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

Подождите немного. Документ загружается.

110

Відлікові пристрої геодезичних приладів

Перетворювач діє у такий спосіб. З одного боку кодової

шкали 2 встановлено джерело світла 1, а з іншого- діафрагму 3 з

проріззю і фотоелектричні приймачі 4, кількість яких дорівнює

кількості кодових доріжок. Під час знімання інформації промені

світла, що пройшли крізь прозорі сегменти доріжки, потрапляють

на фотоелектричні приймачі, сигнали з яких відповідають

одиницям двійкової системи і у колі приймача з'являється струм.

З приймачів, що перекриті непрозорими сегментами, сигнали

відсутні, що відповідає нулям двійкової системи. Тоді у колі

приймача струму немає. Зміни положення кодової шкали

відносно прорізу на діафрагмі (або діафрагми відносно шкали) на

якусь дискретну величину відповідає нова комбінація прозорих

та непрозорих сегментів на кодовій шкалі. У результаті кутове

положення круга або діафрагми кодується. Щоб виміряти кут,

необхідно зафіксувати два відліки, не встановлюючи початковий

відлік на нуль. Формують числовий еквівалент вимірюваної

безперервної величини - кута повороту - опитуванням фотоелект-

ричних приймачів і опрацюванням одержаних з них сигналів.

Опитування може бути як одночасним, так і почерговим.

Проте такі перетворювачі мають недолік, пов'язаний із

невизначеністю зчитування на межі прозорої та непрозорої

смужок. Це виникає внаслідок кінцевої ширини променя зчи-

тування. Під час проходження меж сегментів відбувається

поступова зміна енергії променевого потоку, що потрапляє на

поверхні чутливих елементів всіх розрядів, тобто з'являється

інтервал, у якому рівномірні значення одиниці й нуля. Цей

інтервал називають зоною невизначеності.

Щоб запобігти цьому, вдаються до "У'-подібного розта-

шування приймачів, як вказано на рис. 3.27, або застосовують

спеціальні шкали, як, наприклад, шкала Грея (рис. 3.29).

Коди ґрунтуються на тому, що крок шкали кодової доріжки

кожного старшого розряду вдвічі більший, порівняно з кроком кодо-

вої доріжки попереднього розряду. Непрозорі смужки сусіднього

старшого розряду розташовані посередині непрозорої і прозорої

смужок доріжки молодшого розряду. Невизначеність зчитування на

межі смужок не перевищує одиниці молодшого розряду.

111 Відлікові пристрої геодезичних приладів

зо

25,

241

23\

гг

гПГіГ*

Рис. 3.29. Колова шкала з кодами Гоея

Кругами з кодовою системою устатковані, наприклад,

тахеометри Кесоїа і Кеіа (обидва Сагі Хеікк Ієна). Середня

квадратична похибка вимірювання кута тахеометром Кесоїа

становить 1,6", а Кеіа - 3,2".

Роздільну здатність фотоелектричних перетворювачів

підвищують, застосовуючи замість кодових масок растри або

растрові спряження. Растр - це доріжка з прозорих та непрозорих

роздільно розташованих штрихів однакової ширини, яка нанесена

на край круга (на рис. 3.30 показано частину растра круга).

Прозорий і непрозорий сусідні штрихи є елементом квантування

крута, який у кутовій мірі є центральним кутом цих двох штрихів.

Власне зчитувач складається із світлодіода 1, маски 2 і фотодіода

3. На масці нанесено фрагмент растра круга 4, що має 100

елементів квантування. Маска встановлена так, що її растр

розташований точно над растром круга. Коли прозорі штрихи

маски та круга збігаються, на фотодіод потрапляє половина

випромінювання світлодіода. Якщо прозорі штрихи маски і круга

зміщені один відносно одного, на фотодіод потрапляє менша

частина випромінювання. Коли непрозорі штрихи круга

встановлюються навпроти прозорих штрихів маски, випромі-

нювання на фотодіод не потрапляє.

112

Відлікові пристрої геодезичних приладів

Вісь обертання

Рис. 3.30. Схема імпульсної системи відлічування круга:

1 - світлодіод; 2 - маска; 3 - фотодіод; 4 - круг із шкалою

у вигляді растра; 5 - підсилювачі; 6 - формувач імпульсів

Під час обертання круга на фотодіод потрапляє випро-

мінювання, що є модульованим практично за гармонійним зако-

ном. За тим самим законом змінюється сила струму на виході з

світлодіода. Період зміни сили струму відповідає повороту круга

на один елемент квантування. Струм з фотодіода підсилюється

підсилювачем 5 і подається на формувач імпульсів 6, в якому

формуються короткочасні імпульси кожного періоду коливань.

Кількість імпульсів, а, власне, на скільки елементів квантування

повернувся круг, фіксує лічильник. На табло висвітлюється

величина виміряного кута в кутових одиницях.

Щоб розрізнити напрямок обертання круга, на нього нано-

сять дві растрові доріжки, зміщені одна відносно одної на поло-

вину товщини штриха. Зчитувач має два фотодіоди відповідно. У

результаті одержують два імпульсні сигнали, зміщені один

відносно одного на чверть періоду. Знак зміщення визначає

напрямок повороту круга.

Щоб визначити дробову частку елемента квантування,

використовують електронні мікрометри різноманітної конст-

рукції. Наприклад, він може складатися із оптичного клина, на

якому нанесено відрізок кодових доріжок, який відповідає,

наприклад, I

(граду) і має 1000 поділок. Під час точного

113 Відлікові пристрої геодезичних приладів

наведення зорової труби навідним гвинтом клин також пере-

міщується на віддаль, пропорційну до дробової частки I

. Зобра-

ження доріжок, збільшене оптичною системою, проектується на

фотодіоди зчитувача. Дешифровані сигнали з фотодіода дають

можливість оцінювати дробові частки града.

Імпульсну систему відлічування використовують у сучас-

них електронних теодолітах, наприклад, ЕіЬЗ і ЕіЬ4 (Сагі 2еІ88),

ЕТІЛ (Торсоп, Японія).

напрямку напрямку

Рис. 3.31. Схема динамічної системи відлічування

та визначення напрямків

Крім імпульсної, сьогодні застосовують динамічну систему

відлічування та визначення кутових величин (рис. 3.31). Як і для

імпульсної, для динамічної системи застосовано поділ круга

растровою доріжкою з таким самим елементом квантування. Під

час вимірювань двигун рівномірно обертає круг, внаслідок чого

на фотодіод зчитувача потрапляє модульоване випромінювання

світлодіода. Період модуляції відповідає повороту круга на один

елемент квантування. Динамічна система має два зчитувачі:

початкового (77'—/7) і вимірювального (Н-Н) напрямку. Сила

струму на виході з кожного фотодіода змінюється з однаковою

частотою згідно із гармонійним законом. Струм з фотодіодів

114

Відлікові пристрої геодезичних приладів

потрапляє на цифровий фазометр, який дає можливість з великою

точністю визначити дробову частку квантування різниці

початкового і вимірюваного напрямків. Щоб визначити кількість

цілих елементів квантування різниці напрямків, на круг

додатково наносять мітки. Застосування інтегрувального цифро-

вого фазометра дає змогу у теодоліті, наприклад, Т2000 (Ьеіса,

Швейцарія), вимірювати кути з точністю не гірше ніж 1".

3.8. Відлікові пристрої нівелірів

На точності геометричного нівелювання істотно позна-

чаються похибки встановлення лінії візування горизонтально і

похибки відлічування рейок. Використання у конструкціях

нівелірів високоточних рівнів та компенсаторів (розділ 4) дає

змогу з високою точністю встановлювати лінію візування гори-

зонтально. Проте це практично не підвищить точність відлічу-

вання рейок оптичними нівелірами, якщо найменшу поділку

рейки поділяти на частки окомірно.

Точність відлічування можна підвищити, застосовуючи

зорові труби великого збільшення, обладнуючи їх оптичними

мікрометрами. Зазвичай один бік горизонтального штриха сітки

ниток у таких нівелірах виконують як два штрихи, що

клиноподібно розходяться (рис. 3.32).

Рис. 3.32. Сітка ниток

з клиноподібним бісектором

115 Відлікові пристрої геодезичних приладів

Основною деталлю оптичного мікрометра є плоскопара-

лельна платівка, що може повертатися довкола горизонтальної

осі, перпендикулярної до візирного променя. Плоскопаралельна

платівка 1 (рис. 3.33) здебільшого розміщена перед об'єктивом 2

зорової труби і може бути невід'ємною частиною нівеліра або

бути у складі насадки, яку одягають на оправу об'єктива. Коли

площина платівки перпендикулярна до візирного променя, він

проходить крізь неї, не змінюючи свого напрямку. Якщо платівку

повернути, тобто розташувати під кутом, наприклад, і до

візирного променя, промінь, пройшовши платівку, переміститься

паралельно до початкового напрямку на величину Н. Згідно із

п-1

залежністю (1.15) Н~сІ і. Змінюючи кут нахилу платівки,

можна сумістити середину зображення штриха шкали рейки з

горизонтальною ниткою сітки ниток, зазвичай треба ввести

штрих у клиноподібний бісектор. Зміщення променя можна від-

лічити шкалою, що нанесена на маховичку 3, яким приводиться у

рух плоскопаралельна платівка. Задля зручності відлічування

маховичок встановлено на корпусі зорової труби. Щоб приводити

у рух платівку важелем 6, він зв'язаний з нею, наприклад, через

зубчасту передачу, як показано на рис. 3.33. Паралельне

зміщення візирного променя приблизно пропорційне до тангенса

кута повороту платівки. Механічна передача від маховичка до

платівки працює за законом зміни тангенса, тому шкала махо-

вичка рівномірна. В оптичних мікрометрах нівелірів найбільше

паралельне зміщення візирного променя найчастіше становить

5 мм, деколи 10 мм, відповідно до ціни поділки рейки. Механізм

нахилу плоскопаралельної платівки регулюють так, що нульова і

найбільша поділки шкали мікрометра відповідають нахилу

платівки на однакові кути від її середнього, перпендикулярного

до візирного променя положення, коли він проходить крізь неї, не

змінюючи свого напрямку. Шкала маховичка має як звичайно 100

поділок, тому на рейці з п'ятиміліметровими поділками одній

поділці шкали оптичного мікрометра відповідає паралельне

шіщення візирного променя на 0,05 мм. Ціна поділки шкали

116

Відлікові пристрої геодезичних приладів

мікрометра 0,05 мм, власне з такою точністю можна відлічити

нівелірну рейку. Деякі сучасні нівеліри споряджені мікро-

метрами, які мають ціну поділки 0,1 мм, що дає змогу відлічувати

з точністю 0,01 мм, наприклад, нівелір В1С (8оккіа, Японія).

1 2

Рис. 3.33. Схема пристрою, що нахиляє плоскопаралельну платівку

залежно від кута повороту маховичка оптичного мікрометра

зі шкалою: 1 - плоскопаралельна платівка; 2 - об'єктив зорової труби;

З - маховичок оптичного мікрометра із шкалою; 4 - зубчасте

коліщатко; 5 - зубчаста рейка; 6 - важіль

Рис. 3.34. Поле зору труби нівеліра Н-05

117 Відлікові пристрої геодезичних приладів

Для зручності відлічування конструкція зорової труби може

бути такою, щоб зображення ділянки шкали оптичного

мікрометра, яку відлічують, було передано у поле зору труби. На

рис. 3.34 у полі зору труби нівеліра Н-05 (СРСР) ділянку шкали

оптичного мікрометра видно у нижньому віконечку.

Схема передавання зображення шкали оптичного

мікрометра у поле зору зорової труби подана на рис. 3.35.

Рис. 3.35. Схема передавання зображення шкали оптичного мікрометра

нівеліра у поле зору зорової труби: 1 - плоскопаралельна платівка;

2 - тяга; 3 - механізм нахилу платівки; 4, 7,9- призми; 5 - шкала

оптичного мікрометра; 6 - площина сітки ниток; 8 - мікрооб'єктив

Плоскопаралельну платівку 1 нахиляє механізм 3 через тягу

2. Разом із тягою переміщується шкала мікрометра 5. Зображення

шкали, передане призмами 4, 9, 7, будує в площині сітки ниток 6

мікрооб'єктив 8. Шкалу відлічують нерухомим індексом.

3.8.1. Відлічування в цифрових (електронних)

Нівелювання цифровими (електронними) нівелірами перед-

бачає застосування як штрих-кодових, так і звичайних шашкових

рейок. Цифрові нівеліри випускають відомі форми Ьеіса (Швей-

царія), Торсоп (Японія) та інші. Зокрема відомі нівеліри типів

нівелірах

118

Відлікові пристрої геодезичних приладів

Бі№ 10, Бі№ 12, Бі№ 22 фірми ТгітЬ1е-2еІ8$. Відлічування ко-

дових рейок цифровими нівелірами виконується в автоматичному

режимі. Для автоматичного відлічування кодової рейки достатньо

її відрізка у 30 см (по 15 см догори і донизу від лінії візування).

На рис. 4.18 наведено оптично-механічну схему нівеліра Оі№ 10.

Зображення кодової рейки будують об'єктивом 1 одночасно у

площині сітки ниток 7 і у площині сенсорного приймача 10 за

допомогою світлорозподільної куб-призми 6. Після введення

програмних даних (віддалі від нівеліра до рейки, висоти візир-

ного променя тощо) вибору режиму роботи, приведення приладу

у робоче положення, врешті, наводять нівелір на рейку і натис-

кають кнопку "МЕА8". За умов нормального освітлення час вимі-

рювання триває 2...4 с, а за умов поганого освітлення - до 7 с.

Сенсорний приймач випромінювання працює у інфрачер-

воному діапазоні, тому рейка має бути освітлена рівномірно. Відлік

рейки фіксується у момент збігання коду 30-сантиметрової ділянки

рейки з кодом-порівнювачем приймача. На дисплеї приладу

висвітлюються висоти точок нівелювання, а також перевищення.

3.9. Дослідження відлікових пристроїв

Геодезичні прилади перевіряють і досліджують згідно з

ДЕСТ і інструкціями. Дослідження містять звичайно випробу-

вання окремих вузлів приладу, щоб встановити вплив особли-

востей та експлуатаційних параметрів на точність вимірювань.

Загальні дослідження приладів описано у відповідних розділах.

Проте деякі з них є дослідженням безпосередньо відлікових

пристроїв приладів, тому їхнє описання подано у цьому розділі.

Це, зокрема, стосується оптичних мікрометрів та шкапових

мікроскопів теодолітів, а також оптичних мікрометрів нівелірів.

3.9.1. Визначення похибок суміщень та систематичних

похибок двосторонніх оптичних мікрометрів

Щоб відлічити у теодоліті із двостороннім оптичним мікро-

метром, під час фіксування кожного з відліків треба сумістити

119 Відлікові пристрої геодезичних приладів

кінці зображень штрихів круга (рис. 3.22, в; рис. 3.23...3.26). Від

точності суміщення штрихів залежить точність відлічування

шкали мікрометра. Похибки суміщення виникають внаслідок

того, що суміщати штрихи однаково і абсолютно точно об'єк-

тивно неможливо. Крім того, похибки суміщень залежать до пев-

ної міри від особистих помилок спостерігача, позаяк суміщення

штрихів фіксують окомірно.

Дослідження виконують способом подвійних вимірювань

на різних установленнях круга, зокрема для горизонтального

круга це 24 установлення.

Горизонтальний круг повертають рукояткою повертання

круга, встановлюючи відліки 0°, 15° і т.п., тобто через 15°, і

попередньо суміщають штрихи згаданою рукояткою. На кожному

установленні круга після попереднього суміщення штрихи двічі

одноманітно суміщають маховичком оптичного мікрометра (нап-

риклад, повертанням маховичка за напрямком руху стрілки го-

динника) і відлічують шкалу мікрометра (тільки значення секунд

у мінутному інтервалі; див. додаток, табл. Ід). Після визначення

різниць сі відліків двох суміщень обчислюють середню квад-

ратичну похибку одного суміщення згідно із залежністю

де п - кількість установлень круга.

Різниця сі може істотно залежати від систематичної складової

похибки. Якщо значення

п<Г~

< 0,3", т

сум

визначають згідно із

залежністю (3.26), а якщо пд

> 0,3" , застосовують залежність

Під час дослідження вертикального круга його переустанов-

люють через 1° в інтервалі 82°...97°. Середня квадратична похибка