Пролетарии всех стран, соединяйтесь! _______________________________________________________________________________________________________
ГЕОДЕЗИЯ И КАРТОГРАФИЯ 12 • декабрь • 1983 Орган Главного управления геодезии и картографии при Совете Министров СССР ЕЖЕМЕСЯЧНЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ ОСНОВАН В 1925 ГОДУ
Р е д а к ц и о н н а я к о л л е г и я: В. В. Полевцев (главный редактор), И. Т. Антипов, Е. П. Аржанов, В. В. Баканова, Л. И. Беляева, Б. Ш. Бородин, Н. И Вавилина (зам. главного редактора), Н. Н. Воронков, М. Г. Герасименко, Л. П. Дмитриев, Л. А Кашин, Ю. П. Киенко, Ю. М. Киселев, Б. В. Краснопевцев, П. Н. Кузнецов. Г. П. Левчук, А. Н. Лобанов, Б. М. Малахов, С. П. Малинин, Ю. К. Неумывакин, Л. П. Пеллинен, О. В. Портнова, Е. А. Решетов, В. С. Сытник, Н. М. Терехов, Л. С. Хренов, Н. В. Яковлев
_______________________________________________________________________________________________________ Москва, «Недра»
© Издательство «Недра», «Геодезия и картография», 1983 г.
УДК 528.541.088.22 : 621.375.826
И. В. ДЖУНЬ, М. Е. ДРУЖИНИНА,, Э. А. ВАСИЛЬЕВА, Н. П. МАЛЬЧУК
0 ВЛИЯНИИ ЛАЗЕРНОЙ ПРИСТАВКИ ПЛ-1 НА ОСНОВНОЕ УСЛОВИЕ НИВЕЛИРА НЗ С 1980 г. отечественной промышленностью серийно выпускается лазерная приставка ПЛ-1 к нивелиру НЗ (рис. 1) для задания в пространстве горизонтальной или наклонной до 3°52' линии лазерным лучом. При этом оптическая система визирной трубы нивелира используется в качестве коллиматора для фокусирования лазерного пучка и визира для его ориентирования. Лазерная приставка ПЛ-1 состоит из излучателя 2, поворотной оптической насадки 1, кронштейна 3 и универсального источника питания 5. Излучатель представляет собой гелий-неоновый лазер модели ЛГ—72 с мощностью излучения 0,7 мВт (видимое излучение красного цвета), сохраняющий стабильность выходных параметров в диапазоне температур от —50 до +50 °С. Размер лазерного пятна на выходе излучателя 1,5 мм, угол расхождения пучка 10,3'. По сравнению с лазерами других моделей ЛГ—72 наименее чувствителен к механическим и климатическим воздействиям. Прибор хорошо работает в полевых условиях при влажности воздуха не более 95 %. Время подготовки к работе составляет 15 мин. Средний ресурс рабочего времени не менее 10 000 ч. Оптическая насадка имеет два зеркала. Проходя через насадку, лазерный луч дважды преломляется и вводится в окуляр зрительной трубы нивелира параллельно своему первоначальному положению. С излучателем оптическая насадка соединена шарнирно. В вертикальном положении насадка фиксируется винтом-стопором. Кронштейн предназначен для установки и закрепления излучателя на трубе нивелира. В комплект ПЛ-1 входит поворотная призма 4, позволяющая визировать на точку обычным способом без отведения в сторону оптической насадки (источник питания при' этом должен быть отключен). ПЛ-1 работает как от сети переменного тока напряжением 220 В, так и от аккумулятора. По данным исследований дальность действия прибора зависит от освещенности
Рис. 1. Лазерная приставка ПЛ-1 к нивелиру НЗ на объекте работ: при ярком солнце — до 50 м, в пасмурную погоду — до 150 м, в сумерках и ночью— до 300 м. Диаметр сфокусированного лазерного пятна на экране равен соответственно 4, 18 и 30 мм. Прибор НЗ с лазерной приставкой ПЛ-1 предназначен для выполнения геодезических разбивочных и строительно-монтажных работ. Существующие методы детальных геодезических построений способом створов с применением лазерного прибора предусматривают установку его над одним из геодезических знаков с соблюдением условия: лазерный пучок должен находиться в вертикальной плоскости, проходящей через центры осевых знаков, и одновременно в горизонтальном положении. Для получения вер ных
Рис. 2.
Схема
установки лазерной
приставки
зрительную трубу нивелира НЗ: а — симметрично; б — асимметрично
ПЛ-1 на
результатов перед началом работ выполняют поверки и юстировку геодезического прибора. Одна из поверок, приведенная в паспорте лазерной приставки, сводится к обеспечению условий правильного ввода лазерного
Рис. 3. Схема расположения нивелира при проведении экспериментов по определению изменения угла і под влиянием нагрузки от ПЛ-1 луча в коллиматор, при котором будут получены максимальная мощность лазерного излучения на выходе коллиматора и изображение лазерного пятна на экране с полным наполнением и наибольшей яркостью. При установке лазерной приставки на зрительную трубу создается нагрузка на ее объективную часть, в полтора раза превышающая массу нивелира. Естественно предположить, что такая нагрузка может оказать влияние на геометрические характеристики зрительной трубы. В связи с этим нами поставлен ряд экспериментов с целью изучения влияния нагрузки, создаваемой приставкой, на величину угла і между визирной осью зрительной трубы и осью цилиндрического уровня нивелира в случаях, когда ПЛ-1 установлена на трубе нивелира симметрично (рис. 2, а), нижний винт Я кронштейна не зажат и зажат; когда ПЛ-1 установлена на трубе асимметрично (рис. 2, б), нижний винт Я не зажат и зажат, а также с различными приставками ПЛ-1. При исследованиях использовались десять нивелиров и восемь лазерных приставок. Эксперименты выполнялись на двух базисах длиной 110,5 и 84,7 м, закрепленных стальными стержнями в лабораторных условиях на бетонном полу и в полевых — на асфальтном покрытии. Каждый эксперимент состоял из нескольких серий измерений и выполнялся по
следующей схеме. Вначале определялось превышение между конечными точками базиса А и В четырьмя-пятью сериями при установке нивелира без ПЛ-1 строго посередине базиса (рис. 3, а). Затем нивелир переносили на другую станцию, ближе к точке А (рис. 3,6), с которой брались отсчеты по ближней и дальней рейкам вначале без лазерной приставки, а затем с установленной на трубе приставкой. По окончании серии измерений вновь определяли превышение между конечными точками базиса нивелированием из середины (без приставки) с целью выявления остаточных влияний нагрузки на трубу нивелира. Угол і (см. рис. 3) определяли по формуле " ap" bp" hcp i , d1 d1 d1
(1)
где а и b — отсчеты по рейкам; hcp — среднее превышение между конечными точками базиса, определенное из п серий измерений; ρ=206265"; d1 — расстояние до дальней рейки. Формула для стандарта (средней квадратической ошибки) определения угла і получена путем дифференцирования формулы (1) по переменным а, b, hcp и d1, в результате получено соотношение " 2
2
c
2
p
2a d
2 1
2b d
2 1
2 hcp d
2 1
2d
1
d
4 1
(a b hcp ) 2 ,
(2)
где с, р, a, b, h и d — индексы, соответствующие стандартам совмещения пятки с началом шкалы деления рейки, отсчетов, превышения и измерения расстояния. Величины стандартов σс=0,25 мм и σр =0,5 мм заимствованы из работы [2]. Стандарты σа и σb вычислялись по формуле, приведенной в работе ,[4, с. 734] для вычисления стандарта взгляда 2 2 взг сов отс i2 ф2 ,
(3)
где σсов, σотс, σi и σф – обусловленные ошибками совмещения, отсчета, изменением температуры воздуха и перефокусировкой. Причем
2 сов
1,5d 10 4
л
2 отс (0,3 0,2
i (d 3 d п )
(4)
;
d
т
i "
"
(5)
);
(6)
,
где τ=15" — цена деления уровня на 2 мм; d — расстояние от нивелира до рейки, м; υ×л и υ×т — увеличение луп контактного уровня и трубы нивелира; d3 и dn — расстояния от нивелира до задней и передней реек, мм; Δi = = 0,6”/1 °С [5, с. 83]. В период проведения экспериментальных работ в лабораторных условиях температура воздуха оставалась постоянной, поэтому стандарт σi не учитывался. В полевых условиях изменение температуры в отдельные дни достигало 3—4 °С. При этом величина σi достигала 0,6—0,7 мм и принималась во внимание при обработке результатов соответствующих серий измерений. Таблица 1
Нивелир НЗ № 00104 НЗ № 00104 НВ-1 НВ-1 НВ-1 НЗ № 27944 НЗ № 27944 НВ-1 № 08234 НВ-1 № 08234 НЗ № 20461 НЗ № 20461 НЗ № 02817 НЗ № 02817 НЗ № 02817
Эксперимент* А В А В С А В А В В В А В С
Изменение угла і и средняя квадратическая ошибка определения изменения + 2,9 ±3,7" + 17,8±3,2 +7,05 ±3,21 +2,41 ±5,67 -34,18±2,39 + 12,85±3,36 + 14,41±3,55 +9,30±1,59 + 13,02±2,12 + 19,32±3,69 + 14,51±3,07 +0,40±0,86 -0,14 ±0,60 +0,14±0,80
• А — приставка установлена симметрично, винт Н не закреплен; В — то же, винт Н закреплен; С — приставка установлена асимметрично.
Величина σф согласно работе [5] не должна превышать 1 мм, поэтому можно принять ф
1мм 0,35 мм. 2 2
Оценка стандарта определения превышения выполнялась по формуле Бесселя; величину σd/d принимали равной 1/200. Для решения вопроса о том, будет ли значимой разность величин xcp и хПЛ-1 (см. рис. 3), определенных без ПЛ-1 и. с ПЛ-1, использован критерий Стьюдента [1]. Изменение угла і под действием нагрузки на нивелир, создаваемой ПЛ1,. вычислялось по формуле i
xcp xcpПЛ 1 d1
".
(7)
Полученные результаты приведены в табл. 1. Из анализа полученных данных следует, что установка лазерной приставки ПЛ-1 на трубу нивелира симметрично и без зажима нижнего винта кронштейна Н приводит к систематическому изменению угла і нивелира. Об отсутствии
такого
изменения
можно
говорить
с вероятностью,
не
превышающей 14%. Угол і изменяется на величину от 2,9 до 12,8". После зажима винта Н систематическое влияние нагрузки увеличивается до 19,3", о чем можно судить с вероятностью не менее 0,977, т. е. практически достоверно. Асимметрично установленная на трубе нивелира лазерная приставка оказывает еще большее систематическое влияние на величину угла і, его изменения достигают 34,2".
Таблица 2 Поверки и юстировка нивелира выполнены относительно луча
Нивелир
визирного л
НЗ № 20427 НЗ № 02817 НЗ № 6189 НЗ № 02040 НЗ № 20461 НВ-1 № 3957
-5,2" +2,6 -7,8 +5,2 +5,2 -5,2
+ 149,5" + 81,0 + 120,3 + 112,4 + 117,6 + 112,4
лазерного i iл -144,4" + 88,6 + 117,6 + 115,1 + 120,2 + 109,7
+ 7,7" + 10,4 - 10,4 + 7,8 + 7,8 - 7,8
Следует отметить, что только три эксперимента, выполненные с использованием нивелира НЗ № 02817, практически не подтвердили какоголибо изменения угла і при различной установке ПЛ-1 на трубу нивелира. Исследованиями установлено также, что различие в силе зажима винта Н кронштейна не только вызывает изменение угла і, но может увеличивать дисперсию его значений. Соответствующая проверка выполнялась с помощью F-критерия Фишера [3]. Кроме того, установлено, что смена лазерных приставок на одном и том же нивелире оказывает существенное влияние на величину угла і, но не влияет на дисперсию этого угла. При симметричной установке излучателя на трубе нивелира после снятия ПЛ-1 остаточного влияния нагрузки на основное геометрическое условие нивелира не обнаружено. При неправильных установке и креплении ПЛ-1 на объективной части трубы (на самом краю или на объективе до соприкосновения с коробкой уровня) после снятия ПЛ-1 было обнаружено значительное увеличение дисперсии угла і вследствие остаточных деформаций трубы, что подтвердила
проверка
с
использованием
дисперсионного
отношения
Фишера. В заключение были проведены эксперименты по определению угла іл между осью цилиндрического уровня нивелира и осью лазерного пучка,
выходящего из коллиматора, для случаев, когда нивелир поверен и отъюстирован относительно визирного луча с закрепленной на трубе лазерной приставкой (не включенной) обычным способом и когда нивелир поверен и отъюстирован относительно лазерного луча (по аналогии с поверкой относительно визирного луча). Для определения угла іл отсчеты по рейкам брались визуально по геометрическому центру сфокусированного лазерного пятна. Все измерения выполнялись несколькими сериями. Результаты экспериментов показали (табл. 2), что углы і и іл существенно различаются. Величины этих углов изменяются в зависимости от того, относительно какого луча (визирного или лазерного) выполнялись поверки и юстировка нивелира. Лазерное пятно на экране имеет правильную геометрическую форму с наибольшей яркостью только при прохождении лазерного пучка по оптической оси трубы нивелира. С учетом этого можно заключить, что в трубе нивелира НЗ оптическая и визирная оси, как правило, не совпадают (из-за погрешностей изготовления оптических деталей, их монтажа и других причин). В заключение отметим, что лазерную приставку ПЛ-1 необходимо устанавливать
на
трубе
нивелира
правильно,
с
симметричным
расположением излучателя. В этом случае влияние нагрузки от ПЛ-1 на изменение угла і нивелира будет минимальным. Если предусматривается выполнение разбивочных работ в плане от лазерного луча, а по высоте от визирного луча, поверки и юстировку нивелира следует выполнять с закрепленной на нем приставкой (не включенной) относительно визирного луча. Если разбивочные работы будут выполняться в плане и по высоте от лазерного луча, поверку и юстировку нивелира следует выполнить относительно лазерного луча в таком же порядке, как и относительно визирного луча. После снятия ПЛ-1 в связи с переходом на другой объект при новой установке приставки на нивелир необходимо заново выполнить поверку основного условия нивелира, после
чего
ослаб-лять или затягивать винты кронштейна.
не
рекомендуется
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Большев Л. Н., Смирнов Н. В. Таблицы математической статистики. М., ВЦ АН СССР 1968. 2.
ГОСТ 11158—76. Рейки нивелирные. Технические условия. Введ.
3.
Митропольский А. К. Техника статистических вычислений. М,
1979. Наука, 1971. 4. Справочник геодезиста. Кн. 2. М., Недра, 1975. 5. Рытов А. В., Спиридонов А. И. Геодезические крупномасштабных съемок. М., Недра, 1977.
приборы
для