ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЙ ЦЕНТРИР
OPTOELECTRONIC CENTRING DEVICE

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, кодовых теодолитах, в лазерных приборах, задающих горизонтальные направления, и др., для центрирования отражателей, визирных марок и целей. Преимущественное использование заявленного оптического центрира в измерительных приборах, в которых производится регистрация угловых отклонений их вертикальной оси вращения либо оси зрительной трубы центрира. Помимо этого, изобретение может быть использовано и при центрировании оптических приборов, в основном теодолитов.
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 (см. Гусев Н.А. Маркшейдерско-геодезические инструменты и приборы. М.: Недра, 1968, стр.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, состоящий из зрительной трубы, ось которой совмещена с вертикальной осью вращения измерительного 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).
Использование указанного оптического центрира предусматривает выполнение следующих действий.
Штатив, на котором размещен измерительный прибор, 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. Далее измерительный прибор горизонтируют, что заключается в приведении его вертикальной оси вращения в отвесное положение. 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).
Недостатком известного оптического центрира (прототипа) является то, что он не позволяет измерять и тем самым учитывать величины погрешностей центрирования, в результате чего требуется выполнять тщательную установку измерительного прибора в фиксированной точке 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. При этом действия, связанные с выполнением горизонтирования, приводят к нарушению уже выполненного центрирования. И наоборот, перемещение измерительного прибора на головке штатива для точного совмещения оси вращения прибора с зафиксированной на местности точкой, в которой выполняется центрирование, приводит к нарушению горизонтирования.
Для устранения указанных недостатков предлагается оптико-электронный центрир, содержащий зрительную трубу, коллимационная (меридиональная) плоскость которой совмещена с коллимационной плоскостью измерительного прибора либо образует с ней известный угол, а ось зрительной трубы совпадает с вертикальной осью вращения измерительного прибора и установлена с возможностью регистрации угловых отклонений от указанной оси измерительного прибора, состоящую из объектива, призмы, изменяющей направление оси зрительной трубы, сетки, окуляра, указанный оптический центрир включает электронную систему регистрации и обработки информации, причем призма, изменяющая направление оси зрительной трубы, снабжена механизмами угловых и линейных ее перемещений в меридиональной и сагиттальной плоскостях зрительной трубы центрира, при этом каждый из механизмов линейных перемещений установлен с возможностью синхронной работы с соответствующим механизмом угловых перемещений и выполнен с возможностью обеспечения перемещения призмы по тангенциальному или линейному закону, зависимости от ее угловых перемещений, а упомянутые механизмы угловых перемещений снабжены кодовыми датчиками угловых перемещений, которые установлены с возможностью передачи электромагнитного сигнала в электронную систему регистрации и обработки информации.
Схема заявленного оптико-электронного центрира, а также схемы, поясняющие его работу, приведены на фиг.1, 2 и 3.
Обозначения, приведенные на фиг.1:
1 - объектив;
2 - призма, изменяющая направление оси зрительной трубы центрира;
3 - сетка;
4 - окуляр;
5 - механизм поворота призмы в меридиональной плоскости (в коллимационной плоскости измерительного прибора, в коллимационной плоскости зрительной трубы центрира);
6 - тангенциальный (или линейный) механизм перемещения призмы вдоль оси зрительной трубы центрира;
7 - механизм поворота призмы в сагиттальной плоскости зрительной трубы центрира (перпендикулярна меридиональной плоскости зрительной трубы центрира, перпендикулярна коллимационным плоскостям измерительного прибора и зрительной трубы центрира);
8 - тангенциальный (или линейный) механизм линейного перемещения призмы в сагиттальной плоскости зрительной трубы центрира;
9 - кодовый датчик угла поворота призмы в меридиональной плоскости зрительной трубы центрира;
10 - кодовый датчик угла поворота призмы в сагиттальной плоскости зрительной трубы центрира;
11 - электронная система регистрации и обработки информации;
О - центр поворота призмы;
ОБ
О - центр объектива зрительной трубы;
С
О - центр сетки зрительной трубы;
М - коллимационная плоскость измерительного прибора (совпадает с коллимационной плоскостью и меридиональной плоскостью зрительной трубы центрира;
S - сагиттальная плоскость зрительной трубы центрира (перпендикулярна меридиональной плоскости);
А - проекция вертикальной оси вращения измерительного прибора на горизонтальную плоскость;
О
А - точка, зафиксированная на местности, в которой выполняют центрирование;
О
O
А' - проекция точки A на коллимационную (меридиональную) плоскость;
О
О
А” - проекция точки А на сагиттальную плоскость;
О
δ - общий угол отклонения оси зрительной трубы центрира относительно ее отвесного положения при наведении на точку А,
n
δ - угол отклонения вертикальной оси зрительной трубы центрира в коллимационной плоскости измерительного прибора (в меридиональной плоскости зрительной трубы центрира);
m
δ - угол отклонения вертикальной оси зрительной трубы центрира в сагиттальной плоскости зрительной трубы центрира;
n - линейная величина погрешности центрирования в коллимационной плоскости измерительного прибора (в меридиональной плоскости зрительной трубы центрира);
m - линейная величина погрешности центрирования в сагиттальной плоскости зрительной трубы центрира;
О
l - линейный элемент погрешности центрирования (расстояние в горизонтальной плоскости между точками А и А),
γ - угловой элемент погрешности центрирования (угол между направлением линейного элемента погрешности центрирования и коллимационной плоскостью измерительного прибора либо меридиональной плоскостью зрительной трубы центрира);
ОБ
О
h - высота прибора (расстояние по отвесной линии между точками О и А);
ОБ
d - расстояние от центра объектива О до центра О поворота призмы;
Б - характер перемещений призмы при совместном действии механизмов 5 и 6;
В - характер перемещений призмы при совместном действии механизмов 7 и 8.
Обозначения, приведенные на фиг.2, соответствуют обозначениям, приведенным на фиг.1.
Дополнительные обозначения:
O
С
О' - положение центра О поворота призмы после приведения изображения точки A' (см. фиг.1) на линию в сагиттальной плоскости, проходящую через центр О сетки перпендикулярно к оси зрительной трубы центрира (после действия механизмами 5 и 6);
а - величина линейного смещения призмы вдоль оси зрительной трубы центрира после действия механизмами 5 и 6.
Обозначения на фиг.3 соответствуют обозначениям, приведенным на фиг.1. Дополнительные обозначения:
О
О" - положение центра О поворота призмы после приведения точки А" (см. фиг.1) в центр сетки 3 действиями механизмов 7 и 8;
b - величина смещения призмы вдоль сагиттальной плоскости после действия механизмами 7 и 8.
О
С
О
На фиг.3, для простоты изображения, вместо призмы 2 показана линия на ее отражающей грани в сагиттальной плоскости зрительной трубы центрира после приведения на указанную линию изображения точки А действиями механизмов 5 и 6. Вертикальная ось и горизонтальная ось зрительной трубы в данном случае совмещены и находятся условно в одной плоскости. На указанной фиг.3 штриховая линия О"О в действительности не проходит через объектив 1, как это видно на чертеже. Указанная линия (световой луч от точки А) сначала проходит в зрительной трубе центрира через объектив 1, попадает на призму 2 на линию, проходящую через центр поворота О призмы, а уже после призмы 2 направляется ею на сетку 3 (см. фиг.1).
Механизмы 5 и 6, 7 и 8 попарно работают синхронно, при этом определенному углу поворота призмы 2 соответствует однозначное закономерное линейное перемещение призмы 2. Величина линейного перемещения призмы в зависимости от величины угла поворота определяется по формулам:
В связи с этим для перемещения призмы следует использовать тангенциальные механизмы 6 и 8, работающие только при действии механизмов 5 и 7 соответственно, что обеспечивается механической связью между угловыми перемещениями (поворотами барабана механизма 5 или 7) и линейными перемещениями призмы под действием механизмов 6 или 8.
Механизмы угловых перемещений призмы 5 и 7 установлены с возможностью взаимодействия с кодовыми датчиками соответственно 9 и 10, которые, в свою очередь, установлены с возможностью передачи электромагнитного сигнала в электронный блок 11 регистрации и обработки информации.
Устройство для центрирования измерительного прибора работает следующим образом (см. фиг.1, 2 и 3).
О
После предварительной установки измерительного прибора в рабочее положение, заключающейся в его горизонтировании (установке вертикальной оси вращения измерительного прибора в отвесное положение) и предварительном центрировании (приведении точки А, в которой выполняют центрирование, в поле зрения центрира), регистрируют показания кодовых датчиков 9 и 10 механизмов 5 и 7 угловых перемещений призмы, соответствующих отвесному положению оси зрительной трубы центрира.
Выполняют измерение величин, определяемых назначением измерительного прибора, например расстояний, направлений (отсчетов по горизонтальному кругу измерительного прибора), горизонтальных углов, в фактической точке А установки измерительного прибора. Измеряют высоту h прибора.
О
С
О
С
Далее фиксируют положение коллимационной плоскости измерительного прибора либо устанавливают ее на выбранное исходное направление, например на одну из сторон измеряемого горизонтального угла, и механизмами 5 и 6 совмещают изображение точки А с горизонтальной линией сетки 3 зрительной трубы центрира, проходящей через центр О сетки, а механизмами 7 и 8 совмещают изображение точки А непосредственно с центром О сетки. При этом угловой поворот призмы в меридиональной и сагиттальной плоскостях производится на половину проекции угла отклонения оси зрительной трубы центрира от отвесного положения в соответствующих плоскостях. Таким образом, в меридиональной плоскости поворот призмы должен быть выполнен на угол , а в сагиттальной плоскости - на угол . При этом перемещения призмы в соответствующих направлениях будут однозначно определяться по формулам (1).
n
m
Регистрируют показания кодовых датчиков 9 и 10. Показания кодовых датчиков 9 и 10 удваиваются, что соответствует значениям измеряемых центриром угловых наклонов δ и δ оси зрительной трубы в соответствующих плоскостях, меридиональной и сагиттальной, и фиксируются электронной системой 11 регистрации и обработки информации. Указанная электронная система 11 выполняет вычисление линейных отклонений n и m оси центрира от ее отвесного положения по формулам:
В зависимости от направления вращения барабана механизмов 5 и 7 указанные угловые наклоны оси зрительной трубы центрира имеют знаки «плюс» или «минус». Соответствующие знаки «плюс» или «минус» получаются и у линейных элементов n и m.
Величина линейного элемента l погрешности центрирования вычисляется по формуле
а величина углового элемента погрешности центрирования - по формуле
в соответствии с правилами решения обратной геодезической задачи относительно исходного направления коллимационной плоскости измерительного прибора, выбранного, например, по направлению стороны измеряемого горизонтального угла (коллимационную плоскость измерительного прибора совмещают с выбранным направлением и регистрируют полученный отсчет по горизонтальному кругу). Значение углового элемента погрешности центрирования может изменяться от 0 до 360°, что определяется возможными сочетаниями знаков линейных величин n и m, а также самими указанными величинами.
Дальнейшая обработка измеренных прибором величин, определяемых его назначением, выполняется электронной системой 11 регистрации и обработки информации в соответствии с установленным алгоритмом, который предусматривает введение поправок в измеренные прибором величины с учетом полученных значений линейного и углового элементов погрешности центрирования.
Следует обратить внимание на следующие особенности.
О
Первое. В предлагаемом устройстве может быть использован только один парный механизм, например механизмы 5 и 6. В этом случае при аналитическом центрировании необходимо установить коллимационную плоскость измерительного прибора по направлению линейного элемента погрешности центрирования и зафиксировать ее положение величиной γ углового элемента погрешности центрирования, определяемой от исходного направления. Далее, действуя механизмами 5 и 6, выполнить наведение оси зрительной трубы центрира на точку А и измерить непосредственно общий угла δ (см. фиг.1) отклонения оси зрительной трубы центрира от ее отвесного положения. При этом значение линейного элемента погрешности центрирования вычисляется по формуле:
Указанная задача решается аналогично и при использовании только механизмов 7 и 8. Но в данном случае коллимационную плоскость измерительного прибора следует предварительно установить в направлении, перпендикулярном к направлению линейного элемента погрешности центрирования.
Второе. При использовании оптического центрира, известных оптико-электронных центриров, а также и заявленного центрира максимальная величина отклонения оси зрительной трубы центрира составляет практически не более 2°. В связи с этим в формулах (2) возможна замена тангенса углов на их радианную величину, т.е. возможно получение по формулам (2) линейной зависимости величины линейного перемещения призмы 2 от угла ее наклона, что значительно упрощает построение конструкции парных механизмов 5 и 6 и 7 и 8. Использование линейной зависимости, а не строгой тангенциальной зависимости практически не приведет к потере точности в определении искомых величин линейого и углового элементов погрешности центрирования, поскольку даже для максимального значения угла отклонения оси зрительной трубы, равного 2°, различие в тангенсе этого угла и его радианной мере составляет всего 0,04%.
Использование предлагаемого центрира позволит значительно упростить его конструкцию, поскольку движущейся частью центрира является только один элемент - призма, а также облегчит размещение центрира в конструкции измерительного прибора.