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

Подождите немного. Документ загружается.

Оптичні системи геодезичних приладів 70

Якщо співвісність порушена, симетричність розташування

сіток також порушується (рис. 2.12, б). Коліматори і коліматорні

пари (коліматор та зорову трубу) застосовують для дослідження

оптичних характеристик зорових труб, юстування оптичних

приладів та їхніх деталей, в інженерній геодезії тощо.

Якості коліматора повністю притаманні автоколіматору,

який конструктивно поєднує одночасно коліматор і зорову трубу.

Оптичну схему зорової труби з автоколіматорним пристроєм

подано на рис. 2.13.

Окрім спільних з коліматором функціональних ознак, за

допомогою автоколіматора можна визначити малі кути повороту

об'єкта як відхилення його поверхонь від перпендикулярності

променям, що генерує автоколіматор. У складі конструкції авто-

коліматора є світлорозподільна куб-призма 2, сітка ниток 3 і

плоскопаралельна платівка із шкалою 6. Лампочка 5 через лінзу-

конденсор 4 підсвічує сітку ниток 3, зображення якої потрапляє

на напівпрозору відбивну грань куб-призми 2. Це зображення

об'єктивом 1 проектується на дзеркало 8. Зображення сітки

ниток, відбите дзеркалом, знову потрапляє на напівпрозору грань

світлорозподільної куб-призми. Коли поверхня, до якої прикріп-

лене дзеркало 8, перпендикулярна до візирної осі труби

автоколіматора, обидва зображення сітки ниток, які видно в

окуляр 7, збігаються. Коли перпендикулярність порушується,

зображення сітки ниток не збігаються, а відхилення від перпенди-

кулярності можна визначити за шкалою 6. Автоколіматори

застосовують під час лабораторних досліджень, наприклад, для

контролю кутів призм, клинів, паралельності площин плоскопа-

ралельних платівок, під час центрування лінз і визначення їхніх

фокусних віддалей, зміни положення ліній візування від

перефокусування зорових труб тощо. В інженерній геодезії

автоколіматори використовують для контролю прямолінійності, а

також паралельності ліній та площин.

Зоровими трубами з автоколімаційними пристроями упоря-

джені, наприклад, теодоліти 2Т2А, ЗТ2КА (СРСР, УОМЗ, РФ)

62 Оптичні системи геодезичних приладів

2.4.2. Прилади вертикального проектування

Найпростішим приладом вертикального проектування є оп-

тичний центрир. Його застосовують як окремий прилад і як при-

стрій, що слугує для центрування приладу над точкою,

наприклад, теодоліта (див. 6.2.2). Оптичний центрир - це неве-

лика ламана труба (рис. 2.14), що містить об'єктив 4, прямокутну

призму 3, сітку ниток 2 і окуляр 1.

Рис. 2.14. Найпростіший прилад вертикального проектування:

1 - окуляр; 2 - сітка ниток; З, 3'- прямокутна призма; 4, 4'- об'єктив

Коли такий пристрій використовують як прилад типу "лот -

зеніт" призму 3 роблять рухомою, такою, щоб у другому поло-

женні 3' вона спрямувала промінь догори до другого, верхнього

об'єктива 4'. Така принципова конструкція надає можливість

центрувати не тільки над точкою, а й під нею.

Загалом вертикальне проектування є складною проблемою

інженерної геодезії. Такі сучасні прилади вертикального проек-

тування, як Р2Ь (Сагі 2еіе§), забезпечують фіксацію прямовисної

лінії завдовжки 100 м з середньою квадратичною похибкою

! 0,5...

мм і мають різноманітну конструкцію.

Оптичні системи геодезичних приладів 72

У приладі (зеніт - надир) (Шіїсі, Швейцарія) для зміни

напрямку перемикають призму. Натомість прилад ОЬ (Кеш,

Швейцарія) (рис. 2.5) має фактично дві зорові труби окремо для

візування у надир і зеніт. Збільшення зорових труб 22,5

; світ-

ловий діаметр об'єктива ЗО мм; ціна поділки рівня 20". Прилад

забезпечує вертикальне проектування із відносною похибкою

1:50000.

[

Рис. 2.15. Оптична схема приладу

вертикального проектування Оі

Прилади вертикального проектування випускають відомі

фірми, такі, як 8оккіа (Японія), наприклад, ЬУ-300, а також Ьеіса

(Швейцарія), наприклад, 2Ь, ГМЦ 7Х/МЬ. Прилади ІЧ'Ц 2Ь/МЬ

забезпечують вертикальне проектування з середньою квадра-

тичною похибкою ±0,5 мм на віддалі 100 м.

3. ВІДЛІКОВІ ПРИСТРОЇ

ГЕОДЕЗИЧНИХ ПРИЛАДІВ

Геодезичні прилади призначені для порівняння вимірю-

ваних величин з робочими мірами приладів. У геодезичних при-

ладах робочі міри найчастіше відтворюють одиниці довжини,

кутові одиниці, одиниці частоти й часу.

3.1. Шкали геодезичних приладів

3.1.1. Призначення шкал. Вимоги до них

Шкали є невід'ємними частинами геодезичних приладів.

Вони слугують мірами, з якими порівнюють вимірювані

величини.

Шкала являє собою систему штрихів, що нанесені на будь-

якій поверхні і розташовані нормально до лінії, яку називають

осьовою. Залежно від форми та розташування осьової лінії шкали

поділяють на лінійні та криволінійні. У геодезичних приладах з

криволінійних шкал, зазвичай, використовують колові. Прикла-

дом лінійної шкали може бути рейка або рулетка, а колової -

шкала круга кутомірного приладу, наприклад, теодоліта. Розріз-

нюють рівномірні та нерівномірні шкали. Нерівномірні шкали

застосовують, зокрема, у вимірних електротехнічних приладах,

наприклад, у вольтметрах та амперметрах. У геодезичних

приладах використовують зазвичай рівномірні шкали. У таких

шкалах штрихи розташовані на однаковій віддалі один від

одного. Один штрих шкали вважають початковим. У лінійних

шкалах він розташований на початку (кінці) шкали, а у колових

безперервних ним може бути будь-який штрих шкали.

74 Відлікові пристрої геодезичних приладів

Інтервали між суміжними штрихами шкали називають

поділками, а різницю значень двох суміжних штрихів - ціною

поділки. Для зручності відрахування штрихи шкали підписують

через певні проміжки. Частіше підписують штрихи, які відпо-

відають цілій кількості значень, наприклад, сантиметрів, деци-

метрів, мінут, градусів тощо. Зазвичай підписують штрихи, що

кратні 5 або 10. Підписані штрихи виконують довшими за решту

штрихів. Для зручності коротшими від підписаних, але довшими

від рядових можуть бути й непідписані штрихи, наприклад,

півградусні. Якщо шкалу, яку відраховують, розглядають через

мікроскоп, штрихи підписують так, щоб у полі зору мікроскопа

було видно одночасно не менше від двох підписаних штрихів. У

виняткових випадках у полі зору мікроскопа видно лише один

штрих, хоча це може бути причиною помилки у відліку.

Зазвичай, на шкалах кругів, коли відліковим пристроєм слугує

мікроскоп, підписують кожний градус.

На кругах оптичних теодолітів шкали наносять у вигляді

однієї доріжки штрихів, рівновіддалених один від одного. На

кругах кодових (електронних) теодолітів наносять декілька, на-

приклад, концентричних доріжок. Інтервали між штрихами на

доріжках функціонально пов'язані. Кожна доріжка - це комбі-

нація із прозорих та непрозорих смужок. Звичайно кількість

смужок подвоюється на кожній наступній доріжці, якщо рахувати

від центра круга.

До шкал геодезичних приладів ставлять такі основні

вимоги:

1. Всі поділки основних вимірних шкал повинні бути рів-

ними. Нерівномірними можуть бути лише другорядні додаткові

шкали, наприклад, такі, що містять поправки до основних

вимірних шкал.

2. Загальна довжина шкали має дорівнювати номінальній

величині, а різниця між ними повинна бути настільки малою, щоб

нею можна було знехтувати. У протилежному випадку у відлік

шкали необхідно вводити поправки. (Очевидно, що для колових

шкал це не обов'язково).

75 Відлікові пристрої геодезичних приладів

3. Якість матеріалу шкал повинна забезпечити можливість

нанесення штрихів потрібної товщини.

4. Матеріал, на який нанесена шкала, повинен забезпечити

збереження всіх початкових параметрів шкали впродовж три-

валого часу.

5. Центр колової шкали, який розміщений у точці пере-

тину напрямків всіх штрихів, має збігатися з віссю обертання

шкали.

3.1.2. Способи нанесення шкал

Згідно із сформульованими вимогами матеріали, на які

наносять шкали геодезичних приладів, повинні якнайменше

залежати від впливу зовнішніх чинників, зокрема температури.

Крім того, розміри шкал мають бути незмінними впродовж

тривалого часу.

Матеріалами, на які наносять шкали геодезичних приладів,

найчастіше слугують особливі сплави металу, спеціальне оптичне

скло і дерево. З металевих сплавів звичайно застосовують

інварні сплави: інвар (63...65% Ре і 35...37% №) або стабіль-

інвар (42% Ре і 58%№) та інші. Коефіцієнт теплового розширення

інвару становить 2-Ю"

...7-Ю"

і майже у десять разів менший від

такого самого коефіцієнта для сталі. Крім інвару, викорис-

товують нейзильбер (Си - 65%, ІМі - 15%, 2п - 20%), латунь

тощо.

Оптичне скло марок БК10 (баритовий крон), Ф6 та деяких

інших використовують, зокрема, для кругів теодолітів, на які

наносять колові шкали. Властивості названих марок скла дають

можливість наносити на нього дуже тонкі штрихи. Заготовки

кругів попередньо піддають старінню, а пізніше відпалюють,

охолоджуючи разом з піччю. Ці заходи необхідні для зняття

внутрішніх напружень у склі, які виникають під час його

виготовлення та термічної обробки. Надточні шкали наносять на

кварцовому склі, що має невеликий коефіцієнт лінійного

розширення (близько 0,5 мкм/м-град), а залишкове відносне

76 Відлікові пристрої геодезичних приладів

лінійне розширення (відновлення після нагрівання та охоло-

дження) такого скла у сто разів менше від розширення інвару.

Дерево має порівняно невеликий коефіцієнт лінійного роз-

ширення і залишається поки що незамінним матеріалом для нане-

сення шкал деяких рейок. Технологія виготовлення заготовок для

рейок з дерева досить непроста. Вона передбачає спеціальне

висушування і багаторазове покриття олією та олійною фарбою.

Штрихи шкал наносять діленням або копіюванням. Ділення

шкал виконують спеціальними ручними, напівавтоматичними і

автоматичними машинами. Високоточні та точні ділильні маши-

ни зазвичай автоматичні. їх встановлюють на залізобетонній

основі, що закладена на 2...3 м нижче від рівня земної поверхні

та ізольована від верхніх шарів грунту, а також підлоги будови.

Технологія нанесення шкал залежить від вимог точності до

них, зокрема товщини штрихів. Якщо товщина штрихів не менша

від З...4мкм, перед нанесенням штрихів скляну заготовку,

наприклад, круга вкривають тонким шаром бджолиного воску,

який довго (до п'яти діб) виварюють за температури 200°.

Алмазний різець ділильної машини прорізає віск у місцях

майбутніх штрихів. Після цього заготовку піддають травленню у

парах плавикової кислоти (НРі), яка виїдає скло у тих місцях, де

знято віск. Після травлення заготовку промивають у проточній

воді, віск змивають бензином, а штрихи зачорнюють сумішшю

фарби з лаком. Додатково у штрихи затирають дрібний порошок

графіту. Після просушування та промивання зафарбованими

залишаються тільки штрихи і цифри.

Якщо товщина штрихів до 1 мкм, заготовку замість воску

вкривають спеціальним лаком. Після нарізання штрихів різцем по

шару лаку виконують напилення заготовки хромом у спеціальних

вакуумних камерах. Після змивання лаку на заготовці

залишається шкала, утворена хромовим покриттям. Похибка

нанесення таких шкал не перевищує, зазвичай, 1...2мкм. Щоб

досягти такої точності, у виробничих приміщеннях підтримують

сталу температуру. До того ж високоточні ділильні машини

обладнані спеціальними пристроями, які автоматично компен-

77 Відлікові пристрої геодезичних приладів

сують вплив відхилення температури, за якої працює машина, від

температури, за якої було виготовлено її найвідповідальніші

вузли, наприклад, ходовий гвинт.

Технології нанесення колових і лінійних шкал не відріз-

няються одна від одної, хоча перші наносять колові ділильні

машини, а другі - поздовжні. Деякі колові шкали, нанесені на

склі, мають подвійні штрихи, як, наприклад, в теодолітах типу

Т2. Це дає змогу підвищити точність відлічування.

Штрихи шкал металевих контрольних лінійок та інварних

дротів наносять різцем високоточними ділильними машинами.

Якщо штрихи розглядають у лупу, їхня товщина становить

0,05 мм, а якщо їх розглядають неозброєним оком - 0,1.. .0,15 мм.

Допустима похибка нанесення поділок 5... 10 мкм.

Копіювання шкал виконують механічними, фотомеханіч-

ними або фотографічними способами. Механічним способом

штрихи перекопійовують з трафарета (шаблона) на заготовку. На-

приклад, у такий спосіб наносять штрихи на заготовки нівелірних

рейок. Трафарет для цієї мети виготовляють з металевої стрічки

або з цупкого, хоча й тонкого паперу, просоченого вивареною

льняною олією. Щоправда, паперовий трафарет деколи нещільно

прилягає до поверхні заготовки і може деформуватися під впливом

вологи. Середня квадратична похибка нанесення поділок на

триметровій нівелірній рейці не перевищує 0,05 мм на

м.

На інварні смуги високоточних нівелірних рейок поділки

наносять за допомогою прорізного інварного трафарета

завдовжки 3 м. Під час нанесення штрихів застосовують

спеціальні пристрої, які забезпечують відповідний натяг робочої

інварної смуги рейки і трафарета. На вимірювальні металеві

стрічки і рулетки шкали наносять друком, а потім травлять.

У фотомеханічному способі замість різця, як під час поділу

шкал, на заготовку, вкриту світлочутливим шаром, проектують з

трафарета світлову щілину, що заміняє різець. Надалі заготовку

обробляють хімічними реактивами. У такий спосіб можна нано-

сити штрихи завтовшки 0,5 мкм. Більшої точності можна досягти,

використовуючи лазерні джерела світла. Похибка нанесення

штрихів лазером може бути 0,1 мкм.

Відлікові пристрої геодезичних приладів

Фотографічним способом наносять невеликі шкали, растри

тощо. Оригінал заготовки викреслюють у збільшеному великому

масштабі. З нього отримують негатив шкали дійсного розміру,

який фотографічним способом переносять на заготовку. Похибки

шкали, викресленої у збільшеному масштабі, зменшуються у

стільки разів, у скільки разів зменшили креслення до дійсної

величини шкали.

3.1.3. Призначення відлікових пристроїв

Щоб виміряти будь-яку величину, наприклад, довжину лінії

або кут, необхідно відлічити відповідну шкалу. Відліком нази-

вають величину лінійного відрізка або дуги від нульового штриха

до індексу, що дотикається до шкали, або спроектований на неї.

Штрихи шкали, між якими розміщений індекс або його проекція,

називають молодшим та старшим за мірою їхнього віддалення від

початкового (нульового) штриха шкали. На рис. 3.1 а-молод-

ший, в - старший штрих, відповідно. Відлік 8 рівномірної шкали,

наведеної на рис. 3.1, такий

5 = (М

х)-Л =

МЛ +

хЛ, (3.1)

де N - кількість цілих поділок шкали між початковим (нульовим)

штрихом шкали та індексом (фактично це номер молодшого

штриха а); х- дробова частка поділки між молодшим штрихом та

індексом І; Л- ціна поділки шкали. Як звичайно, під час

відлічування індекс найчастіше не збігається з будь-яким

штрихом. Для визначення А = хЛ власне, дробової частки шкали

призначені відлікові пристрої. Найчастіше відлікові пристрої

застосовують у кутомірних приладах, оскільки їхні колові шкали

кругів (лімби) мають невеликий діаметр. Точність відлічування, а

фактично й вимірювання, залежить від точності визначення

дробової частки поділки А. Чим точніше потрібно виміряти кут,

тим точніше необхідно виміряти або визначити дробову частку

поділки - А.

79 Відлікові пристрої геодезичних приладів

Д = хА,

в а

10 5

Рис. 3.1. Принцип відлічування шкали

За способом вимірювання кутової величини А відлікові

пристрої кутомірних приладів поділяють так.

1. Верньєри, в яких використовують здатність ока визна-

чати суміщення штрихів як продовження один одного.

2. Штрихові мікроскопи. Вони ґрунтуються на можливості

людського ока з великою точністю відлічувати десяті частки

поділки.

3. Шкалові мікроскопи, в яких для відлічування дробової

частки поділки застосовують спеціальні шкали.

4. Мікроскопи з гвинтовими мікрометрами.

5. Мікроскопи з оптичними мікрометрами, в яких вико-

ристовують як компенсатори оптичні деталі.

6. Відлікові пристрої електронних приладів.

3.2. Верньєр

Верньєр - це сектор колової шкали алідади, що дотикається

до шкали круга. На рис. 3.2 крайні поділки шкали верньєра

(алідади) збігаються з двома поділками шкали круга. Між край-

німи поділками верньєра міститься п поділок круга (три поділки)

і п+1 поділок верньєра (чотири поділки). На рис. 3.2

А.

- ціна по-

ділки круга; (і - ціна поділки верньєра; і - різниця між величи-

нами поділки круга і верньєра, яку називають точністю верньєра

і = А-// . (3.2)