Text_1

ВВЕДЕНИЕ

§ 1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ КУРСА

По современным понятиям название дисциплины «Геодезическое инструментоведение» является некорректным, так как согласно принятым в метрологии признакам подавляющее большинство геодезических средств измерений относятся не к инструментам, а к приборам. В связи с этим, название учебной дисциплины, которой посвящено данное пособие, следует воспринимать как исторически сложившийся термин.

Предметом «Геодезического инструментоведения», как прикладной технической дисциплины является изучение теории и устройства геодезических приборов, методов их метрологического обслуживания, а также правил обращения с приборами и ухода за ними.

Вконструкцию современных геодезических приборов могут быть включены механические, оптические и электронные устройства. Исходя из этого, в задачу курса входит изучение перечисленных устройств и их работы во взаимодействии, например оптикомеханических или электронно-оптических систем. При этом необходимо не только хорошо знать конструкцию геодезических приборов, но и уметь правильно их выбирать и успешно применять для данного вида и требуемой точности работ, производить исследования и поверки приборов, устранять в случае необходимости их неисправности.

§2. КЛАССИФИКАЦИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Втопографо-геодезическом производстве геодезические приборы являются основным объектом стандартизации. ГОСТ 23543-88

[5]определяет общие требования к геодезическим приборам, а перечень стандартов на серийно выпускаемые в Российской Федерации и странах Содружества геодезические приборы можно найти в группе П 42, ежегодно выпускаемого указателя «Государственные стандарты Российской Федерации».

3

В стандартах группы П 42 принято классифицировать геодезические приборы по их назначению, точности и конструктивным особенностям. Например, по назначению выделены в отдельные стандарты теодолиты (ГОСТ 10529-86 [7]) и нивелиры (ГОСТ 10528-90 [4]); по точности теодолиты и нивелиры делят на высокоточные, точные и технические; по конструктивным признакам различают нивелиры с уровнем при трубе и с компенсатором. С другой стороны можно выделить и другие признаки классификации: по видам измерений, которые можно выполнить с помощью данного прибора (угломерный, дальномер, прибор вертикального проектирования и т.д.); наличие в его конструкции тех или иных устройств (оптико-механический прибор, электронно-оптический, электронный и т.д.).

§ 3. МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ

Целью метрологического обслуживания геодезических приборов является достижение единства и достоверности измерений. Для обеспечения единства измерений необходимо, чтобы измеряемые величины выражались в принятой международной системе единиц (СИ), введенной в нашей стране с 01. 01. 1980 г.

Достоверность измерений определяется метрологическим обслуживанием приборов через систему их испытаний, аттестаций, поверок и исследований.

Исследование – это совокупность экспериментальных операций или теоретических приёмов, направленных на изучение конкретных характеристик прибора, либо определение зависимости параметров (функций) от изменения воздействующих факторов (аргументов).

Поверкой называется совокупность экспериментальных операций, направленных на осуществление контроля метрологической исправности прибора. При этом под метрологической исправностью понимают такое состояние средств измерений, при котором их метрологические характеристики отвечают установленным требованиям. Поверка, осуществляемая при выпуске прибора из производства или после ремонта, называется первичной; она производится ведом-

4

ственной метрологической службой, т.е. заводом-изготовителем или организацией, имеющей лицензионное право на ремонт геодезических приборов. Поверки, осуществляемые при эксплуатации или хранении прибора, называются периодическими и проводятся орга- низацией-потребителем в соответствии с требованиями действующих нормативных документов.

Обобщающие выводы

Современное название учебной дисциплины следует воспринимать как исторически сложившийся термин. В топографогеодезическом производстве геодезические приборы являются основным объектом стандартизации.

Целью метрологического обслуживания геодезических приборов является достижение единства и достоверности измерений. Для обеспечения единства измерений необходимо, чтобы измеряемые величины выражались в принятой международной системе единиц (СИ), введенной в нашей стране с 01. 01. 1980 г. Достоверность измерений определяется метрологическим обслуживанием приборов через систему их испытаний, аттестаций, поверок и исследований.

Вопросы для самоконтроля

1.Что является предметом изучения курса «Геодезическое инструментоведение»?

2.С какими областями науки и техники связано геодезическое инструментоведение?

3.Назовите основные области применения геодезических при-

боров.

4.В чем сущность стандартизации?

5.Какие задачи решает стандартизация?

6.Какие существуют категории стандартов, в чем их разли-

чие?

7.Объясните, в чем принципиальное различие между поверкой и исследованием.

8.Что изучает метрология?

5

1. СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИЧЕСКОЙ И ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Построение оптических систем геодезических приборов основывается на законах и понятиях геометрической и физической оптики. С точки зрения физической оптики свет, по своей сущности, представляет единство двух процессов – волнового и квантового. Такие явления, как интерференция, дифракция и поляризация могут быть объяснены только волновой природой света, а фотоэлектрический эффект, излучение и поглощение – квантовой теорией. Такие явления, как отражение, преломление и давление света легко объясняются как волновой, так и квантовой теориями. Поскольку некоторые из названных явлений широко используются в геодезических измерениях, то при создании, например, лазерных геодезических приборов, фотоэлектрических устройств, интерферометров и дифракционных приборов необходимо учитывать понятия и законы физической оптики.

Вместе с тем построение оптических систем зрительных труб, отсчётных устройств оптических теодолитов, контактных уровней нивелиров и других конструктивных элементов геодезических приборов может быть основано на упрощённых представлениях природы света и его распространения в пространстве, т.е. на понятиях и законах геометрической оптики.

1.1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Согласно волновой теории процесс распространения световой энергии в свободном пространстве представляет собой электромагнитные волны, которые характеризуются колебаниями напряжённости электрического (Е) и магнитного (Н) полей (рис. 1).При этом вектор электрической напряжённости находится в вертикальной плоскости, т.е. совпадает с направлением оси X, а вектор магнитной напряжённости совпадает с направлением оси Y. В однородных средах направление движения электромагнитной волны совпадает с направлением оси Z, т.е. с направлением вектора Умова-Пойтинга, перпендикулярного к вектору магнитной и вектору электрической напряжённости.

6

ной фазой 0 .

Длина волны – это расстояние, на которое распространяется волна за время одного периода колебания T , т.е

где t - момент времени, определяющий положение частицы волны. Круговая частота определяется равенством:

Под частотой колебания f понимают число периодов в единицу времени, т.е.

7

Квантовая (фотонная) теория рассматривает свет как поток световых частиц – квантов (фотонов). Связь волновой характеристики света (длины волны ) и его квантовой характеристикой (массы фотона m ) описывается равенством

скорость движения квантов в вакууме.

Дисперсия света. Дисперсией света называют явления, обусловленные зависимостью показателя преломления вещества от

Для большинства прозрачных веществ n возрастает с уменьшением 0 . Такой характер дисперсии называется нормальным. Зависимость n от 0 в области нормальной дисперсии описывается формулой Коши

где a, b, c - постоянные, которые для каждого вещества определяются экспериментально.

В прозрачных средах в результате изменения направления распространения света при преломлении дисперсия света приводит к его спектральному разложению в следующей последовательности цветов: красный, оранжевый, жёлтый, зеленый, голубой, синий, фиолетовый.

Поглощение света. При прохождении света через вещество интенсивность его уменьшается – часть светового потока поглощается веществом. При этом изменение интенсивности на пути dl пропорционально длине этого пути и самой интенсивности:

8

где – коэффициент поглощения, который зависит от длины волны света .

Поляризация света. Электромагнитные волны, у которых направления электрического E и магнитного H полей сохраняются неизменными в пространстве или изменяются по определенному закону, называются поляризованными. Плоско-поляризованной или линейно-поляризованной называют волну с неизменным направлением E

Интерференция света. Явление, заключающееся в том, что при наложении двух световых волн или более с одинаковой частотой и поляризацией в различных точках пространства происходит усиление или ослабление результирующей амплитуды световых колебаний в зависимости от соотношения между фазами колебаний световых волн в этих точках, называется интерференцией света.

Дифракция света. Дифракция – это явление, обусловленное проникновением света в область геометрической тени, т.е. прямолинейность луча вследствие дифракции нарушается. Угол отклонения луча, вызванный дифракцией, может быть вычислен по приближенной формуле

1.2. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ЗАКОНЫ ГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Понятие о светящейся точке, как о бесконечно малом источнике световой энергии, Такое представление является отклонением от действительности, так как в этом случае объемная плотность энергии в светящейся точке должна быть равна бесконечности, что противоречит законам физики.

Понятие о пучке лучей, исходящих из светящейся точки, вдоль которых происходит распространение световой энергии в пространстве (рис. 2).

9

щийся и сходящийся гомоцентрические пучки лучей. Пучок лучей, центр которого удален в бесконечность, называется пучком параллельных лучей.

При прохождении расходящегося гомоцентрического пучка лучей через оптическую систему путем отражений и преломлений происходит его трансформирование. При этом возможны два варианта. В первом случае (рис. 3) гомоцентричность лучей не нарушается, и предмет S изображается в виде точки S . Такие изображения называют точечными или стигматическими. На самом же деле, получается дифракционное изображение точки в виде центрального светлого диска, окруженного тёмными и светлыми кольцами. Радиус центрального диска, в котором сосредоточено 84 % всей световой

твора вышедшего пучка лучей. Таким образом, из формулы (10)

Рис. 3. Стигматическое дифракционное изображение точки

10

следует, что это понятие согласуется с волновой теорией света при условии 0 .

Во втором случае (рис. 4) оптическая система может деформировать световую волну. Тогда лучи не пересекутся в одной точке, т.е. нарушится гомоцентричность пучка лучей и стигматичность изображения. Такие оптические системы имеют аберраций (искажения) и изображение светящейся точки получается размытым. При расчете оптических систем стремятся найти такое сочетание линз, сортов стекла и расстояний между ними, чтобы аберрации были малы, а нерезкости изображений не имели бы практического значения.

Оптическая система

S

Рис. 4. Нестигматическое изображение точки

Закон прямолинейного распространения света.

В однородной и изотропной среде (обладающей одинаковыми свойствами во всех направлениях) свет между двумя точками распространяется по прямой линии, соединяющей эти точки. Закон не соблюдается, если среда является неоднородной (с различными оптическими свойствами в разных частях пространства), а также вследствие дифракции, когда свет проникает в области геометрической тени. Закон прямолинейного распространения света широко используется при визировании зрительных труб, измерения непрямолинейности объектов относительно оптического створа и т.д.

Закон независимого распространения света.

Согласно этому закону отдельные лучи, выходящие из различных центров излучения, не влияют друг на друга и распространяются так, как будто других лучей не существует. Если лучи, вы-

11

ходящие из общего центра излучения, приходят в одну точку различными путями, то обнаруживается явление интерференции. Закон не соблюдается также в тех случаях, когда источниками света являются мощные лазеры. В геодезии этот закон используют, например, при выносе точек способом теодолитной створной засечки.

Закон отражения света.

Закон отражения (рис. 5) формулируется следующим образом:

-падающий луч AO , нормаль NO к отражающей поверхности PP в точке падения O и отраженный луч OA находятся в одной плоскости;

-угол падения равен углу отражения по абсолютной величине, но противоположен ему по знаку:

света проявляется в тех случаях, когда луч света, распространяющийся в однородной среде с показателем преломления n , попадает в другую однородную среду с показателем преломления n (рис. 6).

Закон преломления света формулируется следующим образом:

-падающий луч AO , нормаль NO к преломляющей поверхности PP в точке O и преломлённый луч OA находятся в одной плоскости;

-оптические инварианты двух сред равны между собой:

12