Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

составит 2- 10~

за один оборот датчика, которую можно обеспечить гене-

ратором с кварцевым стабилизатором частоты.

Погрешность т

^ связана с конечной длительностью переднего

фронта старт- и стоп-импульсов, которая определяется временем, в те-

чение которого вращающийся датчик закроет всю чувствительную зону

приемника. За это время ротор повернется на угол 0, определяемый

формулой

в которой Д - ширина чувствительной зоны приемника; г — радиус

окружности, но которой происходит перемещение штриха датчика.

Так как ширина чувствительной зоны приемника Д > 1

—

5 мкм,

то при величине радиуса г < 100 мм, что является допустимым для гео-

дезического прибора, получим значение углового поворота 0 ^ 0,2".

Таким образом, погрешность перехода от пространственных угло-

вых перемещений к хронометрическим измерениям составляет не более

нескольких десятых угловой секунды. Необходимо отметить, что в при-

веденном анализе ошибок датчика для выявления предельных техноло-

гических возможностей приняты граничные условия, при которых влия-

ние частичных ошибок параметров пренебрегаемо мало. При расчете кон-

кретных отсчетных устройств следует принимать реальные ошибки пара-

метров, при которых допуски на отдельные параметры могут быть рас-

ширены в 2-3 раза.

§ 56. Потенциометрические и индуктивные отсчетные устройства.

Интегральный принцип отсчитывания. Индукгосин

Трудность построения одноотсчетного преобразователя с пределом раз-

решения и ошибкой в несколько угловых секунд практически ограни-

чивает возможности использования таких преобразователей. Для повы-

шения точности отсчета преобразователи угол—код строят двухотсчет-

иыми, т.е. имеющими грубый отсчет, максимальный код которого соот-

ветствует полному обороту вала, и точный отсчет, "вес" которого соот-

ветствует некоторой доле оборота вала. Структурная схема двухотсчет-

ного преобразователя угол-код будет содержать следующие узлы

(рис.

95): ДГО - датчик грубого отсчета; ПМУ преобразователь

Рис. 95. Структурная схема Рис. 96. Схема потенциомстрического фа-

двухотсчетного преобразова- зовращателя:

теля угол

—код

—

принципиальная схема; б

—

векторная

диаграмма

масштаба угла, преобразующий угол поворота

амплитуду

или

фазу

электрического сигнала, причем

это

преобразование повторяется много-

кратно

за

оборот вала;

ОГО

—

отсчетную часть грубого отсчета;

ОТО

—

отсчетную часть точного отсчета

и ССО

—

схему согласования отсчетов.

Системы грубого

точного отсчета могут быть выполнены различ-

ными способами. Например, показания грубого отсчета можно считы-

вать

кодовой шкалы,

устройство точного отсчета выполнить

виде

растрового интерполятора

на

потенциометрических фазовращате-

лях

[34].

Рассмотрим принцип работы потенциометрического фазовращателя.

Простейшая схема фазовращателя приведена

на

рис.

96, а.

К последовательному соединению резисторов

и R

подключены

два генератора, ЭДС которых сдвинуты

по

фазе

на

угол

J3,

(0 + (3,)

/(0

13,. +

Обозначим:

Ri + R

=R;

RjR=a\

/R = \-a.

Из

рис. 96, а и

векторной диаграммы

(рис. 96,5)

следует,

что

паде-

ния напряжений

U' и и на

резисторах

и Ri

соответственно равны

= (Я

< +

-£,)(1-в);

Выходное напряжение

V при

этом будет равно

= Ё.

, - 0' = е'

Ф+(

*° [Е, (1 -а) + аЬ\

, е*].

Таким образом, выходное напряжение

можно вычислить

по

фор-

муле

в которой

2 .

U= s/E]{\-a)

^2E

^{\~a)a

cos

+ Е}^а

flsin

= arctg

(1 - a) + E.

+ l

a cos

В случае, когда

(

= Е.

= E,

получим

= E V(l -

Л)

+2Д(1

- fl)cosj3 + fl

.] (9.54)

J sin |3

i//

= arctg

- 0(1 - cos

j3)

16 - B.C.

Плотников

Если

последовательному соединению резисторов подключить

два

генератора синусоидального напряжения

и Е

2у

причем^напряжение

сдвинуто

по

фазе

на я/2 рад. (0 = я/2)

относительно

, то из (9.54)

следует,

что

амплитуда

U и

фаза

выходного сигнала будут равны

= Е VI -2я

(1-я);

= arctg .

- а

При этом выходное напряжение

0 =

Ue*

будет синусоидаль-

ным,

а его

текущее значение будет зависеть

от

соотношения сопротивле-

ний

и R

фазового угла

Если отношение сопротивлений резис-

торов

Ri и R

равно отношению текущих значений напряжений

для

данного фазового угла

, то

мгновенное значение напряже-

ния

равно нулю.

При

прохождении через нуль соответствующий

фазовый угол можно зафиксировать

помощью пороговой схемы.

Используя указанное свойство потенциометрической фазовраща-

тельной цепочки, можно построить растровый интерполятор

виде

потенциометрического фазовращателя.

Для

этого включают параллель-

но

Ri и R

\ R'i и R

и т.д. с

различным отношением сопротивлений,

что обеспечивает получение нулевых выходных напряжений

Ь\

т.д.

соответственно между точками

и Р\ Р

и Р

и т.д. при

различ-

ных фазовых углах

0о, Оо ,

•

• •

(рис.

97, а).

Недостатком такого включения является неоднозначность значения

фазового угла

, при

котором выходное напряжение равно нулю,

так

как

этому нулевому напряжению соответствует также фазовый

угол

+ я.

Для устранения этого схему строят

применением дополнительных

напряжений

-Ё

и -Ё

которые находятся

противофазе

напряже-

ниями

и Е

(рис. 97, б). В эту

схему входят восемь

пар

резисторов,

две

из

которых подсоединяются

источникам

п Е

две

пары

—

к ис-

точникам

~Е

и ~Ё

две

пары

- к

источникам

и -Е

и две

пары

к источникам

-Е

и Е

Выходные напряжения измеряют между точ-

кой

Р' и

точками

Ль

^21

•

• •

Подбором

пар

резисторов полный

период разбивается

данной схеме

на 10

частей. Увеличением числа

ре-

зисторных

пар

можно увеличить коэффициент интерполяции.

Кроме описанной схемы, существуют схемы

последовательным

соединением резисторов, которые приведены

в [34].

В качестве задающих элементов двухотсчетных преобразователей

могут применяться: обычный индукционный

- в

системе грубого отсче-

та

многополюсный

- в

системе точного отсчета.

Индуктивный фазовращатель строится

на

основе синусно-косинус-

ного вращающегося трансформатора (СКВТ).

В многочисленных схемах построения фазовращателей

на

СКВТ

используют

два

основных принципа

[9]: а)

создание потока возбужде-

ния

виде вращающегося кругового магнитного поля

(ФВ с

вращаю-

щимся полем) и б) суммирование выходных напряжений СКВТ с по-

мощью фазосдвигающих RC-цепочек (ФВ с импульсным полем).

Получение вращающегося магнитного поля можно осуществить

при питании обмоток СКВТ от двух источников, фазовый сдвиг между

которыми составляет я/2, а также при помощи сдвига по фазе я/2

тока квадратурной обмотки с использованием RC-цепочки. В ряде

специальных случаев (при наличии достаточно мощного источника пита-

ния и нецелесообразности использования усилителей) возможно созда-

ние кругового вращающегося поля в СКВТ с помощью пассивных

RC-элементов в цепи статора [9].

Фазовращатели с пульсирующим полем имеют фазосдвигающие це-

почки, включенные последовательно с роторными обмотками. В [9]

рассмотрено несколько вариантов схем с последовательной RC-цепоч-

кой в роторе.

Схема синусно-косинусного вращающегося трансформатора показа-

на на рис. 98. Он состоит из двух статорных обмоток и одной поворачи-

вающейся - роторной. К статорным обмоткам подаются переменные

напряжения

щ = и sin в sin

со

Г;

щ— и cos в sin со/.

В роторной обмотке индуцируется электродвижущая сила

Е = К (щ sin а + и

cos а) = Ки cos (0 - a) sin со/,

где К - коэффициент; а - угол между осями обмоток.

Такое углоизмерительное устройство имеет невысокую точность,

так как на практике имеют место погрешности и от неортогональности,

и от неравенства составляющих питающего напряжения. Так, для дости-

жения точности, соответствующей 10-12 двоичным разрядам, необходи-

1 г з t

мо иметь отклонения от ортогональности порядка единиц минут по фазе

и неравенство амплитуд, определяемое десятыми, а иногда и сотыми до-

лями процента. Точность одноотсчетного СКВТ достигает 1-2' [9].

Дальнейшее повышение точности достигают за счет применения

интегрального метода отсчитывания с использованием многополюсных

СКВТ, имеющих 8, 16, 32 и далее 64 периода изменения выходного на-

пряжения за один оборот.

Построение прецизионных преобразователей угла в код с использо-

ванием ПМУ в виде круговых многополюсных датчиков преследует

две цели: уменьшение предела разрешения за счет развертывания малого

геометрического угла в полный оборот фазы сигнала, а также усредне-

ние технологических погрешностей, и в первую очередь эксцентрисите-

та и ротора. Погрешности этих устройств составляют порядка 1' при

2=8, 20" при z = 16, 5" при z = 64.

Преимущество интегрального метода показано на примере двух

круговых концентрических шкал [9]. Деления одной из них являются

как бы индексами, относительно которых берут отсчеты по делениям

другой шкалы. Внутренняя шкала состоит из двух стальных сердечни-

ков в виде шестерен с наружными зубьями 2 (рис. 99, я, б). В каждой

шестерне имеется кольцевой паз 5, в котором находится обмотка.

Внешняя шкала - стальное кольцо 4 в виде шестерни с внутренним за-

цеплением. Число зубьев одинаково на всех шестернях. Сердечники

крепятся на втулке /. Обмотки сердечников включены в дифференци-

альную схему. При вращении зубьев внешнего кольца относительно

зубьев сердечника меняется индуктивность L в обмотке. Она наиболь-

шая, когда зазор 6 между зубьями минимален, что следует из формулы

для вычисления индуктивности в обмотке

в которой

К -

коэффициент;

магнитное сопротивление железа;

активное сечение проводника;

6 -

величина зазора.

Так

как

шестерни сердечников смещены относительно друг друга

на половину шага зуба,

то

существует такое положение, когда индук-

тивности

обмотках сердечников одинаковы

(L i = Л

). В

этом поло-

жении

ток в

цепи индикатора равен нулю.

При

повороте наружного коль-

ца

на

угол

360°

где

число зубьев шестерни, показание индикатора будет повто-

ряться.

Описанное индуктивное устройство

не

обеспечивает непрерывного

измерения угла,

так как

изменение разностей индуктивностей непропор-

ционально изменению угла. Таким качеством обладает устройство,

но-

сящее название "индуктосин".

Он

представляет собой многополюсный

индукционный датчик

печатными обмотками.

Ему

присущи малая

погрешность угла (порядка

30"),

возможность дистанционной переда-

чи угла

перспективы повышения точности

при

дальнейшей технологиче-

ской отработке.

Поворотный индуктосин

[7]

имеет большое число

симметрично

расположенных витков роторной обмотки

соответствующее число

ста-

торных парных обмоток. Обмотка индуктосина состоит

из

тонких

по-

лосок

(~0,05

мм)

меди

или

серебра, нанесенных

на

стеклянные

или ке-

рамические круги. Расстояние между плоскостями рисунка обмоток

ротора

статора составляет

0,1 -0,5 мм.

При вращении ротора вокруг общей

оси со

статором,

которому

подведено напряжение, меняется взаимная индуктивность

и в

обмотке

ротора возникает переменная электродвижущая сила

—

К и

cos

(О

- pa) sin

со

где

р -

число

пар

полюсов;

—

угол, определяемый отношением ампли-

туд

парных обмотках статора.

Таким образом, напряжение

обмотке ротора индуктосина опреде-

UCQSOJt

UCQSdJt

sin

cot

UCOSuJt

a-cos

(tot-pa)

ФВ

Рис.

100.

Схема включения индуктосина

режиме фазовращателя:

генератор;

С -

статор;

Р —

ротор;

Фв —

фазовращатель;

И —

индикатор

ляется выражением

Hp = Ки

cos (в

—

pa)

что и позволяет измерить угол а с передаточным коэффициентом р.

Кроме рассмотренного амплитудно-трансформаторного режима,

применяется режим вращающегося поля. В этом случае переменное на-

пряжение в паре обмоток статора сдвинуто по фазе на я/2, и наводимая

ЭДС ротора определяется выражением

Е = К и cos (cot

—

pa).

При этом изменения Е периодичны, фаза меняется с периодом

2тх\р.

Поэтому, если фаза относительно опорного напряжения измерена с по-

грешностью угол поворота будет измерен с погрешностью ^

/р.

Схема включения индуктосина в режиме фазовращателя показана

на рис. 100. Для измерения разности фаз напряжения ротора и опор-

ного напряжения служит фазовращатель, изменяющий фазу напряже-

ния ротора, и устройство, фиксирующее нулевую разность фаз.

Раздел III

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ, ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА

И КОНСТРУИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ТИПОВ

ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Глава 10

ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЛИНЕЙНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ

§ 57. Виды геодезических приборов для линейных измерений

и их общая характеристика

В геодезических работах в зависимости от требований к измерениям

применяют разнообразные приборы для измерений длин линий. Их мож-

но подразделить на следующие основные виды.

Приборы простейшего типа для непосредственных измерений длин

линий. К ним относятся приборы в комплекте с мерными проволоками

и лентами, отдельные ленты, рулетки и рейки.

2. Оптические дальномеры. К ним относятся дальномеры физиче-

ского типа (светолокационные и интерференционные дальномеры) и

дальномеры геометрического типа.

3. Радиодальномеры.

В дальнейшем рассматриваются только дальномеры оптического

диапазона.

Оптические дальномеры получили наиболее широкое распростране-

ние при различного рода измерениях длин линий. Они построены на ис-

пользовании физических законов волновой природы света (известная

скорость распространения света и длина волны) и прямолинейности его

распространения. В оптических дальномерах применяется косвенный

способ измерений, при котором расстояние определяется через другую

величину, связанную с ним вполне определенной функциональной зави-

симостью. Так, например, в дальномерах физического типа

—

светодаль-

номерах - измеряемое расстояние определяется по времени распростра-

нения света от источника света до цели и обратно, в интерференцион-

ных - по числу длин волн света, укладывающихся в этом расстоянии;

в дальномерах геометрического типа расстояние определяется по вели-

чине параллактического угла или базиса в измерительном треугольни-

ке и т.п.

Основой построения дальномеров геометрического типа является

измерительный (параллактический) треугольник (рис. 101). Из парал-

лактического треугольника ЛВС измеряемое расстояние 5* определя-

ется по формуле

= "f

D, (ЮЛ)

где

b -

база;

0 -

параллактиче-

ский угол;

CQ -

расстояние

от

вершины параллактического угла

до

оси

вращения прибора (точки

стояния прибора).

Рис.

101.

Параллактический треугольник

Оптические дальномеры гео-

метрического типа можно клас-

сифицировать

по

расположению

базы

и по

принципу измерения

элементов параллактического тре-

угольника.

Различают оптические дальномеры

базой:

цели,

до

которой определяют расстояние;

прибора

(как

элемент конструкции).

Расположение базы может быть

как

горизонтальным,

так и

верти-

кальным.

По

принципу измерения элементов дальномеры подразделяют:

а)

постоянной базой

b и

переменным углом

б)

переменной базой

b и

постоянным углом

Очевидно,

что

измеряются

тем или

иным способом переменные

элементы.

Конкретное применение приборов

для

измерения длин линий опре-

деляется прежде всего обеспечиваемой

ими

точностью.

При

непосред-

ственных измерениях мерными лентами предельная относительная

ошибка колеблется

от 1:1000 до 1:10

ООО

учетом введения поправок

за натяжение

температуру. При измерении линии базисным прибором

с подвесными инварными проволоками длиною

24 м

средняя квадрати-

ческая относительная ошибка достигает

1:10

Точность нитяного дальномера невысока

предельная ошибка

до-

стигает

от 1: 100 до 1:740, но

простота устройства обусловила его широ-

кое использование. Оптические дальномеры двойного изображения

(на-

пример,

оптическим компенсатором

А.И.

Захарова) обеспечивают

точность, характеризующуюся средней квадратической ошибкой

до

1:6000.

ГОСТ

25549-77

"Дальномеры двойного изображения" опре-

деляет требование

к ним по

точности (средняя квадратическая ошибка

при измерении расстояния

в 100 м

должна составлять

от 2 до 8 см).

Этим параметром определяется марка дальномера. Например, опти-

ческий дальномер

Д-2

обеспечивает измерение расстояния

в 100 м со

средней квадратической ошибкой

не

более

2 см.

Применение лазеров

в интерферометрических устройствах

светодальномерах позволило

получить весьма высокую точность

при

измерении значительных рас-

стояний. Разрешающая способность фазовых светодальномеров дости-

гает долей миллиметра.

Все

более высокую точность

при

уменьшенных

габаритах обеспечивают радиотехнические средства.

Из

рис. 101

видно,

что

ошибка

измерении расстояния

оптиче-

ским дальномером геометрического типа зависит

от

ошибок измерения

базы

b и

параллактического угла

)3.

Учитывая,

что

угол

мал, форму-

лу

(10.1)

можно записать:

(10.2)

Для дальномеров

постоянным углом будет постоянной величина

р/0,

для

дальномеров

постоянной базой

величина

bp. Эти

постоянные

величины называются коэффициентом дальномера:

= bp = р/0.

Из формулы

(10.2)

получается зависимость

(для

наихудшего случая)

между ошибками измерения

в и b и

ошибкой

измерении рассто-

яния:

(10.3)

Покажем порядок допустимых ошибок

b и Р при

заданной относитель-

ной ошибке измерения

Если

dS:S =

1:5000,

то

< °'

2 мм

;

b 1 м

1 2062,6

~Т~

Ю000

;

юооо

= ±

°'

(коэффициент дальномера

А:=

100, р = р"/К = 206 265"/100 = 2062,6").

Как видно, точность воспроизведения базы

измерения параллак-

тического угла

должна быть весьма высокой.

При конструировании следует учитывать необходимость предотвра-

щения деформаций меры

или

возможность

их

учета. Затруднения

при

учете температурных деформаций приводят

необходимости использо-

вания рабочих

мер из

материалов

малыми коэффициентами линейного

расширения, например

из

инвара.

Требования

простейшим приборам

для

линейных измерений

рулеткам, лентам, проволокам

определены

соответствующих

ГОСТах

руководствах

по

геодезии

наставлениях

по

производству

работ.

Их

расчет хотя

имеет определенную специфику, однако затруд-

нений

не

представляет. Особенности устройства, вытекающие

из

техно-

логии

методики измерений, изложены

литературе

по

геодезии

[26,

29]

геодезическому инструмеитоведеиию

[6, 37].

58. Дальномеры

постоянным параллактическим углом

В дальномерах

постоянным параллактическим углом измеряется

база

b с

необходимой точностью.

Так как

точность достаточно высока,

а размер базы ограничен, необходимо измерять доли делений базы

(рейки).

При

постоянном угле

|3, как

видно

из

дальномерной формулы

(10.1),

величина

ctg j3

численно равна коэффициенту дальномера

К, ко-

торый выбирают

из

ряда целых чисел, удобных

для

измерений

(10, 50,

100, 200).

Угол

определяется

по

коэффициенту дальномера

К но при-