陀螺儀原理及YJTG構造和工作流程詳解

ID:203134 · 發表于 2017-5-21 14:27

目次

1 陀螺及其特性

1.1 陀螺

1.2 擺式陀螺儀

1.3 陀螺儀的基本特性

1.4 擺式陀螺儀尋北原理

1.5 積分式陀螺經緯儀的定向原理

2 Y/JTG-1陀螺經緯儀的主要結構

2.1 總體構成

2.2 主要技術指標

2.3 Y/JTG-1A型積分式陀螺經緯儀工作流程

2.4 陀螺儀的機械結構及光學系統

2.5 自動積分及測量控制電路

3 定向測量作業程序

3.1 測前準備

3.2 儀器各功能選擇

3.3 方位角的測量

4 作業中的注意事項

5 儀器參數的設置

5.1 自擺周期和啟動不跟蹤周期的測定

5.2 儀器常數C的標定

5.3 時間設置

6 儀器的一般調校

6.1 管狀水準器的調校

6.2 陀螺靈敏部懸帶扭力零位的調校

6.3 激光對點器的調校

7 陀螺經緯儀的維護與保養

1 陀螺及其特性1.1 陀螺

凡是繞定點高速旋轉的物體，或繞自身軸高速旋轉的任意剛體，都稱為陀螺。如圖1-1所示，設剛體上有一等效的方向支點O。以O為原點，作固定在剛體上的動坐標系O-XYZ。剛體繞此支點轉動的角速度在動坐標軸上的分量分別為ωx、ωy、ωz，若能滿足以下條件：

ωz＞＞ωx

ωz＞＞ωy

ωz≈Const （1-1）

這種類型的剛體統稱為陀螺。OZ軸是高速旋轉軸，也稱陀螺轉子軸。剛體一面繞OZ軸作等速旋轉，另一方面還可以繞OX及OY軸作較慢的轉動。前者稱為自轉運動，后者稱為進動運動。

圖1-1 陀螺定義示意圖

1.2 擺式陀螺儀

擺式陀螺儀如圖1-3所示，即在陀螺儀軸上加上懸重G，則重心由陀螺儀中心O下移到O′點，結果便限制了繞Y軸旋轉的自由度。亦即X軸受懸重G的作用，而永遠趨于和水平面平行的狀態，或者說陀螺自轉軸的俯仰受到一定限制。由此可知，擺式陀螺儀具有兩個完全的自由度和一個不完全的自由度，故也稱為二個半自由度陀螺儀。

1-陀螺轉子 2-內平衡環 3-外平衡環 4-底座

圖1-2 三自由度陀螺懸掛裝置圖圖1-3 變自由陀螺儀為擺式陀螺儀

1.3 陀螺儀的基本特性

陀螺儀有兩個非常重要的特性，即定軸性和進動性。對于由高速轉子組成的陀螺儀來說，不管它們的用途如何不同，結構上如何變化，它們都是按照陀螺的這兩個基本特性來工作的。

為了說明自由陀螺儀的兩個特性，可用如圖1-4所示的實驗儀器做一個實驗。

首先，把衡重A移至使杠桿達到靜平衡的位置上，然后使陀螺高速旋轉，這時看到陀螺旋轉軸的空間方向始終保持不變，圖中指向左邊。證實無外力作用，陀螺轉軸方向具有恒定不變的特性。因此將陀螺儀裝在飛行器內，如果陀螺軸系沒有摩擦，無論飛行器怎樣傾斜、轉彎、俯仰等，陀螺轉子軸的方向始終指向初始恒定的方向。

圖1-4 自由陀螺儀特性實驗儀

如果將衡重A向左移動一小段距離，在陀螺不轉動的情況下，杠桿將在豎直面內產生逆時針方向的轉動，即左端下降、右端上升。但是當陀螺轉動時，杠桿不作上下傾斜運動，而是仍然保持水平，且在水平面內作逆時針方向的轉動（從上向下看），這種現象就是所謂的“進動”。如果將衡重A向右邊移動一小段距離，在陀螺轉動的情況下，也將產生“進動”，不過進動方向和上述方向相反，即杠桿在水平面內作順時針方向的轉動。

1.4 擺式陀螺儀尋北原理

擺式陀螺儀尋北規律

陀螺經緯儀上的陀螺儀，其支點不在三軸的交點上，而是將陀螺儀用彈性懸帶懸掛著，支點在彈性懸帶上端的著力點O上，如圖1-5所示，O點對整個陀螺儀來講是個不動點。

圖1-5擺式陀螺儀受重力作用的情況

由圖1-5中知道，當陀螺主軸x水平時，重力P的方向既通過重心O′，也通過陀螺儀的支點O，重力矩為零，對陀螺儀不發生作用，因此陀螺不產生進動。但是當地球自轉了β角之后，陀螺主軸相對地平面AB，升高了β角，即圖中x軸方向與A′B′之間的夾角(A′B′／／AB)。這時陀螺儀的重力P的方向不再通過陀螺儀的支點O，而產生了力臂為1sinβ的重力矩(擺力矩)MP，即

（1-2）

式中 l為陀螺儀懸掛點O至重心O′之間的距離；

P為陀螺儀靈敏部的重量，其值為mg；

β為陀螺儀主軸與地平面之間的夾角(傾角)。

由陀螺進動規律知道，重力矩MP的矢量在y軸上，它作用在陀螺儀主軸上，陀螺一旦旋轉，便產生進動。陀螺主軸的進動角速度ωP應與外力矩MP成正比，而與陀螺儀的動量矩成反比，即

（1-3）

從上式看出，當陀螺儀的P、l、H選定之后，進動角速度ωP的大小完全隨著高度角β的大小變化而變化，而β的變化卻是地球自轉所造成的。這樣便發生了在地球自轉有效分量ωy和重力矩Mp。綜合作用下，使陀螺主軸總是向子午面方向進動的效應。造成這種進動效應的力矩我們稱為指向力矩，其大小為

（1-4）

式中 ωE為地球自轉角速度；

H為陀螺自轉的動量距(角動量)；

φ為測站的地理緯度；

α為陀螺自轉軸與子午線的水平夾角。

指向力矩MH表示將陀螺儀主軸進動至子午面的力矩大小。由式1-4可以看出，在赤道上φ=0，cosφ=1，陀螺進動的指向力矩MH值最大，而在南、北極φ=90°，cosφ=0，MH=0。由此可見，陀螺經緯儀放在兩極，無指向力矩，陀螺經緯儀不產生進動，所以也就無法定向。實際上指向力矩的大小是從赤道向兩極逐漸變化的，到了高緯度變得很小，因此當φ大于75。后，陀螺經緯儀便失去了定向的能力。因此，在兩極和高緯度的地方，不能用陀螺經緯儀定向。

在指向力矩的作用下，陀螺主軸向子午面的進動過程同扭擺一樣是一個往復的周期運動。如圖1-6所示，A位置時，陀螺主軸的傾角為β，并以ωP，的角速度向子午面進動；當進動到子午面后，即B位置時因α=0，ωy將不再引起指向力矩，理應停止進動，然而此時的β角為最大，則ωP也最大，故陀螺主軸以最大的角速度越過子午線；當到達C位置時β逐漸減小，ωP逐漸減小到零，隨著α增大(反方向)指向力矩加大，這時指向力矩及角速度的方向與A位置相反，即陀螺主軸又開始返回向子午面進動。從而形成了陀螺主軸圍繞子午線作往復擺動的情況。這樣一來，就給陀螺儀尋找真北方向帶來了實際可能。

圖1-6擺式陀螺儀向子午面的進動

擺式陀螺儀主軸相對地球運動的軌跡

綜前所述，擺式陀螺儀主軸所以能夠跟蹤子午面運動，主要是ωv (地轉垂直分量)、ωy(地轉有效分量)、MP(重力矩)等幾個重要因素綜合影響的結果，這些因素促使主軸的方位角和高度角處于不停的變化過程之中。下面通過圖解法分析軸系間無摩擦的理想情況下，陀螺主軸北端相對地球的運動軌跡，即對子午面的相對運動。

如圖1-7所示，過陀螺儀中心O作地平面ESWN和子午面SZNPNN。在陀螺儀主軸的北面，作垂直于地平面和子午面的一個平面AA′，稱它為陀螺主軸相對地球運動軌跡的投影面。MM′為當地子午面的投影線，HH′為當地水平面的投影線。O′α和O′β構成陀螺主軸方位角和高度角變化的直角座標系。

圖1-7擺式陀螺儀主軸運動的軌跡

假設開始的時候，陀螺主軸水平放置，且向東偏離子午線為α角指向1點，無外力作用，暫時穩定于1點，但是由于地轉有效分量ωy的作用，水平面相對主軸是東面下降而西面上升，主軸相對水平面則是東面抬高西面下降。且此時水平面變化的速度較快，于是主軸出現了抬高角β，從而產生了作用在內環軸上的重力矩MP，在MP的作用下，主軸應該開始向子午面進動。但當MP很小，進動角速度ωP小于地轉角速度垂直分量ωv時，主軸仍繼續相對子午面向東偏離，同時β角也繼續增大，直至β=β0時，主軸指向2點，ωP與ωv相等，主軸就不再向東運動暫停于2點片刻,我們把2點稱為逆轉點。

但是，由于地轉有效分量ωy不停的作用,且此時變化最快，所以β角繼續增大，MP也繼續增大，ωP大于ωv (主軸進動角速度大于子午面進動的角速度)，主軸逐漸回到子午面。由于主軸抬高的較慢，遠小于進動角速度ωP，所以較快的到達子午面3點上,此時α=0，ωy不起作用，β和ωP都達到了最大值，并超過ωv很多，所以不在子午面停留，將以最大角速度越過子午面向西運動，偏離α角。由于主軸運行到子午面以西，ωy又使水平面西端相對陀螺主軸不斷抬高，而β角及ωP將逐漸減小。當β=β0,即ωP=ωv時，到達了另一個逆轉點4，主軸與子午面又處于相對靜止狀態，好像主軸不動一樣。

當主軸運動到β小于β0時，ωP又開始小于ωv，主軸又逐漸向子午面靠近至5點，此時β=0，主軸回到水平面，ωP應為零。然而由于ωy的不斷作用，主軸將繼續下降，當主軸低于水平面時，MP出現負值，加到y軸反向，ωP的方向也相反，主軸將加速向子午面進動，且β的負值越來越大。當主軸回到子午面內時，主軸位于最低點6，α=0，ωy對主軸抬高不起作用。然而由于最大負重力矩的作用，主軸又以最大進動角速度ωP向東偏離子午面，繼續原來的進動過程。

從以上描述可知，陀螺主軸北端繞子午面的運動，是受ωv、ωy、MP、ωP等重要因素制約的，是它們聯合影響的結果。運動的特點是周而復始的往復運動，進動的軌跡為一很扁的橢圓軌道。

擺式陀螺經緯儀相對地球運動的無阻尼非嚴格微分方程式為

（1-5）

（1-6）

式中α、β較小，故sinα≈α，sinβ≈β，MP=Pl。

此方程式中，假定靠近北方陀螺軸正端在地平面以上的β為正值，α規定為從北順時針計量，當盧為正值時，引起陀螺軸正端反時針方向進動，因此MPβ／H前加一負號。

由式1-6得

（1-7）

將式1-7代入式1-5得

（1-8）

將上式乘以MP／H得二階齊次微分方程式

（1-9）

設陀螺軸正端在東逆轉點，即α=α東=α0、β=0時，t=0。解此式可得

（1-10）

（1-11）

由式1-10和式1-11可得陀螺儀軸正端運動軌跡方程式為

（1-12）

從上式看出，陀螺主軸相對子午面的運動軌跡為一個橢圓。因為(HωE·cosφ)／MP是很小的真分數，所以橢圓長軸α0。比短軸大的多，其軌跡則是很扁的橢圓。

當

等于2π時，t即為無阻尼周期T，得

（1-13）

陀螺主軸沿橢圓軌跡運動一周所需的時間稱為擺動周期T。理想的陀螺儀其主軸繞子午面的運動是一種永不衰減的簡諧擺動。但實際上，陀螺經緯儀的擺動系統是處于空氣之中，陀螺軸在軸承中又有摩擦，使陀螺儀軸的擺動振幅在方位上和高度上產生逐漸衰減。衰減程度與摩擦力矩的大小有關，擺動的情況決定于摩擦力矩是否保持一致。當摩擦力矩的大小和方向都不變時，這種微弱的衰減具有一定的規律性，即衰減系數K(等于前后兩個擺幅的比值)將保持常數，如圖1-8所示。K為

（1-14）

圖1-8陀螺軸擺動的周期及衰減現象

1.5 積分式陀螺經緯儀的定向原理

擺式陀螺儀中，陀螺軸擺動平衡位置和真北方向以及懸帶扭力零位之間，存在著一個確定的關系。如圖1-9所示，假定陀螺儀安置后，陀螺軸偏離真北方向N角，由于懸帶反力矩的作用，使陀螺軸擺動的平衡位置處于儀器零位（參考反射鏡法線）和真北之間，此時，陀螺軸擺動的平衡位置是在彈性扭力矩與陀螺指北力矩的共同作用下產生的，此時可得到如下力矩平衡方程：

(1-15)

式中：K—懸帶扭力零位與陀螺平衡位置之間的夾角；

N—懸帶扭力零位與真北方向之間的夾角；

DB—懸帶扭力矩系數；

DK—陀螺指北力矩系數。

若令K=DB/DK，則

(1-16)

圖1-9積分定向測量原理圖

根據擺式陀螺運動的函數表達式(12)，可以從任一時刻t0起，對進行一個周期的積分，即

(1-17)

由此得

(1-18)

式中，S為積分值；T為陀螺軸的擺動周期；K為零位與平衡位置之間的夾角。

為消除懸帶扭力零位的變化帶來的影響，需對陀螺敏感部自擺信號進行積分，求得懸帶扭力零位。同時考慮到光學系統和光電檢測元件零位的變化，陀螺儀設置了參考基準鏡，所有積分值都以該基準鏡的積分值為基準進行比較。這樣，(1－18)式變為

(1-19)

式中，B為懸帶扭力零位，以角值表示的積分值；0為基準鏡法線零位與光電檢測元件零位之間的夾角，以角值表示的參考基準鏡法線方向的積分值；K為力矩比例參數；N為陀螺方位角。

擺動積分法定向測量的基本特點是設計積分電路，對陀螺軸的自擺和進動信號及陀螺敏感部自擺的信號，進行一個完整周期的高密度數據采樣并累加計算，求得陀螺軸擺動的平衡位置（即測站的真北方向）。

實際定向中，陀螺軸的擺動信號的輸出由安裝在陀螺敏感部上的反光鏡（擺鏡）完成。擺鏡隨陀螺敏感部繞真北方向擺動，測量光路中的固定光線經擺鏡反射后產生偏折，偏折后的光線成像于光電敏感器件之上，由光電轉換機構轉化為電信號，電信號經V(電壓)/F(頻率)變化后由控制和數據處理系統采集。采集數據經基準鏡與懸帶扭力零位測量數據修正，與經緯儀水平角讀數一起由數據處理軟件計算后，輸出目標的陀螺方位角。

2 Y/JTG-1陀螺經緯儀的主要結構2.1 總體構成

陀螺經緯儀主要由陀螺儀、經緯儀兩大部分組成，各部分的組成詳見圖2-1。

陀螺儀主要包括陀螺敏感部、光電轉換機構、輸電機構、測量控制及數據處理機構，完成儀器的尋北。

經緯儀包括電子測角、光電測距、測量控制及數據處理機構，完成目標點水平方向值、水平距離及高差的測定。

圖2-1 Y/JTQ-1陀螺經緯儀組成框圖

Y/JTG-1陀螺經緯儀主要部件及其名稱見圖2-2。

圖2-2 Y/JYG-1陀螺經緯儀主要部件及其名稱示意圖

2.2 主要技術指標

1）定向精度(1)：≤7；

2）一次定向測量時間：≤20min；

3）陀螺電機工作壽命：≥1000h；

4）儀器工作環境溫度：-10℃～+45℃；

5) 儀器工作環境相對濕度：5%～98%（非冷凝）。

2.3 Y/JTG-1A陀螺經緯儀工作流程

圖2-3 Y/JTG-1A陀螺經緯儀工作流程框圖

在地球自轉的作用下，懸掛于懸帶上陀螺敏感部敏感地球自轉角速度的水平分量，形成參照真北方向進行的往復方位進動，其信號通過與陀螺敏感部固聯的反光鏡（擺鏡）造成測量光路中固定光線反射后產生偏折輸出至光電敏感器件之上，由光電轉換機構轉化為電信號，電信號經V(電壓)/F(頻率)變化后由積分測量控制裝置采集，所采集數據與經緯儀水平角讀數一起由操作軟件計算后，積分測量控制裝置輸出目標的陀螺方位角。為消除光電零位及懸帶扭力零位變化帶來的測量誤差，在測量步驟中設置了基準鏡測量及測前、測后零位測量。

目標點的水平距離、高差及水平方向值由經緯儀測定，傳輸至積分測量控制裝置后統一輸出。

2.4 陀螺儀的機械結構及光學系統

陀螺儀的機械結構

1—陀螺敏感部 2—跟蹤旋轉機構 3—鎖放機構

4—輸電機構 5—懸帶

圖2-4積分式陀螺儀機械機構簡圖

如圖2-4所示，陀螺儀在結構上分為陀螺敏感部、鎖放機構、輸電機構及跟蹤旋機構等幾部分。

陀螺敏感部

陀螺敏感部是陀螺儀的關鍵部件，它敏感地球自轉的水平分量，形成參照真北方向的往復運動，從而達到定向的目的。主要由陀螺電機、陀螺房體及懸掛機構等組成，結構見示意圖2-5。

1—陀螺電機 2—內房體 3—懸帶

4—擺鏡 5—外房體

圖2-5陀螺敏感部結構示意圖

陀螺電機固定在陀螺房體中，懸掛機構中的懸帶（吊絲）將陀螺房體處于自由懸掛的狀態，在懸掛機構的上方固定反光鏡（擺鏡），通過擺鏡對固定光線的反射，將陀螺敏感部的進動信號傳遞給光電轉換機構，在陀螺房體及阻尼筒外均設置磁屏蔽機構（隨動磁屏及靜磁屏），消除外界磁場對儀器尋北精度的干擾，鎖放機構確保陀螺敏感部在工作時處于懸掛狀態，在非工作時處于固定狀態。

陀螺電機采用的是永磁直流陀螺電機，工作壽命1000小時以上，轉速16000轉/分鐘，啟動時間與制動時間均為100秒左右，具有轉動平穩、無轉動死點及工作時溫升小等優點，可保證儀器工作的可靠性及穩定性。

陀螺房體分內、外房體，均為對稱式結構，這樣就確保了陀螺敏感部的靜平衡，陀螺電機固定在內房體上后整體安裝在外房體上，在外房體外設置有屏蔽磁屏（隨動磁屏），用于減弱或消除陀螺電機不同停止位置的磁場差異對儀器零位的影響。

懸掛機構中的懸帶，一端固定在上帶夾上與儀器座體連接，另一端固定在下帶夾上與陀螺房體連接，這樣使整個陀螺房體及陀螺電機處于自由懸掛狀態，懸帶的材料采用力學性能穩定的3J23精密彈性合金，制成后真空回火，以提高陀螺敏感部扭矩零位的穩定性。

懸掛機構的上部，固定有一個反光鏡（擺鏡），當陀螺敏感部擺動時，擺鏡隨之擺動，通過其對固定光線的反射，將陀螺敏感部的擺動信號傳遞給光電轉換機構。

陀螺敏感部外側，加設多層磁屏蔽筒（定磁屏），屏蔽筒采用1J79永磁合金，減小外界磁場對陀螺敏感部進動信號的干擾。

鎖放機構

鎖放機構是使陀螺敏感部在工作狀態下處于自由懸掛的狀態，在非工作狀態下處于固定的狀態，采用的是徑向旋轉鎖緊的雙向楔塊機構，可使陀螺敏感部的平穩鎖放，確保步進迭代的有效性，縮短定向測量時間。

1—鎖放手輪 2—鎖放螺桿 3—鎖緊碗

4—下楔塊 5—鎖緊螺母 6—上楔塊

圖2-6鎖放機構結構簡圖

如圖2-6所示，當順時針旋轉鎖放手輪，鎖放螺桿帶動兩個鎖放螺母向內閉合，通過上楔塊將錐狀鎖緊碗頂起，鎖緊碗與陀螺敏感部外房體下部接觸后一同向上，直至陀螺敏感部上部與儀器上錐接觸，兩端將陀螺敏感部夾緊；當逆時針旋轉旋轉鎖放手輪，下楔塊帶動鎖緊碗向下，當懸帶將陀螺敏感部懸掛后鎖緊碗繼續向下與之脫離，使陀螺敏感部處于自由懸掛狀態。

在鎖緊碗上固定有楔型定位塊，一則使陀螺敏感部每次鎖緊的角度基本一致，二則將陀螺敏感部工作時的旋轉限制在一定范圍，避免其旋轉角度過大造成懸帶損壞。

輸電機構

儀器在尋北過程中，陀螺敏感部在自由懸掛的狀態下，與儀器外殼有相對的運動，輸電機構的功能就是為運動中的陀螺供電，主要包括有輸電盤及導流絲等。

陀螺驅動板上的電流，通過4根導流絲傳遞給陀螺電機，導流絲形狀為圓弧狀，一端固定在與儀器殼體相聯接的靜輸電盤上，另一端固定在與陀螺敏感部相聯接的動輸電盤上，在輸電盤的上、下各有兩根，4根導流絲在同一圓周面上呈對稱布局，當陀螺敏感部與儀器殼體發生相對運動時，4根導流絲中的2根形狀發生拉伸，而另2根則發生壓縮，這樣，拉伸與壓縮所產生的力矩相互抵消，消除了導流絲的力矩變化對儀器測量精度帶來的不利影響。

跟蹤旋轉機構

由精密旋轉軸系及跟蹤機構組成。

軸系采用的是先進的密珠軸系，這種軸系的內軸與軸套之間裝有呈螺旋狀排列的滾珠，采用輕微的過盈配合，無徑向間隙，且可承受較大的軸向負荷。

跟蹤機構包含有跟蹤手輪及固定手輪，松開固定手輪時，可直接轉動儀器快速的跟蹤陀螺敏感部光標運動軌跡，固定手輪鎖緊時，可利用跟蹤手輪緩慢、精確的跟蹤陀螺敏感部光標運動軌跡。

光學系統

如圖2-7所示，儀器的光路由兩路成像優良的光學系統組成，在一個層面分別將兩路光線引入光電轉換器件和目視系統。

A1.激光管 A2.柱面鏡 A3.大直角棱鏡 A4.折光棱鏡 A5.基準鏡 A6.擺鏡

A7反光棱鏡1 A8.反光棱鏡2 A9.傳感器

B1.發光二極管 B2.分劃板 B3.折光棱鏡 B4.目鏡分劃板 B5.等腰棱鏡

B6.分光棱鏡 B7.直角棱鏡1 8.直角棱鏡2 B9.準直透鏡

圖2-7 Y/JTG-1A陀螺經緯儀光學系統示意圖

光電轉換光路

激光管A1發出的光線經柱面鏡A2聚焦后，以線光源形式投向大直角棱鏡A3、折光棱鏡A4，經基準鏡A5或擺鏡A6反射到反光棱鏡A7、A8后進入位置傳感器A9，調整基準鏡及擺鏡的位置使其零位置于置傳感器A9中心，構成光電轉換光路。

目視觀測光路

磨砂式狹縫分劃板B2置于準直物鏡B9的焦點上，經超高亮發光二極管B1照明后，經折光棱鏡B3、半透半反鏡B6、直角棱鏡B7、B8及準直物鏡B9后，以平行光射向基準鏡A5或擺鏡A6，反射后的光線原路返回至分光棱鏡，反射至等腰棱鏡B5后，折射向上，聚集在準直物鏡B9的焦點即目鏡B1的分劃板上，供人眼步進跟蹤觀測12倍的放大倍率。

2.5 自動積分及測量控制電路

電路方框圖

儀器的電路部分主要由自動積分電路及測量控制電路組成，其中自動積分電路包括光電傳感器、數據采集及前置放大電路、數據處理電路等；測量控制及數據處理機構主要包括操作面板、液晶顯示屏、陀螺電機驅動板、控制主板及操作軟件等。電路框圖見圖2-8

圖2-8積分測量電路及測量控制電路框圖

自動積分測量電路
- 光電轉換器件

光電轉換器件的作用是將光信號轉化為電信號，儀器中采用的是PSD位移傳感器，它根據光線中心在光敏面上投射的位置輸出相應的電流，線性度指標高，可滿足光電轉換的精度要求。

前放電路

前置放大及信號處理電路是將PSD位移傳感器輸出的微小電流信號，經過濾波、前置放大和信號處理后，產生一個與陀螺進動運動相對應的周期性的電壓信號。為避免信號傳輸時外界干擾，前放電路采用小型化設計，置于陀螺經緯儀主機內部，縮短信號與前放電路間的傳輸距離，并采用高速光電隔離技術，提高電路的整體抗干擾能力。

積分測量電路

積分測量電路是在一個自擺或啟動周期內，通過對陀螺敏感部自擺及進動信號的采集，實現定向的積分測量。數據采集采用“壓/頻”變換技術。

測量控制電路

測量控制電路主要實現以下功能：

儀器操作控制

根據顯示屏的提示，選擇相應的按鍵，向CPU發出請求，由CPU控制儀器完成對應的操作步驟。

數據的處理及計算

對接收到的基準鏡、陀螺敏感部自擺零位及進動信號的積分測量數據，操作軟件處理后，根據儀器的比例當量、扭力系數、經緯儀的水平角讀數、儀器常數等，計算陀螺方位角或天文方位角。

數據接收及發送

儀器的積分測量數據及經緯儀的測量數據通過測量控制電纜，傳輸至電控箱上的232接收串口，由控制主板接受，數據處理及計算完成后，整理成相應格式的文檔，再通過232發送串口，傳輸至外界接收裝置（加固筆記本電腦）。

周期測量

數據采集系統根據電壓比較器輸出的結果，向主CPU發出是否啟動計時程序。啟動計時程序后，數據采集系統又根據電壓比較器輸出的結果，向主CPU發出關閉計時程序的命令，顯示所測周期值。

3 定向測量作業程序3.1 測前準備

a）在測站架設儀器腳架，架設時應使三角架的三個腳尖大致與測點標志中心基本等距，并注意腳架的張角和高度，伸縮腳架腿使圓水準器概略居中；

b）將儀器主機安放于腳架之上，連接控制裝置和主機、打印機間的電纜（若不需打印可不接打印機），控制裝置的電源線連接到規定的電源上（室內作業若使用220V交流電時，控制裝置應連接地線）；

c）打開控制裝置上的電源開關，控制裝置進入“參數自檢”狀態，對陀螺自擺周期、陀螺啟動不跟蹤周期、扭力系數X、比例當量K的數據進行檢查（注：扭力系數X和比例當量K由廠家給定。陀螺自擺周期和陀螺啟動不跟蹤周期，需由作業單位在當地測定）；

d）儀器對中、整平；

e）用磁羅盤為儀器概略定北，使儀器的固定手輪和鎖放手輪面向南。

注：步驟c)中，若顯示屏顯示某個參數錯誤，則需對該參數重新輸入或測定。儀器K值及X值保存于隨機文件中；儀器自擺周期及啟動不跟蹤周期需重新輸入或測定。

3.2 儀器各功能選擇

儀器預熱結束控制裝置屏幕自動進入主菜單狀態，控制裝置屏幕顯示的主菜單為：

1：方位測量

2：周期測量

3：輸入常數

4：設置時間

此時可選擇：按【1】鍵進入方位角測量子菜單，按【2】鍵進入周期測量子菜單，按【3】鍵進入儀器常數輸入子菜單，按【4】鍵進入時間設置子菜單；

3.3 方位角的測量

在主菜單下，按【1】鍵選擇方位測量，控制裝置屏幕顯示方位角測量子菜單：

1：基準鏡測量

2：測前零位

3：啟動陀螺

4：聯機取數

5：積分測量

6：制動陀螺

7：測后零位

8：返回

方位角測量依子菜單所設定程序依順序進行操作。測量過程中需要返回主菜單時，按數字【8】鍵。

打開電子經緯儀開關，然后按以下步驟進行方位角測量。

1）基準鏡測量

按【1】鍵儀器進入“基準鏡測量”狀態，控制裝置屏幕顯示測量時間的倒計時秒值及“正在基準鏡測量請稍等…”，直至聽到蜂鳴聲，進入下一測量步驟；

2）測前零位

控制裝置屏幕提示“下放陀螺限幅”，作業員操作儀器下放陀螺敏感部，將目視光路中光標擺幅限制在±2～±5格范圍內，按【2】鍵儀器進入“測前零位測量”狀態，控制裝置屏幕顯示測量時間的倒計時秒值及“正在測前零位請稍等…”，直至聽到蜂鳴聲，進入下一測量步驟；

3）啟動陀螺

控制裝置屏幕提示“鎖緊陀螺”，作業員鎖緊陀螺敏感部，按【3】鍵，控制裝置屏幕顯示“按確認鍵進行按數字鍵退出”，按【確認】鍵儀器進入“啟動陀螺”狀態，控制裝置屏幕顯示陀螺轉速標志值及“正在啟動陀螺請稍等…”，聽到蜂鳴聲，控制裝置屏幕提示“下放陀螺跟蹤”，作業員下放陀螺敏感部，通過步進迭代將目視光路中光標擺幅限制在±2～±5格范圍內（注:光標擺動范圍應盡可能的與0線對稱）；

4）聯機取數

按【4】鍵進入聯機取數，控制裝置屏幕顯示“輸入點號”，輸入相應的測點點位號（也可根據實際情況由操作人員賦予，必須由0～9依順序輸入）后，控制裝置屏幕顯示“輸入盤左讀數”，電子經緯儀盤左照準目標后，按電子經緯儀上【0set】鍵發送讀數，蜂鳴聲響后可依相同方法進行盤右觀測。若需下一個目標點測量，按【確認】鍵輸入該點位號，否則按任一數字鍵退出，進入下一測量步驟；

5）積分測量

按【5】鍵儀器進入“積分測量”狀態，控制裝置屏幕顯示量時間的倒計時秒值及“正在積分測量請稍等…”，直至聽到蜂鳴聲，進入下一測量步驟；

6）制動陀螺

控制裝置屏幕提示“鎖緊陀螺”，作業員鎖緊陀螺敏感部后，按【5】鍵，控制裝置屏幕顯示“按確認鍵進行按數字鍵退出”，按【確認】鍵儀器進入“制動陀螺”狀態，控制裝置屏幕顯示顯示陀螺轉速標志值及“正在制動陀螺請稍等…”，直至聽到蜂鳴聲，進入下一測量步驟；

7）測后零位

控制裝置屏幕提示“下放陀螺限幅”，作業員操作儀器下放陀螺敏感部，將陀螺擺幅限制在±2～±5格范圍內，按【7】鍵，控制裝置屏幕顯示測量時間的倒計時秒值及“正在測后零位請稍等…”，聽到蜂鳴聲控制裝置屏幕提示“鎖緊陀螺”，作業員鎖緊陀螺敏感部，稍后屏幕顯示各點位號的目標讀數值（盤左及盤右的均值）及相應點位的真北方位角值，操作人員紀錄測量數據。

8）測后選擇

若需要繼續測量，重復測量步驟；若結束測量，按【8】鍵，控制裝置屏幕顯示返回主菜單，選擇其他功能或關閉控制裝置上的電源開關、收測。

4 作業中的注意事項

1) 儀器測前準備及收測、陀螺啟動及制動操作時，陀螺敏感部必須處于鎖緊狀態，以免陀螺敏感部處于懸掛狀態時受到震動或其他外力時造成陀螺懸帶損壞；

2) 儀器定向測量程序，要求作業人員按測量順序操作儀器，否則電控箱將發出蜂鳴聲報警，同時顯示屏會顯示“操作錯誤，確認/退出”的字樣，此時若確需此項操作，比如重復某一測量步驟或跳過某一步驟，可按【確認】鍵，否則按任一數字鍵退出，程序將回到當前的操作步驟；

3) 陀螺敏感部在懸掛狀態下，若儀器受到外力作用，會影響其擺動正常的擺動軌跡，使所采集的數據失真而帶來測量誤差，因此，在測前零位測量、積分測量及測后零位測量過程中應避免外界震動或觸摸儀器主機；

4) 當陀螺敏感部尋北時（陀螺啟動的狀態下），步進迭代使陀螺光標擺動對稱于分化板0線（也即陀螺敏感部擺動中心與懸帶扭力中心相一致），有利于提高測量精度；

5) 工作時應避免儀器受陽光直射及風力的影響；

6) 儀器上的【復位】鍵，將中止一切操作，使操作程序重新啟動，當儀器發生死機或出現故障確實需要重新啟動時方可使用，且陀螺敏感部必須處于鎖緊狀態；

7) 旋轉“鎖放手輪”下放陀螺敏感部時，應緩慢、均勻，若下方后光標擺動過大或出現抖動，可鎖緊后再次下放；

8) 每測回間隔時間不得少于5～8分鐘，溫度越高，間隔時間應越長。

5 儀器參數的設置5.1 自擺周期和啟動不跟蹤周期的測定

陀螺敏感部的擺動周期，是指其完成一個完整往復運動所用的時間。當陀螺不工作時，陀螺敏感部的擺動周期為自擺周期；當陀螺工作而儀器靜止時（即儀器不跟蹤陀螺敏感部光標的擺動軌跡），陀螺敏感部的擺動周期稱之為陀螺的啟動不跟蹤周期。

積分法定向的儀器是對陀螺敏感部的運動軌跡進行一個完整周期的積分，若陀螺敏感部的周期值不準確，會使積分產生的數據失真而產生測量誤差誤差。

陀螺敏感部的擺動周期，主要受儀器所在地的緯度及儀器中懸帶、導流絲隨時間變化產生物理性能變化的影響，所以應定期或儀器長途運輸后進行周期測量。

在儀器的主菜單下按【3】鍵選擇周期測量，控制裝置屏幕顯示如下子菜單：

1 自擺周期

2 啟動陀螺

3 啟動周期

4 制動陀螺

5 返回

在此菜單下，可進行周期測量。

自擺周期測量

在不啟動陀螺電機的狀態下，下放陀螺敏感部，將陀螺敏感部的自擺擺幅步進到±15～±17格范圍內后，按【1】鍵儀器進入“自擺周期測量”狀態，控制裝置屏幕顯示“正在測量自擺周期請稍等…”，聽到長蜂鳴聲后，鎖緊陀螺敏感部，屏幕顯示自擺周期測定值，確認無異常后記錄并按【確認】鍵，儀器將自動儲存所測數值。

啟動不跟蹤周期測量

在陀螺敏感部鎖緊的狀態下，按【2】鍵，控制屏幕顯示“按確認鍵進行，按數字鍵退出”，按【確認】鍵儀器進入“啟動陀螺”狀態，控制裝置屏幕顯示“正在啟動陀螺請稍等…”，聽到蜂鳴聲，下放陀螺敏感部，將陀螺擺幅步進到±15～±17格的范圍內，然后按【3】鍵，儀器進入“陀螺啟動不跟蹤周期”測量狀態，控制裝置屏幕顯示“正在測量啟動周期請稍等…”，聽到長蜂鳴聲后，鎖緊陀螺敏感部，屏幕顯示不跟蹤周期測定值，確認無異常后記錄并按【確認】鍵，儀器將自動儲存所測數值；按【4】鍵選擇制動陀螺，控制裝置屏幕顯示“正在制動陀螺請稍等…”，聽到蜂鳴聲后結束。

5.2 儀器常數C的標定

陀螺方位角的測定

1）將儀器常數輸為零。

2）將儀器置于二等以上天文方位邊的測站上進行6－9次定向測量。

3）將所測數據(陀螺方位角)取算術平均值。

儀器常數的計算

根據所測已知天文方位邊的陀螺方位角均值，按下式計算儀器常數：

式中：

—儀器常數

—已知邊天文方位角

—陀螺方位角

儀器常數的輸入

在控制裝置屏幕顯示的主菜單中選擇【4】鍵進入“儀器常數輸入”狀態，按屏幕提示“度、分、秒、正負號”依次輸入儀器常數，其中＋號輸入按【1】鍵，負號輸入按【0】鍵。

5.3 時間設置

在主菜單顯示狀態下，如果控制裝置屏幕顯示時間與北京時間不符，可按【4】鍵，按屏幕提示輸入正確的北京時間（24時制）。

6 儀器的一般調校6.1 管狀水準器的調校

儀器上的管狀水準器，是安置陀螺儀旋轉軸處于鉛垂方向的指示標志，若其基準發生變化，將使儀器無法正確調平，因此出測前應加以檢驗及校正。

校正方法為：儀器架設后，首先用腳螺旋將水準器水泡居中，然后松開陀螺儀制動螺絲，旋轉陀螺儀180，若氣泡變化超過0.5個格值以上，可用水準器上的改正螺絲改正變化量的一半，再用腳螺旋將水泡居中，重復以上動作直至水泡變化小于0.5個格值。

6.2 陀螺靈敏部懸帶扭力零位的調校

陀螺敏感部懸帶的扭力零位，受到震動、溫度變化及隨時間的漂移，可能會發生變化，表現在目視視場中陀螺敏感部自擺時光標擺動中心偏離目視分化板的0線過多，這種情況下，會使陀螺敏感部定向時往復進動中心與懸帶扭力中心偏離較大，造成懸帶受扭不對稱，帶來測量誤差。儀器出廠時，廠方會將其調整在偏離中心0.5格之內，使用中若偏離超過2格，則需加以校正。

判斷懸帶扭力零位的方法為：進入定向測量子菜單，按【2】鍵后，下放陀螺敏感部，步進迭代使光標擺動在±5格左右，觀察擺動正、負方向的極限格值，相減后除2，即為自擺中心的偏離值。

圖5-1自擺零位調整機構示意圖

校正的方法為：用鐘表起子松開陀螺經緯儀目鏡后方裝飾環上的三個緊定螺釘，將其抬起，可通過3個窗口會看到兩個上帶夾壓緊螺釘和零位改正螺釘（見圖2-23）。用長改針松開上帶夾上平面上的兩個壓緊螺釘后，用螺絲刀旋轉零位改正螺釘即可改變陀螺敏感部自擺的零位位置，零位調整螺釘順時針旋轉，零位在視場中向右方向移動，反之向左方向移動。調整至自擺中心偏離分劃板0線±1格之內，旋緊上帶夾的兩個壓緊螺釘，放下裝飾環并固緊三個緊定螺釘即可。

6.3 激光對點器的調校

激光對點器中激光發出的光線，應與陀螺儀旋轉中心共軸，否則將帶來陀螺儀的對中誤差，影響測量的準確性。

在日常的作業中，可按照以下步驟來判斷其是否需要調整：架設陀螺經緯儀并整平，將激光對中器光點與點位標志重合，松開陀螺儀的制動手輪，旋轉陀螺儀180°，觀察激光點的變化值，光點偏離點位標志中心超過0.5mm，需要校正。

校正時，先將儀器腳架升至最高，架設儀器并整平，然后按下列步驟進行對中器的校正：

a) 將一十字標志放至距儀器底部約50mm處，十字中心與激光點重合，松開陀螺儀制動手輪，旋轉陀螺儀180°，觀察光點變化情況，然后將十字置于光點跳動中心，用改針旋緊或旋松對側平移調整螺釘（見圖2.4，在陀螺經緯儀下部。調整時光點的變動方向與平移調整螺釘的移動方向一致），將光點改至于十字重合，然后再次檢查光點跳動情況，如此反復，直至光點跳動小于0.5mm，最后依次旋緊4個平移改正螺釘。

b) 傾斜誤差改正方法是將十字標志置于地面，其中心與激光點重合，松開陀螺儀制動手輪，旋轉陀螺儀180°，觀察光點跳動后，將十字置于光點跳動中心，用改針松開于欲改動方向一側或旋緊相反方向的傾斜調整螺釘（見圖5-2，在陀螺經緯儀下部），將光點改至于十字重合，然后再次檢查光點跳動情況，如此反復，直至光點跳動小于0.5mm，最后依次旋緊3個改正螺釘。