Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений (стр. 3 из 4)
Метод исследования системы "нивелир – рейка" с использованием концевых мер длины основан на сравнение эталонных превышений, задаваемых при помощи концевых мер длины (КМД), с измеренными превышениями нивелиром по рейке. Для изменения высоты точки в разработанном методе используются концевые меры длины II разряда, погрешность размера которых не превышает 0,4 мкм (при температуре 200С). Эталонные превышения задаются в диапазоне 0¸200мм с шагом от 0,2мм до 10мм, что позволяет выявить короткопериодические погрешности на отдельном участке рейки. Таким образом, существует возможность исследовать инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка".
Для выполнения исследования нивелир устанавливается на жесткое основание, на выбранном расстоянии устанавливается горизонтальный столик с отшлифованной поверхностью. На столик поочередно устанавливаются и притираются КМД различной высоты, на меры ставится нивелирная рейка с накладным уровнем. При установке различных КМД и рейки снимается отсчет по нивелиру. Результатом калибровки являются графики погрешности измерения высоты КМД.
Предлагаемый метод является более функциональным, так как позволяет производить исследование на больших расстояниях между нивелиром и рейкой, а так же позволяет проводить испытания как в лабораторных, так и в полевых условиях.
Представленные во 2-ой главе разработки позволяют:
- исследовать короткопериодическую погрешность измерения вертикального угла геодезических приборов – теодолитов, тахеометров;
- исследовать инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка" при помощи растрового измерительного преобразователя;
- исследовать инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка" на компараторе;
- исследовать инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка" с использованием концевых мер длины;
- провести калибровку координатных систем типа лазерный трекер.
Третья глава. В этой главе представлены разработанные стенды для поверки и калибровки, входящие в разработанную при участии автора поверочную установку УМК-М.
Стенд УМК-М для поверки и калибровки систем геодезических приборов для измерения вертикальных углов (Вертикальный стенд) –рис. 5.
Рис.5. Схема стенда для исследования тахеометров при измерении ВУ.
В точках К1,К3,К4,К5,К6, установлены коллиматоры (в качестве коллиматоров использованы зрительные трубы теодолитов типа Т2), а в точке Т – поверяемый теодолит. Взаимное расположение коллиматоров таково, что обеспечивает измерение вертикальных углов (ВУ) от 00до450 и от 00до - 450.
Для испытаний геодезических приборов необходимо знать эталонный угол. Для измерения эталонных углов были использованы высокоточные приборы: оптический теодолит Т1 и электронный тахеометр фирмы "Leica" TPS 1100 (mn = 0,5”). Были произведены измерения всех вертикальных углов двенадцатью приемами. В результате измерений были получены средние квадратические погрешности (СКП) для средних значений ВУ из 12-ти приемов (см. табл. 1).
Таблица 1
| Прибор | Теодолит Т1 | Тахеометр TPS 1100 | ||||||
| n | +40 | +250 | +450 | -450 | +40 | +250 | +450 | -450 |
| mn | 2,9” | 2,6” | 2,3” | 3,8” | 3,2” | 2,6” | 3,1” | 2,6” |
Как видно из табл. 1, СКП эталонных углов, измеренных двумя разными по точности приборами, одинаковые. Отсюда можно сделать вывод, что определяющим фактором в полученных результатах является фокусное расстояние коллиматоров (зрительные трубы Т2, f=300мм). Полученные СКП эталонных углов показали, что испытание на разработанном стенде можно проводить только тех геодезических приборов, точность которых сопоставима с полученной или ниже.
Стенд УМК-М для исследования короткопериодической погрешности систем геодезических приборов для измерения вертикальных углов – рис.6
представляет собой вертикально установленный на изолированном фундаменте швеллер 19, на котором расположена станина 18 с подвижной кареткой 15. На станине жестко закреплена оправа 6 растровой меры 5 (LID-300 (HEIDENHAIN)), длина меры 200 мм, дискретность отсчитывания 0,5 мкм. На каретке расположены считывающая головка 4 LID-300, нивелир Ni-007 (поз.2), блок разрезного четырех площадочного фотодиода 1. Отражатель исследуемого тахеометра (на рис. 6 не показан) – жестко закреплен на уровне разрезного фотодиода на корпусе Ni-007 с противоположной стороны.
Рис.6. Схема вертикального стенда для исследования тахеометров.
Сигналы с разрезного фотодиода через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и электронного счетчика 21 LID-300 выводятся на ЭВМ. Растровая мера служит в качестве эталонной при измерении перемещений подвижной каретки, нивелир Ni-007 и разрезной фотодиод служат датчиками опорного направления при исследовании оптических приборов и приборов с лазерными указателями. Исследуемый теодолит (тахеометр) устанавливается на поворотном прецизионном столе, расположенном на изолированном фундаменте, расстояние между прибором и стендом – 9,8м (см. рис.5). Результаты испытаний тахеометра представлены на графике (рис. 7).
Рис. 7. Погрешности измерения вертикального угла тахеометром Leica TPS1100 на отражатель.
Из графика видно, что точность измерения вертикального угла при наведении на уголковый отражатель составляет 8”. Отсюда можно сделать вывод, что использование уголкового отражателя не приемлемо. Для исследований следует использовать разрезной фотодиод и полупроводниковый лазер для фиксации референтных направлений. В полученных результатах наблюдается закономерность, она возникает из-за не вертикальности движения каретки с отражателем вдоль стеклянной растровой меры (систематическая погрешность).
Исследование систематической погрешности вертикального стенда УМК-М с помощью лазерного интерферометра. Для этих исследований использован лазерный интерферометр фирмы HewlettPackardHP5528A с погрешностью измерения расстояний 1мкм+1ppm.
По результатам многократных измерений построен график погрешности (рис.8). В данном эксперименте систематическая погрешность не превышают 50 мкм. Полученные значения являются калибровочными и их следует вводить как поправки при поверке и калибровке тахеометров (нивелиров) на вертикальном стенде.
Рис.8. Cистематическая погрешность работы стенда.
Стенд УМК-М для поверки и калибровки системы "нивелир – рейка" – рис. 3(а). В отличие от исследования ВУ, при исследовании нивелиров на подвижный столик устанавливается нивелир (1) (оптический, цифровой, лазерный). Нивелир устанавливался на горизонтальном столике вертикального стенда. Расстояние от прибора до рейки составляло порядка 3 метров. Винт микроподачи обеспечивает перемещение в вертикальном направлении подвижной части со столиком и нивелиром. Инварная метровая штрих-кодовая рейка (7) устанавливается неподвижно (для оптических нивелиров используется метровая инварная рейка с 5мм делениями). На подвижной каретке закреплена считывающая головка Lid-300 (HEIDENHAIN) (5), растровая мера длиной 200мм (6) установлена в корпусе, жестко связанном с неподвижным, вертикально расположенным на фундаменте, швеллером. Мера изготовлена из стекла, коэффициент линейного расширения которого составляет 10мкм/м градус. Погрешность отсчитывания составляет порядка 3мкм. Перемещение в вертикальном направлении отображается на цифровом блоке VRZ 735 (HEIDENHAIN) с дискретностью 0,5 мкм.
Рис. 9. Результаты исследования нивелира DiNi10 и 1м штрих-кодовой инварной рейки.
Рис. 10. Результаты исследования нивелира DiNi12 и 1м штрих-кодовой инварной рейки.
На графиках (рис. 9 и 10) показаны результаты исследования цифровых нивелиров DiNi10, DiNi12 и 1 метровой инварной штрих-кодовой рейки.
Из графиков видно, что погрешность определения превышения по инварной штрих-кодовой рейке цифровым нивелиром DiNi10 не превышает 0,05 мм, а DiNi12 – не превышает 0,015 мм. На графиках (рис. 9 и 10) показаны результаты исследования на одном из участков рейки, выбор именно этих участков обусловлен наибольшей величиной погрешности.
Горизонтальный стенд УМК-М для поверки и калибровки системы "нивелир – рейка". Основой разработанного стенда является оптико-механический компаратор МИИГАиК, существенно доработанный и усовершенствованный (см. рис.4).
Для совместного исследования нивелира и рейки применялась методика, разработанная в главе 2. Зная расстояние между микроскопами по инварному жезлу, мы имеем возможность переместить подвижную каретку на это расстояние. Вводим штрих рейки в бисектор микроскопа и снимаем отсчеты по нивелиру. Затем перемещаем каретку с рейкой так, чтобы тот же штрих рейки попал в бисектор другого микроскопа, и снимаем отсчеты по нивелиру. Разность двух соответствующих отсчетов даст нам перемещение. Также возможны исследования c использованием лазерного интерферометра.