3.6. Линейные и круговые шкалы. Отсчетные устройства

3.6.1. Шкалы

Шкалы являются неотъемлемой частью геодезических приборов. Они служат мерами, с которыми сравнивают измеряемые величины.

Шкала представляет собой систему штрихов, нанесенных на какой–либо поверхности и расположенных перпендикулярно к линии шкалы, называемой осевой. В зависимости от формы этой линии шкалы разделяют на линейные и криволинейные. Частным случаем криволинейных шкал являются круговые. Они широко применяются в геодезических угломерных приборах и называются лимбами.

Один из штрихов шкалы принимают за начальный. Он может располагаться по краям шкалы (в линейных шкалах) и в середине (в линейных и круговых – непрерывных шкалах).

Интервал между смежными штрихами шкалы называют делением, а величину τ, равную разности значений двух смежных штрихов x_i+1 и x_i шкалы, называют ценой деления,

τ =( x_i+1 – x_i) (51)

Различают шкалы равномерные и неравномерные. В равномерных шкалах штрихи располагаются на равных расстояниях друг от друга. В геодезических приборах чаще применяют равномерные шкалы. Примером неравномерной шкалы могут служить шкалы вольтметров и амперметров.

Для удобства отсчитывания штрихи шкалы подписывают (оцифровывают) через определенные промежутки. Чаще подписывают штрихи, соответствующие целому числу единиц значений, например, сантиметров, дециметров, градусов, минут и т.д. Еще чаще подписывают лишь штрихи, значения которых кратны 5, 10 и т.д. Например, штрихи на лимбах, рассматриваемых при отсчитывании невооруженным глазом или через лупу, обычно подписывают через 5º или 10º. Подписанные штрихи делают обычно длиннее остальных. Иногда для удобства отсчитывания делают несколько удлиненными и некоторые неподписанные штрихи. Например, если удлиняют на лимбе градусные штрихи, то несколько удлиняют и полуградусные.

Если при отсчитывании шкалу рассматривают в микроскоп, то штрихи подписывают так, чтобы в поле зрения микроскопа было видно одновременно не менее двух подписанных штрихов. В некоторых особых случаях допускается, чтобы в поле зрения микроскопа был виден лишь один штрих. Обычно на лимбах, рассматриваемых при отсчитывании в микроскоп, подписывают каждый градус. Направление возрастания отсчетов на лимбах зависит от их целевого назначения и последующих способов обработки угломерной информации. На лимбах для измерения горизонтальных углов оцифровка сделана по часовой стрелке (рис.47, а) по всей окружности. Для вертикальных кругов применяют различные виды оцифровки. Во-первых, оцифровка может быть такой же, как и на горизонтальном круге (рис.47, а). Но на лимб наносят и подписывают градусные деления не по всей окружности, а лишь на участках по 60є. Второй вариант – симметричный (рис.47, б). Причем оба нулевых штриха принимают за начальные. Третий вариант оцифровки (рис.47, в) предусматривает знаки для углов наклона при основном положении вертикального круга: плюс (зрительная труба направлена вверх) и минус (зрительная труба направлена вниз). В высокоточных теодолитах вертикальный круг используется для измерения зенитных расстояний и имеет особенности в оцифровке делений.

Лимбы современных оптических угломерных приборов изготавливаются в форме стеклянного кольца 1 (рис.47, г), которое с помощью прижимного кольца 2 крепится к корпусу 3. Корпус 3 с лимбом 1 насаживают либо на вертикальную ось вращения всего прибора, либо на горизонтальную ось вращения зрительной трубы в зависимости от назначения лимба.

Все современные теодолиты имеют стеклянные угломерные круги, на которых нанесены круговые шкалы – лимбы. Современное оборудование позволяет делить круги с высокой точностью – около 1". Условия, в которых должна находиться делительная машина: располагаться на изолированных фундаментах в отдельных специальных оборудованных помещениях на первом этаже или в подвальной части здания с кондиционированным воздухом.

По мере развития технологии становится возможным изготавливать лимбы более прогрессивными методами: методом прецизионной фотолитографии, методом нанесения штрихов и цифр на лазерном построителе, управляемом ЭВМ. Государственным стандартом для каждого типа теодолита установлена определенная точность деления угломерных кругов. Точность характеризуется полной погрешностью диаметров (под погрешностью диаметров понимают полусумму погрешностей положения штрихов, отстоящих один от другого на 180°).

Действительные значения погрешности диаметров в новых теодолитах не превышают значений, указанных в таблице.

В некоторых случаях погрешности диаметров после установки и закрепления круга в теодолите возрастают. Это может быть следствием деформации круга при закреплении из-за неплоскостности оправы или из-за наличия остаточных внутренних напряжений в стекле, которые вызывают в дальнейшем деформацию круга. Поэтому необходимо исследовать точность разделения кругов нового теодолита, если требуется в дальнейшем выполнять им ответственные и точные работы.

В России освоено нанесение штрихов по лаку методом напыления металла – хрома в вакууме. Внедрение этого метода не только повысило качество штрихов, но и позволило изготавливать угломерные круги с тонкими штрихами (шириной 0,002 мм и менее).

К угломерным кругам предъявляют жесткие требования в отношении чистоты полировки поверхностей, особенно к тем, на которые нанесены штрихи. Например, в зоне штрихов, в пределах участка поля зрения, при увеличении микроскопа 65^х – 70^х допускаются точки диаметром до 0,002 мм – не более трех.

Рис. 47. Виды оцифровки лимбов геодезических приборов

К настоящему времени теоретически разработан, экспериментально опробован и применяется на практике ряд средств и методов автоматизации угловых измерений [5]. Основой автоматизации служат лимбы (диски) с закодированными шкалами градусных делений и специальные устройства для считывания закодированной информации, ее обработки и хранения.

Вся совокупность средств и методов автоматизации угловых измерений по принципу считывания направлений и углов подразделяется на две группы: позиционные и накопительные (импульсные).

Позиционные средства (иногда называемые абсолютными) отличаются тем, что с диска (лимба) может быть считано любое направление (позиция) в градусной (градовой) мере. Для этого на диске делают несколько дорожек, на которых в определенном коде черно–белыми отрезками кодируют угломерную шкалу (рис.48, а). Количество дорожек (разрядов) зависит от требуемой точности считывания информации. При этом каждый разряд (дорожка) соответствует строго определенному виду информации: сотни градусов, десятки градусов, тактовая дорожка и т.д. (рис.48, б). Горизонтальный угол получается как разность отсчетов (позиций) двух направлений визирования по аналогии с классическим методом полуприемов.

Накопительные (импульсные) средства автоматизации, называемые иногда относительными, базируются на использовании импульсных дисков (рис.48, в), несущих на себе маску последовательно чередующихся элементов «да» и «нет», имеющих одинаковый размер и подсчитываемых электронными счетчиками. Идея импульсного способа измерения углов состоит в том, что величина угла (горизонтального или вертикального) определяется числом импульсов (квантов, элементов кода, инкрементов), укладывающихся на дуге окружности, заключенной между двумя сторонами угла. Размер (цена деления) одного импульса зависит от числа N импульсов, расположенных по окружности диска, и равен τ =360º/N. Иногда этот способ автоматического измерения углов называют накопительным, имея в виду тот факт, что величина угла получается как сумма импульсов (инкрементов), заключенных в его дуге. Возможны два варианта измерения углов, идентифицируемых с классическими. Первый способ приемов – угол получается как разность числа импульсов от произвольно расположенного нуля до правого направления угла и числа импульсов до левого направления. Второй – способ повторений – нуль диска, соответствующий началу счета импульсов, совмещают с левой стороной угла, а его величину получают с помощью подсчета импульсов, уложившихся между левой и правой сторонами горизонтального угла. При этом импульсы могут быть световыми (оптическими), звуковыми (магнитными) и электрическими. Первые два вида импульсов, в конечном счете, преобразуются в электрические.

Считывание закодированной информации проводится с помощью механических, индуктивных, магнитных, фотоэлектрических преобразователей и электроннолучевой трубки. В геодезическом приборостроении более рациональными оказались фотоэлектрические преобразователи. Их работа основана на явлениях, возникающих при освещении или затемнении фотоэлементов. Кодовая маска в этом случае состоит из участков, пропускающих и не пропускающих свет, и наносится на стеклянные диски или линейки. В сущности, любой фотоэлектрический преобразователь (рис.49) состоит из источника света 1, ограничивающей 2 и считывающей 4 щелей блока фотоэлементов 5. Количество фотоэлементов соответствует числу дорожек кодового диска 3. Иногда для формирования более узкого пучка света используют цилиндрические линзы, устанавливая их между источником света и кодовым диском. От источника света через ограничивающую щелевую диафрагму проходит узкий пучок света, пересекающий маску в радиальном направлении. Прозрачные участки маски пропускают свет, который затем попадает на соответствующий фотоэлемент. На выходе фотоэлемента возникает сигнал, который может быть считан. Непрозрачные участки маски не пропускают света, поэтому на выходах соответствующих им фотоэлементов сигналов не возникает. Комбинация сигналов на всех фотоэлементах позволяет считать информацию в виде двоичного числа в определенном коде (на рис.49, а двоичное число 0110 соответствует числу 06 в десятичной системе счисления). Точность считывания информации с угломерных кругов (дисков) зависит от характера работ и колеблется в довольно широком диапазоне от 0,1" до 1'.

Считывание оптических импульсов отличается более высокой точностью (возможно изготовление диска с 200 штрихами на 1мм дуги) и потому наиболее широко распространено в геодезическом приборостроении. Для получения наивысшей точности обычно увеличивают число импульсов, содержащихся на окружности диска. При этом используют различные механические, оптические, электронные методы и средства. Одним из первых и наиболее удачных решений в этой области является импульсный датчик формы «Лейтц» (Германия). Диск R (рис.49, б) жестко крепится на алидаде и вращается вместе с ней. На нем нанесено 5000 штрихов, ширина которых равна расстоянию между ними. Лампочка L через конденсор К освещает около 200 рисок сетки. Объективы О₁ и О₂ передают изображение сетки левой части лимба с помощью пентапризм Р₁, Р₃ и прямоугольных призм Р₂, Р₄ на диаметрально противоположную часть лимба в масштабе 1:1. Призмы способствуют оборачиванию изображения, так что изображение левой части при вращении лимба движется против движения правой стороны. Благодаря этому, частота фототока удваивается. Призма Волластона W двойным преломлением расщепляет изображение сетки на два. Одно из изображений образовано действительными лучами, другое – мнимыми. Система рассчитана так, что оба изображения сетки диска попадают на диаметральные риски на взаимном удалении Ѕ интервала сетки. Делительная призма D действует как анализатор, делит оба изображения и направляет одно из них на фотодиод А, другое – на фотодиод – В. Электрические токи, возникающие в обоих фотодиодах, оказываются после этого взаимно сдвинутыми по фазе на 90є (рис.49, в). Они попадают в электронную цепь, где триггеры преобразуют синусоидальные сигналы 1 в прямоугольные 2, 3 того же периода. В дифференцирующем блоке появятся импульсы 4, которые после усиления и выпрямления направляются на ввод счетчика импульсов. Поскольку, кроме главных (синусоидальных) сигналов, образуются зеркальные (косинусоидальные) сигналы (в параллельно соединенной триггерной цепи) и вводятся в дифференцирующую цепь, то число импульсов в 2π будет 2·4·N = 40 000, а величина одного импульса интерполируется несколькими частями, что обеспечивает очень высокую точность отсчитывания. Для интерполирования импульсов используются различные средства и методы [5]: эффект Муара, «синусная щель», эффект «огибания препятствий», фазовые решетки и др.

В любом виде считывающих преобразователей обязательно имеется дискриминатор направления, который определяет знак импульса, т.е. направление вращения алидадной части, и решает задачу – прибавить или вычесть импульс из общей суммы.

Современные электронные геодезические приборы обеспечивают точность считывания информации с лимбов до 0,1".

Рис. 48. Способы кодирования информации.

Рис. 49. Способы считывания информации.