陀螺全站儀在礦山測量方面的運用及精度分析

謝 平　劉元志

摘 要：陀螺全站儀是將陀螺儀和全站儀結合在一起用作定向的儀器，它是利用高速旋轉的陀螺具有指北的特性來實現定向的。其使用不受時間和環境的限制，同時觀測簡單，效率高，又能保證較高的定向精度，是一種比較先進的定向儀器。陀螺全站儀的操作技術和環境是影響其測量精度的重要因素，因此探討保證陀螺全站儀定向精度的測量措施具有一定的實際意義。

關鍵詞：陀螺全站儀；礦山測量；逆轉點法；定向精度

超深越界檢查的主要技術手段是對開采巷道的測量，目前巷道測量主要是利用全站儀進行井下導線測量將地面坐標系統引入井下。在對立井聯系測量及高精度的定向方面，需要利用陀螺儀定向的方式引入坐標系統。陀螺全站儀是將陀螺儀和全站儀結合在一起的先進定向儀器，其不受時間和環境的限制，同時觀測簡單，效率高，又能保證較高的定向精度的特性使陀螺全站儀在地下礦井測量中得到廣泛應用。

1 概述

陀螺全站儀是利用陀螺儀本身的特性及地球自轉影響，實現自動尋找真北方向和測定任意方位的精密定向儀器。湖南省大部分礦井規模較小，在建立小型礦井聯系測量時，由于其井田面積小，一翼較短且井筒直徑小，巷道低矮，故進行立井幾何定向困難，井下導線測量誤差因素增加。陀螺全站儀在立井聯系測量和井下導線測量中，能較大提高方位測量精度。

2 陀螺儀的定向方法

高速旋轉的陀螺儀，在地球自轉作用下，能在真北方向附近產生往、返擺動。這種擺動是阻尼運動，而且以真北方向為擺動的平衡位置。根據此特性，陀螺全站儀在精確的定向觀測中，通常采用“逆轉點法”和“中天法”進行。

2.1 逆轉點法定向

所謂逆轉點是指陀螺轉子擺動曲線上那些擺動方向發生反轉位置的點。逆轉點法的定向原理是利用全站儀照準部連續地跟蹤擺動著的陀螺轉子，并在光標線的多個左、右逆轉點處記錄下全站儀水平度盤的讀數。將這些水平度盤讀數取蘇勒平均值，從而可以求得真北方向在度盤上對應讀數的位置，定出真北方向。

2.2 中天法定向

中天法定向，是通過對陀螺儀軸運轉的觀測，先確定近似北方向，再連續讀記擺動的指標線（陀螺軸）反復經過分劃線板零線時的時間，和到達東、西逆轉點時的水平度盤讀數，經計算獲得近似北方向的改正數，進而確定測站真北方向。

3 陀螺全站儀精度分析

陀螺全站儀定向時產生的誤差來源與觀測方法有關。在實際測量中，我們一般采用跟蹤逆轉點法來進行陀螺定向時，其操作步驟為：在精度較高的已知點上測定儀器常數，在定向邊上測出陀螺方位角。引起跟蹤逆轉點法誤差的因素很多，要將整個陀螺定向時各種影響因素都考慮進去。陀螺全站儀定向時的誤差來源主要有以下幾個方面：

（1）全站儀測定方向值的誤差；（2）上架式陀螺儀與全站儀的連接誤差；（3）懸掛帶零位變動誤差；（4）靈敏部擺動平衡位置的變動誤差；（5）外界條件，如風流、氣溫及震動等因素的影響。

3.1 全站儀測定方向的誤差

全站儀測定方向的誤差包括：（1）對中整平誤差 ；（2）全站儀測定方向值引起的定向誤差 ；（3）逆轉點觀測確定陀螺北方向的誤差，逆轉點觀測誤差包括跟蹤瞄準誤差和讀數誤差。

3.2 陀螺儀與全站儀的連接誤差

每次定向時都要把陀螺儀與全站儀進行連接，拆裝再連接必然要造成方向誤差。

3.3 懸掛帶零位變動誤差

懸掛帶對陀螺擺動系統的指向起阻礙作用，在觀測時采用跟蹤的方法可以消除懸掛帶扭力的大部分影響。懸掛帶材料的力學性質的優劣、陀螺運轉造成的升溫、外界氣候的變化以及擺動系統的機械鎖緊和釋放等因素的影響，均會引起零位變動。

3.4 靈敏部擺動平衡位置的變動誤差

影響擺動平衡位置變動的主要因素是：電源電壓頻率的變化引起角動量的變化，靈敏部內部溫度的變化引起重心位移以及由于溫度升降造成懸掛帶和導流絲的形變等因素，都會造成平衡位置的變動。

3.5 外界條件，如風流、氣溫及震動等影響

這些條件的影響程度較為復雜，無法精確測定，在實際測量中必須盡量選擇好的外界條件，降低此類因素對測量精度的影響。

4 通過分析得出測量措施

為了解陀螺全站儀定向測量的方法以及精度影響情況，筆者通過選擇一個固定測站，選擇一固定方向為已知方位，通過利用“逆轉點法”反復實驗來確定真北方向，并探求真北方向的定向精度，以及怎樣來提高定向精度等。

實驗發現，在逆轉點法定向中，跟蹤操作和外界條件是影響定向精度的主要因素。為了盡可能減少這些非儀器因素對定向精度的影響，在實際操作過程中應注意以下的措施：（1）測量時外界條件應是天氣晴好無風，儀器安置穩定，精確對中整平，測站無振動。（2）經粗略定向后，將全站儀安置在大致陀螺北方向上，最大偏差應小于60′，慢慢放下陀螺房，把擺幅控制在10′～60′之間，即相鄰轉點之間的讀數差，以利于跟蹤測量。（3）跟蹤測量逆轉點時，應注意由于水平微動速率引起的懸帶扭矩的變化率，故全站儀水平微動應均勻、穩健，與擺動方向一致。在跟蹤過程中，光標線超前或滯后零位的偏差小于0.5格，隨著擺速的減慢，微動的速度要均勻減小，并盡量重合，直至逆轉點。在未到逆轉點時，禁止反向微動，以免產生不必要的隙動和懸帶扭矩，影響定向精度。（4）對逆轉點讀數中值的要求。假設逆轉點讀數誤差為，它主要由跟蹤瞄準光標線的誤差和全站儀角值的讀數誤差組成，即

由此看出，再增加逆轉點對提高中值的精度作用不大，故通常觀測5～7個逆轉點即可。

同樣，根據蘇勒平均值計算公式，可求得因觀測而產生的相鄰的中值之差的中誤差為：

考慮到以上測量措施，經多次逆轉點法跟蹤測量，如果相鄰的中值之差不大于±5″，則認為觀測讀數是準確的，儀器在短時間內是穩定的，沒有顯著的突變發生。而儀器時間觀測的穩定性及系統性的漂移規律，則可以由較長時間的連續觀測結果的分析來確定。逆轉點中值的變化過程是一個由開機的初期到穩定期的變化過程，且具有一定的周期性。穩定期從開機后的20min左右開始，大約2h后進入衰減。分析穩定期內的16個中值，得中值中誤差為=±3.4″。

這個中值誤差與一個中值的中誤差=±3.1″十分接近，可見儀器在開機20min以后工作穩定，無系統性漂移因素。此外，在實際測量中，也應開機一段時間后再進行觀測，有利于進一步提高定向精度。

5 結語

在實際測量中，合理地使用陀螺全站儀，能提高井下測量的工作效率。同時利用陀螺全站儀對礦井開采巷道的精確測量，建立礦山井下巷道分布數據庫，對礦山的實時監控帶來極大的便利，也有利于各級部門對礦井的地下開采情況進行有效管理。

參考文獻

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