Островський А.Л., Мороз О.І., Тарнавський В.Л. Геодезія, частина II

Подождите немного. Документ загружается.

^-4'==- + ---. (II.3.7)

ту т) т т т

Позначимо

—

ціна поділки шкали

за

задумом виробника.

Введемо

формулу (ІІ.З.7):

(И.3.8)

або

(ІІ.3.9)

де

Ар = р

—

поправка

за

рен ціни поділки шкали мікрометра. Якщо

деякий відлік шкали включає

поділок, то:

8 = кр

+ кАр.

(ІІ.З .10)

Перший член правої частини рівняння (ІІ.З. 10)

- є

наближеним

відліком, другий

поправкою

відлік шкали

за

рен. Якщо

т > т' -

рен

додатний,

іншому випадку він від'ємний. Такі самі знаки поправок за рен.

Односторонній оптичний мікрометр. В

оптичних мікрометрах

на

шляху променя, що йде від лімба

до

окуляра мікроскопа ставлять плоско-

паралельну пластинку.

Під час

повороту цієї пластинки спостерігачу

здається,

що

поділки лімба рухаються.

Із

плоско-паралельною пластинкою

пов'язана шкала мікрометра. Якщо "рухати" (поворотом пластинки) поділки

лімба

сумістити

відліковим штрихом (або бісектувати) найближчу

до

штриха (бісектора) молодшу поділку лімба, то

такому розташуванні відлік

мікрометра дає

кр + хр\

повний відлік (у відповідності

формулою (ІІ.З. 1):

5 = іїХ + кр + хр.

В окулярах мікрометрів зображення поділок горизонтального

та

вертикального кругів видно одночасно,

що

досить зручно

під час

відлічування.

На

рис. ІІ.З.З показано поле зору мікроскопа теодоліта

ТІ

фірми ШіШ.

На рис. ІІ.З.З бісектується штрих 327 горизонтального круга. Тому

розташуванні, показаному

на рис.

ІІ.З.З, можна відлічити тільки

горизонтальний круг. Щоб отримати відлік вертикального круга, потрібно

барабаном мікрометра повертати плоско-паралельну пластинку

бісектувати штрих 92°. На шкалі мікрометра з'являться кутові мінути та се-

кунди відліку.

Двосторонній оптичний мікрометр.

Такий мікрометр має дві плоско-

паралельні пластинки

й у

полі зору окуляра мікроскопа видно діаметрально

протилежні штрихи лімба: зверху пряме зображення, знизу

перевернуте.

Під час повороту барабана мікрометра плоско-паралельні пластинки

повертаються

протилежні сторони,

спостерігачу видно, що діаметрально

протилежні штрихи наближаються або віддаляються. Якщо штрихи руха-

142

ються назустріч, то достатньо верхньому й нижньому штрихам пройти шлях

Я/2, щоб штрихи сумістилися (стали один продовженням другого). Тому

під час відлічування вважають відрізки між суміжними штрихами (в

прямому та перевернутому зображенні) рівними не Я, а

Я /

Шкала

мікрометра

327

Рис. ІІ.З.З. Поле зору одностороннього оптичного мікрометра теодоліта ТІ

фірми Шд (327°59'36").

Якщо відомі значення Я/2 та ціна поділки шкали мікрометра

ц,

то

відлік береться так:

1. поворотом барабана мікрометра суміщають штрихи прямого

та

перевернутого зображення лімба,

що

видно

середині попя зору

окуляра мікроскопа;

2. рахують кількість проміжків між найближчою, зліва від нуль-пункту

(відлікового штриха), підписаною поділкою лімба

та

діаметрально

протилежною (перевернутою поділкою лімба):

на

рис. И.3.4,

це

поділка 177°

та

357° (перевернута). Проміжків

• 5.

Оскільки Я/2

10', то кількість кутових хвилин

50';

3. відлічують кількість одиниць кутових мінут та секунд шкали мікро-

метра

справа: 0'22";

4. знаходять повний відлік 177°50'22".

Штрихи лімбів часто роблять подвійними,

як це

показано

на

рис.

И.3.4.

Це зменшує похибки суміщення штрихів, тобто, підвищує точність

відліків. Детально про будову оптичних мікрометрів та методи

їх

відлічу-

вання описано

[17]. Оскільки під час відлічування двосторонніх оптичних

мікрометрів діаметрально протилежні штрихи, кожний пройшовши шлях

/ 2,

суміщаються, то

реном двостороннього оптичного мікрометра нази-

вають різницю між номінальною величиною найменшої півподілки круга та

його величиною, виміряною мікрометром.

Бісектори -.;;"

" 59 36

59 42

143

69Є 89Є /5£

о-=-з

Рис. II.3.4. Приклад відліку двостороннього оптичного мікрометра

теодоліта 2Т2: 177°50'22".

ІІ.З.З. Принцип роботи автоматичних систем відліків електронних

теодолітів та тахеометрів

Автоматизовані системи відліків кутомірних приладів (теодолітів

та

тахеометрів) виключили необхідність запису

польових журналах відліків

кругів, що до цього часу обов'язково виконувалось під час кутових вимірів,

а процес заповнення польового журналу

під час

таких робіт здавався

неминучим.

Як

вже

зазначалося,

це

стало можливим завдяки заміні горизон-

тальних

та

вертикальних кругів (лімбів)

скляних кругів

із

градусними

поділками,

на

такі

скляні круги (диски),

але з

нанесеними умовними

позначками, що створюють доріжки прозорих

непрозорих полів.

Такі диски

умовними позначками розташовуються між джерелом

світла та фотодетектором. Фотодетектор працює як ФЕП (фотоелектронний

помножувач

перетворює світловий сигнал

електричний струм). Диски

виконують роль модуляторів світла. Після проходження дисків

(із

прозо-

рими

та

непрозорими частинками) світло,

що

попадає

на

фотодетектори,

буде модульованим. Зняті

фотодетектора електричні імпульси, збуджені

модульованими світловими променями, дозволяють встановити значення

відліку, відобразити його на електронному дисплеї, автоматично зареєстру-

вати

цей

відлік

електронній пам'яті теодоліта,

або

переслати його

до

комп'ютера, що співпрацює

електронним теодолітом, для виконання по-

дальших обчислень. Такий прилад названо

електронним теодолітом.

Електронний теодоліт відрізняється

від

електронного тахеометра перш

за

все тим, що не має електро-оптичного віддалеміра [31].

За останні роки створено три системи автоматичних відліків елек-

тронних теодолітів:

кодові,

імпульсні

та

динамічні.

Всі ці

системи відліків

базуються на загальному принципі: автоматизованому підрахунку світлових

(електричних) імпульсів

за

допомогою мікропроцесорів

перетворенню

імпульсів

на

відлік

числовому вигляді. Далі розглянемо

ці

три системи

автоматичних відліків більш детально.

Проста ілюстрація кодової системи відліку показана

на

рис. ІІ.3.5.

Рисунок ІІ.3.5 зображує кодовий диск

концентрично нанесеними доріж

144

ками - коду двійкової системи відлічування. Теоретично можливо реалі-

зувати автоматичний читаючий пристрій також із десятковою системою

цифр, до якої ми звикли під час візуальних відлічувань. Однак, електронний

пристрій буде набагато простішим, якщо користуватися двійковою

системою. Це пояснюється тим, що двійкові цифри 0 і 1 можна дуже просто

реалізувати фізично: темно - ясно, напруга є - немає, реле ввімкнено -

вимкнено. На жаль, двійковий код вимагає від ЕОМ ємність у 3,3 рази

більшу, ніж десятковий код. Тому інколи застосовують двійково-десяткові

та інші коди. Доріжки відраховують від центра круга. Перша складається із

двох полів: затемненого й світлого півкола, а в кожній наступній - кількість

полів подвоюється, почергово наносяться прозорі й непрозорі поля.

Рис. 11.3.5. Вид диску зверху.

На рис. II.3.5 показано три доріжки. Остання має: 2

= 8 полів. У

практиці їх може бути, наприклад, дванадцять. Тоді остання доріжка буде

мати 2

= 4096 інтервалів.

Зауважимо, якщо необхідно визначити розташування алідади з точ-

ністю 1 сс (для градових поділок: круг поділено на 400 1 § = 100 с; 1с = 100

сс, тоді на крузі радіусом г = 60 мм потрібно було б мати дуги а, розміром

2 пґ 6,28-60 мм

а =

•

= 0,0000942 мм.,

(11.3.11)

400-100-100 400 100-100

Отже, закодувати повністю відлік неможливо. Найменшою величи-

ною, що ще кодується, буде 0,1 Тоді дуги а будуть 0,094 мм, приблизно

а « 0,1 мм. Для визначення частини поділки, меншої 0,1 необхідно якесь

інше рішення.

145

Не вдаючись

подробиці цього важливого питання, скажемо тільки,

що поки використовують аналогову (безперервну) систему, яка

першому

наближенні відповідає способу відлічування секунд

класичних теодолітах,

тобто, частини, менші одного інтервалу, оцінюють окремо.

саме, уточнен-

ня відліку (напрямку) виконують електронною інтерполяцією відрізку:

від

останньої дециградової поділки (0,1 §) до індексу. Точність інтерполяції має

бути 0,0001 тоді точність відліку буде 1 сс. Якщо виконавця задовольняє

відлік 10 сс, то достатня інтерполяція 0,001

Перейдемо

до

принципової суті

кодової

системи відліку, яка зобра-

жена

на рис.

11.3.6.

Над

скляним диском розташовано джерело світла.

Промені світла, пройшовши щілинну заслінку, перетворюються

"площину

світла", направлену паралельно осі обертання теодоліта. Промені "площини

світла", пройшовши кодовий диск, попадають на фотодетектор РБ. Промінь,

який пройшов через прозоре поле кодового диску, збуджує

діодах

фотодетектора сигнал,

що

відповідає двійковій цифрі

- 0, а

відсутність

такого сигналу дає цифру

Таким чином, відповідно

рис. II.3.5

(три

доріжки), фотодетектор подає відлік 101. Потім цифрові відліки поступають

на мікропроцесор МР, який відображає їх на дисплеї.

^ ^ ^ ^ ^ ^ ^

н/стр.

струм

н/стр.

Світлодетектор

Частина кодового диску

Фотодетектор РО

Мікропроцесор МР

Рис. II.3.6. Переріз диску за вибраним напрямком.

Далі розглянемо

імпульсний

принцип автоматизації відліку кодового

диску. Принцип зчитування (відліку)

за

допомогою імпульсних систем,

заснований на тому, що деякий постійний кут повороту алідади прирівню-

ють

до

одного імпульсу.

Це

означає,

що

будь-яка зміна

розташуванні

алідади може бути прирівняна

до

певної кількості імпульсів. Якщо

N -

кількість імпульсів,

що

подаються

за

одним повним обертом круга,

розділеного

на

400

то

одному імпульсу буде відповідати

кут С,

який

називається

квантом

визначається за формулою:

^ 400г

(ІІ.З.12)

Один прозорий

сусідній непрозорий штрих диску утворюють один

квант кута. Доріжку прозорих

та

непрозорих штрихів називають

растром.

146

Ціна елементу квантування

для

N =

4000 буде 0,1

(0,1 града), тобто,

0,1

у;.

Лічильник рахує кількість імпульсів

які

виникли

під час

обертання круга від одного напряму до другого. Тоді кут буде:

а = СІ. (И.3.13)

Знайдемо необхідну кількість імпульсів

за

бажанням отримати

відліки

точністю

Ісс

(однієї градової секунди). Розв'язуючи (11.3.12)

відносно

знайдемо:

^ 4003-100-100

1()6

Ісс

Як

ми

вже знаємо, таку кількість імпульсів отримати на крузі ра-

діусом

60 мм

або дещо більшому неможливо. Кількість імпульсів можна

зменшити певними конструктивними рішеннями. Таким чином, кількісне

значення кута буде визначено, якщо підрахувати кількість поданих імпул-

ьсів,

що

відповідають зміні розташування візирної осі труби, скріпленої

алідадою під час візування (наведення труби) за напрямками, що створюють

цей кут. Частота імпульсів (не кількість) буде змінною величиною, залеж-

ною від швидкості обертання алідади виконавцем.

Використовуються світлові імпульси, які перетворюються в електрич-

ні, або

імпульси, викликані електричною індукцією. Тому можна говорити

про

фотоелектричні

та

електроіндуктивні

(індуктивні) імпульсні методи.

Вісь

обертання

% И »І

імпульси

алідади

—'— — --

Маска

(конденсатор)

джерело світла

Рис. ІІ.3.7,а Принципова схема імпульсної системи автоматизації відліків.

Покажемо використання

фотоелектричних

імпульсів.

імпульсному

методі ядром приладу також

скляний круг (лімб), (рис. І1.3.7,а), що має

одну доріжку рисок. Ширина рисок така сама, як

проміжків, що їх розділя-

ють. Цей круг називають вимірювальним (вимірювальною сіткою). Напроти

147

цієї сітки (шкали),

на

можливо найкоротшій віддалі

від

неї, розташована

зчитувальна (відлікова) сітка

М,

яку називають маскою. Риски та проміжки

цієї сітки (маски) такі самі, як

і у

вимірювальної сітки. Риски

та

проміжки

маски створюють ряд прозорих та непрозорих полів.

Світло

від

джерела

(люмінесцентного діода) перетворюється

конденсатором А",

паралельний пучок, проходить вимірювальну,

потім

зчитувальну (відлікову) сітку. Скерований об'єктивом

Об,

він попадає

на

фотодіод /ТО. Якщо зчитувальна сітка

під час

вимірювання рухається

відносно вимірювальної, то світловий потік, який попадає на фотодіод, буде

коливатися

між

певними максимальною

та

мінімальною величинами.

Найбільший потік попадає на фотодіод тоді, коли риски обох сіток будуть

перекриватися,

найменший (теоретично

нульовий), коли проміжки

вимірювальної сітки будуть закриті рисками зчитувальної сітки. Під час

повороту візирної осі (алідади)

напрямку

на напрямок

Р,

певна кількість

імпульсів світла попаде

на

фотодіод. Електричний струм, збуджений

імпульсами світла

фотодіоді, буде мати майже синусний вигляд.

Синусоїдний струм,

за

допомогою тригерного

та

диференційного

електричних ланок

(на рис. не

показані), перетворюється спочатку

прямокутні сигнали, потім

імпульсні, які підраховуються лічильником,

мікропроцесором перетворюються

на

цифрові відліки. Така принципова

схема імпульсної системи відліків.

На жаль, така проста система не дозволяє розрізняти напрямки руху

алідади. Тому цю систему ускладнюють, використовуючи дві маски та два

діоди. Однак, цс не змінює суті методу.

Тепер зупинимося

на

динамічних

системах автоматизації відліків.

Мірою кутів може виступати час

і,

якщо сконструювати пристрій, який

буде обертатися строго рівномірно

будуть

високою точністю відомі

частота

чи період обертання

Т.

Тоді можна знайти цей кут, визначивши

проміжок часу

проходження деякою точкою або рискою на крузі дуги між

відповідними напрямками, що створюють цей кут

а,

на основі формули:

а = соІ,

(ІІ.З.14)

де о)

кутова швидкість обертання.

Оскільки кутова швидкість

дорівнює:

2 я

= —

, (ІІ.З. 15)

то

2 л

А = —Г. (ІІ.3.16)

Нехай відома кількість обертів круга за хвилину п. Тоді період обер-

тання Т в секундах, або частота знайдеться за формулою:

се(с

сек

_ 60 1

—а*.

-£=-;

Г = — =

-;. (ІІ.З. 17)

^ оберт * оберт Я ]

148

Підставивши значення

Т з

(11.3.17) у рівняння (11.3.16), отримаємо:

(ІІ.3.18)

-2л—і.

Оскільки

2п— =

соті

= с, то

сі.

(ІІ.3.19)

Як бачимо, дійсно, мірою кута може виступати час. Тому динамічний

метод може ще бути названий

часовим.

Вертикальна

Рис. II.3.7,б. Принципова схема динамічної системи автоматизації відліків.

Розглянутий вище імпульсний метод також

динамічним,

але в

імпульсному методі обертання круга

не

обов'язково повинні бути рівно-

мірними.

даному випадку динамічний метод вимагає строго рівномірних

обертань круга

постійною частотою. Такий метод базується на застосу-

ванні імпульсного диска (лімба), тобто, такого ж диска, як

для імпульсного

методу,

та

чотирьох зчитувальних фотоелектричних пристроїв, які під час

вимірювання розташовують

площинах

Рта

К^' (рис. Н.3.7,6). Два

них

- Р та К,

утворюють

кут а.

Перед вимірюваннями круг

(горизонтальний та вертикальний) приводять в обертовий рух навколо своєї

осі

зі

сталою частотою /, контрольованою мікропроцесором. Доріжка диску

/, пересуваючись під щілинами масок

і М

зчитувачів

Р і К,

виконує

функції модулятора світла

та

створює

дві

смужки світлових сигналів

інтервалах, що відповідають розташуванню зчитувачів над доріжкою диска.

Світлові сигнали над напрямками

Р і К

та збуджені ними електричні

імпульси приходять

мікропроцесор

МР

неодночасно. Ця неодночасність

трансформується лічильниками

та МР у

міру кута

та числове значення

149

кута

а. За

даними зчитувачів

Р та К

отримують наближене (грубе)

значення кута

(як

функцію часу

г).

Потім, використовуючи дані всіх

чотирьох зчитувачів

Р, К, Р', К',

отримують точне значення кута

. Весь

процес автоматизований.

Під

час

вимірювання кутів нульовий діаметр лімба,

над

яким

розташована одна пара фотодіодів, встановлюють

за

одним

напрямків

кута,

трубу направляють

за

другим напрямком цього кута.

З цим

напрямком співпадає розташування другої пари діодів.

Під час

зміни

напрямку обертання круга, навпаки, трубу направляють

на

перший,

нульовий діаметр

на другий напрямок кута.

Завдяки діаметральному розташуванню зчитувачів

Р і Р' та К і К'

та обертанням круга

під

час вимірювань

двох протилежних напрямках

виключаються ексцентричні похибки, викликані розташуванням кругів

та

зчитувачів. Значення горизонтального

(г) і

вертикального

(в)

кутів

та їх

похибок відображаються на центральному мікропроцесорі СМР. Прилад має

додаткові вмонтовані системи, що автоматично компенсують вплив нахилу

вертикальної осі теодоліта (неточного горизонтування приладу) на значення

горизонтальних

та

вертикальних кутів.

Ці

системи також електричні

базуються

на

компенсаторах. Зафіксовані фотодетектором зміни нахилу

приладу, перелічені на поправки, які вводяться

виміряні горизонтальні

та

вертикальні кути, автоматично.

Реалізовані

на

практиці динамічні системи

дозволили отримати високу точність кутових

вимірювань.

Для

теодоліта Т2000 (фірми \Уі1сі)

точність характеризується середньою похибкою 0,5

сс. Цей теодоліт, показаний

на

рис. ІІ.3.8, має дві

таблиці операційної клавіатури для введення даних,

виконання потрібних операцій

відображення

ре-

зультатів. Окреме гніздо дозволяє підключити реєс-

тратор інформації СКЕ (модуль пам'яті), який спів-

працює

теодолітом Т2000. Найновіші типи реєс-

траторів дозволяють вводити

виводити додаткові

дані, наприклад, про нумерацію пунктів, знайти

та

виправити записані дані

чи

закодувати

їх.

Використовуючи нескладну програму, можна

об-

числити координати пунктів,

що

спостерігаються,

або визначити рухи

цих

пунктів

тримірному

просторі.

11.3.4. Будова оптичних і електронних теодолітів та тахеометрів

Оптичні та електронні теодоліти, які по-суті

тахеометрами, оскільки

мають

не

тільки горизонтальні,

але й

вертикальні круги

та

оптичні

віддалеміри, складаються

більшості

тих самих вузлів

та

деталей,

що й

оптично-механічні теодоліти. Основна відмінність оптичних теодолітів,

як

Рис. 11.3.8. Теодоліт

Т2000 (фірми \¥іШ).

150

вже зазначалось, тільки в тому, що в них вмонтовані не металеві, а скляні

круги. Перехід до скляних кругів дав можливість створити нові відлікові

пристрої, а саме, розглянуті вище, штрихові та шкалові мікроскопи, оптичні

односторонні та двосторонні мікрометри. На рис 11.3.9 показаний оптичний

теодоліт серії ЗТ Уральського оптично-механічного заводу (Росія). У серію

входять ЗТ2КП (К - компенсатор, П - пряме зображеня труби), ЗТ2КА (з

автоколіматором), ЗТ5КП. Точність вимірювання горизонтальних кутів

одним прийомом - відповідно 2" та 5", ціна поділки шкали відлікового

пристрою 1", похибка відліку 0,1". Збільшення труби 30

Головними частинами оптичних

теодолітів є лімб та алідада, вертикальні

осі обертання лімба та алідади, під-

ставки труби (горизонтальна вісь обер-

тання труби, на яку встановлюють вер-

тикальний круг, зорова труба, рівні сфе-

ричні та циліндричні, компенсатор на-

хилу, закріпний гвинт лімба на під-

ставці.

Подальше вдосконалення відлі-

кових пристроїв, їх автоматизація зав-

дяки заміні градусних поділок кругів

на кодові позначки, перетворили оп-

тичні теодоліти в електронні (цифрові,

які відображають відліки на електрон-

ному дисплеї, Як вже відзначалося,

приймаючи термінологію запровад-

жену фірмами-лідерами виробництва

геодезичного обладнання, будемо та-

кож називати такі прилади електрон-

ними тахеометрами, а не теодолітами,

тільки тоді, коли у них вмонтовані

електронні світловіддалеміри.

Використовують два способи

поєднання електронних теодолітів з

електронними світловіддалемірами.

Перший з них полягає в поєднанні від-

далемірної і кутомірної частин в одну

систему вимірювань, що має спільну

будову і багато спільних елементів

(спільна зорова труба, мікропроцесор,

фазометр, клавіатура, реєстратор, у склад якого входить також зовнішній

комп'ютер. Такі системи називають

інтегрованими тахеометрами.

Другий спосіб полягає у сполученні окремо сконструйованих світло-

віддалеміра та теодоліта (оптичного або електронного). У такому поєднанні

Рис. 11.3.9. Теодоліт серії ЗТ.

Назва частин ЗТ

Ручка для перенесення.

Підставки труби.

Навідний гвинт труби.

Закріпний гвинт труби.

Навідний гвинт алідади.

Підставка теодоліта.

Гвинти горизонтування при-

ладу (підіймальні гвинти).

Трегер - носій приладу.

Закріпний гвинт лімба.

10. Циліндричний рівень.

11. Дзеркало підсвічування.

12. Лінза об'єктива труби.

151