Лекция Измерительные приборы и измерительные комплексы. Приборы для измерения длин линий

    Скачать с Depositfiles 

Лекция 3

В настоящее время для решения различных геодезических задач применяются следующие измерительные приборы и измерительные комплексы:

— рулетки тесьмяные;

— рулетки металлические;

— лента мерная;

— дальномеры оптические;

— базисные приборы;

— дальномеры лазерные;

— радиодальномеры;

— светодальномеры;

— высотомеры геодезические;

— нивелиры оптические;

— нивелиры лазерные;

— нивелиры цифровые;

— теодолиты оптические;

— теодолиты электронные;

— тахеометры номограмные (оптические);

— тахеометры электронные;

— буссоль;

— гирокомпасы;

— гиротеодолиты;

— GPS-приемники;

— total station или полноценная станция: электронный тахеометр + приемник GPS;

— трехмерные наземные лазерные сканеры;

— лазерные (активные) сканеры воздушного базирования;

— пассивные сканеры воздушного бизирования;

— цифровые камеры для аэрофотосъемки;

— трассоискатели;

— различные аксессуары к перечисленным вше приборам.

Все эти приборы можно разделить по различным группам.

1. По функциональному назначению:

— приборы для линейных измерений (длин линий) или дальномеры;

— приборы для угловых измерений (горизонтальных и вертикальных углов) или теодолиты;

— приборы для определения превышений или нивелиры;

— приборы для определения пространственного положения снимаемых точек или тахеометры;

— приборы для съемки поверхности снимаемого объекта или сканеры, лидары и фотокамеры;

— приборы для ориентирования (определения истинных азимутов и дирекционных углов линий) или буссоли и гирокомпасы.

2. По физическим принципам измерительного процесса, заложенного в основу приборов:

— механические;

— оптические;

— электронные.

3. По точности:

— высокоточные;

— точные;

— технические.

4. По физической природе носителей информации:

— механические;

— оптико-механические;

— электронные;

— оптико-электронные.

Самые массовые и самые древние их перечисленных приборов – это приборы для линейных измерений. Эти приборы прошли длительную эволюцию от простейших измерительных приспособлений типа веревок или цепей до современных лазерных дальномеров и светодальномеров.

Такими же массовыми и древними, хотя, наверно, все же моложе чем приборы для линейных измерений, являются приборы для угловых измерений. Эта группа приборов также эволюционировала от самых простейших приспособлений до современных электронных приборов.

2.1 Приборы для измерения длин линий

Все геодезические приборы для измерения длин (вариант 1) в соответствии с принципом, положенным в основу измерения, можно разделить на механические, оптические и приборы, основанные на физических методах определения расстояний.

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

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

Одним из наиболее простых по устройству мерных приборов является землемерная лента, предназначенная для измерения длин с невысокой точностью, характеризующейся относительной погрешностью порядка 1:1000 – 1:2000. В настоящее время землемерные ленты практически не используются.

Рулетки являются достаточно употребительным в геодезии мерным прибором. В Украине в основном используются рулетки российского и зарубежного производства.

Российские рулетки выпускают со шкалами номинальной длины: 1, 2, 3, 5, 10, 20, 30, 50 и 100 метров. Рабочая поверхность рулетки называется полотном или лентой. Российские рулетки изготавливают с лентами из нержавеющей стали (условное обозначение Н) и углеродистой стали (условное обозначение У) с защитным антикоррозионным покрытием: лаковым, эмалевым, полимерным.

В зависимости от положения начала шкалы на измерительной ленте рулетки выпускаются в двух исполнениях:

– начало шкалы сдвинуто от торца измерительной ленты не менее чем на 150 мм;

– начало шкалы совпадает с торцом измерительной ленты.

Шкалы рулеток наносят с миллиметровыми, сантиметровыми, дециметровыми и метровыми интервалами.

По точности нанесения шкал рулетки изготавливаются двух классов: 3-го и 2-го класса.

Полный средний ресурс для рулеток из нержавеющей стали составляет 2000 циклов измерений, для рулеток из углеродистой стали – 1500 циклов измерений. Под одним циклом понимается развертывание рулетки, вытягивание ее на полную длину, натяжение, отсчет, свертывание ленты.

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

При измерениях повышенной точности необходимы тщательное компарирование рулетки, измерение и учет температуры, а также постоянство натяжения ленты.

Зарубежные фирмы выпускают рулетки, в которых используются ленты следующих видов:

– стальная лента с делениями, нанесенными методом травления;

– стальная крашенная лента;

– стальная крашенная лента с полиамидным покрытием;

– лента из нержавеющей стали с делениями, нанесенными методом травления;

– фиберглассовая лента с капроновым кордом.

Наиболее долговечными являются ленты, изготовленные из нержавеющей стали, и ленты имеющие полиамидное покрытие. Полиамид – прозрачный пластик, который надежно защищает металлические ленты от воздействия влаги и трения. Рулетки с такими лентами не ржавеют, разметка на них не стирается.

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 предназначены для высокоточных линейных измерений. Наиболее известными приборами этого типа являются базисные приборы с инварными проволоками, которые обеспечивают точность линейных измерений с относительной погрешностью порядка 1:1000000. В настоящее время в связи с появлением электронных измерительных приборов, обеспечивающих практически такую же точность измерений, проволоки в геодезии практически не используются.

При выполнении работ в труднодоступных районах – в таёжной заболоченной местности, в горах, в городских условиях – единственно возможным средством для измерения расстояний являются дальномеры. Дальномеры подразделяют на оптические и электронные.

Оптический дальномер представляет собой оптико-механическое устройство, принцип действия которого основан на решении параллактического треугольника, образуемого базой  и параллактическим углом  (рис. 5.5)

Рис. 5.5. – Определение расстояния их параллактического треугольника

Из параллактического треугольника искомое расстояние :будет равно

(5.5)

Одну из величин ( или) принимают постоянной, другую измеряемой. В зависимости от того, что известно, различают оптические дальномеры с переменной (измеряемой) базой  и постоянным углом  или 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 нитяной дальномер с постоянным углом .

Это наиболее простой дальномер с постоянным параллактическим углом. Нитяной дальномер имеется в зрительных трубах большинства геодезических приборов, как теодолитов, так и нивелиров. Он содержит стеклянную пластинку с нанесенными на ней двумя горизонтальными нитями, расположенными на определенном расстоянии друг от друга. Пластинка помещается в окулярной части зрительной трубы геодезического инструмента.

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

(5.6)

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.

В основе электронных дальномеров лежит физический принцип измерения расстояний, основанный на том факте, что электромагнитные волны имеют постоянную скорость распространения, значение которой известно с достаточно большой степенью точности. Тогда, если каким-то образом измерить время  прохождения электромагнитного сигнала от начальной точки измеряемой линии к ее конечной точке и обратно (рис. 5.6), то

Рис. 5.6 – Электромагнитный принцип измерения расстояний

расстояние  между этими двумя точками, при известном значение скорости  распространения электромагнитных волн в измеряемой среде, может быть определено как

, (5.7)

где  – скорость распространения электромагнитных волн в измеряемой среде; эта скорость связана со скоростью распространения электромагнитных волн в вакууме соотношением

, (5.8)

где – скорость распространения электромагнитных волн в вакууме, равная 299792458 м/с;

 – показатель преломления среды, зависящий от длины волны излучения, температуры, давления и влажности окружающего воздуха.

В геодезии, как известно, длины линий требуется измерять с очень высокой точностью, вплоть до 1 мм или 0,001 м . Попробуем оценить с какой точностью должен быть тогда измерен промежуток времени, чтобы получить такую точность измерения длины линии. Эта оценка может быть получена из выражения (5.7), если его представить в дифференциальном виде, т.е.

                                                   , (5.9)

    Отсюда следует, что

                                                               . (5.10)

    Подставив в (5.10) вместо  значение скорости  равное 299792458 м/с, т.е. считая , и принимая , получим  или  (пикосекунд).

Это очень высокая точность определения промежутков времени. Для того, чтобы можно было определять промежутки времени с такой точностью, необходимо чтобы частота шины, на которой бы работала электронная аппаратура, была бы по крайней мере не менее  (один терагерц – 1012 герц), а то и на один–два порядка больше. Современная же электронная аппаратура, используемая в телекоммуникации и радиолокации, имеет дело с частотами максимум  (100 гигагерц или 1011 герц) [3]. Для сравнения в современных персональных компьютерах используются частоты порядка 1-5 ГГц (109 герц).

   Все сказанное означает, что непосредственно измерить столь малый промежуток времени не представляется возможным. Поэтому в электронных дальномерах, предназначенных для точных измерений, используются косвенные методы определения промежутков времени. В тех же случаях, когда высокая точность не требуется, могут использоваться прямые методы измерения промежутков времени.

    Скачать с Depositfiles