余钦河1 庄炳杰2
1.广东省工程勘察院 广东省广州市 510520；2.广东省工程勘察院 广东省广州市 510520
摘要：玻璃折射是全站仪角度测量的主要误差源，本文针对玻璃折射问题,进行相应实验,分析总结出玻璃折射对变形监测精度影响的规律,并提出一些切实可行的解决方法,对提高全站仪自动化变形监测测量成果的精度具有一定的实用价值。
关键词：全站仪；玻璃折射；角度测量；测量精度；变形监测
The Influence of Glass Refraction on Automatic Deformation Monitoring Precision of Total Station
YU Qinhe，ZHUANG Bingjie
一、引言
目前, 在各项工程的变形自动化监测方面，测量机器人正逐步成为首选的自动化测量技术设备。与传统人工测量手段相比，测量机器人以它的高精度、高稳定性和高可靠性等优越性，在变形监测中发挥越来越重要的作用。自动化变形监测能够在无人值守情况下完成变形监测，完全能够取代人工测量，同时还为我们提供了实时的、可视化的动态变形信息，做到了信息化施工，也避免了工程事故的发生。在对大坝、桥梁、隧道、基坑等建筑物的变形进行无人值守自动监测时,需要安装观测室对仪器进行保护，也需顾及观测室玻璃的折射对测量成果的影响。对于这些需要高精度测量的作业,特别是在近距离时,玻璃折射对角度测量可能达到数秒甚至几十秒的影响,这显然是不能忽视的。因此,研究玻璃折射对自动化变形测量精度的影响有着重要意义。
二、玻璃折射率
折射率，光在真空中的速度与光在该材料中的速度之比率。材料的折射率越高，使入射光发生折射的能力越强。不同玻璃的折射率是不同的，一般为1.5～1.7。因此，在实际的应用过程中，需要对玻璃的具体折射率进行测定。
测量原理: 当光线以一定的入射角穿过一块两面平行的玻璃时，传播方向不变，但是出射方向与入射方向相比有一定的侧移，由图1可知，只要找出入射光线AO相对应的出射光线O′B，就能画出折射光线OO′，量出入射角i和折射角r，然后根据折射定律，算出玻璃的折射率。
图1
我单位采用徕卡机器人对基坑进行自动化变形监测，观测室结构设计为边长1.1m立方体结构，采用6mm厚的钢化玻璃，徕卡机器人位于观测室中心。根据以上测量原理，光线入射角最大为45°，通过实验测算出钢化玻璃的相对折射率为1.57。
三、玻璃折射率对角度测量的影响
1.原理分析
观测室中徕卡机器人透过6mm厚钢化玻璃对目标点进行观测，光路经过玻璃后出现折射，使出射光路进行整体偏移，由M偏移到M′。根据折射定律作图2，其中O为测站点，M′为目标点，OM′为无折射光路，OABM′为折射光路，α1为入射角，α2为折射角，β为玻璃法线与测站至M′方向的夹角，A、B为法线与玻璃的交点，C为OM与玻璃的交点。根据折射定律可知：①OM∥BM′；②当玻璃厚度和入射角度不变的情况下，不管测站点O和目标点M′距离大小，折射产生的偏移值MM’都是固定的。
图2
2. 偏移值计算（MM′）
设玻璃厚度为d(单位mm)，OM在法线上的投影长度为h(单位mm), 由折射定律，可知BCMM′为平行四边形，故BC=MM′根据图5，可得
根据以上推论，当玻璃厚度一定时， 与测站点至目标点的距离近似成反比，与入射角 近似成正比。取玻璃厚度d=6mm，玻璃相对折射率 ，通过计算，得出表2结果。
由表2可以看出，入射角越小,玻璃折射对
因全站仪徕卡TS15A的标称精度为1″ 1mm+1.5ppm，且实际测量过程受外界各种因数的影响，测量数据的精度要比仪器的标称精度小，由表3和表4的数据可以看出，实测数据和理论数据是完全相符合的。在实际变形监测项目应用中，我们关注的不是各目标点的绝对位置，而是各目标点相对初始位置的相对变形量，且各目标点因玻璃折射产生的偏移值是固定值，该固定值可当做系统误差处理，不影响相对变形量。实验结果验证了：①计算原理的准确性，②将计算原理应用于实际的可行性。
五、结论与建议
综上所述,玻璃折射对全站仪定向精度的影响可以归结为:
1)入射角越小、测站点距离目标点越远,玻璃折射对定向的影响越小，布设定向点时,应尽量增加测站点和定向点的距离,最好在150m以上；
2)由图2可知,光线从法线左侧入射时,角度测量值将比实际值增大，光线从法线右侧入射时, 角度测量值将比实际值减小，布设多个定向点时，测站点与定向点光线应从玻璃法线的同侧入射,并采用后方交会定向，减小定向点与测站点之间夹角的影响；
3)当玻璃厚度和入射角度不变的情况下，不管测站点和目标点距离大小，折射产生的偏移值都是固定的，在满足需要的情况下，尽量减小玻璃厚度；
4)入射角越大，玻璃折射对偏移值影响越大；尽量减小测站点和定向点的连线与玻璃法线的夹角，最好在20°以内，最好与法线尽量重合,提高测量成果精度；
5)对基坑、大坝、桥梁等建筑物变形进行自动化监测时,可将观测室的玻璃制成弧形,以减小入射角,从而减小玻璃折射的影响；
6)根据以上研究得出的玻璃折射对角度测量的影响规律和计算原理，编制测量软件，对测量数据进行修正。
7)在实际变形监测项目应用中，关注的不是各目标点的绝对位置，而是各目标点相对初始位置的相对变形量，且各目标点因玻璃折射产生的偏移值是固定值，该固定值可当做系统误差处理，不影响相对变形量。
参考文献：
[1]建筑基坑工程监测技术规范.中华人民共和国国家标准GB50497-2009[S].北京:中国计划出版社,2009:16-18.
[2]工程测量规范.中华人民共和国国家标准GB50026-2007[S].北京:中国计划出版社,2008:104-109.
[3]王飞，李广云.玻璃折射对角度测量的影响分析[J].测绘通报，2009：33-34,44.
[4]张正禄.工程测量学[M].武汉:武汉大学出版社,2002:149.
论文作者:余钦河1,庄炳杰2
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第21期
论文发表时间:2018/11/28
标签：玻璃论文; 测量论文; 入射角论文; 法线论文; 折射率论文; 观测室论文; 精度论文; 《建筑学研究前沿》2018年第21期论文;