Лекция Конструкция и принцип отсчитывания цифровых нивелиров TRIMBLE. Принцип отсчитывания по рейке в нивелирах TOPCON. Рейки цифровых нивелиров

    Скачать с Depositfiles 

Конструкция и принцип отсчитывания цифровых нивелиров

фирмы TRIMBLE

На рис. 7 дана оптико-механическая схема нивелира Trimble (ранее Carl Zeiss) DiNi 10/20 (вид сбоку в разрезе и вид сверху). Отрезок рейки, на которую наводится зрительная труба, проецируется с помощью объектива и фокусирующей линзы через подвешенный на маятниковой подвеске подвижный и неподвижный элементы компенсатора, а также через светоделительную призму в плоскость нанесения перекрестия сетки нитей и на ПЗС-приемник.

Рисунок 7 – Оптикомеханическая схема нивелира Trimble DiNi 10/20

С помощью окуляра можно наблюдать изображение рейки в плоскости сетки нитей (позиция 1). Фокусируя зрительную трубу, добиваются резкого изображения кода рейки в плоскости сетки нитей, в тоже время и на чувствительной площадке ПЗС-приемника (позиция 2) формируется резкое изображение кода В нивелирах DiNi для формирования изображения на чувствительной площадке приемника используется видимое излучение.

Сигналы с ПЗС-приемника передаются на быстродействующий аналого-цифровой преобразователь. Полученные цифровые значения сохраняются в памяти прибора. Цифровое изображение кода нивелирной рейки обрабатывается с помощью программы обработки изображения.

Для обеспечения нормальной работы нивелира размер изображения штриха кода на чувствительной площадке ПЗС-приемника при максимальной длине плеча должен превышать размеры одного чувствительного элемента (пикселя) ПЗС. Только в этом случае с высокой точностью определяется положение штриха кода путем интерполирования сигналов с элементов изображения.

В нивелире должно выполняться условие (рис. 8)

(5)

где  — размер одного пикселя;  — расстояние от нивелира до рейки;  — фокусное расстояние объектива зрительной трубы;  — расстояние от оптической оси нивелира до штриха кода рейки;  — расстояние от оптической оси до изображения этого штриха;  — требуемое отношение

Рисунок 8 – Ход лучей через объектив нивелира

На рис. 9 представлен сигнал с выхода ПЗС-приемника для случая, когда расстояние между прибором и рейкой равно 100 м.

При минимальных длинах «плеч» на чувствительную площадку приемника нивелира должно быть спроецировано достаточное число штрихов кода для того, чтобы код полностью и с необходимой избыточностью информации можно было бы распознать. Для этого должно быть выполнено условие:

(6)

где  — число пикселей в ПЗС-приемнике;  — число штрихов в слове.

Рисунок 9 – Сигнал на выходе ПЗС-приемника при расстоянии до рейки 100 м

На рис. 10 представлен сигнал с выхода ПЗС-приемника для случая, когда расстояние между нивелиром и рейкой равно 3 м.

Рисунок 10 – Сигнал на выходе ПЗС-приемника при расстоянии до рейки 3 м

На рейках нивелиров фирмы Trimble нанесен двоичный код, цифры которого «» и «» реализуются как чередование черных и белых полос. Длина рейки связана с числом штрихов кода выражением

(7)

где  — число штрихов кода;  — ширина одного штриха.

В этом выражении  является основанием системы исчисления. Отсюда после логарифмирования можно определить количество необходимых разрядов в слове

(8)

Обычно длина нивелирной рейки  равна 3 м, ширина одного штриха кода рейки  равна 2 см, следовательно, расчет показывает, что  или длина слова.

В технических характеристиках нивелиров DiNi угловое поле оптической системы канала автоматизированного отсчитывания по рейке определяется соотношением 0,3 м на 100 м, следовательно, для обеспечения надежности при больших длинах плеч выполняется распознавание двух слов.

Время одного измерения нивелиром DiNi12 составляет 3 сек, нивелиром DiNi22 — около 2 сек. Сюда входит время, затрачиваемое на определение длительности освещения чувствительной площадки ПЗС, зависящее от освещенности рейки, а также время, затрачиваемое на осреднение многочисленных результатов измерений для минимизации влияния дрожания изображения из-за колебания подвижного элемента компенсатора и конвекции воздуха.

В цифровых нивелирах модификаций DiNi10T / DiNi12T для определения горизонтальных направлений используется абсолютная оптикоэлектронная система отсчитывания. Этот тип нивелира представляет собой нивелир-тахеометр. Абсолютная система отсчитывания позволяет производить измерения углов с погрешностью ±5 «

Цифровые нивелиры фирмы Trimble используют для отсчитывания высоты по рейке два различных, зависящих от расстояния, кода.

Стандартный код используется для отсчитывания по рейке, установленной от нивелира на расстояниях от 3 до 100 м, а код ближней области — при расстояниях от 1,2 до 4м. Речь в обоих случаях идет о коде, дающем возможность абсолютного и недвусмысленного отсчитывания высоты. Стандартный код является бинарным, «слово» кода имеет размер 8 бит или 1 байт. Каждый бит имеет ширину 2 см и состоит из двух частей одинаковой величины, каждая из которых соответственно имеет ширину 1 см. Благодаря этому образуются биты, которые состоят из идентичных полей — белое/белое или черное/черное, или биты, состоящие из различных полей — белое /черное или черное/белое (рис. 11,а). Единице соответствует бит одного цвета черного или белого, нулю — бит, состоящий из двух разных цветов черный/белый или белый/черный.

Рисунок 11 – Коды реек цифровых нивелиров фирмы Trimble

По всей длине рейки последовательно наносятся «слова», имеющие различные значения, которые, после проецирования на чувствительную площадку ПЗС-приемника нивелира, путем детектирования и последующего аналого-цифрового преобразования сигнала с выхода приемника могут быть недвусмысленно определены. Для того, чтобы всегда иметь возможность определить значение полного байта , область дешифрирования кода в предметной плоскости соответствует отрезку рейки в 30 см, т. е. в два раза превышает размер «слова». За каждым битом  3-х метровой рейки закрепляется порядковый номер, например, 0, 1, 2, 149.

Внутри участка, соответствующего байту, при грубом отсчитывании определяется положение середины каждого бита (рис. 11 б):

(9)

Следовательно, все грубые отсчеты соответствуют положению средних линий каждого из рассматриваемого бит.

Точный отсчет осуществляется при участии всех  бит. Прежде всего, рассчитывается масштаб изображения бита по формуле:

                                               (10)

где  и  — расстояния в плоскости изображения (на чувствительной площадке ПЗС-приемника) от оптической оси до внутреннего канта бит, ограничивающих участок рейки размером в 1 байт.

После нахождения всех расстояний , …  могут быть определены точные значения высот, соответствующие положениям каждого бита  (0, 1,2, …, ):

(12)

С использованием грубых и точных измерений до каждого бита за номером , вычисляются значения высот до оптической оси:

для всех (13)

Высота рассчитывается как среднее значение из полученных высот :

. (14)

«Слово» (7 байт) в коде для ближнего расстояния состоит из 9 бит, при этом ширина 1 бита — 1 см. Бит имеет значение «», если он белый или черный с одной на 1 см белой средней линией. Бит имеет значение «», если он белый или черный с одной на 1 см черной линией (рис. 11, с). Благодаря уменьшению байта до размера 9 см возможно определить значение слова кода при малых расстояниях до рейки, когда в поле зрения объектива попадает меньший участок рейки. Обработка изображения с целью определения высоты при малых расстояниях визирования происходит тем же способом, что и в первом случае. На рис. 11,с дано изображение кодовой нивелирной рейки фирмы Trimble с совмещением кодов для дальнего и ближнего отсчитывания.

Принцип отсчитывания по рейке, реализованной в нивелирах

фирмы TOPCON

Сигнал, формирующийся на выходе ПЗС-приемника, должен содержать информацию как о высоте горизонтального луча визирования, так и о расстоянии между нивелиром и рейкой. Для достижения этого код должен отвечать следующим критериям:

— однозначное определение независимо от расстояния до рейки грубого положения визирной оси;

— определение положения визирной оси как можно точнее (нивелир должен быть чувствителен к перемещению рейки в вертикальном направлении на 0,01 мм);

— измеряемый сигнал должен нести информацию о расстоянии.

На рис. 3.13 представлен участок кода, нанесенного на нивелирную рейку, на котором периодически повторяются участки R, А и В (RAB-код).

Рисунок 12 – Код, используемый для отсчитывания в нивелирах фирмы

Topcon DL-101/102

Эти участки чередуются вдоль рейки длиной 3 м с интервалом р = 10 мм в следующем порядке

Участок кода  состоит из трех одинаковых штрихов шириной  разделяемых белыми или желтыми полосами. Информация о высоте содержится в участках кода и . Ширина полос у каждого из штрихов участков кода  и  меняется от  до  по синусоиде с периодом  для участка  и с периодом  для участка кода . Минимальная ширина штрихов кода — . Для того, чтобы обеспечить однозначность фазового сдвига между сигналами  и  внутри четырехметровой области измерения, эти участки кода были сдвинуты у основания рейки друг относительно друга по фазе на , что обеспечивает недвусмысленное определение положения визирной оси.

При анализе сигнала выполняется Фурье-преобразование, в результате которого сигнал разлагается на три составляющих с различными частотами. Расстояние и высота определяются по разностям частот и фаз этих трех компонентов.

Чем больше расстояние до рейки, тем больший участок рейки попадает в поле зрения приемного канала прибора. Следовательно, увеличивается частота сигнала, формируемого периодически расположенными участками . Связывая эту информацию с характеристиками оптики зрительной трубы, рассчитывают расстояние от нивелира до рейки  по формуле:

(15)

где  — расстояние между участками кода на рейке;

 — расстояние между участками кода в изображении;

 — фокусное расстояние объектива.

Грубый отсчет высоты получается из разности фаз сигналов  и , которая определяется после Фурье-преобразования сигнала с ПЗС-приемника. Точный отсчет выполняется путем измерения фазы кода, соответствующей положению горизонтальной линии визирования. Окончательный отсчет по нивелирной рейке определяют путем совмещения грубого и точного отсчетов.

Длина «плеч» в режиме автоматических измерений нивелиром Topcon DL-101 должна находиться в интервале от  до .

Рейки цифровых нивелиров

Цифровые нивелиры различаются принципами отсчитывания по рейке, а рейки — штрих-кодами, используемыми для этой цели. Поэтому, работая с нивелиром фирмы Leica Geosystem AG, необходимо применять рейки, предназначенные для нивелиров только этой фирмы, работая с нивелиром фирмы Topcon – рейки фирмы Topcon и т.д. От качества материала реек, используемых при измерениях, зависит средняя квадратическая погрешность измерений превышений нивелиром на 1 км двойного хода. Фирмы-производители стремятся достичь не только высокой точности измерений, но также сделать рейки легкими и прочными. Сегодня появился новый материал — стекловолокно (фиберглас), имеющий превосходное соотношение прочности и веса и малый коэффициент линейного расширения — . В таблице 2 приведены основные технические характеристики цифровых нивелиров с учетом типа рейки.

Обычно на одной стороне рейки наносится бинарный код для автоматизированного отсчитывания, а на другой — обычная шкала для визуального отсчитывания. В таблице 3 приведены характеристики реек, используемых совместно с нивелирами Leica Geosystem AG NA2002/NA3003, в зависимости от их материала.

 
    Скачать с Depositfiles