Шевченко Т.Г., Мороз О.І., Тревого І.С. Геодезичні прилади

Подождите немного. Документ загружается.

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ "ЛЬВІВСЬКА ПОЛІТЕХНІКА"

Т.Г. Шевченко, О.І. Мороз, І.С. Тревого

ГЕОДЕЗИЧНІ

ПРИЛАДИ

За загальною редакцією Т.Г. Шевченка

Затверджено Міністерством освітні науки України

як підручник для студентів напряму "/

Ьодезія,

картографії

та землевпорядкування

вищих натальних Закладів

Львів

Видавництво Національного університету "Львівська політехніка"

2006

ББК 26.12я73

Ш 80

УДК 528.517(075.8)

Затверджено Міністерством освіти і науки України

як підручник для студентів напряму "Геодезія, картографія

та землевпорядкування

вищих навчальних закладів

(лист 14/18,2-677 від 17.03.2006р.)

Рецензенти:

Костецька Я.М., доктор технічних наук, професор, відмінник ос-

віти України, завідувач кафедри інженерної геодезії Націо-

нального університету "Львівська політехніка";

Черняга П.Г., доктор технічних наук, професор, заслужений пра-

цівник освіти України, декан факультету землеустрою та геоін-

форматики, завідувач кафедри землеустрою, геодезії та геоінфор-

матики Національного університету водного господарства та

природокористування, м. Рівне;

Мельник В.М., доктор технічних наук, професор, заслужений пра-

цівник освіти України, декан географічного факультету, завідувач

кафедри екології, землевпорядкування та кадастру Волинського

державного університету ім. Лесі Українки, м. Луцьк

Тревого І.С., 2006

ІННМ

(і-1 "Львівська політехніка", 2006

ВСТУП

"Геодезичні прилади" ("Геодезичне приладознавство") є

прикладною інженерно-технічною дисципліною, що вивчає

теорію, будову, методи дослідження геодезичних приладів та

їхніх окремих вузлів.

Сучасний геодезичний прилад - це високоточний оптично-

механічний електронний, зазвичай комп'ютеризований прилад,

який призначений для експлуатації у різноманітних фізико-

географічних умовах. Геодезичні прилади сьогодні мають оп-

тимальні габаритні розміри і вагу та найменшою мірою

підпадають під вплив зовнішніх умов.

Поглибити знання геодезичних приладів г важливим зав-

данням підвищення професійної освіченості та якості підготовки

спеціаліста-геодезиста. Геодезичні прилади у їхньому постійному

розвитку враховують вимоги геодезії до точності та продуктив-

ності польових умов виконання робіт. Своєю чергою, геодезія під

час розроблення та вибору методів вимірювань, проектування та

організації робіт зважає на можливості приладів. Якість вимірю-

вань залежить не тільки від знань та досвіду виконавця, а й від

працездатності, якості та можливостей приладів, які застосо-

вують на різних стадіях виконання геодезичних робіт.

Загальних відомостей про геодезичні прилади студенти гео-

дезичних спеціальностей набувають з курсу топографії і геодезії,

поглиблені знання приладів - з курсу "Геодезичні прилади".

Підручник написано відповідно до програми курсу

"Геодезичні прилади" напряму 6.0709 "Геодезія, картографія та

землевпорядкування". Основним завданням підручника є поглиб-

лення та розширення знань студентів геодезичних спеціальностей

про конструкцію та особливості експлуатації сучасних оптичних

та електронних

еодезичних приладів, основні способи перевірок

і досліджень.

Щоб опанувати методи експлуатації сучасних складних

геодезичних приладів, майбутній спеціаліст-геодезист насам-

перед мас засвоїти основи приладознавства, тобто мати знання з

геометричної оптики і оптичних систем приладів, знати конст-

рукцію та принцип роботи рівнів, компенсаторів нахилу і осьових

систем, вміти відлічувати у будь-якому оптичному і електрон-

ному приладі.

Перші п'ять розділів підручника висвітлюють власне ос-

нови геодезичного приладознавства, тобто стосуються основних

вузлів та деталей приладів. У інших чотирьох розділах описано

сучасні геодезичні оптичні, лазери* та електронні прилади, а

саме: теодоліти, нівеліри і тахеометри. Подано короткі відомості

про віддалемірну техніку, а також про супутникові системи

позиціонування (ОР8-системи). Виділено основні напрями роз-

витку сучасного геодезичного приладобудування: автоматизація

вимірювань сучасними електронними приладами; удосконалення

програмного забезпечення приладів; удосконалення електронних

тахеометрів, які працюють без відбивача; інтеграція електронних

тахеометрів з супутниковими системами. Наведено прийоми

експлуатації деяких електронних тахеометрів. Описані перевірки

і дослідження сучасних оптичних і електронних приладів.

Досконале знання геодезичних приладів дасть можливість

майбутньому спеціалісту-геодезисту орієнтуватися у їхньому

виборі та застосуванні, а також успішно експлуатувати складну

техніку.

1. ВІДОМОСТІ З ГЕОМЕТРИЧНОЇ оптики.

ОПТИЧНІ ДЕТАЛІ ГЕОДЕЗИЧНИХ ПРИЛАДІВ

Геодезичні прилади мають у своєму складі досконалі оп-

тичні системи, теорія яких ґрунтується на використанні різно-

манітних властивостей світла. В основу теорії покладено закони

та положення геометричної оптики. Правильно експлуатувати ці

складні оптично-механічні прилади може спеціаліст, який має

достатні знання з геометричної оптики.

Оптика - наука про світло, в якій прийнято за основу

поширення світла як електромагнітних хвиль. Вона вивчає

різноманітні явища, що виникають під час перенесення енергії

світла, а саме: дифракція, інтерференція, поляризація тощо.

Проте численні оптичні явища можна розглядати, уявляючи, що

оптичне випромінювання поширюється вздовж нормалей до

поверхні хвиль, які називають променями. Розділ оптики, в

основу якого покладено такі уявлення, називають геометричною

або променевою оптикою. У геометричній оптиці прийнято, що

джерелом світла є точка, від якої енергія світла поширюється

променями в усі боки. Промінь світла - цс пряма, що

нормаллю

до фронту хвилі світла.

Таке уявлення про випромінювання світла є дещо спро-

щеним, проте воно дає можливість значно простіше, але з

достатньою точністю та строгістю подати принципи дії оптичних

систем на основі законів геометричної оптики. Геометрична

оптика вивчає проходження променів світла оптичними сис-

темами, тому вона має велике значення для розуміння та

засвоєння будови та дії цих систем у геодезичних приладах.

Промені світла, що розходяться в усі боки від джерела

світла - точки, утворюють необмежений пучок, який можна

Відомості з геометричної

оптики...

обмежити, якщо на шляху променів встановити непрозору пла-

тівку з отвором. Пучок, промені якого перетинаються в одній

точці, називають гомоцентричним, а точку перетину - центром

пучка. Розрізняють збіжні та розбіжні гомоцентричні пучки.

Якщо джерело світла віддалене у нескінченність, промені, що

виходять з нього вузьким пучком, вважають паралельними.

А, І,

Рис. 1.1. Гомоцентричний пучок променів.

Дійсне стигматичне зображення

Завдання будь-якої оптичної системи Ь (рис. 1.1) полягає у

перетворенні одного гомоцентричного пучка в інший. Наприклад,

промені, що виходять з центра А гомоцентричного пучка,

збігаються у центрі А' іншого гомоцентричного пучка. Центр

пучка А називають предметом, центр пучка А' - його зобра-

женням, а простір, у якому розташовано предмет, тобто ліворуч

від оптичної системи Ь - простором предметів, а простір, у

якому знаходиться його зображення, тобто праворуч від оптичної

системи Ь - простором зображень відповідно. Зокрема, відрізок

АА\ та його зображення А'А{ необхідно розглядати як

сукупність окремих точок. Якщо б джерелом світла була точка

А', то точка А була б її зображенням. Такі дві точки (А і А' або

А\ І А,) називають спряженими відносно оптичної системи.

Кожному променю, що спрямовується до оптичної системи з

простору предметів, відповідає його продовження у вигляді

заломленого променя у просторі зображень. Як і точки, промені

називають спряженими. Якщо гомоцентричний пучок променів

світла після проходження оптичної системи зберігає гомоцент-

ричність, го зображення центра пучка називають точковим, або

стигматичним. У геометричній оптиці і в оптичних системах

7 Відомості з геометричної

оптики...

геодезичних приладів найчастіше враховують промені, що прохо-

дять поблизу головної оптичної осі системи, паралельно

до осі або під малими кутами до неї. Такі промені та їхні пуч-

ки називають параксіальними, а саму оптичну систему

параксіальною.

1.1. Закони геометричної оптики

1.1.1. Закони геометричної оптики,

показник заломлення

З дослідження оптичних явищ у природі та досвіду вста-

новлені закони, на які спирається теорія геометричної оптики, а

саме:

• закон прямолінійного поширення світла в однорідному

середовищі;

• закон незалежного поширення пучків світла;

• закон відбиття світла;

• закон заломлення світла на межі двох прозорих сере-

довищ.

Закон прямолінійного поширення світла формулюють так: в

однорідному середовищі світло поширюється прямолінійно, тобто

в однорідному та ізотропному середовищі світло між двома

точками поширюється по прямій, що з'єднує ці точки. На основі

закону прямолінійного поширення світла пояснюють явища тіні та

півтіні, затемнення Сонця та Місяця; виконують всі високоточні

астрономо-геодезичні спостереження. Винятком із закону є диф-

ракція, тобто обминання світлом малих отворів, щілин та малих

перешкод. Явище дифракції досліджує, як вказано вище, оптика,

що розглядає світло як поширення електромагнітних хвиль.

Землю оточує неоднорідна за густиною атмосфера, у

приземному прошарку якої виконують до 90 % всіх геодезичних

вимірювань. Внаслідок неоднорідності атмосфери за густиною, в

результаті зміни її показника заломлення на шляху променя

світла у зв'язку із зміною температури, тиску, вологості, світло в

Відомості з геометричної

оптики...

атмосфері поширюється просторовими кривими. Викривлення

променів світла у атмосфері називають атмосферною рефрак-

цією. Врахування впливу рефракції на геодезичні вимірювання є

складним завданням фізики та геодезії. В Україні та за її межами

відома львівська школа рефракції, засновником якої є заслужений

діяч науки та техніки України, доктор технічних наук, професор

кафедри геодезії Львівської політехніки А.Л. Островський. До-

сяіік ння професора А.Л. Островського та його учнів є значним

внеском у подолання проблеми рефракції.

Закон незалежного поширення пучків світла у геометричній

оггі

11 ці

говорить, що у потоці світла або пучку окремі пучки або

промені відповідно не впливають один на одний і поширюються

незалежно так, ніби інших пучків або променів не існує. Дія пучків,

що збігаються в одній точці, склада ться. Коли два пучки мають

одне джерело випромінювання, але проходять різні шляхи, тобто

доходять певної точки у різних фазах, їхня незалежність пору-

шує

ться. Тоді спостерігають явище інтерференції світла.

Закон відбиття світла стверджує: коли пучок променів

падає на поверхню, що є межею поділу двох середовищ, одна

частина світла відбивається від цієї поверхні, а інша частина

заломлюється і проходить в інше середовище. Якщо відбивна

поверхня шорстка, відбиття називають дифузним або розсіяним, а

відбиті промені поширюються в усіх напрямах. Якщо відбивна

поверхня рівна, гладка, полірована, відбиття називають дзер-

кальним, а відбиті промені мають певний напрямок (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Відбиття променя світла дзеркальною поверхнею:

1 -промінь, що падає; 2 - перпендикуляр до відбивної поверхні у точці

падіння променя; 3 - відбитий промінь

9 Відомості з геометричної

оптики...

Закон відбиття стосується дзеркальних поверхонь. Його

записують так: промінь, що падає (1), відбитий промінь (3) та

нормаль (2) до відбивної поверхні у точці падіння променя

розміщені в одній площині; кути падіння - і та відбиття і'

дорівнюють один одному за абсолютним значенням (|/| = |/'||, але

мають різні знаки. Додатним вважають кут, якщо поворот

нормалі до променя виконують за напрямком руху стрілки

годинника (2-3 - кут /'). Якщо цей поворот виконують проти

напрямку руху стрілки годинника, кут вважають від'ємним (2-1 -

кут - і).

Закон заломлення світла на межі двох прозорих середовищ

стосується тієї частини світла, що падає на поверхню, яка долає її

та проникає з одного середовища в інше. Після переходу в інше

середовище, наприклад, з повітря у скло (рис. 1.3, а), або із скла у

повітря (рис. 1.3, б) промінь змінює початковий напрямок, тобто

заломлюється. Зміна напрямку променів не залежить від того,

йдуть вони "прямо", чи "зворотно" - в обох випадках хід

променів буде таким самим. Після переходу з оптичного

середовища, що має меншу густину, зокрема, повітря, до

оптичного середовища, що має більшу густину - скла (рис. 1.3, а)

промінь після заломлення наближається до напрямку нормалі у

точку падіння променя, а після переходу променя із середовища з

більшою густиною - скла - до середовища із меншою густиною -

повітря він (рис. 1.3, б) відхиляється від напрямку нормалі. У

першому випадку (|/| > |/'|), а в другому - (|/'| < |/'|).

Коли промені світла переходять із одного середовища в

інше, їхня швидкість змінюється. Після переходу із середовища з

меншою густиною до середовища з більшою густиною швидкість

поширення світла зменшується (рис. 1.3, а) і навпаки, коли світло

після середовища з більшою густиною потрапляє у середовище з

меншою густиною (рис. 1.3, б), швидкість його збільшується. У

геодезії для розрахунків приймають, що швидкість поширення

світла у вакуумі с = 299792,5 км/с .