Реферат: Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений
Калибровку проводят в помещении с постоянной температурой и давлением, при минимальном времени проведения измерений.
Методы поверки и калибровки системы "нивелир – рейка". Основной метрологической погрешностью нивелира является средняя квадратическая погрешность измерений превышений на 1 км нивелирного (двойного) хода. Пути её выявления весьма трудоемки, и получение инструментальной погрешности нивелирования затруднительно. Для решения этой задачи в диссертации разработаны и исследованы методы и средства калибровки системы "нивелир-рейка".
Метод исследования системы "нивелир – рейка" при помощи растрового измерительного преобразователя. Метод разработан для получения инструментальных погрешностей системы "нивелир – рейка". В качестве эталонного средства при калибровке предложено использовать растровый измерительный преобразователь, погрешность измерения которого не превышает 3 мкм. Исследуемый нивелир устанавливается на подвижную каретку вертикального стенда совместно с растровым преобразователем. Нивелиры могут быть, как цифровые, так и оптические. В соответствии с исследуемым нивелиром выбирается рейка со штрих-кодом или с оцифрованной шкалой. Рейка устанавливается на неподвижный столик и приводится в отвесное положение с помощью круглого накладного уровня и подъемных винтов столика.
Методика проведения калибровки заключается в измерении одинаковых значений вертикальных перемещений с помощью растрового измерительного преобразователя и нивелира по рейке. При проведении калибровки предусмотрена возможность применения альтернативного эталонного средства – лазерного интерферометра (погрешность 1мкм+1ppm). Для этого отражатель интерферометра закрепляется совместно с нивелиром и измерительным преобразователем. На рис.3 представлена схема проведения калибровки системы "нивелир – рейка".
В момент проведения исследования отсчеты по нивелиру, интерферометру и датчику измерительного преобразователя берутся одновременно и затем сравниваются. Отражатель интерферометра и нивелир должны перемещаться совместно с растровым измерительным преобразователем вдоль меры (рис.3(а) ). Эталонное превышение сравнивается с превышением, измеренным нивелиром по рейке.
Рис.3. Схема калибровки системы "нивелир – рейка" ,
а) когда нивелир перемещается вдоль растровой меры, б) когда рейка перемещается вдоль растровой меры: 1-исследуемый нивелир, 2-лазерный интерферометр, 3-разворачивающий блок интерферометра, 4-отражатель интерферометра, 5- растровый измерительный преобразователь, 6-стеклянная растровая мера, 7- нивелирная рейка.
Разработанный метод позволяет получить инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка", как длиннопериодическую, так и короткопериодическую составляющие. Для разделения погрешностей отдельно нивелира и отдельно рейки следует эталонировать нивелирную рейку (например, на компараторе) и затем учесть погрешность рейки.
Метод исследования системы "нивелир – рейка" на компараторе – основывается, как и в предыдущем методе, на компарировании или сравнении. Для проведения калибровки используются два эталонных средства измерения превышений: Это лазерный интерферометр (погрешность 1мкм+1ppm) и инварный жезл (погрешность 10мкм). Метод заключается в том, что перемещение рейки и эталонного жезла осуществляется в горизонтальном положении по направляющим рельсам на подвижной тележке. Основой данного метода является существенно усовершенствованный оптико-механический компаратор МИИГАиК (рис.4 ). На изолированных "малых" фундаментах (12) с интервалом в 1м закреплены рельсы (3), выставленные в горизонт и по азимуту. На рельсах установлена подвижная каретка (1). На "больших" фундаментах, расположенных за рельсовым путем, закреплена направляющая (7) длиною 3,5м, на которой располагаются микроскопы (5), имеющие возможность перемещения по этой направляющей. Направляющая с микроскопами располагается над рельсовым путем. На расстоянии 25м по направлению рельсов на бетонной основе устанавливается нивелир (8); с другой стороны – лазерный интерферометр (11) и блок опорного канала (10), для измерения интерферометром на подвижной каретке закреплен уголковый отражатель (9). Для разворота изображения рейки на направляющей закреплено наклонное зеркало (6), которое имеет возможность юстировки. Для проведения измерений на каретку одновременно или по очереди устанавливаются инварный жезл (4) и исследуемая рейка (2). Если за эталонное средство принимается только инварный жезл, то температура следует измерять с точностью порядка 0,10 С. При использовании интерферометра, как правило, параметры окружающей среды берутся с датчиков интерферометра.
Рис. 4. Принципиальная схема стенда.
Как и в предыдущем методе, разработанный метод позволяет выявить длиннопериодические и остаточные погрешности измерения превышений, но не позволяет в полной мере оценить короткопериодические погрешности. Это связанно с ограниченностью задания минимального превышения ценой деления рейки. Но в методе предлагается задавать эталонные превышения интерферометром; это даст возможность выявление короткопериодической погрешности измерения превышения системы "нивелир – рейка".
Метод исследования системы "нивелир – рейка" с использованием концевых мер длины основан на сравнение эталонных превышений, задаваемых при помощи концевых мер длины (КМД), с измеренными превышениями нивелиром по рейке. Для изменения высоты точки в разработанном методе используются концевые меры длины II разряда, погрешность размера которых не превышает 0,4 мкм (при температуре 200 С). Эталонные превышения задаются в диапазоне 0¸200мм с шагом от 0,2мм до 10мм, что позволяет выявить короткопериодические погрешности на отдельном участке рейки. Таким образом, существует возможность исследовать инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка".
Для выполнения исследования нивелир устанавливается на жесткое основание, на выбранном расстоянии устанавливается горизонтальный столик с отшлифованной поверхностью. На столик поочередно устанавливаются и притираются КМД различной высоты, на меры ставится нивелирная рейка с накладным уровнем. При установке различных КМД и рейки снимается отсчет по нивелиру. Результатом калибровки являются графики погрешности измерения высоты КМД.
Предлагаемый метод является более функциональным, так как позволяет производить исследование на больших расстояниях между нивелиром и рейкой, а так же позволяет проводить испытания как в лабораторных, так и в полевых условиях.
Представленные во 2-ой главе разработки позволяют:
- исследовать короткопериодическую погрешность измерения вертикального угла геодезических приборов – теодолитов, тахеометров;
- исследовать инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка" при помощи растрового измерительного преобразователя;
- исследовать инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка" на компараторе;
- исследовать инструментальную погрешность системы "нивелир – рейка" с использованием концевых мер длины;
- провести калибровку координатных систем типа лазерный трекер.
Третья глава. В этой главе представлены разработанные стенды для поверки и калибровки, входящие в разработанную при участии автора поверочную установку УМК-М.
Стенд УМК-М для поверки и калибровки систем геодезических приборов для измерения вертикальных углов (Вертикальный стенд) – рис. 5.
Рис.5. Схема стенда для исследования тахеометров при измерении ВУ.
В точках К1,К3,К4,К5,К6, установлены коллиматоры (в качестве коллиматоров использованы зрительные трубы теодолитов типа Т2), а в точке Т – поверяемый теодолит. Взаимное расположение коллиматоров таково, что обеспечивает измерение вертикальных углов (ВУ) от 00 до450 и от 00 до - 450 .
Для испытаний геодезических приборов необходимо знать эталонный угол. Для измерения эталонных углов были использованы высокоточные приборы: оптический теодолит Т1 и электронный тахеометр фирмы "Leica" TPS 1100 (mn = 0,5”). Были произведены измерения всех вертикальных углов двенадцатью приемами. В результате измерений были получены средние квадратические погрешности (СКП) для средних значений ВУ из 12-ти приемов (см. табл. 1) .
Таблица 1
| Прибор | Теодолит Т1 | Тахеометр TPS 1100 | ||||||
| n | +40 | +250 | +450 | -450 | +40 | +250 | +450 | -450 |
| mn | 2,9” | 2,6” | 2,3” | 3,8” | 3,2” | 2,6” | 3,1” | 2,6” |
Как видно из табл. 1 , СКП эталонных углов, измеренных двумя разными по точности приборами, одинаковые. Отсюда можно сделать вывод, что определяющим фактором в полученных результатах является фокусное расстояние коллиматоров (зрительные трубы Т2, f=300мм). Полученные СКП эталонных углов показали, что испытание на разработанном стенде можно проводить только тех геодезических приборов, точность которых сопоставима с полученной или ниже.