Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений (стр. 2 из 4)
Рис. 1. Схема исследования короткопериодической погрешно-сти измерения вертикального угла (ВУ) угломерными приборами.
1 – УП, 2 – растровая мера, 3 – считывающая головка растрового преобразователя, 4 – разрезной фотодиод, 5 – лазерная насадка.
Метод позволяет определить короткопериодическую (внутришаговую) погрешность измерения вертикального угла. Так же по результатам исследования может быть выявлена калибровочная характеристика.
Метод поверки системы лазерного трекера для измерения превышений и вертикальных углов.Лазерный трекер является геодезическим средством измерения и, в соответствии с законом о единстве измерений, требует проведения метрологической поверки или калибровки. Погрешность измерения вертикальной координаты "Z" (превышения) современных лазерных трекеров составляет порядка 20 мкм. Для проведения поверки и калибровки системы лазерного трекера для измерения превышений в данной работе разработан метод, позволяющий исследовать как накопленную погрешность измерения превышения, так и короткопериодическую (внутришаговую) составляющую погрешности.
Для проверки точности измерения вертикальной координаты предложено использовать в качестве эталонного средства измерения растровый измерительный преобразователь, погрешность определения превышения которого не превышает 3 мкм. Для проведения поверки целесообразней выбрать вертикальный диапазон измерения превышений, соответствующий диапазону исследуемого прибора. Методика проведения поверки заключается в измерении одинаковых превышений по растровому измерительному преобразователю и лазерному трекеру. Вполне возможно применить альтернативное эталонное средство поверки – лазерный интерферометр (погрешность 1мкм+1ppm), как отдельно, так и совместно с растровым измерительным преобразователем. При проведении исследования отсчеты по всем трем приборам берутся одновременно и затем сравниваются. Отражатели трекера и интерферометра должны перемещаться совместно с растровым измерительным преобразователем вдоль меры. За эталонное превышение принимается значение, измеренное растровым измерительным преобразователем, а значение, измеренное интерферометром, используется как контрольное. Эталонное превышение по растровому преобразователю сравнивается с превышением, измеренным лазерным трекером (рис.2).
Рис.2. Схема поверки системы лазерного трекера для измере-ния превышений и вертикальных углов:
а) схема поверки при положительных значе-ниях углов наклона, б) схема поверки при отрицательных значе-ниях углов наклона, 1-поверяемый лазерный трекер, 2-лазерный интерферометр, 3-разворачивающий блок интерферометра, 4-отражатель интерферометра, 5-растровый измерительный преобразователь, 6-стеклянная растровая мера, 7-отражатель трекера, 8-поворотная головка трекера.
Калибровку проводят в помещении с постоянной температурой и давлением, при минимальном времени проведения измерений.
Методы поверки и калибровки системы "нивелир – рейка".Основной метрологической погрешностью нивелира является средняя квадратическая погрешность измерений превышений на 1 км нивелирного (двойного) хода. Пути её выявления весьма трудоемки, и получение инструментальной погрешности нивелирования затруднительно. Для решения этой задачи в диссертации разработаны и исследованы методы и средства калибровки системы "нивелир-рейка".
Метод исследования системы "нивелир – рейка" при помощи растрового измерительного преобразователя. Метод разработан для получения инструментальных погрешностей системы "нивелир – рейка". В качестве эталонного средства при калибровке предложено использовать растровый измерительный преобразователь, погрешность измерения которого не превышает 3 мкм. Исследуемый нивелир устанавливается на подвижную каретку вертикального стенда совместно с растровым преобразователем. Нивелиры могут быть, как цифровые, так и оптические. В соответствии с исследуемым нивелиром выбирается рейка со штрих-кодом или с оцифрованной шкалой. Рейка устанавливается на неподвижный столик и приводится в отвесное положение с помощью круглого накладного уровня и подъемных винтов столика.
Методика проведения калибровки заключается в измерении одинаковых значений вертикальных перемещений с помощью растрового измерительного преобразователя и нивелира по рейке. При проведении калибровки предусмотрена возможность применения альтернативного эталонного средства – лазерного интерферометра (погрешность 1мкм+1ppm). Для этого отражатель интерферометра закрепляется совместно с нивелиром и измерительным преобразователем. На рис.3 представлена схема проведения калибровки системы "нивелир – рейка".
В момент проведения исследования отсчеты по нивелиру, интерферометру и датчику измерительного преобразователя берутся одновременно и затем сравниваются. Отражатель интерферометра и нивелир должны перемещаться совместно с растровым измерительным преобразователем вдоль меры (рис.3(а)). Эталонное превышение сравнивается с превышением, измеренным нивелиром по рейке.
Рис.3. Схема калибровки системы "нивелир – рейка",
а) когда нивелир перемещается вдоль растровой меры, б) когда рейка перемещается вдоль растровой меры: 1-исследуемый нивелир, 2-лазерный интерферометр, 3-разворачивающий блок интерферометра, 4-отражатель интерферометра, 5- растровый измерительный преобразователь, 6-стеклянная растровая мера, 7- нивелирная рейка.
Разработанный метод позволяет получить инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка", как длиннопериодическую, так и короткопериодическую составляющие. Для разделения погрешностей отдельно нивелира и отдельно рейки следует эталонировать нивелирную рейку (например, на компараторе) и затем учесть погрешность рейки.
Метод исследования системы "нивелир – рейка" на компараторе – основывается, как и в предыдущем методе, на компарировании или сравнении. Для проведения калибровки используются два эталонных средства измерения превышений: Это лазерный интерферометр (погрешность 1мкм+1ppm) и инварный жезл (погрешность 10мкм). Метод заключается в том, что перемещение рейки и эталонного жезла осуществляется в горизонтальном положении по направляющим рельсам на подвижной тележке. Основой данного метода является существенно усовершенствованный оптико-механический компаратор МИИГАиК (рис.4). На изолированных "малых" фундаментах (12) с интервалом в 1м закреплены рельсы (3), выставленные в горизонт и по азимуту. На рельсах установлена подвижная каретка (1). На "больших" фундаментах, расположенных за рельсовым путем, закреплена направляющая (7) длиною 3,5м, на которой располагаются микроскопы (5), имеющие возможность перемещения по этой направляющей. Направляющая с микроскопами располагается над рельсовым путем. На расстоянии 25м по направлению рельсов на бетонной основе устанавливается нивелир (8); с другой стороны – лазерный интерферометр (11) и блок опорного канала (10), для измерения интерферометром на подвижной каретке закреплен уголковый отражатель (9). Для разворота изображения рейки на направляющей закреплено наклонное зеркало (6), которое имеет возможность юстировки. Для проведения измерений на каретку одновременно или по очереди устанавливаются инварный жезл (4) и исследуемая рейка (2). Если за эталонное средство принимается только инварный жезл, то температура следует измерять с точностью порядка 0,10С. При использовании интерферометра, как правило, параметры окружающей среды берутся с датчиков интерферометра.
Рис. 4. Принципиальная схема стенда.
Как и в предыдущем методе, разработанный метод позволяет выявить длиннопериодические и остаточные погрешности измерения превышений, но не позволяет в полной мере оценить короткопериодические погрешности. Это связанно с ограниченностью задания минимального превышения ценой деления рейки. Но в методе предлагается задавать эталонные превышения интерферометром; это даст возможность выявление короткопериодической погрешности измерения превышения системы "нивелир – рейка".