Раздел 4. Электронные измерения углов
4.1. Электронные теодолиты
Электронные измерения угловых величин реализуются в электронных теодолитах и электронных тахеометрах.
Электронный теодолит является устройством, в котором проводится автоматическое прочитування угловых величин с превращением их в электрические сигналы. Эта операция осуществляется с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). В электронных теодолитах применяются два основных вид АЦП, которые отличаются методом
Рис.4.1. Пример кодированного круга в электронном теодолите
получение информации об углу в виде электрических сигналов. Эти два метода получили название кодового и інкрементального; последний часто называют просто цифровыми.
Кодовый метод. При этом методе лимб, из которого прочитывается угловая величина, является стеклянным диском, на котором нанесенная система концентрических кодовых дорожек, которые составляются из отдельных элементов типа «так – нет» (например, прозрачных и непрозрачных участков), забезпечуюючих возможность создания сигналов 1 и 0 в двоичной системе при прочитуванні. Расположение этих элементов такое, что они в определенном коде зашифровывают подлежащую измерению угловую величину, причем каждая дорожка обычно отвечает определенному разряда в значении угловой величины, которая измерится. Количество дорожек и последовательность расположения элементов в них зависят от выбранного кода и желательной точности получения угла. Как код могут использоваться разные числовые коды – двоичный, двійково-десятичный, циклический и др. На рис.4.1 показанный вид кодированного круга в электронном теодолите, что является составной частью одного из электронных тахеометров фирмы « Х'юлетт-Паккард» (США).
Кодовый метод является абсолютным методом, то есть таким, при какому значению углового направления (определенному угловому положению кодового диска) однозначно отвечает определенный кодированный исходный сигнал. Для прочитування информации из кодовых дисков используется, как правило, оптический (фотоэлектрический) образ: кодовый диск просвечивается световым пучком, который потом поступает на фотоприемочное устройство, например, на матрицу фотодиодов, которая позволяет получить на выходе разные комбинации электрических сигналов при изменению углового положения кодового диска. Таким образом, каждая комбинация отвечает определенному значению углового направления; дальше электрические сигналы поступают в логические схемы обработки, которые осуществляют декодирование и воспроизведение величины, которые измерится, в цифровом виде на табло.
Інкрементальний метод. Он основан на использовании штрихового растру – системы радиальных штрихов, которые наносятся обычно на внешнем крае лимба или алидады через одинаковые интервалы. Плотность растру может быть очень высокой (к сотням штрихов на 1 мм) что обеспечивает высокую точность измерений. Непрозрачные штрихи и прозрачные интервалы между ними (обычно уровне толщине штрихов) образовывают последовательность элементов «так – нет», которые в этом случае называют інкрементами ( от англ. increment – бесконечно малый прирост). Угол поворота такого растрового круга может быть оценен по количеству інкрементів, что прошли через фиксированную точку. Прочитування проводится также оптическим методом и количество пройденных інкрементів выражается числом импульсов света, которые поступили на фотоприемник. При этом для обеспечения реверсивного счета импульсов, то есть отсчета с учетом направления обращения круга, применяются два фотоприемника (фотодиода), что воспринимают импульсные сигналы, сдвинутые по фазе на 90о. Этого может быть достигнуто или соответствующим размещением фотодиодов относительно растру, или применением двух одинаковых растровых последовательностей, сдвинутых на 1/4 інкремента. Принципы считывания углов по горизонтальному и вертикальному кругам идентичные.
Одним из возможных вариантов есть использования відображуючого растра, в котором интервалы между штрихами не пропускают, а отбивают свет Принцип системы отчисления в этом случае, использованный, например, в высокоточных теодолитах Теомат и тахеометрах Тахимат швейцарской фирмы «Вільд», иллюстрируется на рис.4.2.
Рис.4.2. Принцип прочитування при использовании отбивного растру
В реальных системах имеет место не импульсное, а приблизительно синусоидальное изменение интенсивности света на фотоприемниках при обращении растрового круга, и импульсы формируются из получаемых на выходе фотоприемников сигналов известными электронными образами.
Інкрементальний метод является относительным методом, при которому определяются только изменения углового положения круга, то есть измеряются углы, тогда как при кодовом методе измеряются направления, а углы исчисляются как различия направлений.
Как при кодовому, так и при інкрементальному методе для повышения точности прочитування углов применяются интерполяторы – системы, которые содержат несколько, расположенных определенным чином по отношению к угловому кругу пар фотодиодов, сигналы от которых сдвинуты по фазе на определенную величину; эти сигналы обделываются совместно, что позволяет получить высокое угловое разрешение.
Примером интерполятора может служить система, изображенная на рис.4.2; здесь анализатор, на котором также нанесенные штрихи, играет роль дифракционных решеток, которые позволяют получить в плоскости изображения 4 пучка и использовать 4 фотоприемника, расположенные таким образом, что они при обращении круга создают четыре электрических сигнала, сдвинутые по фазе относительно друг друга на 90о. С помощью их составление и отнимание образовываются еще 4 сигнала, и все эти сигналы обделываются совместно.
В современных электронных теодолитах точность измерения углов может быть очень высокой, достигая 0,5".