Лекция Оптический дальномер с постоянным параллактическим углом и измеряемой базой

    Скачать с Depositfiles 

2.3 Краткая характеристика приборов для измерения длин линий

Как указывалось в первой лекции, по физической природе носителей информации, геодезические приборы для измерения длин (вариант 1) в соответствии с принципом, положенным в основу измерения, можно разделить на:

— механические,

— оптические,

— основанные на физических методах определения расстояний.

Дадим краткую характеристику механическим, оптическим и электронным приборам для измерения длин линий, а потом детально рассмотрим некоторые из них.

2.3.1 Механические мерные приборы

Механические мерные приборы представляют собой линейные меры различной длины, изготавливаемые чаще всего из металла (углеродистая сталь, нержавеющая сталь, инвар и другие сплавы) или из фибергласса (стеклопластика) с капроновым кордом в виде лентрулетокпроволок и т.п., служащие для непосредственного измерения длины линиипутем последовательного отложения длины мерного прибора в створе измеряемой линии. Результаты измерения получают суммированием количества отложений в принятых единицах измерений.

 

Для справки [4].

Инвар (лат. invariabilis — неизменный) — сплав, состоящий из никеля (Ni, 36 %) и железа (Fe, остальное). Именуется как FeNi36, 64FeNi в США, российские аналоги именуются по ГОСТ как 36Н.

«Invar» — зарегистрированная торговая марка компании ArcelorMittal, но сплавы с таким составом изготавливаются и другими компаниями.

Первый из открытых инварных сплавов, состав которого был найден швейцарским ученым Ш. Гийомом в 1899 году. В 1920 году он получил Нобелевскую премию по физике за открытие важного сплава для производства точных инструментов и приборов.

Инвар имеет однофазную внутреннюю структуру. Плотность 8130 кг/м³, температура плавления 1425°C. Сплав обладает малым температурным коэффициентом линейного расширения и практически не расширяется в интервале температур от −100 до +100 °C. Его коэффициент теплового расширения ~1,2·10−6/°C в интервале температур от −20 до 100 °C. Очень чистый сплав (с содержанием кобальта менее 0,1 %) имеет ещё меньший коэффициент линейного расширения 0,62—0,65·10−6/°C.

Используется в точном приборостроении для изготовления мерных проволок в геодезии, эталонов длины, деталей часовых механизмов (балансиров хронометров, пружин), деталей барографов и высотомеров, несущих конструкций лазеров и др. Применялся в трубе космического телескопа «Астрон». Стоек против коррозии, хорошо обрабатывается механически.

Например, инварная проволока стандартной длины 24 м при изменении температуры на 1°C изменит свою длину всего лишь на 0.0288 мм, а при изменении температуры на 20°C – на 0.576 мм.

Существует также целый ряд разных других прецизионных сплавов (иновко, ковар, дилвер, ловар, элинвар), имеющих различные характеристики.

Измерения производят либо по поверхности земли (рис. 2.2,а), либо подвешивая мерный прибор на небольшой высоте (1.0–1.5 м) на специальных штативах (рис. 2.2,б). В обоих случаях вместо прямой – кратчайшего расстояния между конечными точками – измеряют некоторую ломанную линию (рис. 2.2,в). Поэтому для получения горизонтального проложения измеряют углы наклона ν линии или отдельных ее частей.

 

а)

б)

в)

Рис. 2.2 – Вариант измерения длин линий металлическими рулетками, мерными лентами и мерными проволоками

Одним из наиболее простых по устройству мерных приборов является землемерная лента (рис. 2.3), предназначенная для измерения длин с невысокой точностью, характеризующейся относительной погрешностью порядка 1:1000 – 1:2000. В настоящее время землемерные ленты практически не используются, за исключением студентов первого курса геодезических специальностей. Стоит, однако, заметить, что почти во всем мире, в том числе и в США, Великобритании, Австралии, в университетских курсах металлические ленты и рулетки, а также методика измерения и обработка результатов измерения с их использованием, являются обязательным разделом рабочей программы курса.

Рис. 2.3 – Землемерная лента [5]:

а) лента; б) комплект шпилек; в) пластина с вырезом; г) лента в нерабочем состоянии (кольцо со скобами);

1 и 6 – ручки; 2 и 5 – прорези для вставки шпилек; 3 и 4 – концевые пластинки; 7 и 8 – штрихи, отмечающие концевые отметки ленты; 9 – кольцо для шпилек; 10 – шпильки; 11 – лента, смотанная в кольцо; 12 – фиксирующие скобы

Металлические рулетки (рис. 2.4) являются достаточно употребительным в геодезии мерным прибором. В Украине в основном используются рулетки российского и зарубежного производства.

Рис. 2.4 – Металлические рулетки [6]:

а) в закрытом корпусе типа РЗ; б) на крестовине типа РК; в) на вилке типа РВ

Рулетки предназначены для измерения коротких линий при маркшейдерских, топографо-геодезических и строительных работах. Рулетки бывают стальные длиной 10, 20, 30, 50 м и более и тесьмяные длиной 5, 10 и 20 м.

В инженерно-геодезических работах используются металлические рулетки:

— в закрытом корпусе типа РЗ (рис. 2.4, а),

— на крестовине типа РК (рис. 2,4 б),

— на вилке типа РВ (рис. 2.4, в) и др.

В маркшейдерской практике чаще применяются горные рулетки на вилке или крестовине типов РГ-20, РГ-30 и РГ-50, изготавливаемые из нержавеющей стали, обладающие высокими механическими свойствами и большой коррозионной стойкостью.

Металлические рулетки представляют собой полосу из стали (реже — инвара), на которой нанесены сантиметровые или миллиметровые деления. По точности нанесения шкал рулетки делятся на 1-й, 2-й и 3-й классы. Точность измерения длин линий стальной рулеткой достигает 1: 50 000 и выше.

Для грубых измерений, когда можно пренебрегать погрешностями в несколько сантиметров (например, при съемке ситуации), используются тесьмяные рулетки в пластмассовых или металлических футлярах. Тесьмяная рулетка выполнена в виде полотняной полосы с проволочной стабилизирующей основой, окрашенной масляной краской, на которой отпечатаны сантиметровые деления и подписи дециметров и метров. Точность ее невелика, так как тесьма со временем вытягивается; кроме того, прочность этих рулеток значительно меньше, чем стальных. В маркшейдерском деле тесьмяные рулетки применяются при замерах горных выработок.

Рулетки в зависимости от класса точности и материала изготовления обеспечивают производство линейных измерений с относительными погрешностями от 1:2000 до 1:20000.

Рулетки с учетом их технических характеристик, рекомендуется использовать для различных геодезических работ: измерение линий, разбивочные работы, поэтажное распространение отметок, исполнительные съемки, различные обмеры габаритов конструкций и др.

Достоинства рулеток: компактность, малый вес, простота устройства и эксплуатации при сравнительно высокой точности измерений, особенно коротких линий.

Недостатки – большая трудоемкость при измерении отдельных линий, необходимость расчистки трассы, вешения, измерения углов наклона отдельных участков линий и т.п.

Мерные проволоки (рис. 2.5) предназначены для точных и высокоточных линейных измерений.

При точных и высокоточных линейных измерениях применяют стальные и инварные проволоки длиной 24 и 48 м, диаметр проволоки— 1,65 мм. На обоих концах проволоки расположены шкалы длиной 8-10 см с миллиметровыми делениями (рис. 2.5, а).

Рис. 2.5 — Базисный прибор (инварная мерная проволока) [6]:

а) шкалы с миллиметровыми делениями; б) штатив с целиком и блочный станок

с 10 кг гирей, натягивающей проволоку

Измерение длин линий мерными проволоками производится по кольям или по целикам, устанавливаемым на штативах в створе линий. При измерениях проволока подвешивается на блочных станках под натяжением 10-килограммовых гирь (рис. 2.5, б). Пролеты между целиками или кольями измеряют несколько раз. Отсчеты по обеим шкалам проволоки производят одновременно с точностью до 0,1 мм.

Наиболее известными приборами этого типа являются базисные приборы БП-1, БП-2 и БП-3 с инварными проволоками, которые используются для измерения базисов в сетях триангуляции и длин сторон в полигонометрии, а также при точных инженерно-геодезических работах. В зависимости от числа проволок в комплекте, условий и методики измерений точность линейных измерений стальными проволоками колеблется от 1:10000 до 1:25000, а инварными проволоками— от 1:30000 до 1:1000000.

В настоящее время в связи с появлением электронных измерительных приборов, обеспечивающих практически такую же точность измерений, мерные проволоки в геодезии практически не используются.

2.3.2 Оптические дальномеры

При выполнении работ в труднодоступных районах – в таёжной заболоченной местности, в горах, в городских условиях – единственно возможным средством для измерения расстояний являются геодезические дальномеры, которые подразделяют на:

— геометрические или оптические,

— электронные или электромагнитные.

Оптический дальномер представляет собой оптико-механическое устройство, принцип действия которого основан на решении параллактического треугольника, образуемого базой  и параллактическим углом  (рис. 2.1)

Рис. 2.6 – Определение расстояния из параллактического треугольника

Из параллактического треугольника искомое расстояние  будет равно

                                                                               (2.3)

Одну из величин ( или ) принимают постоянной, другую измеряемой. В зависимости от того, что известно, различают следующие оптические дальномеры:

— с постоянным углом  и переменной (измеряемой) базой ;

— с постоянной базой  и переменным (измеряемым) углом .

Конструктивно оптические дальномеры могут быть выполнены в виде насадки на зрительную трубу, самостоятельного прибора, встроенного узла или в виде одного из элементов зрительной трубы. В настоящее время из оптических дальномеров в основном используется нитяный дальномер с постоянным углом . Однако в студенческой практике используются также приборы с постоянным базисом, такие, например, как рейка Балла.

 

2.3.2.1 Оптический дальномер с постоянным параллактическим углом и измеряемой базой

На рис. 2.7 показан принцип действия оптического дальномера с постоянным параллактическим углом.

Рис. 2.7 – Принцип действия оптического дальномера с постоянным параллактическим углом

Наиболее распространенным среди оптических дальномеров с постоянным параллактическим углом является нитяный дальномер, постоянный угол которого образуют лучи, проходящие через два дальномерных штриха сетки нитей и узловую точку объектива зрительной трубы геодезического прибора (рис. 2.8).

Рис. 2.8 – Принцип действия оптического дальномера с постоянным параллактическим углом

Сетка нитей представляет собой систему штрихов, расположенных в плоскости изображения, даваемого объективом зрительной трубы. Основные штрихи сетки нитей предназначены для наведения трубы на цель в горизонтальной и вертикальной плоскости. Через точку пересечения основных штрихов проходит визирная ось зрительной трубы. Дальномерные штрихи нанесены симметрично относительно перекрестия основных штрихов и служат для определения расстояния по рейке, являющейся линейной мерой. Дальномерная рейка – это деревянный брусок длиной 3-4 м, толщиной 2 см и шириной 8 см со шкалой сантиметровых или иных делений.

Если в точке  установить прибор, а в точке  – рейку с сантиметровыми делениями, то визирные лучи  и  от дальномерных штрихов, пройдя через объектив, пересекутся в переднем главном фокусе  объектива, образовав постоянный угол , и отметят на рейке отрезок , являющийся дальномерным отсчетом.

Рис. 2.9 – Оптический дальномер теодолита типа Т30

Если принять расстояние от оси вращения прибора до центра объектива равным , расстояние между дальномерными нитями – , фокусное расстояние объектива –  и расстояние от переднего главного фокуса до рейки – , то общее расстояние от дальномера до рейки  будет равно

 (2.6)

Из подобия треугольников  и  следует, что

(2.7)

Отношение

(2.8)

для данного прибора постоянно и называется коэффициентом дальномера.

Величину

 (2.9)

называют постоянным слагаемым дальномера, а определяемое расстояние вычисляют по формуле

(2.10)

В современных приборах постоянное слагаемое мало и его часто не учитывают при измерениях.

Формула (2.10) получена для случая, когда рейка расположена перпендикулярно к визирной оси трубы. При измерениях на местности это условие нарушается, так как рейку устанавливают вертикально и при наклонном положении визирной оси (рис. 2.10). Если рейка наклонена по отношению к визирной оси на угол , то вместо правильного отсчета  будет взят отсчет . Эти величины связаны соотношением . Подставив значение  в (2.10), после ряда преобразований получим выражение для горизонтального проложения 

(2.11)

При измерении берут отсчеты  и  по вертикальной рейке по крайним нитям сетки, а затем вычисляют расстояние:

(2.4)

где – коэффициент дальномера;

– разность отсчетов по рейке;

– постоянная дальномера.

Точность измерения расстояния нитяным дальномером характеризуется относительной погрешностью 1/300 – 1/400 и в основном зависит от ошибки отсчета по рейке. Измеряемые расстояния могут быть до 200–300 м.

 

    Скачать с Depositfiles