Устройство тахеометра

 

Электронным тахеометром называется устройство, объединяющее в себе теодолит и светодальномер. Одним из основных узлов современных электронных тахеометров является микроЭВМ, с помощью которой можно автоматизировать процесс измерений и решать различные геодезические задачи по заложенным в них программам. Увеличение числа программ расширяет диапазон работы тахеометра и область его применения, а так же повышает точность работ. Наличие регистрирующих устройств в тахеометрах позволяет создать автоматизированный геодезический комплекс: тахеометр – регистратор информации – преобразователь – ЭВМ – графопостроитель, обеспечивающий получение на выходе конечной продукции – топографического плана в автоматическом режиме. При этом сводятся к минимуму ошибки наблюдателя, оператора, вычислителя и картографа, возникающие на каждом этапе работ при составлении плана традиционным способом.

 

Принципиальная и структурная схема прибора

 

Схема на примере электронного тахеометра TOPCON GPT-3000

 

Рис.1Вид тахеометра спереди.

 

 

 

Рис.2 вид тахеометра сзади.

 

 

 

 

 

 

 

Рис.3 вид трегера тахеометра.

 

 

Обобщенная  структурная схема электронного тахеометра.

 

Рис. 4. Обобщенная структурная схема роботизированного электронного тахеометра

1 - антенна; 2 - вертикальный  круг; 3 - считывающая головка; 4 - радиомодуль; 5 - центрир; 6 - аккумуляторы; 7 - горизонтальный круг; 8 - датчик наклона; 9 - вертикальная ось; 10 - мотор; И горизонтальная ось; 12 - микро-ЭВМ; 13 - устройство наведения; 14 - светодальномерный блок; 15 - указатель местоположения реечнику;

 

Рис. 5. Структурная  схема тахеометра 3Та5

 

 

Импульсный  и фазовый дальномеры

Рис. 15. Оптические схемы импульсного (вверху) и фазового (внизу) дальномеров

 

Электронное измерение расстояния без отражателя может быть произведено любым  из двух методов: с помощью определения времени прохождения сигнала или определения разности фаз. Метод определения времени прохождения сигнала реализован в дальномере DR300+, в котором используется импульсный лазер. Метод определения разности фаз лежит в основе дальномера DR Standard. Как показано на рисунке 15, оптические схемы каждого из методов различны и соответственно имеют свои преимущества и недостатки.

 

Импульсный дальномер

Для вычисления расстояний в импульсном методе определяется точное время прохождения импульса до цели и обратно (TOF).

Импульсный  лазер генерирует множество коротких импульсов в инфракрасной области  спектра, которые направляются через  зрительную трубу к цели. Эти импульсы отражаются от цели и возвращаются к инструменту, где при помощи электроники определяется точное время прохождения каждого импульса. Скорость прохождения света сквозь среду может быть точно определена. Поэтому, зная время прохождения, можно вычислить расстояние между целью и инструментом. Измерения с помощью определения времени прохождения сигнала (TOF) обычно имеют не только наибольшую дальность, но и соответствуют самым высоким стандартам безопасности, поскольку интервалы между импульсами препятствуют накоплению вредной для глаз энергии.

Каждый  импульс – это однократное измерение расстояния, но поскольку каждую секунду могут быть посланы тысячи таких импульсов, то с помощью усреднения результатов достаточно быстро достигается высокая точность измерений. В ходе измерения делается около 20000 лазерных импульсов в секунду. Затем они усредняются для получения более точного значения расстояния. Точность обычных импульсных дальномеров обычно несколько ниже, чем у фазовых (до 10 мм). Однако в дальномере Trimble DR300+ используется патентованная методика обработки сигнала, позволяющая достичь высокой точности при измерении больших расстояний как с использованием, так и без использования призм. Некоторые тахеометры с импульсным дальномером перед каждым измерением должны быть сфокусированы на цель. При использовании Trimble DR300+ этого не требуется.

 

 

Фазовый дальномер

DR Standard – это лазерный дальномер, основанный на методе сравнения фаз сигнала. Дальномер передает коаксиальный оптический пучок с модулированной интенсивностью, который отражается от призмы или другой отражающей поверхности. После этого определяется разность фаз между переданным и отраженным принятым сигналом, по которой вычисляется расстояние. В режиме измерений по призмам дальномер DR Standard работает как быстрый и точный дальномер с большим радиусом действия (до 3500 м по одной призме). В безотражательном режиме DR дальномер DR Standard передает красный коллимированный лазерный пучок до цели и вычисляет сдвиг фазы между переданным и принятым сигналами. Метод измерения разности фаз работает по принципу наложения на несущую частоту модулированного сигнала. Прибор измеряет постоянное смещение фазы, несмотря на неизбежные изменения в излучаемом и принимаемом сигнале. В результате сравнения фаз опорного и получаемого сигнала определяется только величина сдвига фазы, а целое число циклов остается неизвестным и не позволяет сразу получить расстояние. Эта неоднозначность разрешается путем многократных измерений модуляции волны, в результате чего определяется уникальное целое число циклов. Как только целое число циклов определено, то расстояние до цели может быть вычислено очень точно.

 

Поверки

 

Электронный тахеометр, как любой геодезический прибор, должен быть поверен и отъюстирован перед производством работ. Учитывая совмещенность дальномерных и угловых  измерений, в тахеометре должны выполняться геометрические условия взаимного положения оптико-механических и оптико-электронных осей. Поэтому полный набор поверок и юстировок проводится на специальных стендах или в сервисных центрах. Однако ряд основных поверок можно выполнить в полевых условиях. Более того, регулярное проведение некоторых поверок является обязательным, так как измерения электронным тахеометром проводятся при одном положении ВК прибора, а поправки за коллимацию, место нуля ВК и место нуля компенсатора наклона вертикальной оси автоматически вводятся в результаты измерений. Неучтенные изменения этих поправок приводят к снижению точности результатов измерений. Перед поверками необходимо внимательно изучить методику их проведения и юстировки по руководству к эксплуатации конкретной модели тахеометра.

В данном пособии приведены  лишь основные поверки с их пояснением для модели SET30R, некоторые особенности будут указаны для тахеометров типа ЗТа5Р и TS3300.

1. Поверка уровней (круглого и цилиндрического) проводится аналогично теодолитам. Подъемными винтами пузырек уровня выводится в нуль-пункт, и верхняя часть прибора поворачивается на 180°. При отклонении пузырька проводится юстировка положения уровня соответствующими котировочными винтами на половину смещения пузырька.

2. Поверки сетки нитей зрительной трубы и равенства подставок выполняются аналогично теодолиту.

3. Поверка оптического центрира также проводится аналогично традиционным проборам, имеющим встроенный центрир. Тахеометр тщательно центрируют и горизонтируют над точкой, поворачивают алидаду на 180°. Точка должна остаться в центре сетки нитей центрира. При смещении сетки нитей с точки проводят юстировку юстировочными винтами центрира на половину смещения. После юстировки точка должна оставаться в центре сетки нитей оптического отвеса при любом повороте алидады.

4. Поверка компенсатора наклона вертикальной оси прибора. Тщательно горизонтируют прибор с помощью подъемных винтов по цилиндрическому уровню. По горизонтальному кругу устанавливают нулевой отсчет нажатием клавиши Уст 0. В режиме конфигурации входят в строку КОНСТАНТЫ ПРИБОРА, на появившемся экране входят в строку КОМПЕНСАТОР X Y и нажимают ENTER. На экране выдаются скомпенсированные автоматически угловые отсчеты по оси X. (направление визирования) и по оси У, (ось вращения зрительной трубы). Верхнюю часть прибора поворачивают на 180°, снова выводятся на экран скомпенсированные угловые отсчеты Х2, Yr Берут их среднее значение, которое принимают за место нуля компенсатора:

 

 

Эти значения не должны превышать по модулю 20". Юстировка их проводится при КЛ нажатием соответствующей экранной клавиши, после чего поверку повторяют.

5. Определение коллимационной ошибки и места нуля вертикального круга. Перед поверкой необходимо тщательно отгоризонтировать тахеометр по цилиндрическому уровню. Для визирования выбирают устойчивую четкую точку, удаленную примерно на 100 м, угол наклона на нее не должен превышать ± 9°. В приборе устанавливают режим юстировок (поправок).

Поправки за коллимацию (с) и место нуля (МО) вертикального круга следует вводить при КЛ, поэтому их определение лучше начинать с наблюдений при КП. Точно визируют на выбранную точку, нажимают клавишу измерений. Операции повторяют при другом положении зрительной трубы (КЛ) прибора. Значения с и МО ВК выдаются на экран. С помощью экранных клавиш их можно ввести в память прибора.

Следует отметить, что текущие значения поправок с; МО ВК; МОХ; MOY можно определять одновременно, используя виды экрана для их вывода на дисплей, а при юстировке — свои экранные клавиши для их ввода в прибор.

6. Определение постоянной поправки (К) дальномера электронного тахеометра. У современных тахеометров установлено значение К - 0. Однако ее изменение приводит к систематическим погрешностям в расстояниях. Поэтому постоянную поправку прибора рекомендуется регулярно контролировать. Постоянную поправку дальномера не следует путать с постоянной поправкой отражателя, которая вычисляется по геометрическим размерам призмы, типу стекла и положению вертикальной оси отражателя. Так, постоянная призмы тахеометра Trimble составляет 35 мм, тахеометров SET — 30 мм (призмы APOlS+APOl), тахеометров типа ЗТа5 — 0 мм. Все дальномеры одной серии согласованы с отражателями, входящими в их комплект, так, что постоянная прибора К = 0. Использование отражателя другой серии или модели меняет эту постоянную за счет отражателя. Однако она может изменяться с течением времени и независимо от отражателя.

Чаще всего  постоянную поправку дальномера определяют на базисах, длина которых известна. При этом

 

 (1)

 

где В — эталонное значение длины линии; D — измеренное тахеометром значение длины линии. Такие измерения выполняют с перестановкой прибора в пределах фазового цикла.

 

Рис. 17. Безбазисный способ определения постоянной поправки дальномера

 

При отсутствии базисных линий К определяют из измерений трех отрезков на прямой АВ (рис. 17), такой способ называется безбазисным.

На ровной местности  выбирают две точки А и В  на расстоянии примерно 100 м, их закрепляют устойчивыми точками. Тщательно  центрируют над ними прибор и отражатель, измеряют расстояние D_hB. В створе линии АВ выставляют по зрительной трубе точку С, центрируют над ней штатив. На него переносят тахеометр, а над точками A и B устанавливают отражатель. Измеряют отрезки D_CA и D_св. Для исключения погрешности центрирование рекомендуется использовать трехштативную систему наблюдений. Из соотношения:

 

(2)

 

Следует:

 

 (3)

 

Измерения проводят несколько  раз и берут среднее значение K. Можно использовать несколько точек С.

Если точка С не выставлена в створ, то на нее стоит измерить горизонтальные уголы

 

Рис. 18. Линейно угловые измерения для определения K.

 

Тогда для вычисления линейно  угловой невязки предлагается формула

 

 (4)

 

Погрешность определения  поправки К по формуле (3) составляет , где mD — СКП линейных измерений тахеометром. Расчеты показывают, что при смещении от створа м и СКП угловых измерений 5" влиянием угловых измерений на точность определения К в формуле (4) можно пренебречь. Если применение формулы (3) требует построения створа и центрирования прибора и отражателя над точками А, В и С, то применение формулы (4) не требует построения створа и, следовательно, центрирования. Достаточно выставить два штатива, выбрать точку С, задавая створ приближенно. Измерений с точки С можно выполнять несколько. Но число переходов с прибором уменьшится, если между приемами переставлять точку В. Это позволит определить поправку дальномера n раз и обеспечить требуемую точность ее контроля.

У некоторых электронных тахеометров (например, ЗТа5) используется для определения постоянной поправки дальномера специальный блок контрольного отсчета (БКО). Он надевается на объектив зрительной трубы до упора и тахеометром измеряется расстояние без выхода сигнала на дистанцию. Для этого через МЕНЮ входят в РЕЖИМ Т, на появившемся экране выбирают строку КОНТР. ОТСЧЕТ, нажимают клавишу ИЗМЕР. Полученное контрольное расстояние высвечивается на экране прибора. По нескольким измерениям выводят среднее значение и сравнивают с паспортным контрольным отсчетом.

Юстировку поправки выполняют, если К превышает ±3 мм по нескольким определениям. Юстировка выполняется в сервисных центрах. В некоторых моделях тахеометров предусмотрен ввод нового значения постоянной К.

7. Определение постоянной поправки отражателя выполняется, если в работе применяется отражатель другой фирмы или типа. Для этого измеряют одно и то же расстояние с отражателем, входящим в комплект прибора (D0), и с новым отражателем (D,). Постоянная поправка отражателя вычисляется по формуле:

 

 

Измерения проводят несколько раз, вычисляют среднее значение поправки, которое вводится для измерений на новый отражатель в виде дополнительной поправки.

8. Рабочая ось электронного дальномера должна совпадать с визирной осью зрительной трубы. Если центр сетки нитей трубы навести на центр отражателя, то максимальный сигнал с дистанции должен поступать от этой же точки. Установить, выполнено ли это условие, можно путем наведения на центр отражателя, удаленного от тахеометра не менее чем на 50 м. После точного наведения на цель проверяют уровень отраженного сигнала прибора, включив режим измерения расстояний с индикацией уровня сигнала. Наводящими винтами плавно перемещают сигнал по отражателю вверх — вниз и вправо — влево. Находят положение, при котором уровень индикации отраженного сигнала, выдаваемый на дисплей, будет максимальным. В зрительную трубу определяют, на сколько положение сетки нитей при этом сместилось с центра отражателя. Если центры визирования и максимума дальномерного сигнала не совпадают, необходима юстировка оптико-электронных каналов дальномерной части тахеометра, которая проводится на специальных стендах сервисных центров.