陀螺仪在矿山测量应用技术研究

孙守国

摘要：目前我国竖井定向有几何定向法和陀螺定向法。几何定向法费时费力,占用井筒时间过长,影响施工或生产。陀螺定向法占用井筒的时间短,作业简单,有利于提高定向精度和效率,其广泛应用已经成为一种趋势。本文主要介绍了当前矿井定向所应用的方法，陀螺全站仪在定向时的优点，概述了陀螺全站仪的定向原理，及其在矿井定向时的应用发法及其注意事项。

关键词：生产矿井；陀螺仪；全站仪

Abstract: at present our country shaft directional with geometric directional method and gyro orientation method. Geometry time-consuming directional method, borehole take up a long time, the influence to the construction or production. Directional method takes up the problems of the gyro time is short, simple operation and help to improve the accuracy and efficiency of directional, its wide application has become a trend. This paper mainly introduces the application of the method that mine directional, tachometer gyroscope in the advantages of directional when, this paper summarized the gyro tachometer of the directional principle, and its applications in mine directional hair method and the matters needing attention.

Keywords: production mine; The gyroscope; tachometer

中图分类号： U666.12+3 文献标识码：A文章编号：

陀螺就是围绕着某个固定的支点而快速转动起来的刚体，平时所说的陀螺其实专指呈对称性的陀螺，它的质量是均匀分布的，形状是以轴为对称的，自转轴就是它的对称轴。在一定力矩的作用下，陀螺会一直在自转，而且还会围绕着一个不变的轴一直在旋转，称作陀螺的旋进或者是回转效应。这是在平时的生活中普遍存在的现象，例如很多孩子小时候玩的陀螺。随着科技的进步，人类就根据陀螺的力学的有关性质制造成具有很多种功能的陀螺仪。

陀螺仪定向不需占用井筒，准备工作简单，定向精度较高，一次定向中的误差在5″～2′之间，完全能满足矿山各种采矿工程的精度要求。地球上除了两极和高纬度（75°以上） 地区外，均可测定地面或井下任意测站的真子午线位置和任意测线的大地方位角，定向精度不受井筒深度的影响。除可检核和替代几何定向外，当贯通导线很长，适当加测陀螺定向边形成方向附合导线，可提高导线终点精度。随着我国深井开采矿石越来越多，陀螺仪定向将被迅速推广。在矿井建设及运营过程中，为了确定井下采矿巷道与地面建筑物、道路、河流及与相邻矿井之间的位置关系，需要井下和地面测量控制网采用同一坐标系统，即需要对矿井定向。

一、陀螺仪的基本原理

没有任何外力作用，并具有三个自由度的陀螺仪称为自由陀螺仪。陀螺仪具有两个特性：定轴性、进动性。如果把自由陀螺仪的重心从中心下移，即在自由陀螺仪轴上加以悬重Q，则陀螺仪灵敏部的重心由中心O下移到O1点，此时它具有两个完全的自由度和一个不完全的自由度。因为它的灵敏部和钟摆相似，所以称为钟摆式陀螺仪。

二、陀螺全站仪的工作原理

一般在矿井用的多的定向仪器有陀螺经纬仪和陀螺全站仪。

当地球绕其自转轴旋转时，地球上的所有物体都随其转动。钟摆式陀螺仪在其影响下，其主轴总是向子午面方向进动。但在地球自转的同时，子午面亦在随其不断的变换位置。虽然陀螺仪能在某一时刻与地平面平行且位于子午面内，此种状态也不能维持。即陀螺仪轴与子午面轴之间具有相对运动的形式。钟摆式陀螺仪就是这样在子午面附近作连续不断的，不衰减的椭圆简谐摆动。

三、陀螺全站仪定向

1 陀螺全站仪作业定向过程

1.1测定陀螺仪常数

由于制作仪器时的精度有限，陀螺仪轴与望远镜光轴及观测目镜分划板零刻线代表的光轴通常不在同一竖直面中，陀螺仪轴的稳定位置与地理子午线通常并不重合。二者的夹角称为仪器常数，用Δ表示。通过用仪器测定方位角为Ao的精密导线边CD可求出一起常数：

Δ=A0-aT(3-1)

为CD边陀螺方位角，在已知边上测定仪器常数应进行2～3次，各次互差应满足限差。

1.2.测定井下定向边的陀螺方位角

井下定向边的长度应大于50m，仪器安置在C′点上，可测出C'D'边的陀螺方位角。则定向边的地理方位角A为：

A=a'T+Δ(3-2)

1.3在井上重新测定仪器常数

仪器上井后，应在已知边上重新测定仪器常数2~3次。前后两次测定的仪器常数，其中任意两个仪器常数的互差应满足限差。然后求出仪器常数的最或是值，并按白塞尔公式来评定一次测定中误差。

1.4 求算子午线收敛角

一般地面精密导线边或三角网边已知的是坐标方位角α0，需要求算的井下定向边，也是要求出其坐标方位角α，而不是地理方位角A。因此还需要求算子午线收敛角γ。地理方位角和坐标方位角的关系为：

A0=a0+γ0(3-3)

子午线收敛角γ0的符号可由安置仪器点的位置来确定，即在中央子午线以东为正，以西为负；其值可根据安置仪器点的高斯平面坐标求得。

3.1.5 求算井下定向边的坐标方位角

由图1及以上公式可得：

Δ=A0-aT=a0+γ0-aT(3-4)

井下定向边的坐标方位角则为：

a=A-γ=a'T+Δ平-γ(3-5)

式中：Δ平——仪器常数的平均值。

2、陀螺仪悬带零位观测

在陀螺儀观测工作开始之前和结束后，要作悬带零位观测，相应称为测前零位和测后零位观测。测定悬挂零位时，先将经纬仪整平并固定照准部，下放陀螺灵敏部从读数目镜中观测灵敏部的摆动在分划板上连续读三个逆转点读数，估读到0.1格。同时还需用秒表测定周期，即光标像穿过分划板零刻划线摆动一周的时间，其读数称为自由摆动周期T3。零位观测完毕，锁紧灵敏部。

2.1 精密定向

精密定向是精确测定已知边和定向边的陀螺方位角。其方法可分为两大类：一类是仪器照准部处于跟踪状态，即多年来国内外都采用的逆转点法；另一类是仪器照准部固定不动，如中天法、时差法、摆幅法等。

2.2陀螺经纬仪定向时的注意事项

陀螺经纬仪是以动力原理论为基础的光、机、电结合的精密仪器。工作时，陀螺灵敏部具有较大的惯性，必须注意合理使用，妥善保管，才能保持仪器的精度和寿命。

在使用时，必须由具有一定操作经验的人员来使用仪器；在启动陀螺马达到额定转速之前和制动陀螺马达的过程中，陀螺灵敏部必须处于锁紧状态，防止悬挂带和导流丝受损伤；在陀螺灵敏部处于锁紧状态、马达又在高速旋转时，严禁搬动和水平旋转仪器；在使用陀螺电源逆变器时，要注意接线的正确；使用外接电源时应注意电压、极性是否正确等。

四、结束语

陀螺仪是惯性导航系统与惯性仪表的核心部件，以陀螺仪为核心的相关设备和系统不仅在矿山测量方面应用广泛，也广泛应用于航海、航空、航天、陆地和兵器等导航领域。虽然我国在陀螺仪方面的发展状况与国外先进水平相比仍有较大差距，随着我国经济技术的飞速发展，陀螺仪必将在我国获得更大发展，并在军民两领域得到更为广泛的应用。

参考文献：

[1]张国良，顾和和等.矿山测量[M].徐州:中国矿业大学出版社,2008.

[2]许江宁等.陀螺原理及应用[M].北京:国防工业出版社，2009.