 |
Принципиальная схема цифрового нивелира и его основные части
|
|
|
|
При использовании цифровых (кодовых) нивелиров достигается наибольшая степень автоматизации процесса геометрического нивелирования. Особенностью цифрового нивелира является наличие электронного датчика, позволяющего автоматически снимать отсчеты по специальной штрих-кодовой рейке, определять расстояние до реек, вычислять превышения и отметки точек нивелирного хода. Общий вид цифрового нивелира DiNi 12 фирмы Trimble (США) с указанием основных частей прибора представлен на рис. 43.
Измерения DiNi можно выполнять как электронным методом с автоматическим считыванием отсчетов по кодовым рейкам, так и визуальным методом с использованием реек РН-3, т. е. как оптическим нивелиром. В последнем случае отсчеты снимают по метрической стороне рейки и вводят в память прибора вручную.
Автоматическое снятие отсчетов обеспечивается с помощью специального приемного устройства, в качестве которого в нивелире использована (рис. 44) ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью); она размещается в плоскости изображений, создаваемых зрительной трубой.
Рис. 43. Общий вид цифрового нивелира DiNi 12
Рис. 44. Оптическая схема цифрового нивелира DiNi:
1 – объектив; 2 – фокусирующая линза; 3, 4 – призмы; 5 – нити; 6 – куб-призма; 7 – сетка нитей; 8 – окуляр;
9 – зеркало-компенсатор; 10 – сенсорный приемник; 11 – воздушный демпфер; 12 – корпус трубы;
А, В, С, В – точки закрепления нитей
ПЗС-матрица 10 воспринимает и накапливает идущие от объектива частицы света (фотоны) и преобразовывает их в электрические заряды. Считывая эти заряды, можно с помощью компьютера восстановить изображение объекта, которое проецируется на светочувствительную поверхность матрицы. С помощью ПЗС-матрицы распознается кодовая маска на нивелирной рейке, изображение которой получают с помощью оптической системы зрительной трубы в плоскости сетки нитей 7 и в плоскости чувствительной поверхности ПЗС-матрицы. Отсчет по рейке снимается автоматически и вносится в память прибора.
|
|
|
Цифровой нивелир DiNi 12 позволяет выполнять нивелирование с высокой точностью: 0,3 мм на 1 км двойного хода при использовании инварных штрих- кодовых реек (с BAR- кодом) и 1,0 мм – при использовании складных алюминиевых штрих- кодовых реек. При визуальных измерениях по складным рейкам с метрической оцифровкой точность измерений снижается до 1,5 мм на 1 км хода. Основные типы реек для цифровых нивелиров DiNi показаны на рис. 45.
Рис. 45. Рейки для цифрового нивелира DiNi: а – LD 23/24 – деревянные складные рейки с BAR-кодом, Е градуировка, 3 и 4 м.; б – LD 11/12/13 – инварные рейки с BAR-кодом, 1, 2 и 3 м
Прибор позволяет также выполнять измерения направлений с помощью горизонтального лимба с ценой деления 1°, что позволяет брать отсчеты по отсчетному индексу до 0,1°. Предварительную установку прибора выполняют подъемными винтами трегера 9 (см. рис.43) по круглому уровню с ценой деления 8′ на 2 мм. Точное приведение визирной оси в горизонтальное положение осуществляется с помощью оптического компенсатора; рабочий диапазон компенсатора составляет + 15′ с точностью установки + 0,2′′. Визирование на рейку выполняют с помощью бесконечного наводящего винта 5.
Со стороны окулярной части нивелира располагается панель управления с жидкокристаллическим дисплеем и клавиатурой (рис. 46); назначение клавишей определяется подписями. Назначение функциональных клавиш, расположенных непосредственно под дисплеем, описано в нижней строке дисплея.
Для сохранения данных измерений служит карта памяти PCMCIA объемом до 8 Мбайт, размещаемая в защищенном отсеке прибора. РС карты отличаются большой емкостью, высокой сопротивляемостью к внешним условиям, прочностью и надежностью. На РС карте объемом 1Мб можно записать около 10000 строк с данными полевых измерений со сроком хранения 1 год.
|
|
|
Рис. 46. Клавиатура и дисплей панели управления DiNi 12
В карте памяти записи данных последовательно пронумерованы. Каждая запись данных состоит из адреса, идентификатора точки, содержащего номер точки, код точки и номер хода, и 3 измеренных и вычисленных величин. Для хранения данных на РС картах можно создавать DOS совместимые каталоги и файлы (проекты) и сохранять записи данных для других проектов.
Встроенное в прибор стандартные программы обеспечивают различные функции измерений: однократные и многократные измерения, проложение нивелирного хода, нивелирование поверхности и вынос точек в натуру. Главное меню программного обеспечения включает следующие функции:
1. «Input» – Установка постоянных прибора;
2. «Adjustment» – Юстировка положения визирной оси;
3. «Data transfer» – Передача данных;
4. «Setting of recording» – Установка параметров данных;
5. «Instrument settings» – Установка параметров прибора;
6. «Line adjustment» – Уравнивание нивелирного хода.
Передача измеренных и вычисленных величин из прибора на внешние устройства (напр., персональный компьютер), и наоборот осуществляется через интерфейс 10 RS 232C (см. рис.43).
Питание прибора осуществляется от аккумуляторной батареи, располагаемой в специальном отсеке 6 (см. рис. 43). Емкость аккумулятора обеспечивает работу прибора в течение 3 дней при интенсивной работе (800 – 1000 измерений в день).
27.3. Подготовка прибора к измерениям
Нивелир извлекают из футляра, и закрепляют на головке штатива с помощью станового винта.
Прибор включают с помощью клавиши 
. На дисплее отображается программа измерений, использованная в предыдущий раз. Если изображение на дисплее нечеткое, то следует включить подсветку 
(что подтверждается мигающей звездочкой в правом верхнем углу экрана), либо подрегулировать контрастность с помощью кнопки 
.
С помощью кнопки (INFO) следует проконтролировать состояние аккумулятора, которое отображается символом аккумулятора в правом верхнем углу дисплея. Если аккумулятор садится, то на дисплее появляется сообщение «Change battery» (Замените аккумулятор). После этого сообщения необходимо быстро заменить аккумулятор, предварительно выключив прибор, чтобы предотвратить потерю информации.
|
|
|
Если карта памяти PCMCIA не находится в оттеске прибора, то сообщение об ошибке выдается на дисплей.
Перед измерениями нивелир устанавливают в рабочее положение, включающее горизонтирование прибора и подготовку зрительной трубы для наблюдений.
Горизонтирование нивелира выполняют с помощью подъемных винтов по круглому уровню.
Подготовка трубы для наблюдений состоит по установки трубы по глазу наблюдателя и по предмету (фокусирование трубы). Для установки трубы по глазу наводит зрительную трубу на светлую поверхность, и вращают окулярное кольцо до получения четкого изображения сетки нишей. Фокусирование трубы выполняют с помощью фокусировочного винта 2 (см. рис.43) до получения четкого изображения делений рейки.
После фокусирования трубы следует убедиться в отсутствии параллакса сетки нишей; при движении глаза наблюдателя перед окуляром изображения сетки нитей и делений рейки не должны смещаться относительно друг друга.
С учетом производства определенного вида работ выполняют установку параметров и постоянных прибора.
К основным параметрам прибора относятся:
– единицы измерения высот при электронном (и визуальном) считывании отсчетов по соответствующим рейкам – м (метры);
– дискретность отсчетов по рейке – 0,00001 м (0,001 м);
– автоматическое выключение прибора – через 10 минут; OFF (ВЫКЛ);
– звуковой сигнал – ON (ВКЛ); OFF (ВЫКЛ).
Постоянные прибора, которые обеспечивают автоматический контроль измерений и при их нарушении выдают предупреждения, включают показатели:
– максимальная длина плеча – от 10 до 100 м;
– минимальная высота визирования – от 0 до 1 м;
– максимальная разница превышений, полученных на станции – от 0 до 0,01 м;
– коэффициент рефракции – от –1 до +1;
– постоянная рейки – от 0 до 5 м (для реек сторонних производителей);
– дата;
– время.
|
|
|
Перед началом нивелирования создается файл с названием местоположения объекта нивелирных работ; далее в программу измерений вводят номер хода, номера задней и передней точек и информацию о методе нивелирования, отражающую порядок считывания отсчетов по задней и передней рейкам на нечетных/четных станциях.
Например:
– при обычном методе порядок визирования на нечетных/четных станциях не изменяется: ЗП-ПЗ/ЗП-ПЗ, ЗП-ЗП/ЗП-ЗП, ЗЗ-ПП/ЗЗ-ПП;
– при альтернативном методе: ЗП-ПЗ/ЗП-ПЗ, ЗП-ЗП/ПЗ-ПЗ, ЗЗ-ПП/ПП-ЗЗ.
Если после установки нивелира в рабочее положение наклон визирной оси выходит за пределы рабочего диапазона компенсатора («залипание» компенсатора), то на дисплее появится сообщение!!Comp!! При попытке выполнить измерение включается сигнал предупреждения. В этом случае следует заново отгоризонтировать прибор и при необходимости выполнить поверки. Если устранить неисправность не удалось, следует обратиться в сервисную службу.
Поверки нивелира
Перед началом полевого сезона у нивелира с компенсатором в лабораторных условиях исследуют диапазон действия компенсатора, точность самоустановки линии визирования в горизонтальное положение и ряд других технических характеристик.
Установка нивелира на станции в рабочее положение выполняют по круглому уровню, ось которого при транспортировке, сотрясениях и по другим причинам изменяет свое положение. Поэтому для исключения заметных систематических погрешностей требуется ежедневное приведений оси круглого уровня в положение, параллельное оси вращения нивелира.
Правила эксплуатации нивелира DiNi предусматривают периодическое выполнение двух основных поверок.
1. Поверка круглого уровня. Ось круглого уровня должна быть параллельна оси вращения нивелира.
С помощью подъемных винтов тщательно приводят пузырек круглого уровня в нуль-пункт. Поворачивают верхнюю часть прибора на 180° вокруг вертикальной оси. Если при этом пузырек смещается за пределы нуль-пункта, то необходимо выполнить юстировку уровня.
Для этого откручивают крепежный винт защитной крышки 15 (см. рис.43) и снимают ее. Действуя юстировочными винтами уровня, смещают пузырек по направлению к нуль-пункту на половину дуги отклонения. Затем подъемными винтами выводят пузырек уровня в нуль-пункт и повторяют процедуру поверки и юстировки до выполнения условия.
2. Поверка положения визирной оси. Визирная ось зрительной трубы должна быть горизонтальной.
Повышенные нагрузки на нивелир в экстремальных условиях измерений, после длительного хранения, при транспортировке и больших перепадах температур может привести к разъюстировке прибора и, как следствие, к ошибочным результатам измерений, особенно при большой разности нивелирных плеч.
|
|
|
Из рекомендованных для нивелира DiNi способов поверки главного геометрического условия рассмотрим способ Куккамяки, сущность которого состоит в следующем.
На местности в точках 1 и 2, расположенных на расстоянии d =20м друг от друга, закрепляют деревянные копья, в котором забивают гвозди со сферическими шляпками, или металлические костыли (рис.47).
Рис. 47. Поверка положения визирной оси по методу Куккамяки
Нивелир устанавливают в рабочее положение в точке 
, расположенной посередине между точками установки реек 1 и 2. Последовательно визируют на рейки и берут отсчеты 
и 
. Вычисляют превышение между точками 1 и 2, как
,
которое будет свободно от влияния негоризонтальности визирной оси прибора, кривизны Земли и рефракции.
Прибор переносят в точку 
, отстоящую от точки 2 на 20 м. Берут отсчеты по рейкам 1 и 2 и вычисляют превышение.
или 
,
где 
– суммарная погрешность превышения за кривизну Земли, рефракцию и негоризонтальность визирной оси.
При установке нивелира в точке из-за неравенства расстояний до реек следует учитывать неодинаковое влияние на отсчеты по рейкам кривизны Земли и рефракции. Для этого в отсчеты по рейкам вводят поправки 
и 
, равные:
– поправка за кривизну Земли; (54)
– поправка за рефракцию, (55)
где 
– расстояние до рейки (длина нивелирного плеча); 
– средний радиус Земли (R=6371км); 
– коэффициент рефракции, равный в среднем 0,14.
Для различных длин нивелирных плеч поправки в отсчеты по рейкам за кривизну Земли и рефракцию (при =0,14) имеют следующие значения:
| Длина плеча, м поправки: | |||||
| , мм
| 0,008 | 0,031 | 0,070 | 0,125 | 0,283 |
 , мм
| 0,001 | 0,004 | 0,010 | 0,018 | 0,040 |
суммарная
 , мм
| 0,007 | 0,027 | 0,060 | 0,107 | 0,243 |
Значения отсчетов по рейкам 
и 
, исправленные за кривизну Земли и рефракцию с учетом длин нивелирных плеч (см. рис. 47), будут равны:
; 
,
а превышение между точками 1 и 2 при нивелировании со станции
.
Погрешность определения превышения за счет негоризонтальности визирной оси
.
Угол наклона визирной оси при разности плеч 
будет равен
.
Пример измерений и вычислений при поверке положения визирной оси нивелира приведен в табл. 28.
Таблица 28. Поверка положения визирной оси нивелира DiNi по методу Куккамяки (при d=10м)
| Точка стояния рейки | Отсчеты по рейкам, мм со станции | Поправки в отсчеты  , мм
| Исправленные значения отсчетов, мм | Погрешности превышения  , мм и угла наклона виз. оси c′′
| Безошибочные значения отсчетов по рейкам, мм | |
|
|
| |||||
1611,48
| 
2020,35
| 
–0,11
| 
2020,24
| 
| 
2018,92
| |
|
1298,16
|
1706,29
| 
–0,03
| 
1706,26
| 
| 
1705,60
| |
| Превышения, мм | 
+313,32
| 
+313,98
| 
+313,32
|
Свободные от влияния негоризонтальности визирного луча (безошибочные) отсчеты по рейкам со станции определятся (см. табл. 28) из выражений:
Процедура юстировки положения визирной оси электронным методом состоит в следующем.
Перед началом поверки необходимо убедиться, что нивелир адаптировался к температуре окружающей среды и защищен от прямых солнечных лучей.
Для начала процесса юстировки после нажатия кнопки пуска на правой стороне прибора (либо кнопки MEAS на панели управления) устанавливают на дисплее один из четырех рекомендованных методов поверки (напр., рассмотренный выше метод Куккамяки) и режим многократных измерений (
-кратных). В соответствии с выбранным режимом снятия отсчетов по рейкам будет выполняться принятое число раз, либо до тех пор, пока стандартное отклонение не достигнет установленной величины (напр. 0,1 мм).
После выбора метода юстировки в меню «Input» (Установка постоянных прибора) вводят значения поправок за кривизну Земли и рефракцию. Поправку за рефракцию рекомендуется вводить в случаях, когда для данных условий измерений известно значение коэффициента рефракции. Если поправку за рефракцию не учитывают, то устанавливают коэффициент рефракции равным нулю.
Перед выполнением процедуры юстировки положения визирной оси переключатель INP – FUNCTION в меню «Instrument settings» (Установка параметров прибора) нужно установить в положение «м» (метры).
После вызова функции юстировки на дисплее высвечивается текущее значение поправки за наклон визирной оси. Выполнение процедуры юстировки начинают нажатием «o.k.» После её завершения новое значение поправки за наклон визирной оси подсчитывается автоматически. Для подтверждения правильности введения нового значения поправки следует нажать «o.k».
Новое значение юстировки визирной оси прибора (угла 
) может отличаться от предыдущей не более чем на несколько секунд. Если различия в результатах измерений при поверках, проведенных в течение короткого периода при стабильных условиях окружающей среды, достаточно велики (более 
), то следует обратиться в сервисную службу.
Если принимается новое значение юстировки визирной оси, то на дисплее появляется запрос о контроле положения сетки нитей для визуального считывания. При существенном значении угла (для высокоточных нивелиров при 
) следует изменить положение визирной оси зрительной трубы. Для этого рейку разворачивают метрической оцифровкой к нивелиру, берут отсчет и сравнивают его с электронным. Если разница превышает 2 мм, то следует отъюстировать положение сетки нитей. Для этого снимают защитную крышку со стороны окуляра и вертикальными юстировочными винтами сетки нитей устанавливают горизонтальную нить сетки на правильный отсчет.
Для большей надежности поверку и юстировку положения визирной оси следует повторить.
|
|
|
