水平时视距测量公式式中：式中：K K视距乘常数；视距乘常数；c c视距加常数。视距加常数。l l尺间隔尺间隔在仪器设计时，选择适当参数，可使在仪器设计时，选择适当参数，可使K=100K=100，c c值很小，可忽略值很小，可忽略不计，所以不计，所以视线水平时视距测量公式视线水平时视距测量公式为：为： D=Kl=100lD=Kl=100l (4-15) (4-15)D=Kl+c (4-14)D=Kl+c (4-14)D=Kl=100lD=Kl=100l (4-15) (4-15

17、)视线水平时，高差由图视线水平时，高差由图4-74-7可得：可得：h=i-s (4-16)h=i-s (4-16)h=i-s (4-16)h=i-s (4-16)式中：式中：ii仪器高仪器高ss中丝读数。中丝读数。4 4 距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.2 4.3.2 视线倾斜时视距测量公式视线倾斜时视距测量公式设视线竖直角为设视线竖直角为，由，由于十字丝上、下丝的间距很于十字丝上、下丝的间距很小，视角小，视角22约为约为3434，故可，故可将将EMNEMN和和ENNENN近似看近似看成直角。成直角。MEM=NEN=MEM=NEN=，从图，从图可见：可见：ME+EN=(M

18、E+EN)cosME+EN=(ME+EN)cosl=lcosl=lcosD=Kl=KlcosD=Kl=KlcosME+EN=(ME+EN)cosME+EN=(ME+EN)cosl=lcos (4-17) l=lcos (4-17) D=Kl=KlcosD=Kl=Klcos水平距离为水平距离为D=Dcos=KlcosD=Dcos=Klcos2 2D=Dcos=KlcosD=Dcos=Klcos2 2 (4-18) (4-18)初算高差为：初算高差为：(4-19)2sinsincossin21KlKlDh4 4 距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.2 4.3.2 视线倾斜时视距测

19、量公式视线倾斜时视距测量公式A A、B B两点高差为：两点高差为：(4-20)(4-20)siKlsihh2sin214 4 距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.2 4.3.2 视线倾斜时视距测量公式视线倾斜时视距测量公式在实际工作中，可以使中丝读数等于仪器高在实际工作中，可以使中丝读数等于仪器高i,i,则上式可简化为则上式可简化为: :(4-21)2sin21Klh 据据(4-18)(4-18)式算出式算出A A，B B间的水平距离后，高差间的水平距离后，高差h h也可按下式计算：也可按下式计算：h=Dtg+i-sh=Dtg+i-sh=Dtg+i-sh=Dtg+i-s4 4

20、 距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.4 4.3.4 视距常数测定视距常数测定c=0c=0，不需测定，只进行，不需测定，只进行K K测定。测定。在平坦地区选一直线在平坦地区选一直线 ABAB；沿直线在距离为沿直线在距离为25m25m，50m,100m,150m,200m50m,100m,150m,200m打桩；打桩；顺序编号为顺序编号为B B1 1、B B2 2、BBn n；仪器安置在仪器安置在A A点，在点，在B BI I桩上依次立视距尺，在视线水平时，用桩上依次立视距尺，在视线水平时，用盘左、盘右用上、下丝在尺上读数，求得尺间距盘左、盘右用上、下丝在尺上读数，求得尺间距l

21、 li i；仪器安置在仪器安置在B B点返测，重复点返测，重复；将将、测得的尺间距测得的尺间距l li i取平均值；取平均值； 据据l li i、D Di i 按按4-144-14可计算可计算K Ki i4 4 距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.5 4.3.5 视距测量误差及注意事项视距测量误差及注意事项影响视距测量精度的因素有以下几方面：影响视距测量精度的因素有以下几方面：视距尺分划误差视距尺分划误差视距尺分划误差一般为视距尺分划误差一般为0.5mm0.5mm, ,引起的距离误差为引起的距离误差为0.071m0.071m. .乘常数乘常数K K不准确的误差不准确的误差一般

22、视距常数一般视距常数K=100K=100，但由于视距丝间隔有误差，视距尺有系，但由于视距丝间隔有误差，视距尺有系统性误差，仪器检定有误差，会使统性误差，仪器检定有误差，会使K K值不为值不为100100。K K值误差使视距测值误差使视距测量产生系统误差。量产生系统误差。K K值应在值应在1001000.10.1之内，否则应加以改正。之内，否则应加以改正。竖直角测量误差竖直角测量误差竖直角观测误差对视距测量有影响，根据视距测量公式，其影竖直角观测误差对视距测量有影响，根据视距测量公式，其影响为：响为：m md d=Klsin2m=Klsin2m/(4-22)(4-22)当当=45=45，m m=

23、 =1010，Kl=100mKl=100m，m md d5mm5mm，可见垂直角观，可见垂直角观测误差对视距测量影响不大测误差对视距测量影响不大。m md d=Klsin2m=Klsin2m/(4-22)(4-22)4 4 距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.5 4.3.5 视距测量误差及注意事项视距测量误差及注意事项视距丝读数误差视距丝读数误差此误差是影响视距测量精度的重要因素，它与视距远近成正比此误差是影响视距测量精度的重要因素，它与视距远近成正比，距离越远误差越大。所以测量中要根据测图对测量精度的要求限，距离越远误差越大。所以测量中要根据测图对测量精度的要求限制最远视距

24、。制最远视距。视距尺倾斜误差视距尺倾斜误差视距尺倾斜误差的影响与竖直角有关，如表视距尺倾斜误差的影响与竖直角有关，如表4-14-1。可见，。可见，视距视距尺倾斜时，对视距测量的影响不可忽视尺倾斜时，对视距测量的影响不可忽视。特别是在山区，倾角大时。特别是在山区，倾角大时更要注意，必要时可在视距尺上附加圆水准器。更要注意，必要时可在视距尺上附加圆水准器。0.30.51.11.8允许值允许值201053竖直角竖直角表表4-14 4 距离测量距离测量4.3 视视 距距 测测 量量4.3.5 4.3.5 视距测量误差及注意事项视距测量误差及注意事项外界气象条件对视距测量的影响外界气象条件对视距测量的影

25、响大气折光的影响大气折光的影响视线穿过大气时会产生折射，其漪从直视线穿过大气时会产生折射，其漪从直线变为曲线，造成误差。由于视线靠近地面，折光大，线变为曲线，造成误差。由于视线靠近地面，折光大，所以规定视所以规定视线应高出地面线应高出地面1m1m, ,以上以上。大气湍流的影响大气湍流的影响空气的湍流使视距成像不稳定，造成视空气的湍流使视距成像不稳定，造成视距误差。当视线接近地面或水面时这种现象更为严重。距误差。当视线接近地面或水面时这种现象更为严重。所以视线要所以视线要高出地面高出地面1m1m以上以上。除此以外，除此以外，风风和和大气能见度大气能见度对视距测量也会产生影响。风力过对视距测量也会

26、产生影响。风力过大，尺子会抖动，空气中灰尘和消气会使视距尺成像不清晰，造成大，尺子会抖动，空气中灰尘和消气会使视距尺成像不清晰，造成读数误差，所以应选择良好的天气进行测量。读数误差，所以应选择良好的天气进行测量。4 4 距离测量距离测量4.4 电磁波测距电磁波测距4.4.1 4.4.1 电磁波测距仪测距原理电磁波测距仪测距原理电磁波测距是利用电磁波电磁波测距是利用电磁波( (微波、光波微波、光波) )作载波，在其上调制测作载波，在其上调制测距信号，测量两点间距离的方法。距信号，测量两点间距离的方法。D=ct/2D=ct/2(4-25)(4-25)电磁波测距按采用的载波不同，可分为电磁波测距按采

27、用的载波不同，可分为微波微波测距仪、测距仪、激光激光测距测距仪和仪和红外红外测距仪。红外测距仪采用的是测距仪。红外测距仪采用的是GaAs(GaAs(砷化镓砷化镓) )发光二极管作发光二极管作光源。其耗电省、体积小、寿命长，抗震性能强能连续发光并能直光源。其耗电省、体积小、寿命长，抗震性能强能连续发光并能直接调制等特点，目前工程采用的基本上接调制等特点，目前工程采用的基本上以红外测距仪为主以红外测距仪为主。脉冲法测距脉冲法测距( (图图4-9)4-9)(4-26)tncDg20式中式中:c:c0 0光在真空光在真空中的传播速度；中的传播速度；n ng g光光在大气中的传输折射率。在大气中的传输折

28、射率。4 4 距离测量距离测量4.4 电磁波测距电磁波测距4.4.1 4.4.1 电磁波测距仪测距原理电磁波测距仪测距原理相位法测距相位法测距工程中使用的红外测距仪，都是采用相位法测距原理。工程中使用的红外测距仪，都是采用相位法测距原理。 由测距仪的发射系统发出一种连续的调制光波，测出该调制光由测距仪的发射系统发出一种连续的调制光波，测出该调制光波在测线上往返传播所产生的相位移，以测定距离波在测线上往返传播所产生的相位移，以测定距离D D。( (图图4-10)4-10)4 4 距离测量距离测量4 4 距离测量距离测量习题与思考题习题与思考题1、27.1.1 7.1.1 地下水地下水图7-10地下水的类型地下水的类型5.2 sAs10.2 工程地质测绘工程地质测绘4 4 距离测量距离测量课 程 简 介课 程 简 介本课程包括建筑工程中广泛应用的本课程包括建筑工程中广泛应用的课程内容：课程内容：绪绪 论论第一章第一章第二章第二章第三章第三章第四章第四章第一部分第一部分课 程 目 录课 程 目 录4 4 距离测量距离测量2.4.2 2.4.2 特性特性1. 特性特性平行平行垂直垂直倾斜倾斜ABCabcABCabcABCacb实形性实形性类似性类似性积聚性积聚性4 4 距离测量距离测量4 4 距离测量距离测量祝同学们节日快乐36 结束语结束语