Плотников В.С. Геодезические приборы

Подождите немного. Документ загружается.

Горизонтальные лимбы имеют диаметр

100—180 мм,

вертикальные —

90-130 мм.

В приборах прежних выпусков

для

отсчетов

по

лимбам применя-

лись микроскопы

винтовым микрометром,

более современных

—

отсчетные микроскопы

оптическим микрометром

автоматическим

получением среднего

из

двух отсчетов

по

диаметрально противополож-

ным сторонам лимба. Диаметры лимбов теодолитов

винтовыми микро-

метрами больше

(до 220 мм).

Следует отметить,

что в

созданных новых высокоточных отечест-

венных теодолитах

Т05 и Т1

имеются окулярные микрометры зритель-

ных труб, накладные уровни, устанавливаемые

на

рабочие поверхности

цапф горизонтальной

оси, а

также соосно расположенные рукоятки

управления.

В зарубежных приборах также имеются

все эти

элементы, однако

одновременно

эти

элементы

не

присутствуют

ни в

одном

из

зарубежных

приборов, приведенных выше, которые изучались

анализировались

при разработке высокоточных теодолитов

Т05 и

Т1.

69.

Особо точные универсальные угломерные

приборы

теодолиты

Выделение этой группы

из

общей группы высокоточных приборов име-

ет

те

основания,

что для

достижения точности свыше

0,5"

традиционных

подходов

разработке

конструированию таких приборов оказыва-

ется недостаточно.

По

многим элементам

системам

эти

приборы прин-

ципиально отличаются

от

приборов высокоточных

и,

кроме того, вклю-

чают системы

решения, основанные

на

новых принципах, направленных

не только

на

повышение точности,

но и на

степень автоматизации, повы-

шение производительности измерений

и т.п.

Например, фоторегистра-

ция положения алидады, фото регистрация

фотоэлектрическая регист-

рация цели, стабилизация положения горизонтальной

оси и т.п.

Исполь-

зование

качестве объектов наблюдения подвижных воздушных целей

ИСЗ

привело

необходимости фотографической регистрации поло-

жения алидады,

тем

самым высокоточные теодолиты

фоторегистраци-

ей оказались связующим звеном между классическими теодолитами

оптической аппаратурой космической геодезии. Фоторегистрация поло-

жения цели отличается документальностью

исключает личные ошибки

наблюдателя. Особое место

особо точных приборах занимают устрой-

ства

для

уменьшения ошибок осевых систем.

К ним

можно отнести

лю-

бые устройства, предназначенные

для

этой цели,

устройства

для

ста-

билизации горизонтальной

оси;

высокоточные компенсаторы углов

наклона; фотоэлектрические устройства

для

регистрации положения

цели, например звездных прохождений

и т.п.

Выделение группы особо точных угломерных приборов целесооб-

разно

и с

точки зрения перспектив

их

развития

разработки, система-

тизации решений

подходов, выделения главных, определяющих направ-

лений

проблем.

Как известно, универсальные угломерные приборы применяют

для

астрономических измерений,

т.е. для

измерений

малыми зенитными

расстояниями (большими углами наклона) визирной оси,

а это

означает,

что

по

сравнению

теодолитами уменьшение влияния ошибок осевых

систем превращается

проблему

имеет решающее значение

для

дости-

жения точности менее

0,5",

необходимой

для

астрономических опреде-

лений.

То

же

самое относится

приборам

для

наблюдения

регистрации

искусственных небесных объектов.

В отличие

от

теодолитов, работающих

по

неподвижным объектам,

астрономические приборы

приборы, примыкающие

по

задачам

при-

борам космической геодезии, работают

по

подвижным объектам (звез-

ды

искусственные небесные объекты).

Это

отличие принципиальное,

оно требует принципиально новых решений

подходов,

не

свойственных

обычным, даже самым точным, теодолитам.

Все сказанное дополнительно убеждает

правомерности

целесо-

образности выделения

отдельную группу особо точных,

как

правило,

универсальных, угломерных приборов.

Сопоставление параметров точных

особо точных универсальных

приборов

(см.

табл.

10)

показывает,

что они

имеют существенное разли-

чие.

особо точных приборов,

как

признак

их

универсальности, зритель-

ные трубы "ломаные",

окулярным коленом, размещенным вдоль

оси

вращения трубы. Фокусное расстояние зрительных труб большое,

не ме-

нее

500 мм, а в

приборе

Theo-002 f =

938

мм.

Диаметр лимба

особо точных приборов больше

колеблется

от

200 до 250 мм,

причем

приборов этой группы лимб меньшего диамет-

ра

не

встречается

ни в

одном приборе.

Приняты меры

для

устранения влияния наклона горизонтальной

оси

или

введения поправок

за

этот наклон. В приборе Т-4 фирмы "Вильд"

используется подвесной уровень

ценой деления

1".

В приборе

Theo-002

применены принципиально новые решения

для

повышения точности измерений,

их

производительности

удобства —

точные уровни заменены компенсаторами. Если компенсаторы наклона

на вертикальном круге встречаются часто,

то

компенсатор

системе

горизонтальной

оси

трубы применен впервые

этом приборе.

Стабилизация положения горизонтальной

оси

трубы производится

системой, состоящей

из

объектива

уголкового отражателя

зеркала

на маятниковой подвеске

(рис. 129).

Зеркало

компенсатора располо-

жено

от

главной точки объектива

на

половине фокусного расстояния,

как

компенсаторах нивелиров. Вспомогательный объектив

4 и

вводи-

мое зеркало

служат

для

поиска цели.

При измерении вертикальных углов компенсатор закрывается сме-

щающимся сферическим зеркалом

Компонент

является компенса-

тором хроматических аберраций.

Компенсатор работает

диапазоне

± 3' и

имеет среднюю ошибку

установки

0,05 " при

времени затухания около

2 с.

Компенсатор углов наклона работает

в том же

диапазоне

ошиб-

кой 0,1".

21 - ВС

Плотников

Рис.

129.

Схема стабилизации положения горизонтальной оси теодолита

Приборы этой группы,

как

наиболее точные, имеют значительные

размеры

массу,

что

также является принципиальным

для

обеспечения

самой высокой точности, устойчивости

стабильности. Подъемные

винты прибора

Theo-002

расположены

по

окружности диаметром

350 мм.

Масса прибора

Theo-002 - 60 кг, Т-4 - 50 кг, Трг - 32 кг.

Цена деления оптических микрометров приборов этой группы

—

0,1-0,2".

В приборах

Трг и Theo-002

предусмотрена фоторегистрация отсче-

тов.

Фоторегистрация отсчетов может быть применена

двух случаях:

для ускорения

(без

записи) снятия отсчетов

при

ограниченном времени

наблюдений

за

неподвижными целями, например

при

работах

по

триан-

гуляции высших классов;

для

определения направлений

на

движу-

щийся объект

целью измерения параметров траектории.

В первом случае теодолит снабжается приспособлением

для

фотогра-

фической регистрации отсчетов, например, таким устройством

был

обо-

рудован теодолит

Т-3

фирмы "Вильд". Следящих устройств, дополни-

тельных трубоискателей

устройств, обеспечивающих синхронизацию

работы нескольких приборов, расположенных

на

значительном удалении,

в этом случае

не

требуется. Прибор может иметь прямую зрительную

трубу,

как Т-3

Вильда.

Во втором случае наблюдаются подвижные объекты, например ИСЗ,

и приборы снабжаются "поисковыми"

ломаными зрительными труба-

ми,

укрепленными

на

продолжении горизонтальной

оси, и

следящим

устройством.

В промежуточном варианте

без

трубоискателей основная труба

должна быть "ломаной".

Так

выполнен, например, один

из

вариантов

теодолита

Трг

фирмы "Аскания", снабженный устройством

для

фото-

регистрации отсчетов

по

обоим кругам, положения пузырька уровня

и времени (циферблата часов). Следящее устройство отсутствует.

Другой вариант прибора

Трг (рис. 130)

имеет следящее устройство

для наблюдения

ИСЗ. В

устройство входят регулируемый электропри-

вод (раздельно

по

азимуту

углу места), основная труба

2, две

"поис-

ковые" трубы

У, J и два

привода

регулированием

по

пути

и по

ско-

рости (скорость

до 100 угл.

мин/с).

некоторых приборах

Трг

скорость

доходит

до 5°/с [7].

Этот вариант прибора,

за

исключе-

нием систем синхронизации, управ-

ления съемкой, параметров

по

скорос-

ти

другим показателям, принци-

пиально вплотную подходит

кино-

теодолиту (см.

гл. 12).

В приборе

Theo-002

производится

фоторегистрация отсчетов

по

лимбам,

циферблату часов. Этот прибор имеет

ломаную зрительную трубу

горизон-

тальным окулярным коленом. Кроме

того,

имеется поисковая труба

меньшим увеличением

большим

Рис 130

Тео

долит

Трг

для

слеже-

полем, совмещенная

оптической

ния

за

ИСЗ

системой основной трубы. Основная

зрительная труба

не

фокусируется (установлена

на

бесконечность),

привод отсутствует.

Фоторегистрация отсчетов позволяет повысить эффективность

использования приборов

при

ограниченном времени наблюдений,

так

как отсчеты

по

фотографиям можно выполнить

камеральных услови-

ях

любое время. Фоторегистрация позволяет автоматизировать снятие

отсчетов

при

условии использования специальных кодовых знаков

на

лимбах, составляющих удобные

для

расшифровки сочетания. Такая

система позволяет

значительной степени автоматизировать процесс

от стадии полевых наблюдений

до

стадии выдачи окончательного резуль-

тата обработки материалов съемки. Развитие таких систем приводит

к кодовому теодолиту.

Таким образом, отмеченные особенности приборов этой группы

позволяют получить наивысшую точность.

теодолите

Theo-002, где

приняты особые меры

по

повышению точности, средняя квадратическая

ошибка направления, измеренного полным приемом, составляет поряд-

ка

0,3" [7].

Одним

из

первых приборов, приспособленных

для

фото регистрации,

был теодолит формы "Вильд", позволивший получить ошибку направ-

ления около

0,2" [7].

Фоторегистрация положения цели

при

измерениях, когда цель

не-

подвижна, принципиальной необходимости

не

вызывает

особого выиг-

рыша

не

дает, кроме документальности наблюдений

исключения лич-

ных ошибок визирования.

В [7]

указывается,

что при

фоторегистрации

визирных цилиндров геодезических знаков получено достаточное раз-

решение

при

применении пленки "Микрат

200" при

экспозиции

0,25

л к

и использовании оптической системы

диаметром входного зрачка

65 мм и

эквивалентным фокусным расстоянием около

2000 мм.

Ошиб-

ка определения направления

не

превосходила

0,5".

Очевидно,

что

вопро-

сы эффективности фоторегистрации цели

при

геодезических измерениях

требуют дальнейших исследований,

так как

уменьшение ошибки визи-

рования прямо

не

установлено,

ошибка направления зависит

от

многих

факторов, кроме ошибки визирования. Ошибка направления

в 0,5" и да-

же менее обеспечивается многими приборами,

не

имеющими фото

ре-

гистрации цели

снабженных зрительными трубами

фокусным рас-

стоянием порядка

1000 мм (у Theo-002 /' = 938 мм), т.е.

вдвое

меньшим.

Фотоэлектрическая регистрация положения цели находит

широкое применение

при

астрономических наблюдениях, особенно

для

регистрации звездных прохождений. Известны работы

Н.Н.

Павлова,

В.Э.

Брандта

других

по

созданию пассажных приборов

фотоэлектри-

ческой регистрацией звездных прохождений, которые позволяют полу-

чать направление

ошибкой менее 0,1"

[7].

На основе астрономического универсального прибора

Н.А.

Беляе-

вым разработана установка

для

полевых определений долготы, широты

и азимута. Приемник излучения

фотоэлектронный умножитель.

В СССР

и за

рубежом проведено

ряд

работ

построено несколько

образцов теодолитов

фотоэлектрическим наведением

на

цель.

§ 39

описана, например, фотоэлектрическая насадка ФЭНГИ,

разработанная

МИИГАиК

А.И.

Демушкиным. Известны работы проф.

СВ.

Елисеева

этой области. Однако,

как

отмечено

[7], ошибка

на-

ведения

на

цель

полевых условиях составляет

0,5

—

0,8", а в

лабора-

торных условиях

- 0,2".

Очевидно,

что

получаемая

для

полевых усло-

вий точность явно недостаточна. Очевидно также,

что

основной причи-

ной

НИЗКОЙ

точности являются атмосферные помехи.

Учитывая весьма большую перспективность фотоэлектрических

способов наведения

на

цель

и ее

регистрации, особенно необходимых

при регистрации подвижных объектов

учетом малой постоянной вре-

мени фотоэлектрических приемников излучения, следует развивать

ис-

следования

направлении повышения точности фотоэлектрической

регистрации положения цели. Современные условия

уровень развития

техники позволяют значительно расширить перечень приемников излу-

чения

систем, например, исследовать успешно применяющиеся

во

мно-

гих случаях телевизионные системы.

70.

Кодовые теодолиты

Теодолиты, содержащие носитель информации

значении угла

или

направления

или

преобразователь "угол-код", называют кодовыми.

Преобразователи "угол

- код"

подробно освещены

в § 53, где

рас-

смотрены различные системы кодов, кодовые отсчетные системы

уст-

ройства.

Результаты измерений

кодовых теодолитов регистрируют

соот-

ветствующем коде

на

фотопленку, перфоленту, перфокарту

или

магнит-

ную ленту. Эти носители информации можно использовать для ввода в

электронную вычислительную машину, а при необходимости ввести

в устройства для дистанционной передачи информации.

Кодовые теодолиты не позволяют полностью автоматизировать

весь процесс измерений. Операции, связанные с установкой теодолита

в рабочее положение, поиск цели и наведение на цель выполняются

наблюдателем. Вместе с тем даже частичная автоматизация, повышающая

производительность (на это указывалось в § 69) и позволяющая произ-

вести большое число измерений за короткий промежуток времени,

имеет большое значение. В кодовых теодолитах отпадает необходимость

в снятии отсчетов и ведении полевого журнала, что делает процесс поле-

вых измерений менее трудоемким и утомительным, повышает досто-

верность результатов за счет уменьшения влияния личных ошибок.

Использование кодового теодолита предусматривает его работу в авто-

матизированном углоизмерительном комплексе с преобразованием

информации к виду, удобному для машинной обработки, и самой вы-

числительной машиной. Без ЭВМ потребовалась бы расшифровка зако-

дированных результатов измерений, т.е. снятие отсчетов, как в случае

обычной фоторегистрации отсчетов, и составление того же полевого

журнала, только в камеральных условиях.

По степени автоматизации и принципиальной схеме кодовые теодо-

литы можно разделить на две группы:

1) теодолиты с фотографической регистрацией;

2) теодолиты с фотоэлектрической или другого вида регистраци-

ей,

позволяющей получать результаты измерений на цифровое табло

или в виде кода в реальном масштабе времени, т.е. во время на-

блюдений.

Теодолиты с фотографической регистрацией отличаются относитель-

ной простотой, но имеют существенные недостатки - отсутствие контро-

ля измерений непосредственно в поле, задержка в получении оконча-

тельного результата (необходимо проявление пленки), громоздкость

аппаратуры для камеральной обработки пленки.

Эти недостатки отсутствуют в кодовых теодолитах второй группы

с фотоэлектрической регистрацией, однако они содержат аналого-цифро-

вые преобразователи "угол - код", отличающиеся сложностью и трудо-

емкостью изготовления.

В кодовых теодолитах с фоторегистрацией, например

FLT3K

фирмы

"Феннель" (ФРГ) и фирмы "Керн" (Швейцария), имеются специально

разделенные лимбы и фоторегистрирующая камера. Отсчетные приспо-

собления входят в устройство для обработки фотографического изобра-

жения, что позволяет еще раз увеличить изображение оптической систе-

мой преобразователя. Это дает возможность иметь лимб или кодовый

диск относительно небольшого размера.

Так, общее увеличение v системы фотообъектив - преобразователь

будет v = j3j j3

, где 0, - увеличение фотографической системы в теодо-

лите; j3

- увеличение оптической системы преобразователя.

Учитывая, что

•

250

Да

•

250

где Да — ошибка, г — радиус лимба, величина г = ^ ^ . При

7* Р

= Ю

, Р

= 10", Да = 0,5" величина г ъ 70 мм.

В гл. 9 было указано, что высокую точность угловых измерений

можно получить без кодового диска, используя времяимпульсный пре-

образователь, в котором используется строгая зависимость между углом

поворота а и временем т при условии, что угловая скорость

(рад/с)

в пределах одного оборота постоянна:

= иг.

(11.1)

Для получения высокой точности необходимо измерять время с от-

носительной ошибкой не более 10~

Из формулы

(11.1)

Да =

аАт/т.

При а = 360° = 1 296 000" и

Дт/т = 10"

получим Да 1,3".

Для получения такой точности измерения времени временной интер-

вал преобразуют в код.

В таком преобразователе чем больше число оборотов вращающегося

индекса, тем выше частота квантующих импульсов

кв

= 2тгл/Д^,

где А\р

—

цена квантующего импульса (угол, соответствующий одному

квантующему импульсу).

При числе оборотов п = 50 с'

и А\р = l" частота /

кв

360-60*

х60"

-50/1" 65 МГц.

Стабильность угловой скорости в пределах одного оборота должна

быть с ошибкой не более 10"

Такой преобразователь может быть применен в кодовом теодолите

второй группы.

Приведем параметры некоторых кодовых теодолитов.

Теодолит ТК

—

кодовый с фотографической регистрацией, разрабо-

тан в СССР и отличается относительно низкой стоимостью [19]. Он пред-

назначен для измерения углов в теодолитных и тахеометрических ходах

при создании съемочных сетей. Основные технические характеристики

теодолита ТК:

Увеличение зрительной трубы, крат 25

Угловое поле 1°30

Коэффициент нитяного дальномера 100

Диаметры горизонтального и вертикального кругов, мм 90

Увеличение проекционной системы кругов, крат 17

В теодолите применены угломерные круги, на каждом из которых

нанесены две штриховые кодовые дорожки. На дорожке грубого отсчета

нанесены 399 штрихов с интервалами

а на дорожке точного

отсчета

—

400 штрихов с интервалом

Нулевые штрихи расположены

один над другим по радиусу делительной окружности. Диаметрально

противоположные участки круга при помощи оптического моста совме-

щаются, что позволяет исключить ошибку эксцентриситета. Совмещен-

ные изображения рабочих участков с кодовой маской проецируются

в фокальную плоскость фоторегистратора, в окне диафрагмы которого

расположен масштабный элемент (тактовая дорожка), состоящая из

400 чередующихся прозрачных и непрозрачных полос. Декодирование

фотопленки с результатами измерений производится при помощи считы-

вателя фильмов СФ-400 или вручную при наличии инструментального

микроскопа.

Сведения о кодовых теодолитах с фотографической регистрацией

фирм "Феннель" (ФРГ) и "Керн" (Швейцария) приведены в [7] и [19].

Теодолит КО-В1 — кодовый, с фотоэлектрической регистрацией

угла, разработан фирмой MOM (Венгрия). Отсчеты по кругам произво-

дятся автоматически, измеренные величины можно фиксировать на пер-

фоленту, цифропечать или передавать в телеграфную сеть. При наблюде-

нии неподвижных целей регистрируют одиночные отсчеты или серии,

состоящие из двух, трех или пяти отсчетов. На перфоленту вносятся так-

же данные о станции. Время одной регистрации - 0,2 с.

Величину измеряемого угла (направления) можно получить и визу-

ально с цифрового индикатора, который имеет семь ламп. Первые три

индикатора высвечивают градусы, четвертый - десятки минут, а три

последних — сотни, десятки и единицы секунд десятиминутного интер-

вала. Основные технические данные теодолита

КО-В1:

Увеличение зрительной трубы, крат 36

Наименьшее расстояние визирования, м 2,5

Средняя квадратическая ошибка однократно измеренного угла, с:

горизонтального 0,7

вертикального 1,0

Температурный диапазон работы прибора, °С -15- +50

Масса теодолита (полного комплекта в транспортном ящике), кг ... . 12,5

(21,5)

Масса блока питания нетто (брутто), кг 13,5 (21)

Потребляемая мощность, Вт 70

Напряжение питания, В 12

Представляет большой интерес соединение в одном приборе кодово-

го теодолита и автоматического светодальномера. Такие приборы назы-

ваются электронными тахеометрами. При их использовании дости-

гается наибольшая автоматизация процессов полевых измерений. Элект-

ронные тахеометры описаны в § 82.

§71.

Гиротеодолиты

Теория гироскопического эффекта, принцип действия и устройство гиро-

теодолитов рассматриваются в курсе "Гироскопические приборы".

Здесь коротко остановимся на принципиальном построении, возможнос-

тях и особенностях гиротеодолитов. Гиротеодолит - угломерный при-

бор,

позволяющий определять направление относительно меридиана.

Для этого чувствительный элемент (ЧЭ), представляющий собой гиро-

скоп, соединяется с деталью, позволяющей наблюдать колебания чувст-

вительного элемента, например, с зеркальной пластинкой. Как известно,

в гирокомпасе ось гироскопа совершает периодические колебания отно-

сительно положения равновесия, совпадающего с плоскостью меридиана.

Крайние положения оси гироскопа называются точками реверсии. Для

определения направления меридиана наблюдают с помощью автоколли-

матора крайние положения зеркальной пластинки, т.е. точки реверсии,

и определяют с учетом поправок ее среднее положение, являющееся

направлением меридиана.

Чувствительный элемент гиротеодолита может иметь две или три

степени свободы перемещения главной оси гироскопа.

В настоящее время наибольшее распространение получили трехсте-

пенные гиротеодолиты, гироблок которых представляет собой одногиро-

скогшый маятниковый гирокомпас с подвесом и центрированием ЧЭ

на торсионной ленте или с жидкостным подвесом ЧЭ с центрированием

его на шпиле.

'Угломерная часть гиротеодолита, необходимая для отсчетов по гори-

зонтальному кругу в моменты реверсии и визирования на земной пред-

мет для передачи азимута, принципиальных отличий не имеет.

При разработке гиротеодолитов возникают проблемы, связанные

с обеспечением необходимой точности и учета изменения положения час-

тей и деталей. Например, применяют фотоэлектрическое следящее уст-

ройство, ослабляющее действие момента кручения торсиона.

Для повышения быстродействия приборов гироскопического ориен-

тирования применяют ускоренные методы определения положения рав-

новесия колебаний ЧЭ, в том числе и методы, основанные на замерах

интервалов времени между моментами прохождения оси гироскопа

через определенные положения, зафиксированные на угломерном уст-

ройстве. При этих методах может быть использована ЭВМ.

Другой путь повышения быстродействия - применение гироскопов

иных типов, например двухстепенного (гирокомпас Фуко), вынужден-

ные азимутальные колебания главной оси которого имеют малый пери-

од.

Однако конструктивные сложности реализации этой схемы препят-

ствуют ее широкому применению.

Основные данные наиболее распространенных гиротеодолитов при-

ведены в

табл.11.

О)

О.

г»

—

чО

«о" «о"

О О

о.

г-

Г)

г»

-г

оо оо

ЧО

ГМ

чо чо

^ ^

£-

«о

с;

ё с

ев

>=:

—

S S