• ..
Методы и средства исследований и поверок нивелиров и реек
Основной метрологической характеристикой геодезических приборов является средняя квадратическая погрешность (СКП) измерения в заданном диапазоне. При этом решающий вклад в значение погрешности вносят инструментальные составляющие, получению которых при испытаниях и поверке средств измерений должны способствовать методики их определения.
Для определения СКП в метрологической практике используют следующие методы:
поэлементный метод, при котором находят отдельные составляющие основной погрешности, а затем на основе теории погрешностей измерений вычисляют СКП;
комплексный метод, при котором непосредственно получают значение СКП путем сравнения результатов измерений поверяемым прибором с эталонным значением величины.
В геодезической практике широко распространен метод независимой поверки, при котором СКП получают непосредственно, не используя эталонов, но оперируя истинными погрешностями измерений, в качестве которых выступают невязки условных уравнений погрешностей, определяемые на основе математических связей между результатами измерений.
Для калибровки реек в геодезической практике применяются методы калибровки при помощи женевской линейки, на оптико-механическом компараторе (ОМК) и на интерференционном компараторе. Теория калибровки при помощи женевской линейки и на ОМК подробна изложена в труде Ф. Н. Красовского . Далее рассмотрим метод калибровки реек при помощи интерференционного компаратора.
Принципиальная схема интерференционного компаратора для поверки нивелирных реек выглядит следующим образом (см. рис. 1.) поверяемая нивелирная рейка (РН) размещается на тележке, которая перемещается электродвигателем (ЭД). На рейке закреплен отражатель, положение которого относительно визирной оси системы наведения на штрих фиксируется лазерным интерферометром (ИЛ). Блок регистрации данных (БР), пульт управления (ПУ) и вычислительное устройство (ВУ) обеспечивают сбор и обработку информации в процессе поверки рейки. Условия измерений при этом контролируютсявспомогательными метеорологическими приборами (Метео СИ)
Cредняя квадратическая погрешность (СКП) определения длины метровых интервалов инварной рейки интерферометром с гелиево-неоновым лазером составляет 3 мкм. При желании компаратор может быть переоборудован для поверки рейки в рабочем положении. Наконец, важно отметить, что в качестве геодезического компаратора может служить полевой линейный базис, закрепленный пунктами, стабильность которых сохраняется в процессе сличения поверяемого СИ с выбранной эталонной мерой .
При проведении поверок нивелирных реек руководствуются положениями МИ БГЕИ 02-89 «Рейки нивелирные. Методика поверки». В процессе поверки после проверки внешнего состояния реек определяют:
- прямолинейность шкаловой поверхности рейки (стрелку прогиба);
- перпендикулярность продольной оси шкалы рейки к плоскости пятки;
- длину и ширину штрихов шкалы;
- коэффициент термического расширения инварной полосы;
- отклонение длины отдельных интервалов шкалы рейки от номинального значения;
- перпендикулярность штрихов к продольной оси шкалы рейки.
Исследования современных геодезических приборов показали , что точность измерения цифровыми нивелирами определяется не только погрешностями самого нивелира, но и качеством штрих-кодовых реек. Это означает, что код, нанесенный на рейке, должен как можно более точно совпадать со своей теоретической моделью. Особенно это касается инварных штрих-кодовых реек .
В отличие от обычных нивелирных реек, где за каждым штрихом шкалы закреплена определенная линейная мера, визуальное отсчитывание по штрих-кодовым рейкам невозможно. Более того, в цифровом нивелире в процессе отсчитывания принимает участие последовательность из многих штрихов различной ширины, поэтому погрешность в положении одного штриха кода не значительно сказывается на точности отсчитывания высоты. При определении точности нанесения штрихов кода определяется, выдержаны ли все допуски в процессе изготовления. Для высокоточных штрих-кодовых реек рассмотрено два метода поверки:
- поверка положения отдельных штрихов кода и их ширины, т. е. точности нанесения штрихов в процессе изготовления и коэффициента линейного расширения инварной рейки; в этом случае контролируют положения отдельных штрихов кода, сравнивая их фактические значения с теоретическими;
- оценка точности измерительной системы «нивелир - рейка» путем сравнения разностей отсчетов, взятых по рейке цифровым нивелиром, с эталонными разностями, полученными с помощью лазерного интерферометра.
Рассмотрим техническую реализацию этих двух способов поверки.
Структурная схема вертикального интерференционного компаратора LVermA- NRW (Landesvermessungsamt Nordrein-Westfalen, Германия), применяемого для поверкн инварных реек, представлена на рис.2.
Поверяемая рейка 1 закрепляется в салазках 2. Салазки перемещаются в шахте глубиной 7 метров по направляющим 3 с помощью шагового привода 4. С помощью неподвижного микроскопа 5, в котором для анализа изображения рейки используется светоделительный блок с двумя фотодиодами, и интерферометра 6 автоматически регистрируется положение середины штриха кода рейки относительно середины первого зарегистрированного штриха. Положение первого штриха кода считается равным 0,000 мм. Компаратор LVermA NRW расположен в температурной камере с рабочей областью температур от + 4°С до +45 °С и может использоваться как для определения погрешностей делений инварных реек, так и для определения их температурных деформаций ].
Температурный коэффициент линейного расширения инвара хорошо известен, поэтому учет температурных изменений длины рейки может быть выполнен алгебраическим путем. Известны случаи погрешностей, возникающих из-за «натяжений» при неправильном нанесении слоя краски
на инварную полосу . Очень многое зависит от качества изготовления корпуса инварной рейки и от способа крепления инварной полосы к корпусу. Обычно корпус делается из алюминия. У высокоточных реек фирмы NEDO инварная полоса крепится к корпусу «очень мягким» вставным шипом, что не приводит к деформациям при изменениях температуры. Существуют более дешевые варианты реек с пластмассовым корпусом. Они легче по весу, но в случае упора краев инварной полосы в пластмассовый корпус из-за большой разницы в температурных коэффициентах линейного расширения возникают деформации (гнутие). С помощью компаратора LVermA NRW в год поверяется около 230 нивелирных реек, 90% из которых – кодовые.
Недостатком описанного выше компаратора является то, что, разработанный в конце 80-х годов, он имеет микроскоп, фиксирующий только положение штрихов небольшой ширины. Поэтому при поверках кодовых реек невозможно оценить качество нанесения всех штрихов из-за их различной ширины, здесь выявляются только систематические составляющие погрешности, проявляющиеся по всей длине рейки .
В геодезической лаборатории Университета Бундесвера в Мюнхене (Universitut der Bundeswehr Munchen) для поверки инварных реек используется горизонтальный компаратор . С помощью микроскопа этого компаратора, имеющего только один фотоприемник, определяется положение линий перехода от светлого поля кода к темному и, наоборот, от темного к светлому, т. е. определяются положения краев штрихов кода. Перемещение рейки осуществляется в двух направлениях - прямо и обратно. Рассчитывается среднее положение края штриха, соответствующее среднему из двух напряжений VTrig на выходе фотоприемного устройства, регистрируемых в прямом и обратном ходе. После определения положений краев штриха кода рассчитывается положение его средней линии и сравнивается с истинным значением. В результате этого сравнения выявляются отклонения Δ положения штрихов от истинного значения. Полученную функцию аппроксимируют полиномом первой степени Q1(s) = b + c s , где b, c – коэффициенты полинома первой степени. Отклонение Q1(s) от Δ(s) должно быть наименьшим на заданном множестве высот s. Данная методика позволяет оценивать правильность нанесения всех штрихов кода, а именно, определять их сдвиг и изменение ширины. Допустимое отклонение положения штриха от истинного положения согласно стандарту DIN 18717, действующему на территории Германии, Δs = ± (0,02+s 2 10-5) [мм]. Интерференционный компаратор для поверок реек позволяет выполнять измерения со средним квадратическим отклонением σS < 0,01 мм. Время, затрачиваемое на поверку рейки длиной 3 м в прямом и обратном ходе, не превышает 20 минут .
Далее рассмотрим метод исследования измерительной системы «цифровой нивелир – штрих-кодовая рейка». На рис.3 показана схема установки, применяемой для поверки системы «цифровой нивелир - кодовая рейка» . Кодовая рейка, расположенная горизонтально на направляющих, может перемещаться с помощью электропривода на произвольно заданные интервалы, которые измеряются с помощью интерферометра. Поверяемый цифровой нивелир устанавливается на П-образной подставке таким образом, чтобы не перекрыть ход лучей в измерительном канале интерферометрической системы. Горизонтальный визирный луч нивелира для обеспечения отсчитывания по горизонтально расположенной рейке на расстоянии около 5-ти м изменяет свое направление на 90°, отражаясь от зеркала. В системе используется зеркало диаметром 25 см, волновые аберрации которого, возникающие из-за погрешностей изготовления, не превышают двадцатой части длины волны света (λ/20). Расстояние между зеркалом и рейкой ~ 0,5 м. При таких парамeтрах в системе не происходит ограничения поля зрения приемного канала нивелира зеркалом и обеспечивается возможность проводить измерения нивелиром по всей длине рейки. При поверке за истинное (эталонное) значение принимается величина перемещения рейки, определяемая с помощью лазерного интерферометра. Истинное значение сравнивается с величиной, полученной как разность отсчетов по рейке, полученных цифровым нивелиром. Поверка выполняется полностью в автоматическом режиме, так как автоматизированы процессы передачи информации от исследуемого нивелира через серийный

порт, от интерферометра в управляющий процессом измерений компьютер и последующая обработка этой информации. Определенная в результате поверки на этой установке средняя квадратическая погрешность определения превышения на станции нивелиром NA3000 не превысила σh = 0,04 мм.
Анализ показал, что методы исследования приборов для измерения превышений в настоящее время сориентированы только на исследование погрешностей связанных с нивелирной рейкой. Исследования системы нивелир рейка возможен только на горизонтальном компараторе с использованием оборачивающего зеркала. Современные технологии применения цифровых нивелиров требуют наряду с исследованиями погрешностей реек также и исследования погрешностей, связанных с работой нивелиров. Предпочтительнее выполнять поверку системы «нивелир - кодовая рейка» при вертикальном положении рейки. В вертикальном компараторе рейка находится в рабочем положении, нет необходимости применять зеркало для отклонения визирного луча на 90°, которое может вносить дополнительные погрешности при поверке вследствие возможных изменений своего положения и волновых аберраций.
Литература: Травкин С.В. "РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЕРКИ И КАЛИБРОВКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРЕВЫШЕНИЙ".М. 2007.Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.