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关于垂准仪的量值溯源与传递的几个观点

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0 引言
在垂准仪问世之前, 最直观、最准确的垂直准线计量器具当属垂球。在垂准仪已广泛应用的今天, 垂球仍在使用。在高度为 50 ~ 100 m 的高层建筑物测量中, 虽然垂球重达 10 ~ 20 kg[1 - 2] , 但其可靠性令人信服, 尤其是在建筑物的变形观测中。为什么最简单的垂直准线计量器具———垂球, 这个唯一的未被纳入国家法定计量器具管理体系的垂直准线计量器具、唯一的集工作计量器具和标准计量器具为一体的垂直准线计量器具, 往往能完胜一般被认为是后来居上的垂准仪呢? 垂准仪的问题出在哪里? 为什么还有离不开钢丝和垂体的现代版垂球不断出现呢?
 
1 实际问题
准确度是评价垂直准线计量器具优劣的最高标准。自从 2002 年垂准仪被纳入国家法定计量器具管理体系[3] 以来, 一直没有一个统一认可的法定的校准垂准仪这杆“秤”的“砝码”。作为工作计量器具, 不能缺失与垂准仪配套的标准计量器具, 不能缺失与之匹配的规范科学的量值溯源与传递标准。其实, 关于这个问题一直众说纷纭。
 
1. 1 观点一
用于垂准仪校准的“砝码”从未缺席, 而且准确度不低, 因为无论是室外法还是室内法, 都可以有性能胜过平面反射镜的五角棱镜参与, 特别是室内法, 还可以用性能胜过双平行光管水平准线的双摆位水平准线作为垂直转换准线。姑且认定五角棱镜和双摆位水平准线都几乎完美,但在校准“竖轴与望远镜视准轴( 或激光光轴) 的同轴度”这个最重要的项目时, 垂准仪的脚螺旋不得不被旋转( 产生倾斜误差) , 因为五角棱镜和双摆位水平准线都不具备三维对靶能力, 仪器的安平状态难以保证。如此倾斜校准, 整平使用, 与一步到位的垂球准线相比, 这个“砝码”有原理误差( 方法误差) 。还有,水平准线位于二维平面上, 而垂直准线须定位于三维空间中, 不具备三自由度对靶能力的“砝码”传递的铅垂线量值应该还包含这一项原理误差( 调整误差) 。通常用于垂准仪校准的五角棱镜是一种 WⅡ - 90°型平面棱镜, 只含有一个主截面。它除了 4 个工作面之外, 还有 2 个非工作面, 在正常情况下, 有用的光的使命是保证光轴转角恒等于 90°, 前提条件之一是相关光线均位于两反射面的公共垂直面内[5] 。进而言之,反射棱镜, 无论是平面棱镜还是 KⅡ - ψ - φ 型空间棱镜[6] , 被用作动态光学元件时的动态范围都是受到严格限制的, 这是五角棱镜不具备三维对靶能力的主要原因。
 
1. 2 观点二
不需要把垂准仪纳入国家法定计量管理体系, 使用者自己就可以解决量值溯源与传递问题, 因为重力线无处不在, 垂准仪本身有重力线传感器。在对建筑物的铅垂度要求不高的年代或场合, 这种做法虽被勉强认可, 但是, 这 种 做 法 实 际 上 是 在1 /30000 ~ 1 /40000 铅垂准确度范围内凑合[7] ———靶标中心与垂准仪视准轴没有也无法严格地共处于同一条铅垂线上, 这是承担超高层建筑物测量任务的使用者难以回避的, 是在铅垂准确度≥1 /200000 时不能容许的。若以垂准仪为主方, 坐等靶标( 客方) 来对准, 两人操作, 校准高度最低为 10 m, 很难避免错位。就算此时完全对准或取平均值, 仪器本身不能完全消除的误差之一———长水准器轴与竖轴的垂直度误差, 也会一直影响到同轴度测量。10 m 校准高度的铅垂准确度也很难与 50 ~ 100 m 校准高度的垂球的准确度相比,以短替长, 只会使竖轴与望远镜视准轴( 或激光光轴)的夹角更大。校准高度上升到 10 m 以上时, 影响对靶的室内外因素就更多, 靶标不换用平行光管, 或没有对平行光管的三维动态调姿对靶能力, 同轴度也难以提高, 而且现场一般也不具备平行光管使用能力。若主客方换位, 则垂准仪势必倾斜, 同轴度会更低。垂球有缺陷, 但人们知道它的不足在哪里, 和不知道校准问题出在哪里的垂准仪相比, 可靠性更高。垂准仪优于垂球的前提条件是规范科学的量值溯源与传递, 若置众多的原理误差于不顾或不知, 结果只能是后来居下。
 
1. 3 观点三
激光垂准仪整平后, 旋转一周, 取其光斑轨迹中心即得铅垂直线, 自检自校完成, 不必纳入国家法定永利电玩城官方网站计量管理体系。不深入透彻地分析, 这个观点似乎没错, 其实不然。对于光学 + 激光一体化的垂准仪而言,激光部分的铅垂准确度依赖于纯光机部分的达标并被绑定。例如, 望远镜调焦运行误差若不达标, 投射到不同高度上的激光聚焦点就不能被认为是共在一条铅垂线上。对于激光自动安平垂准仪而言, 其核心———自动安平补偿器若不能给出正确的补偿量, 现场使用者是察觉不出其系统误差的, 即不能识别虚假精度( 必须用专门的仪器设备加以检校) , 因此测量准确度难以保证, 即取其光斑轨迹中心得到的不一定是铅垂直线。“过补偿”或“欠补偿”所引起的误差就是补偿器的系统误差, 这种误差与垂准仪的倾斜角成正比[8] 。还有, 对于用作超高层建筑物测量任务的激光自动安平垂准仪而言, 若没有防地磁结构, 还得考虑补偿器的磁致误差[9] 。由此可知, 激光垂准仪虽有一目了然、方便快捷等优点, 但并不一定时时处处都处在最准确的行列,其聚焦光斑大、发散、漂移, 对环境敏感和人眼对靶分辨力有限等诸多问题都不可忽视, 定期进行永利电玩城官方网站计量检定更是必不可少。
 

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