СПОСОБ ЦЕНТРИРОВАНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ПРИБОРА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
METHOD FOR ALIGNMENT OF METERING INSTRUMENT AND DEVICE FOR ITS REALISATION (VERSIONS)

Изобретение относится к области геодезического приборостроения и может быть использовано при установке геодезического прибора в рабочее положение, а именно при центрировании прибора с целью исключения погрешности центрирования в измеряемых прибором величинах. Преимущественное использование изобретения - в электронных геодезических приборах, например электронных тахеометрах, светодальномерах, в лазерных приборах, задающих горизонтальные направления и др., для центрирования отражателей, визирных марок и целей. Помимо этого изобретение может быть использовано и при центрировании оптических приборов, в основном теодолитов.
Известен способ измерения горизонтальных углов с автоматическим центрированием теодолита и сигналов, включающий центрирование теодолита и подставок в наблюдаемых точках, последовательную перестановку теодолита и сигналов в подставках (см. Борщ-Компониец В.И., Навитний A.M., Кныш Г.М. Маркшейдерское дело. Учебник для техникумов. - М.: Недра, 1985, с.119-120).
Недостатком известного способа является сравнительно высокая трудоемкость производства измерений, а также использование для измерений нескольких штативов с целью переустановки на них теодолита и сигналов.
Известен также способ центрирования геодезического прибора с помощью оптического центрира, взятый в качестве прототипа, при котором штатив устанавливают так, чтобы одна из его ножек оказалась на некотором удалении от точки, в которой производится центрирование, а за две другие ножки штатив перемещают, добиваясь расположения вертикальной оси оптического центрира вблизи точки центрирования и наблюдая за горизонтальностью положения головки штатива. После окончания предварительной установки штатива его ножки укрепляют, продолжая центрирование прибора при вдавливании их в землю. Затем, ослабив становой винт, измерительный прибор перемещают на головке штатива до совмещения центра сетки оптического центрира с точкой центрирования (см., например, Федоров В.И., Титов А.И., Холдобаев В.А. Практикум по инженерной геодезии и аэрогеодезии: Учебное пособие для вузов. - М.: Недра, 1987, с.56, §21).
Недостатками указанного способа являются следующие: сравнительно большие затраты времени при вынужденном центрировании методом последовательных приближений, поскольку при каждом приведении вертикальной оси вращения измерительного прибора в отвесное положение нарушается горизонтирование прибора. В свою очередь, горизонтирование прибора приводит к нарушению выполненного центрирования и т.д. Кроме этого, остается неизвестным влияние остаточной величины погрешности центрирования.
Известны устройства для центрирования геодезических приборов и оборудования, содержащие посадочные места для однозначной установки измерительных средств, чем обеспечивается центрирование с высокой точностью (см. Геодезические методы исследования деформаций сооружений / А.К.Зайцев, С.В.Марфенко, Д.Ш.Михелев и др. - М.: Недра, 1991, с.29-32).
Недостатком указанных устройств является необходимость их стационарного закрепления на специальных устойчивых основаниях, что исключает возможность их использования при производстве массовых измерений.
Известны устройства для автоматического центрирования теодолита и сигналов (визирных целей), состоящие из зрительной трубы, вращательно соединенной с баксой, которая вставляется во втулку подставки углоизмерительного прибора или сигнала, двух накрест расположенных цилиндрических уровней, прикрепленных к баксе. При использовании указанного устройства выполняют нивелирование и центрирование подставки, установленной на штатив, в которую устанавливают затем измерительный прибор или сигнал (см. Гусев Н.А. Маркшейдерско-геодезические инструменты и приборы. - М.: Недра, 1968, с.304-306).
Недостатком указанных устройств является длительный процесс центрирования, включающий переустановку оборудования, а также влияние на точность измерений остаточной неизвестной погрешности центрирования.
Известен оптический центрир (прототип), состоящий из зрительной трубы, ось которой совмещена с вертикальной осью вращения прибора, сетки, призмы, изменяющей направление оси зрительной трубы, при этом плоскость, образованная осью зрительной трубы, совпадает с коллимационной плоскостью прибора либо образует с ней известный угол (см., например, Захаров А.И. Геодезические приборы: Справочник. - М.: Недра, 1989, с.46, рис.26, рис.27).
Недостатком известного оптического центрира является то, что он не позволяет измерять и тем самым учитывать величины погрешностей центрирования, в результате чего требуется выполнять тщательную установку измерительного прибора над фиксированной точкой местности, что приводит к значительным затратам времени. Кроме того, даже после тщательного центрирования остаточная погрешность центрирования, особенно при точных и высокоточных измерениях на коротких расстояниях в стесненных условиях, сказывается на точности измерения направлений (отсчетов по горизонтальному кругу прибора), горизонтальных углов и расстояний и является для наблюдателя неизвестной.
Для устранения указанных недостатков предлагается способ центрирования измерительного прибора аналитическим методом редуцирования измеренных прибором величин с учетом линейного и углового элементов погрешности центрирования, определяемых соответственно величиной несовпадения проекции вертикальной оси вращения прибора с фиксированной точкой местности и углом между положением линейного элемента и коллимационной плоскостью прибора, совмещенной с одной из сторон измеряемого горизонтального угла, принятой за исходную.
Сущность способа, использование которого устраняет влияние погрешности центрирования прибора на точность измеряемых величин, а также конструкции устройств, предназначенных для осуществления способа, поясняются на схемах, приведенных на фиг.1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 и 10.
Обозначения, использованные на фиг.1:
B
B
C
C
- хАу и хАу - условные прямоугольные системы координат, ось х которых ориентирована по проекции стороны измеряемого угла на горизонтальную плоскость или направления, определяемого отсчетом по горизонтальному кругу измерительного прибора;
О
O
O
- А, В и С - точки, зафиксированные на местности, в которых производится центрирование геодезического прибора или визирной цели;
- А, В и С - точки, являющиеся фактическими проекциями вертикальной оси вращения прибора (точка А) и визирных целей (точки В и С);
О
O
O
- а, b и с - линейные элементы погрешности центрирования соответственно в точках А, В и С;
аB
b
O
O
B
B
O
O
OAB
- γ и γ - угловые элементы погрешности центрирования в точках А и В в системе координат xАу для определяемого направления АВ (N);
аC
с
O
O
C
C
O
O
OAC
- γ и γ - угловые элементы погрешности центрирования в точках А и С в системе координат xАу для определяемого направления АС (N);
O
- N и N с индексами стороны измеряемого горизонтального угла (направления) - соответственно измеренное и определяемое направления;
O
- β и β - соответственно измеренный и определяемый горизонтальные углы, вычисляемые как разности соответствующих направлений;
O
- L и L с индексами направлений - соответственно измеренное и определяемое расстояния;
AB
AC
AB
AC
- Δβ и Δβ - угловые поправки в измеренные направления, соответственно в N и N;
оАB
оАC
- α и α - условные дирекционные углы соответствующих сторон измеряемого горизонтального угла (направления) в принятых условных системах прямоугольных координат.
Обозначения на фиг.2:
1 - объектив зрительной трубы;
2 - окуляр зрительной трубы;
3 - сетка зрительной трубы;
4 - призма, изменяющая направление оси зрительной трубы;
5 - барабан микрометра линейных перемещений;
6 - блок ввода высоты измерительного прибора (визирной цели);
7 - кодовый датчик линейных перемещений;
8 - блок ввода направлений угловых элементов центрирования;
9 - блок вычисления расстояний от предмета до точки переднего фокуса объектива зрительной трубы;
10 - блок вычисления масштабного коэффициента изображения;
11 - блок коррекции линейного элемента погрешности центрирования;
12 - блок вычисления углового элемента погрешности центрирования;
13 - блок регистрации измеренных направлений углового элемента погрешности центрирования (система регистрации, относящаяся к измерительному прибору);
14 - аналоговый блок вычисления координат определяемых точек;
15 - блок регистрации измеренных расстояний (система регистрации, относящаяся к измерительному прибору);
16 - блок вычисления дирекционных углов определяемых направлений;
17 - блок вычисления поправок в измеренные направления;
18 - блок вычисления определяемых расстояний;
19 - блок вычисления горизонтальных углов;
20 - блок вычисления определяемых направлений;
21 - блок регистрации измеренных направлений (система регистрации, относящаяся к измерительному прибору, аналогичная блоку 13);
22 - запоминающее устройство (система регистрации, относящаяся к измерительному прибору);
А - проекция фактического положения вертикальной оси вращения
измерительного прибора;
O
A - точка местности, в которой производится центрирование прибора;
l - линейный элемент погрешности центрирования (общее обозначение).
На фиг.3 представлен вид поля зрения зрительной трубы оптического центрира:
O
А и А - соответственно проекция фактического положения вертикальной оси вращения измерительного прибора и точка местности, в которой производится центрирование;
- поз. а - после предварительного центрирования измерительного прибора;
- поз. б - после совмещения коллимационной плоскости зрительной трубы центрира с направлением линейного элемента погрешности центрирования;
O
- поз. в - после совмещения центра сетки с точкой А;
γ - угловой элемент погрешности центрирования;
l - линейный элемент погрешности центрирования.
На фиг.4 представлена оптическая схема зрительной трубы оптического центрира с ходом лучей (без призмы). На схеме не отражено правило знаков, принятое в геометрической оптике, поскольку задача решается только с учетом геометрии хода оптических лучей. Обозначения на фиг.4:
1 - объектив;
2 - окуляр;
А - проекция фактического положения вертикальной оси вращения измерительного прибора и оси зрительной трубы оптического центрира;
О
А - точка местности, в которой производится центрирование измерительного прибора или визирной цели;
O
АА = l - линейный элемент погрешности центрирования;
l' - линейный элемент погрешности центрирования прибора в пространстве изображения (в плоскости сетки);
F и F' - соответственно точки переднего и заднего фокусов объектива;
ƒ и ƒ' - соответственно переднее и заднее фокусные расстояния объектива;
z - расстояние от предмета до центра объектива;
s и s' - расстояния от точки местности и от изображения этой точки соответственно до переднего и заднего фокусов объектива;
t - изменение расстояния s в пространстве предметов;
- индексы 1 и 2 у параметров - соответственно начальное положение предмета и его положение после перемещения в сторону объектива.
На фиг.5 обозначения позиций соответствуют обозначениям, приведенным на фиг.2. Дополнительный элемент:
23 - оптический элемент микрометра.
На фиг.6 представлена сетка 3 и оптический элемент 23 микрометра (см. фиг.5). Вид поля зрения сетки показан на позициях а, б и в:
- поз. а - после предварительного центрирования измерительного прибора;
- поз. б - после совмещения коллимационной плоскости зрительной трубы центрира с направлением линейного элемента погрешности центрирования;
- поз. в - после совмещения индекса оптического элемента микрометра с точкой местности, в которой выполняется центрирование.
На фиг.7 обозначения соответствуют обозначениям, приведенным на фиг.2. Дополнительный элемент:
24 - блок коррекции расстояния от предмета до переднего фокуса объектива зрительной трубы.
На фиг.8 обозначения соответствуют обозначениям, приведенным на фиг.2.
На фиг.9 обозначения соответствуют обозначениям, приведенным на фиг.2. Дополнительный элемент:
25 - оптический элемент микрометра (плоскопараллельная пластина).
На фиг.10 представлен оптический центрир и вид поля зрения в плоскости сетки. Обозначения соответствуют обозначениям, приведенным на фиг.2. Дополнительный элемент:
26 - видоискатель (оптический элемент, например прямоугольная призма).
О
O
O
На фиг.1 представлен общий случай измерений, соответствующий одному из возможных алгоритмов вычисления поправок в измеряемые прибором величины, определяемые его назначением, когда в точке А местности установлен измерительный прибор, например электронный тахеометр, а в точках В и С - визирные цели, в частности отражатели. Из-за погрешности центрирования прибор и визирные цели имеют отклонения от истинного положения указанных точек и находятся соответственно в точках А, В и С.
О
O
O
В принятых условных системах координат хАу горизонтальные углы γ, соответствующие угловым элементам погрешности центрирования, являются условными дирекционными углами линейных элементов погрешности центрирования, исходящих из точек А, В и С на точки А, В и С.
Алгоритм вычисления определяемых направлений, горизонтальных углов и расстояний основан на решении прямой и обратной геодезических задач (см., например, Афанасьев В.Г., Егоров А.П. Геодезия и маркшейдерское дело в транспортном строительстве. М.: Недра, 1978, §14, с.21-23).
B
B
O
O
В условной системе прямоугольных координат xАу из решения прямой геодезической задачи находят координаты точек А и В'.
A
A
B
AB
B
В формулах (1)-(4) по условию выбора системы прямоугольных координат x=0, y=0, x=L, y=0.
oAB
O
O
Из решения обратной геодезической задачи находят условный дирекционный угол α определяемой стороны АВ измеряемого горизонтального угла (направления):
AB
B
B
B
oAB
Поправку Δβ вычисляют как разность условных дирекционных углов оси Ах системы координат xАу и полученного дирекционного угла α:
oAB
oAB
При этом если α больше 270°, но меньше 360°, то в формуле (6) из полученного дирекционного угла вычитают 360°. Если α больше 0°, но меньше 90°, то значение поправки равно полученному дирекционному углу.
OAB
AB
Определяемое направление N получают из измеренного направления N введением в него вычисленной по формуле (6) поправки:
ОAB
Определяемое расстояние L находят из решения обратной геодезической задачи по формуле
O
O
C
c
Аналогичные вычисления выполняют для определяемой стороны АС измеряемого горизонтального угла в условной системе прямоугольных координат хАу.
C
C
O
0
В условной системе прямоугольных координат xАу из решения прямой геодезической задачи находят координаты точек A и С:
A
A
C
AC
C
В формулах (9)-(12) по условию выбора системы прямоугольных координат х=0, у=0, х=L, y=0.
oAC
O
O
Из решения обратной геодезической задачи находят условный дирекционный угол α определяемой стороны АС измеряемого горизонтального угла (направления):
AC
C
C
C
oAC
Поправку Δβ вычисляют как разность условных дирекционных углов оси Ах системы координат xАу и полученного дирекционного угла α:
OAC
AC
Условия для вычисления поправки те же, что указаны для формулы (6). Определяемое направление N получают из измеренного направления N введением в него полученной поправки:
ОAC
Определяемое расстояние L находят из решения обратной геодезической задачи по формуле
OAB
OAC
По полученным значениям направлений N и N вычисляют значение определяемого горизонтального угла:
Bo
AB
Bo
Co
AC
Co
В случае когда наблюдаемые точки В и С на местности являются строго зафиксированными и в них не производят центрирование визирной цели (марки, отражателя и т.п.), то в формулах вычисления координат (1)-(4) и (9)-(12), а также в формулах вычисления расстояний (8) и (16) принимают b=0, с=0, т.е. х=L; y=0; x=L; y=0.
Использование способа центрирования с приведенным алгоритмом аналитического редуцирования измеряемых величин с учетом погрешностей центрирования позволит значительно уменьшить трудоемкость при установке измерительного прибора, поскольку величины линейных элементов центрирования не устраняют путем механических действий с прибором, а определяют их величины и соответствующее угловое положение непосредственно в процессе измерений относительно выбранной стороны измеряемого горизонтального угла, принимаемой за исходную, и исключают влияние погрешности центрирования введением соответствующих поправок во все измеренные величины, определяемые назначением прибора. Точность центрирования методом аналитического редуцирования определяется не величинами элементов погрешности центрирования, а только погрешностями определения этих элементов. Например, величина линейного элемента погрешности центрирования может быть равной 10-20 мм (и более) при требуемой точности механического центрирования, равной 0,2-0,5 мм.
Как показывает анализ формул (5), (8), (13) и (16), угловой элемент погрешности центрирования достаточно измерять с точностью до 0,5°-1°, что технически легко осуществить. Требования к необходимой точности измерения линейного элемента погрешности центрирования практически определяются требованиями к точности измеряемых величин и не зависят от величины самого линейного элемента. Поскольку величины Δβ малые, то влияние погрешности центрирования на одно направление (отсчет) можно оценить по формуле
где а - линейный элемент погрешности центрирования; γ - угловой элемент погрешности центрирования; L - длина направления (стороны измеряемого угла); ρ - число секунд в радиане, равное 206265".
С учетом малого влияния на величину Δβ погрешности измерения углового элемента центрирования, а также погрешности измерения расстояния можно записать для погрешности поправки в направление, что
а
где m - погрешность измерения линейного элемента погрешности центрирования.
Δβ
Поскольку измеряемый горизонтальный угол образован двумя сторонами, то в общем случае можно принять, что погрешность в измеренном угле из-за погрешности измерения линейного элемента удвоится и составит 2m.
Δβ
С другой стороны, следуя принципу «ничтожной погрешности», доля 2m в погрешности измерения горизонтального угла должна составить
β
где m - заданная точность измерения горизонтального угла; λ - коэффициент, характеризующий допустимую долю одной из погрешностей, составляющих общую погрешность измерений какой-либо величины. Чаще всего принимают λ=3.
a
С учетом (19) и (20) можно записать для m
а
Предположим, что измеряется горизонтальный угол, близкий к 180° (худшие условия), стороны угла равны 50 м каждая, λ=3, γ=90°, заданная точность измерения горизонтального угла - 5". Для указанных условий измерений m = 0,2 мм.
Обеспечение в данном случае центрирования с точностью 0,2 мм практически осуществить достаточно трудно, однако измерить линейный элемент с точностью 0,2 мм технически осуществимо, даже с большей, чем получено в примере, точностью.
Для реализации заявленного способа предлагается оптический центрир (фиг.2), снабженный микрометром для измерения линейных перемещений, оптический элемент которого установлен с возможностью поступательного перемещения в поперечном к оси зрительной трубы направлении, электронная система, образованная блоком ввода высоты измерительного прибора (визирной цели), кодовым датчиком линейных перемещений, блоками ввода направлений угловых элементов центрирования, вычисления расстояния от предмета до переднего фокуса объектива зрительной трубы, вычисления масштаба изображения, коррекции линейного элемента погрешности центрирования, вычисления углового элемента погрешности центрирования, аналоговым блоком вычисления координат определяемых точек, блоками вычисления дирекционных углов определяемых направлений, поправок в измеренные направления, определяемых расстояний, горизонтальных углов, определяемых направлений и запоминающим устройством, при этом барабан микрометра связан с кодовым датчиком перемещений, который установлен с возможностью передачи сигнала на блок коррекции величины линейного элемента погрешности центрирования, упомянутый блок коррекции установлен с возможностью приема сигнала с блока вычисления масштабного коэффициента изображения, который установлен с возможностью приема сигнала с блока вычисления расстояния от предмета до переднего фокуса объектива зрительной трубы, упомянутый блок установлен с возможностью приема сигнала с блока ввода высоты измерительного прибора, блоки коррекции и вычисления угловых элементов погрешности центрирования установлены с возможностью передачи информации в аналоговый блок, осуществляющий вычисление координат определяемых точек, упомянутый блок вычисления угловых элементов погрешности центрирования установлен с возможностью получения информации с блоков ввода направлений угловых элементов погрешности центрирования и направлений угловых элементов погрешности центрирования, а упомянутый аналоговый блок установлен с возможностью приема сигнала с блока регистрации измеренных расстояний и передачи информации на блоки вычисления дирекционных углов, определяемых направлений и определяемых расстояний, блок вычисления дирекционных углов установлен с возможностью взаимодействия с блоком вычисления поправок в измеренные направления, который установлен с возможностью передачи сигнала на блок вычисления определяемых направлений, упомянутый блок установлен с возможностью передачи сигнала на блок вычисления горизонтальных углов и приема сигнала с блока регистрации измеренных направлений, блок запоминающего устройства измерительного прибора установлен с возможностью приема сигналов с блоков вычисления определяемых направлений, горизонтальных углов и определяемых расстояний.
На фиг.2 изображен оптический центрир измерительного прибора, состоящий из зрительной трубы, включающей объектив 1, окуляр, 2, сетку 3, микрометр для измерения линейных перемещений с барабаном 5, механически связанным с сеткой, являющейся подвижным оптическим элементом микрометра, призмы 4, изменяющей направление оси зрительной трубы. Барабан 5 микрометра связан с кодовым датчиком 7, регистрирующим линейные перемещения сетки 3, сигнал с которого направляется в блок 11 коррекции величины линейного элемента погрешности центрирования. В блок 11 поступает также значение масштабного коэффициента изображения, определяемого вычислительным блоком 10 по значению высоты прибора, задаваемой блоком 6, и разностей высот прибора, задаваемых в блоке 9. В блоке 8 формируются измеренные направления линейных элементов погрешности центрирования (либо они выбираются из системы 13 измерительного прибора, регистрирующей отсчеты по горизонтальному кругу). В блоке 12, информация в который поступает из блоков 8 и 13, производится вычисление угловых элементов погрешности центрирования. Информация с боков 11 и 12, а также величины измеренных расстояний системы регистрации 15 измерительного прибора поступают в аналоговый блок 14 вычисления условных прямоугольных координат. Информация из блока 14 поступает в блоки 18 и 16. По значениям полученных координат в блоке 18 производится вычисление определяемых расстояний, а в блоке 16 производится вычисление условных дирекционных углов и их значение передается в блок 17. В блоке 17 вычисляются поправки в измеренные направления, величины которых поступают в блок 20. В этот же блок заносятся величины измеренных направлений из системы регистрации 21 измерительного прибора. В блоке 20 выполняются операции по вычислению определяемых направлений, определяемых горизонтальных углов как разностей определяемых направлений. Полученные в результате расчетов расстояния (блок 18), горизонтальные углы (блок 19) и направления (блок 20) поступают в блок 22 запоминающего устройства измерительного прибора.
Осуществление способа центрирования с использованием заявленного устройства выполняется следующим образом.
О
O
После предварительной установки измерительного прибора и визирных целей (предварительного центрирования) измеряют высоты z измерительного прибора и визирных целей, определяемых как расстояние от точки местности, в которой выполняется центрирование, до нижней механической части вертикальной оси вращения прибора со стороны объектива оптического центрира (фиг.2). Полученные величины вводят в блок 6. Затем коллимационную плоскость зрительной трубы измерительного прибора совмещают с измеряемым направлением (фиг.3, поз. а) и регистрируют отсчет по горизонтальному кругу прибора. Изображение проекции вертикальной оси центрира (вертикальной оси вращения измерительного прибора или визирной цели) находится в центре сетки (точка А), изображение фиксированной точки А местности из-за погрешности центрирования l не совпадает с точкой А и попадает в произвольное место сетки. Далее коллимационную плоскость зрительной трубы центрира совмещают с направлением линейного элемента погрешности центрирования и регистрируют отсчет по горизонтальному кругу прибора (фиг.3, поз. б). Вращением барабана 5 микрометра центр сетки 3 совмещают с точкой А (фиг.3, поз. в). Измеренная микрометром величина линейного элемента погрешности центрирования в пространстве изображений регистрируется в блоке 7. В этот же блок поступает соответствующая информация и от визирных целей. В блок 8 заносят величины угловых элементов погрешности центрирования как из системы регистрации измеренных направлений измерительного прибора (блок 13), так и аналогичную информацию от визирных целей. Дальнейшая обработка полученных данных производится электронной системой, представленной на фиг.2, назначение элементов которой указано выше, в соответствии с установленным алгоритмом решения задачи, определяемым последовательностью решения по формулам (1)-(17).
Рассмотрим принцип определения масштабного коэффициента изображения К (поправочного коэффициента) линейного элемента погрешности центрирования, поясняемый на фиг.4.
Оптическая схема зрительной трубы оптического центрира представлена на фиг.4 без призмы.
Одна и та же величина линейной погрешности центрирования изобразится в плоскости сетки разными величинами, если в пространстве предмета изменится высота прибора z на величину t, например, при установке измерительного прибора в других точках при переходах со станции на станцию.
О
O
В соответствии со схемой после предварительного центрирования в точке А объективом 1 строится изображение области в точке А (на фиг.4 изображение построено по правилам геометрической оптики). Указанное соотношение параметров построения изображения определяется на схеме с индексом 1 у соответствующих значений. При изменении высоты z измерительного прибора изображение линейного элемента сместится вдоль оси зрительной трубы на величину  и, кроме того, изменится линейный размер изображения линейного элемента на величину , т.е. изменится масштаб изображения. Элементы построения изображения после изменения высоты прибора показаны на схеме с индексом 2.
Исходя из геометрического хода лучей, можно записать, что
Знак «минус» у значения t соответствует приведенной на фиг.4 схеме. В общем случае следует записать в соответствующих формулах знак «плюс», а вычисления производить с учетом фактического знака t.
Общее продольное перемещение S изображения в плоскости сетки 2 определится как перемещение на величину :
Изменение поперечной величины изображения линейного элемента (изменение масштаба изображения) можно представить в относительной форме в виде коэффициента К:
Увеличение изображения предмета в плоскости сетки нитей определяется отношением
х
х
Общее увеличение зрительной трубы оптического центрира подбирают так, чтобы оно было равно 2-3. Это регулируется подбором фокусного расстояния окуляра 2, а также с учетом некоторой средней для условий измерений высотой z прибора. Таким образом, для оптического центрира можно установить некоторое постоянное значение увеличения зрительной трубы для заданной высоты прибора
При этом масштабный коэффициент изображения в плоскости сетки зрительной трубы будет постоянным и равным
При изменении высоты прибора на величину
изменится масштабный коэффициент. С учетом формулы (30)
O
Шкала микрометра оптического центрира конструируется с учетом значения К, а также с учетом общего увеличения зрительной трубы центрира.
изм
о
Если в данном случае измерить в плоскости сетки величину l какого-либо отрезка, то его действительная величина l определится с учетом текущего значения масштабного коэффициента:
о
o
O
Предположим, что оптический центрир рассчитан для ƒ=150 мм, s=  1000 мм (z = 1145 мм); К = 0,1500. Предположим далее, что линейная погрешность центрирования при установке прибора на станции после предварительного центрирования составила l = 10 мм. Для указанных условий размер изображения линейного элемента погрешности центрирования в плоскости сетки 3 зрительной трубы центрира составит
i
o
Допустим, что при измерении высоты прибора получено значение z = 1270 мм. Таким образом, разность высот Δs=(z-z)=(1270-1145)=125 мм.
Для этих условий значение масштабного коэффициента получится равным
Размер изображения линейного элемента погрешности центрирования в плоскости сетки получится равным
Отношение (33) позволяет определить истинную величину линейного элемента:
Предположим, что высота прибора измерена с погрешностью 5 мм и результат измерения составил 1265 мм. В этом случае вычисление
масштабного коэффициента даст результат  При вычислении линейного элемента в данном случае получим .
Результаты расчета, приближенные к практически возможному их получению, показывают, что погрешность измерения высоты прибора слабо влияет на погрешность измерения величины линейного элемента погрешности центрирования. Тем более, практически осуществимо измерение высоты прибора и с меньшей, чем приведено в примере, погрешностью, например в 1-3 мм. То есть практически эту погрешность можно свести к ничтожной для определения истинной величины линейного элемента погрешности центрирования.
С учетом сказанного выше, в паспортных данных оптического центрира (измерительного прибора) должны быть указаны следующие данные, являющиеся для прибора постоянными и хранящимися в его электронной системе:
- фокусное расстояние объектива зрительной трубы центрира;
- фиксированное расстояние от предмета до передней точки фокуса объектива зрительной трубы центрира;
- коэффициент увеличения изображения для фиксированных значений фокусного расстояния объектива и расстояния от предмета до точки фокуса объектива зрительной трубы центрира;
- необходимая точность измерения высоты прибора (в инструкции по эксплуатации прибора).
При использовании электронного тахеометра процесс введения поправок в измеренную величину линейного элемента легко автоматизировать, дополнив блок-схему обработки результатов измерений соответствующими блоками вычисления коэффициента К по алгоритму формулы (32) и блоком вычисления истинного значения линейного элемента по формуле (33). Соответствующие электронные блоки приема и обработки информации, сопрягаемые с аналогичными блоками измерительного прибора и оптического центрира измерительного прибора, могут содержать и визирные цели. При этом окончательная обработка информации (редуцирование измеренных направлений, горизонтальных углов и расстояний) может выполняться после проведения полевых работ либо в процессе их проведения при подключении накопителей измеренных данных визирных целей к системе обработки информации измерительного прибора.
Электронная система регистрации и обработки информации может быть конструктивно и функционально объединена с соответствующей электронной системой измерительного прибора. Многие вычислительные операции, например вычисление горизонтальных углов, дирекционных углов, координат точек и др., выполняются непосредственно измерительным прибором.
При определении углового элемента погрешности центрирования визирной цели следует иметь в виду, что значение измеренного углового элемента необходимо изменить на 180°, поскольку визирование на измерительный прибор с визирной цели производится в направлении, обратном положительному направлению оси х.
На фиг.2 представлена схема устройства, оптический элемент микрометра которого представляет собой сетку 3 зрительной трубы, механически связанную с барабаном микрометра. Аналогичную задачу, т.е. определение величин элементов погрешности центрирования, можно с той же степенью точности решить и при использовании других оптических элементов. Рассмотрим некоторые из них.
O
O
O
На фиг.5 представлена схема устройства, в котором оптическим элементом микрометра является стеклянная пластина 23, подобная сетке 3 зрительной трубы. Как указанный дополнительный элемент 23, так и сетка 3 имеют неподвижные индексы, плоскости которых обращены друг к другу. Элемент 23 связан с барабаном микрометра. Действие устройства, в том числе и процесс обработки и накопления информации, аналогичны действию устройства, показанного на фиг.2. Удобным является то, что в поле зрения остается неподвижным индекс сетки 3, а индекс элемента 23 будет занимать различные положения относительно указанного неподвижного индекса. На фиг.6 (поз. а) показано поле зрения оптического центрира после приведения прибора в рабочее положение с предварительным центрированием в точке A. После наведения коллимационной плоскости зрительной трубы центрира по направлению на фиксированную точку A (поз. б) действием барабана 5 микрометра отсчетный индекс оптического элемента микрометра совмещают с точкой A (поз. в), в результате чего определяют предварительное значение линейного элемента погрешности центрирования.
Аналогично решается задача редуцирования элементов погрешности центрирования и при использовании в качестве подвижного оптического элемента микрометра призмы 4, изменяющей направление оптической оси зрительной трубы центрира (см. фиг.8). Призма 4 установлена с возможностью поступательного перемещения вдоль оси зрительной трубы оптического центрира либо вращательного движения в коллимационной плоскости оптического центрира. При указанных перемещениях призмы 4 изображение точки местности, в которой производится центрирование прибора, после предварительного центрирования и совмещения коллимационной плоскости зрительной трубы центрира с направлением линейного элемента погрешности центрирования вводится в центр сетки 3. Дальнейшая обработка результатов измерений выполняется по установленному выше алгоритму, представленному в описании заявленного устройства (см. фиг.2).
На фиг.9 представлена схема заявленного оптического центрира, в которой оптическим элементом микрометра является элемент 25, выполненный, например, в виде плоскопараллельной пластины, установленной с возможностью вращательного движения в коллимационной плоскости зрительной трубы, либо, как альтернатива плоскопараллельной пластине, в виде оптических клиньев, установленных с возможностью поступательного движения вдоль оси зрительной трубы.
Действие известных оптических микрометров, содержащих плоскопараллельные пластины либо оптические клинья, основано на параллельном перемещении оптических лучей при вращении плоскопараллельной пластины или при поступательном смещении оптических клиньев. Указанные устройства известны и широко используются в отсчетных системах точных и высокоточных геодезических приборов.
При наклоне плоскопараллельной пластины относительно первоначального хода оптических лучей на какой-либо угол из-за преломления лучей на рабочих гранях пластины происходит смещение оптических лучей (изображения), зависящее как от угла наклона пластины, показателя преломления стекла, так и от поперечных ее размеров. Оптические клинья образуют при их совмещении плоскопараллельную пластину. При удалении оптических клиньев друг от друга в результате преломления оптических лучей, определяемого параметрами клина, также происходит параллельное первоначальному смещение изображения (см., например, Гусев Н.А. Маркшейдерско-геодезические инструменты и приборы. - М.: Недра, 1968, с.114-125, §42, §43).
При перемещениях оптического элемента 25 изображение точки местности, в которой производится центрирование, совмещают с отсчетным горизонтальным индексом сетки 3, как и при использовании оптических элементов 23 (фиг.5) и 4 (фиг.8).
Оптический элемент 25 (плоскопараллельная пластина или оптические клинья) может быть размещен как перед объективом 1, так и между другими оптическими элементами зрительной трубы оптического центрира, в том числе между сеткой 3 и окуляром 2. Размещение подвижного оптического элемента микрометра между сеткой и окуляром является предпочтительным, поскольку в этом случае имеется возможность уменьшить размеры этого элемента, так как при таком расположении оптического элемента микрометром регистрируется уменьшенная величина линейного элемента погрешности центрирования. Например, расположение оптического элемента микрометра перед объективом практически трудно осуществимо, поскольку размеры такого элемента должны быть весьма большими для сравнительно больших допускаемых в заявленном способе линейных элементов погрешности центрирования, например 10-20 мм.
При использовании плоскопараллельной пластины или оптических клиньев в качестве оптических элементов микрометра предварительное центрирование измерительного прибора выполняется с учетом возможного диапазона измерений оптического микрометра.
O
В качестве второго варианта заявленного устройства предлагается оптический центрир (фиг.7), в котором подвижный оптический элемент микрометра совмещен с объективом 1 и призмой 4, установленными с возможностью одновременного поступательного перемещения вдоль отвесного положения оптического центрира. При перемещении указанных элементов микрометра, после предварительного центрирования прибора и совмещения коллимационной плоскости зрительной трубы центрира с направлением линейного элемента погрешности центрирования, происходит перемещение изображения линейного элемента в коллимационной плоскости. Барабаном 5 микрометра действуют до тех пор, пока фиксированная точка A не совместится с центром сетки 3.
Состав электронной схемы второго варианта заявленного устройства идентичен электронной схеме первого варианта заявленного устройства, за исключением блока коррекции расстояния от предмета до переднего фокуса объектива (блок 24, фиг.7), вводимого дополнительно для учета изменения расстояния от предмета до переднего фокуса объектива.
Назначение указанного блока поясняется следующим.
При перемещении оптического элемента микрометра (призмы 4 и объектива 1) для измерения величины линейного элемента погрешности центрирования изменяется высота прибора на величину d, равную величине перемещения оптического элемента микрометра. С целью учета изменения высоты прибора электронная система обработки информации оптического центрира снабжена блоком 24 коррекции параметра s, в который поступают значения соответствующих расстояний от предмета до переднего фокуса объектива из блока 9, а также значения измеренного линейного элемента погрешности центрирования, соответствующие фактическому перемещению d оптического элемента микрометра, регистрируемому в блоке 7. Значение расстояния s после его коррекции будет равно
Значение d в формуле (34) и далее - в формуле (35) - всегда следует брать со знаком «минус» для приведенной схемы оптического центрира. В других схемах возможна ситуация, когда значение d следует брать со знаком «плюс».
Информация из блока 24 передается в блок 10 вычисления масштабного коэффициента изображения, алгоритм вычисления которого определяется отношением
а затем из блока 10 значение масштабного коэффициента направляется в блок 11 вычисления истинной величины линейного элемента погрешности центрирования. Дальнейшая обработка информации аналогична рассмотренной для первого варианта заявленного устройства.
Как было сказано выше, устройство для измерения линейного и углового элементов погрешности центрирования целесообразно устанавливать и на визирных целях. В этой связи каждая визирная цель снабжается одним из вариантов заявленных устройств с автономной электронной схемой накопления измерительной информации. Накопители информации используют для регистрации полученных значений элементов погрешности центрирования визирных целей в электронной системе измерительного прибора. Очевидно, что необходимость в использовании рассмотренных устройств на визирных целях отпадает, если визирные цели установлены на объекте стационарно либо установлены с принудительным центрированием.
O
Информация с визирных целей может быть получена и визуально, а затем вручную введена в электронную систему измерительного прибора. Так, например, сетка 3 зрительной трубы, являющаяся оптическим элементом микрометра (см. фиг.10), может иметь линейную шкалу для регистрации величины линейного элемента погрешности центрирования, а величину углового элемента погрешности центрирования можно получить поворотом сетки вокруг ее оси барабаном микрометра до совмещения точки A с осью шкалы. Линейная шкала сетки в исходном состоянии занимает положение, при котором ее ось совпадает с коллимационной плоскостью центрира, т.е. совпадает с вертикальной плоскостью. Поворот сетки регистрируется с помощью барабана 5 микрометра (визуально или автоматически), отсчет по шкале также регистрируется визуально по линейной шкале сетки 3 или автоматически. Автоматическая регистрация линейного отсчета может обеспечиться, например, использованием подвижной сетки 23 (фиг.5) с отсчетным индексом, связанной с барабаном 5 микрометра. В этом случае в устройстве необходимо будет использовать два микрометра: один - для регистрации угловых, второй - для регистрации линейных перемещений.
При использовании схем заявленных устройств на визирных целях, с целью установки коллимационной плоскости центрира на вертикальную ось вращения измерительного прибора, впереди объектива зрительной трубы центрира целесообразно установливать видоискатель 26, выполненный, например, в виде призмы, установленной с возможностью введения ее в поле зрения зрительной трубы центрира и поворота в ее коллимационной плоскости. Оптический центрир с видоискателем предназначен для использования в оптических центрирах визирных целей, когда необходимо выполнить наведение на вертикальную ось измерительного прибора по обратному направлению выбранной на станции оси х условной прямоугольной системы координат.
O
B
B
O
Указанная выше схема обработки данных для первого и второго вариантов устройств построена с учетом алгоритма расчета, приведенного при описании способа. Алгоритм расчета может быть и несколько иным. Например, горизонтальный угол может быть получен не как разность направлений по формуле (17), а как разность дирекционных углов соответствующих направлений, если на станции принять общую условную систему прямоугольных координат, одна из осей которой совпадает с одной из сторон измеряемого угла. В этом случае для вычисления координат, например точки С, в системе координат хАу (фиг.1) предварительно необходимо определить координаты точки С в этой системе координат, вычислить в этой же системе координат дирекционный угол направления линейного элемента с, далее по значениям координат точки С вычислить искомые координаты точки С.
Если коллимационные плоскости измерительного прибора и зрительной трубы оптического центрира не совпадают, а образуют некоторый известный для данной конструкции измерительного прибора угол, то в величину углового элемента погрешности центрирования вводят поправку на величину этого угла. При необходимости, указанные действия выполняют и на визирных целях, снабженных рассмотренными выше конструкциями оптических центриров с электронной или визуальной регистрацией величин линейного и углового элементов погрешности центрирования.
Предлагаемое устройство предназначено преимущественно для использования в электронных тахеометрах, однако оно может быть использовано и в электронных теодолитах, светодальномерах, оптических теодолитах и дальномерах с электронной или визуальной регистрацией результатов измерений, а также и в других приборах, в том числе оптико-механических, установка которых в рабочее положение требует центрирования в фиксированной точке местности.
Реализация способа центрирования измерительного прибора методом редуцирования измеренных величин с учетом величин и положения относительно коллимационной плоскости измерительного прибора элементов погрешности центрирования позволит сократить время на качественную установку прибора в рабочее положение и значительно повысить точность измерений. При этом предварительное центрирование должно лишь обеспечить попадание изображения точки, в которой производится центрирование прибора, в поле зрения сетки зрительной трубы центрира.