2. Условия эксплуатации оптических теодолитов

Н

Рисунок 1. Геометрическая схема высокоточного теодолита

а рис. 1 изображены основные плоскости и оси теодолита. ГГ, ВВ - следы плоскостей горизонтального и вертикального кругов; LL, ll, l’l’ - ось цилиндрического, накладного уровня, цилиндрического уровня при алидаде горизонтального и вертикального кругов; vv, hh, pp - вертикальная ось теодолита, ось вращения зрительной трубы и оси вращения подъемных винтов соответственно; zz — визирная ось, проходит через перекрестие сетки нитей и оптический центр объектива.

Плоскость горизонтального круга и ось вращения трубы должны быть перпендикулярны к вертикальной оси теодолита. Визирная ось трубы должна быть перпендикулярна к оси вращения трубы. Ось вращения алидады и ось вращения горизонтального круга должны проходить через центр кольца делений лимба. При угловых измерениях вертикальная ось теодолита должна совпадать с отвесной линией в точке его стояния. Нарушения геометрической схемы теодолита приводят к ошибкам в отсчетах и в итоге - к ошибкам в конечных результатах угловых измерений.

В теодолите должны быть согласованы точность изготовления осевой системы, точность нанесения делений, точность визирования, точность изготовления и компоновки узлов отсчетного устройства, точность изготовления цилиндрических уровней, компенсаторов и т.д.

3. Основные части геодезических приборов

Лимбы и зрительные трубы теодолита.

Лимбы оптических теодолитов изготавливают из оптического стекла, они являются стеклянными дисками, на поверхности которых по окружности через заданный интервал (5, 10, 20' и т.д.) наносят деления. Стеклянный лимб соосно крепится к металлическому кругу, который устанавливают на ось вращения теодолита (горизонтальный круг) или на ось вращения трубы (вертикальный круг). Информация о делениях лимба передается двумя методами. В теодолитах типа ОТ-02 и Вильд Т-3 идущие от источника света лучи проходят через лимб и отражаются от его верхней поверхности, покрытой амальгамой. В теодолитах типа Т05, Т1, Т2, Т5 световые лучи просвечивают лимб. После прохождения через противоположные концы диаметра световой поток несет изображение противоположных штрихов лимба, которое через оптическую систему поступает в оптический микрометр.

В высокоточных геодезических сетях горизонтальные направления измеряют с ошибкой не более 0,3 - 0,5". Эта ошибка является результатом действия многих факторов, поэтому ошибки положения штрихов на лимбе должны быть в 2-3 раза меньше ошибок измерения направлений, т.е. в среднем 0,15", не превышая предельного значения 0,5". При радиусе г кольца делений лимба линейное смещение штриха относительно его расчетного положения определяют по формуле

При r=90 мм (Т05) и 0,5" находим . Следовательно, нанесение делений лимба высокоточных теодолитов должно выполняться с наивысшей точностью, достигнутой современным приборостроением.

Зрительные трубы (рис. 2, а) в геодезических приборах используют для наведения на марки и другие визирные цели и для отсчитывания по рейкам. Современные зрительные трубы являются сложными оптико-механическими устройствами и как минимум состоят из объектива, окуляра, фокусирующей линзы и сетки нитей. Как правило, они дают увеличенное обратное изображение. Однако изготавливают трубы, дающие прямое изображение, для чего между окуляром и объективом помещают оборачивающие системы, формирующие совместно с окуляром прямое изображение.

В геодезических приборах в основном используют трубы, состоящие из положительного объектива с большим фокусным расстоянием и положительного короткофокусного окуляра. Объектив создает перевернутое уменьшенное изображение. Так как визирная цель располагается от объектива на расстоянии, значительно превышающем двойное фокусное расстояние, то изображение располагается вблизи заднего фокуса объектива в плоскости сетки нитей, это изображение вместе с сеткой нитей (рис. 2,б) рассматривается в окуляр как через лупу (рис. 2,в).

В астрономических теодолитах используют ломаные трубы с обратным изображением. Обычно применяют трубы с внутренней фокусировкой. Используют также и зеркально-линзовые трубы, например в DKM-3. Для невизуальных наблюдений применяют трубы с фотоэлектрической, лазерной, телевизионной и другими системами наведения трубы.

Рисунок 2. Схемы зрительной трубы с внутренним фокусированием: а - устройство; б - сетка нитей; в - ход лучей; 1 - объектив; 2 - головка фокусирующего устройства; 3 - фокусирующая линза; 4 - исправительные винты сетки; 5 - стеклянная пластинка сетки; 6 - окуляр

Линию, проходящую через заднюю главную точку объектива и перекрестие сетки нитей, называют визирной осью. Точность визирования с помощью зрительной трубы зависит от разрешающей силы трубы, разрешающей способности глаза наблюдателя, контраста цели и фона, на который она проектируется, колебаний изображения, прозрачности атмосферы и т.п.

Разрешающей способностью глаза называют наименьший угол , при котором близко расположенные точки еще видны раздельно. В среднем считают =60". Разрешающая сила зрительной трубы

,

где Г - увеличение трубы.

При благоприятных условиях наблюдения средняя квадратическая ошибка визирования:

В табл. 1 для различных теодолитов приведены значения Г, , и .

Сетка нитей теодолита обычно имеет две близкие параллельные нити - биссектор, угловое расстояние между нитями около 35". Точность визирования биссектором значительно выше визирования одной нитью.

Табл. 1.

Параметр	Марка теодолита
	Т05	Т1	T2	Т5	ОТ-02М
Увеличение трубы Г, крат	36;50;60	30,40	25	27	24:30
Разрешающая сила трубы . угл.с	1,7:1.2.1,0	2,0; 1,5	2.4	2,2	2,5;2,0
Средняя квадратичеекая ошибка визирования тв, угл.с	0,6.0.4;0,3	0.7;0,5	0.8	0,7	0,8;0,7

Окулярный микрометр. Для уменьшения влияния случайных ошибок визирования трубы высокоточных теодолитов имеют окулярные микрометры, состоящие из подвижного биссектора сетки нитей, связанного с отсчетной шкалой микрометра. При наблюдении биссектор не менее трех раз наводят на визирную цель и в результате определяют среднее значение смещения визирной цели (середины биссектора) относительно нуль-пункта биссектора. Выразив в угловой мере, определяют поправку в отсчет по лимбу. Применение окулярного микрометра в 1,5-2 раза уменьшает влияние случайных ошибок визирования.

Поверительная труба. Высокоточные теодолиты имеют поверительную трубу с окулярным микрометром. Она крепится к* подставке теодолита, используется для учета кручения столика геодезического сигнала при наблюдениях. Перед началом угловых измерений поверительную трубу наводят на расположенную в 1-2 км от пункта визирную цель и закрепительным устройством жестко скрепляют с подставкой теодолита. По разностям отсчетов по поверительной трубе вычисляют поправки в измеренные направления и углы за кручение сигнала. Если кручение не более 1" за 4-5 мин, то поверительную трубу не применяют.

. Фокусирование зрительной трубы позволяет отчетливо видеть изображение наблюдаемых предметов, для чего в современных приборах используют фокусирующую линзу 3 (см. рис., 2,а), расположенную между объективом 1 и окуляром 6 (зрительные трубы с внутренней фокусировкой имеют постоянную длину). Зрительные трубы с внешней фокусировкой, когда резкость изображения достигается перемещением окулярной части; т.е. изменением длины трубы, как правило, в современных геодезических приборах не используют.

В окулярной части трубы располагают пластину, на которой изображена сетка нитей (см. рис.2, б), при фокусировании плоскость изображения предметов местности должна совпадать с плоскостью сетки нитей, только в этом случае резко видны и сетка нитей, и изображения предметов местности, и имеется возможность уверенно навести перекрестие сетки нитей на визирную цель.

Ход лучей в зрительной трубе с внутренней фокусировкой показан на рис. 2,в. Совместное действие объектива и фокусирующей линзы соответствует действию одной эквивалентной линзы с фокусным расстоянием

,

где - фокусные расстояния объектива и фокусирующей линзы, l-расстояние между ними.

Подготовку зрительной трубы для наблюдения выполняют путем установки трубы "по глазу" вращением окулярной трубки при визировании на светлый фон до четкого изображения сетки нитей, и установки трубы "по предмету" перемещением фокусирующей линзы в трубе с помощью кремальеры до получения четкого изображения наблюдаемого предмета. При этом, как отмечалось, плоскость изображения предмета должна совпадать с плоскостью сетки нитей. Несовпадение изображения предмета с плоскостью сетки нитей называют параллаксом, его устраняют более точной установкой "по глазу" и "по предмету". При отсутствии параллакса небольшое перемещение глаза наблюдателя относительно окуляра не вызовет смещения сетки нитей с наблюдаемого предмета.

Увеличением Г трубы называют отношение угла а, под которым изображение предмета видно в трубу, к углу , под которым предмет виден невооруженным глазом (рис. 3,а), т.е.

,

где - фокусные расстояния - объектива, - окуляра.

Рисунок 3. Схемы определения увеличения зрительной трубы

Кроме того, увеличение трубы определяют путем подсчета числа делений рейки, виденных невооруженным глазом, в одном делении рейки, наблюдаемом в трубу. На рис. 3,б это 15 делений, т.е. увеличение трубы Г=15 крат.

Полем зрения трубы называют пространство, видимое в трубу при неподвижном ее положении, его выражают углом (рис.4) с вершиной в оптическом центре 0 объектива и направлениями на точки m₁,m₂ диафрагмы сетки нитей. Угол можно определить как разность отсчетов при наведении на одну и ту же точку противоположными концами сетки нитей. Кроме того (см. рис. 4),

,

где n - видимый в трубу отрезок рейки, D - расстояние от объ¬ектива до рейки, =57,3°. В современных теодолитах поле зрения трубы колеблется от 1 до 2".

Осевые системы и уровни теодолита

В теодолите основной является вертикальная ось, относительно которой размещают все узлы теодолита согласно геометрической схеме. В современных высокоточных теодолитах Т05, Т1, ОТ-02М (УВК), точных - 2Т, 2Т2А, 2Т5К, 2Т2КП, 3Т2КА, 3Т5КП и технических теодолитах Т30, 2Т30 применяют цилиндрические оси. В отечественных теодолитах ОТ-02 и теодолитах фирмы "Вильд" впервые применена саморегулирующаяся система: в верхней конической части цилиндрической втулки 2 установлены подшипники 3 с тремя точками соприкосновения, а в нижней - узкий пояс трения скольжения по цилиндру (рис. 4). Под действием массы алидады и собственной массы шарики стремятся скатиться по наклонной плоскости, охватывая со всех сторон ось 1, не позволяя ей колебаться при вращении алидады. Для обеспечения высокой устойчивости оси при вращении алидады разность диаметров шариков не должна превышать 0,5 мкм.

В теодолитах типа DKM-3 применяют вертикальную ось с горизонтальным разнесением шариковой опоры - разность диаметров шариков 2 0,2 мкм (рис. 5). Такая конструкция позволяет уменьшить высоту прибора, переместить центр его тяжести вниз и в результате - увеличить устойчивость теодолита. При этом обеспечивается свободное вращение алидады вокруг оси 1 и уменьшается чувствительность системы к измерениям температуры.

Уровни используют для установки линий и плоскостей перпендикулярно или параллельно отвесной линии. Кроме того, уровни можно использовать для измерения малых вертикальных углов. Уровень состоит из ампулы, наполненной жидкостью, оправы для предохранения ампулы и для ее установки на приборе. Уровни бывают круглые и цилиндрические. Внутренняя поверхность круглого уровня является сферической, его осью называют радиус сферической поверхности, проходящей через нуль-пункт.

Рис. 4. Цилиндрическая полуось полукинематического типа с шариковой опорой в теодолитах типа ОТ-02: 1 – ось алидады; 2 - втулка алидады; 3 - ширкоподшипники (опора алидады); 4 – лимб; 5 – ведущий поясок; 6 - подставка

Рис. 5. Вертикальная ось теодолита DKM-3 с разнесенной шариковой опорой: 1 – ось алидады; 2 – шарикоподшипник; 3 – лимб; 4 - подставка

Ампулы цилиндрических уровней изготавливают из молибденового стекла, которое является более твердым, имеет меньшую шероховатость шлифованной поверхности, на внутренней поверхности ампулы меньше образуется твердых налетов перикисных соединений. Ампулы высокой и средней точности заполняют этиловым наркозным эфиром или его смесью с этиловым ректифицированным спиртом, ампулы низкой точности ( ) - этиловым спиртом. Заполненную горячей жидкостью ампулу запаивают, при остывании жидкости ее объем уменьшается и появляется пузырек с парами жидкости. Внутреннюю поверхность ампулы шлифуют по сферической поверхности. На ампулы наносят штрихи, обычно через 2мм. Среднюю точку между центральными штрихами называют нуль-пунктом. Касательную к внутренней поверхности ампулы в нуль-пункте называют осью цилиндрического уровня.

Радиус кривизны r ампулы зависит от цены деления уровня и расстояия между штрихами на ампуле, его определяют по формуле

, где - в угл. с.

В геодезических приборах используют ампулы: цилиндрические простые (АЦП) с (рис. 6,а); компенсированные (АЦК) с (рис. 6,б); регулируемые (АЦР) (рис. 6,в). Внутри ампулы АЦК помещают стеклянную палочку, которая уменьшает объем жидкости и величину температурных колебаний длины пузырька. В конце ампулы АЦР имеется камера, в которую при наклоне ампулы перемещается часть пузырька, регулируя таким образом его длину.

Рисунок 6. Цилиндрический уровень с ампулой

Минимальный угол наклона уровня, при котором происходит заметное смещение пузырька, называют чувствительностью уровня, считают, что она равна . При работе в поле уровень (и теодолит) необходимо защищать от солнечных лучей, так как одностороннее нагревание ампулы приводит к сдвигу пузырька к источнику тепла. Иногда, например, для подвесного маркшейдерского теодолита, используют реверсивные ампулы, имеющие одинаковые шкалы на противоположных поверхностях ампулы.

Исследование уровней выполняют для определения цены деления , чувствительности, качества и правильности шлифовки внутренней поверхности. Наиболее точно исследование выполняют на экзаменаторе, состоящем из станины с уровнем, тремя подъемными винтами и горизонтальной осью, вокруг которой вращается пластина, на пластину устанавливают исследуемый уровень. Наклоняя пластину с помощью высокоточного винта, по показаниям отсчетного диска я, фиксируют угол наклона где - цена деления отсчетного диска. Определив величину n перемещения пузырька уровня по деле-ниям на ампуле, находят цену деления уровня по формуле

.

В полевых условиях цену деления уровня нивелира определяют по рейке: при двух положениях пузырька делают отсчеты и по рейке. При известном расстоянии s до рейки

, где – в угл.с.

Цену деления уровня при алидаде вертикального уровня можно определить по отсчетам по вертикальному кругу при двух положениях пузырька уровня.

Высокоточные приборы имеют главный уровень, относящийся к оси вращения теодолита, и уровень при алидаде вертикального круга. Главный уровень используют для приведения основной оси теодолита в отвесное положение, а при алидаде вертикального круга - для приведения в горизонтальное положение нулевого диаметра вертикального круга.

Уровень устанавливают в нуль-пункт с точностью 0,2-0,3 . Для более точной установки пузырька в нуль-пункт применяют контактные уровни (рис. 7,а). Изображение концов пузырька уровня передают в поле зрения окуляра (рис. 7,б) с помощью системы призм, установленной над уровнем. Пузырек уровня находится в нуль-пункте, когда изображения концов пузырька уровня совпадают. Точность установки контактных уровней в нуль-пункт в 4-5 раз выше» чем в обычных уровнях.

Рисунок 7. Контактный уровень:

а – схема действия призменной системы; б – изображение концов пузырька цилиндрического уровня в поле зрения окуляра

Круглый уровень используют для предварительной установки основной оси прибора в отвесное положение. Ампула круглого уровня является частью сферы (рис. 8), помещенной в металлическую оправу, прикрепляемую к прибору, имеется три исправительных винта. Нуль-пунктом круглого уровня является центр концентрических окружностей, нанесенных на поверхность ампулы. Осью круглого уровня называют нормаль к внутренней поверхности ампулы в нуль-пункте. Цена деления круглого уровня равна 5-20'.