Основные части геодезических приборов

Принцип измерения горизонтального и вертикального угла, классификация теодолитов

На топографических картах и планах углы изображаются без искажений проекциями на горизонтальную плоскость. Для измерения горизонтальной проекции угла (горизонтального угла) прибор должен иметь две плоскости: подвижную вертикальную проецирующую (коллимационную) и горизонтальную отсчетную. Вертикальную проецирующую плоскость в геодезических приборах задает зрительная труба при вращении вокруг своей оси, горизонтальная отсчетная плоскость выполняется в виде угломерного круга с кольцом делений – лимба.

Вертикальный угол (угол наклона) – это угол в вертикальной плоскости между направлением на наблюдаемую точку и горизонтальной линией. Вертикальная отсчетная плоскость выполняется в виде вертикального угломерного круга, наглухо соединенного с трубой и вращающегося с ней на одной оси. Горизонтальную линию (горизонтальный отсчетный индекс вертикального круга) задает уровень или автоматический компенсатор.

Геодезический прибор, предназначенный для измерения горизонтальных и вертикальных углов, называется теодолит. Кроме того, теодолит снабжается дополнительными устройствами, позволяющими измерять расстояния и магнитные азимуты.

ГОСТ 10529-96 классифицирует теодолиты по точности и конструктивному исполнению.

По точности выделяют теодолиты высокоточные (Т1), точные (Т2, Т5), технические (Т15, Т30, Т60). Цифры в шифре означают среднюю квадратическую погрешность измерения горизонтального угла одним приемом в секундах.

По конструктивным особенностям исполнения выделяют теодолиты традиционные, с компенсатором на вертикальном круге – К, автоколлимационные – А, с трубой прямого изображения – П, маркшейдерские – М, электронные – Э. Шифр 4Т30П означает четвертую модель тридцатисекундного теодолита с трубой прямого изображения. Шифр 3Т2КА означает третью модель двухсекундного теодолита с компенсатором на вертикальном круге и с автоколлимационным окуляром. Шифр Т10Э означает первую модель электронного теодолита с ценой деления дисплея 10 секунд. Теодолиты в старом, традиционном исполнении снабжались трубами обратного изображения и цилиндрическим уровнем на алидаде вертикального круга (Т2, 2Т2).

Теодолиты последних моделей всех типов имеют съемную подставку, позволяющую выполнять измерения по трехштативной методике, встроенный оптический центрир, трубу прямого изображения.

Основные части геодезических приборов

4.2.1. Лимбы и алидады

Лимб служит рабочим эталоном для измерения горизонтальных и вертикальных углов и представляет собой круговую шкалу с равными делениями, нанесенную на стеклянный круг специальной делительной машиной. Лимбы градуируются в градусной или градовой мере. Лимбы теодолита Т30 первой серии разделены через 10 минут, теодолитов 2Т30, 3Т30, 4Т30, теодолитов Т15 и Т5 всех серий – через 1 градус, теодолитов Т2 всех серий – через 20 минут. Все градусные деления подписываются. Угловая величина одного деления лимба называется его ценой деления.

Вертикальные и горизонтальные круги устроены одинаково. Обычно вертикальный круг имеет меньший диаметр, чем горизонтальный.

Центр кольца делений горизонтального круга должен быть точно совмещен с осью вращения прибора, а центр вертикального круга – с осью вращения трубы.

Лимбы электронных теодолитов содержат несколько тысяч кодовых штрихов, которые считываются специальными устройствами. Отсчет в цифровой форме выдается на табло и может быть автоматически записан в электронную память – накопитель информации.

Алидадой называют часть теодолита, соосную с лимбом и несущую элементы отсчетного устройства и трубу. Ось вращения алидады горизонтального круга называется осью вращения теодолита. Несовпадение оси вращения теодолита с центром называется эксцентриситетом алидады.

4.2.2. Отсчетные микроскопы

Отсчетные микроскопы – это оптические приспособления, позволяющие получать изображение отдельных участков лимба, различать малые интервалы шкал с высокой точностью. Отсчетные микроскопы состоят из двух собирательных оптических систем – объектива и окуляра. В плоскость, где с помощью объектива получается изображение штрихов лимба, помещают стеклянную пластинку-сетку. Сетку вместе с проецирующимися на нее штрихами лимба рассматривают с помощью окуляра. В целом микроскоп дает увеличенное мнимое обратное изображение на расстоянии наилучшего зрения (250 мм) от глаза.

В теодолитах отсчетные микроскопы помещают внутри полых осей и стоек (колонок), поддерживающих трубу.

Штриховой микроскоп– простейший отсчетный микроскоп с одним штрихом, нанесенным на сетку в качестве индекса, с помощью которого десятые доли интервалов лимба определяют оценкой на глаз. Штриховой микроскоп применялся в первой модели теодолита Т30 (рис. 4.1) и в некоторых нивелирах, снабженных стеклянным горизонтальным кругом.

Рис. 4.1 Рис. 4.2

Ушкалового микроскопана сетке наносят шкалу, видимая длина которойдолжна точно равнятьсярасстоянию между изображениями соседних штрихов лимба. Оцифровка шкалывсегда направлена навстречуоцифровке делений лимба (рис. 4.2). Индексом для отсчета по шкале служит проецирующийся на нее штрих лимба.

На шкале теодолитов моделей 2Т30, 3Т30, 4Т30 нанесено12 делений (рис. 4.2), цена деления 5¢, точность отсчета 0,5¢.

На шкале теодолитов моделей Т5К, 2Т5К, 3Т5К и Т15 60 делений, цена деления 1¢, точность отсчета 0,1¢.

Оптические микроскопы штриховые и шкаловые позволяют наблюдать лимб только с одной стороны. В отсчет, выполненный с помощью таких микроскопов, входит погрешность от эксцентриситета алидады. Однако в современных теодолитах эта погрешность во много раз меньше точности отсчета и ей всегда можно пренебречь. В поле зрения этих микроскопов передаются одновременно изображения и горизонтального, и вертикального кругов.

В теодолитах Т1, Т2 всех моделей используют отсчетные микроскопы с оптическими микрометрами. Оптическая система таких микроскопов содержит пары подвижных отклоняющих элементов и шкалу для определения их перемещения. Отклоняющими элементами могут служить плоскопараллельные пластинки, оптические клинья, длиннофокусные линзы.

Отличительной особенностью микроскопов-микрометров является возможность наблюдения сразу двух диаметрально противоположных частей лимба. При этом влияние на отсчет эксцентриситета устраняется полностью.

4.2.3. Зрительные трубы

Зрительные трубы геодезических приборов служат для рассматривания удаленных предметов, визирования на них и отсчитывания по шкалам реек.

Зрительные трубы (рис. 4.3) всех современных геодезических приборов снабжены устройством для внутренней фокусировки. Фокусировка трубы заключается в совмещении изображения наблюдаемого объекта, даваемого объективом, с плоскостью сетки нитей. Это достигается перемещением с помощью кремальеры 3 фокусирующей отрицательной линзы2, расположенной между объективом и сеткой нитей.

Сетка нитей5 – плоскопараллельная стеклянная пластинка с нанесенными на ней перекрестиями и другими штрихами. Сетка нитей закреплена на постоянном расстоянии от объектива в кольцевой оправе 4, играющей роль диафрагмы.

Объектив 1 дает действительное обратное уменьшенное изображение.

Окуляр6 выполняет роль лупы при рассматривании изображения, даваемого объективом. Перемещение окуляра, т.е. фокусировка трубы по глазу наблюдателя, достигается с помощью диоптрийного кольца 7.

Рис. 4.3

Линия VV, соединяющая оптический центр объектива с центром сетки нитей, называется визирной осью трубы.

Визирование состоит в совмещении визирной оси с наблюдаемой точкой. Точность наведения трубы характеризуется погрешностью визирования:

m_виз = 60²/Г^х ,

где Г^х– увеличение трубы, крат.

Увеличение трубы показывает, во сколько раз увеличиваются размеры предмета, рассматриваемого в трубу, по сравнению с размерами того же предмета, видимого невооруженным глазом. Увеличение труб теодолитов: Т30 – 20^х, Т15 – 25^х, Т5, Т2 – 30^х, Т1 – 40^х.

4.2.4. Уровни и компенсаторы

В геодезических приборах для установки осей в горизонтальное и вертикальное положение используются уровни (обыкновенные и электронные) и самоустанавливающиеся компенсаторы.

Обыкновенный уровень представляет собой стеклянную ампулу, заполненную эфиром. Свободная от эфира часть ампулы называется пузырьком. Различаютуровни круглые (установочные) и цилиндрические (точные).

Круглый уровень -это вертикально расположенная цилиндрическая трубка. Внутренняя часть верхней крышки уровня отшлифована по сферической поверхности (рис. 4.4). На внешнюю поверхность крышки наносят одну или две концентрические окружности с интервалом 2 мм. Центр окружностей называется нульпунктом уровня.Нормаль UU к внутренней поверхности крышки уровня в нульпункте называется осью круглого уровня. Использование круглого уровня основано на свойстве его оси занимать вертикальное (отвесное) положение, если пузырек уровня располагается симметрично относительно нульпункта (пузырек в нульпункте).

Юстировка круглого уровня выполняется с помощью специальных юстировочных (исправительных) винтов в его оправе и заключается в установлении оси уровня параллельно оси вращения прибора.

Ценой деления уровня называется центральный угол, на который отклоняется ось уровня при перемещении пузырька на одно деление (2 мм). В геодезических приборах используют круглые уровни с ценой деления 2...20’. С помощью круглого уровня выполняется предварительная, приближенная установка оси вращения прибора в отвесное положение – горизонтирование. Точное горизонтирование выполняется с помощью цилиндрических уровней и компенсаторов.

Рис. 4.4 Рис. 4.5

Цилиндрический уровень –это горизонтально расположенная цилиндрическая слегка изогнутая стеклянная трубка. Ее внутренняя поверхность имеет тороидальную форму и в вертикальном продольном сечении дает дугу окружности (рис. 4.5). На внешнюю поверхность рабочей части уровня наносят шкалу делений с интервалом 2 мм. Средняя точка шкалы – нульпункт. Касательная UU к внутренней поверхности продольного сечения ампулы уровня в нульпункте называется осью цилиндрического уровня.

Использование цилиндрического уровня основано на свойстве его оси занимать горизонтальное положение, если пузырек уровня располагается симметрично относительно нульпункта. В теодолитах используют цилиндрические уровни с ценой деления 10...60². Их устанавливают на приборах по-разному и используют для различных целей:

* уровень при алидаде горизонтального круга служит для точного горизонтирования прибора. Его закрепляют на корпусе прибора параллельно оси вращения трубы (Т5, Т2 всех моделей) или перпендикулярно к ней (Т30, Т15 всех моделей). Юстировка уровня выполняется с помощью специальных винтов в его оправе и состоит в установке оси уровня перпендикулярно оси вращения прибора;

* уровень при трубе (Т30, Т15 всех моделей) служит для приведения визирной оси трубы в горизонтальное положение и нивелирования с помощью теодолита. Его юстировка состоит в установке оси уровня параллельно визирной оси трубы;

* уровень при алидаде вертикального круга устанавливался в теодолитах старой конструкции (Т2, 2Т2) для контроля горизонтальности отсчетного индекса вертикального круга.

В современных приборах используют электронные уровни. Электронный уровень обычно представляет собой круглый уровень, снабженный датчиком для точного измерения отклонения оси уровня от вертикали.

В электронных тахеометрах, выпускаемых УОМЗ, используются электролитические (3Та5) и оптико-жидкостные (ТС600) электронные уровни.

В электролитическом уровне при изменении уровня электролита в ампуле изменяется сопротивление электрических цепей – плеч уровня.

В оптико-жидкостном уровне заполняющая ампулу жидкость играет роль линзы, отклоняющей луч. Под уровнем расположена цифровая фотоприемная матрица.

В электронных уровнях обоих типов при отклонении оси вращения от вертикали вырабатывается управляющий электрический сигнал. Микропроцессор вычисляет и автоматически вводит поправки в измеренные углы.

Самоустанавливающиеся компенсаторы – это оптико-механические маятники, заменяющие в теодолитах цилиндрические уровни при алидаде вертикального круга (Т5К всех моделей, 3Т2КП). Систематическая погрешность компенсации, т.е. установки в горизонтальное положение отсчетного индекса вертикального круга, составляет 0,5...2². Более подробно компенсаторы рассмотрены в главе 7.

4.2.5. Прочие части, приспособления, принадлежности

Важными частями всех геодезических приборов являются винты.

Становым винтом прибор закрепляется на штативе. Подъемныевинты служат для горизонтирования прибора. Закрепительные винты служат для закрепления подвижных частей прибора. Наводящиевинты служат для точной установки подвижных частей. Закрепительные и наводящие винты устраиваются соосно (Т5, Т2) или раздельно (Т30, Т15). Юстировочные(исправительные) винты служат для выверки и юстировки приборов. Эти винты вращают специальной иглой – шпилькой или отверткой. Юстировочные винты обычно устанавливаются парами. При юстировке сначала ослабляют один винт, а затем подтягивают другой.

Для центрирования теодолита над вершиной измеряемого угла используют шнуровые, оптические и лазерные центриры. Оптические центриры встроены в алидадную часть теодолитов Т5 и Т2 всех моделей, а в теодолитах 4Т30 и 4Т15 закрепляются на подставке. Точность центрирования шнуровым центриром - отвесом 3...10 мм, оптическим центриром 0,5...2 мм.

Для выполнения измерений геодезические приборы устанавливают на штативы, которые выпускаются деревянными и металлическими, с раздвижными или цельными ножками. Чем точнее измерения, тем тяжелее должен быть штатив.

При точных угловых измерениях на точках, угол между которыми нужно измерить, устанавливаются специальные визирные цели –визирные марки. Визирная марка – это металлическая пластинка с четким геометрически правильным рисунком черного цвета, расположенным на желтом или розовом фоне симметрично относительно вертикальной оси марки. Визирная марка имеет стандартную ось и устанавливается в съемную подставку теодолита, которая центрируется над точкой с помощью оптического центрира. Марки могут снабжаться призмой полного внутреннего отражения для измерения расстояний с помощью светодальномера, оптическим центриром, подсветкой для измерений в темное время суток.

Большинство теодолитов снабжаются буссолью для измерения магнитных азимутов, специальными окулярными насадками для работы при значительных углах наклона и другими приспособлениями.