АВТОКОЛЛИМАЦИОННЫЙ ТЕОДОЛИТ Российский патент 1998 года по МПК G01C1/02 

Изобретение относится к точному оптико-механическому приборостроению и может быть использовано при конструировании приборов для высокоточных геодезических измерений, в частности теодолитов.

Актуальной проблемой применения теодолитов является получение достоверных результатов измерений вертикальных и горизонтальных углов, что может быть обеспечено путем выверки первичных погрешностей непосредственно перед использованием теодолита на месте его применения. К первичным погрешностям теодолита относятся следующие:
- наклон цапф - неперпендикулярность горизонтальной и вертикальной осей;
- наклон вертикальной оси - неперпендикулярность вертикальной оси базовой плоскости измерения горизонтальных углов;
- коллимационная погрешность - неперпендикулярность визирной линии теодолита горизонтальной оси;
- нестабильность относительного расположения оптических элементов зрительной трубы, определяющая положение визирной линии.

Известны различные конструкции автоколлимационных теодолитов, содержащие зрительную трубу, осевые системы - вертикальную и горизонтальную с отсчетными устройствами и индикатором истинного горизонта, в которых делались попытки свести к минимуму источники вышеуказанных первичных погрешностей за счет ужесточения кинематических погрешностей неперпендикулярности осевых систем, визирной оси и базовой плоскости [1 - 7]. Однако в процессе эксплуатации теодолитов, а также после транспортных и кинематических воздействий указанные первичные погрешности возникают вновь. Влияние этих источников погрешностей непостоянно, поскольку они зависят от температурных и иных деформаций деталей прибора.

Недостатком известных аналогов является невозможность быстрого устранения первичных погрешностей на месте применения теодолита, так как все существующие методики выявления и устранения первичных погрешностей требуют большого числа измерений и их последующей математической обработки.

Наиболее близким к заявляемому по конструктивному выполнению является теодолит 2Т2А, выбранный в качестве прототипа [8]. Теодолит содержит вертикальную и горизонтальную осевые системы с отсчетными угловыми устройствами, автоколлимационную зрительную трубу, которая состоит из объектива и призменного блока из двух склеенных призм с сеткой и окуляром, находящихся в едином корпусе, который поворачивается вокруг горизонтальной оси для наведения и измерения вертикальных углов. Имеется индикатор искусственного горизонта.

Выбранный в качестве прототипа теодолит также, как известные аналоги, не позволяет оперативно получить достоверные результаты измерений, в первую очередь, горизонтальных углов, так как существующие трудоемкие методы измерений требуют больших затрат времени, внимательности при математической обработке результатов и высокой квалификации обслуживающего персонала. Следствием этого является невысокая точность измерений.

Задачей изобретения является повышение точностных и эксплуатационных характеристик измерения вертикальных и горизонтальных углов при одновременном расширении возможностей использования теодолита.

Для решения поставленной задачи предлагается автоколлимационный теодолит, содержащий вертикальную и горизонтальную осевые системы с отсчетными угловыми устройствами, автоколлимационную зрительную трубу, состоящую из объектива, призменного блока с сеткой и окуляра, и индикатор системы координат. Предлагаемый теодолит отличается от прототипа тем, что автоколлимационная зрительная труба выполнена в виде отражательного автоколлиматора с возможностью наклона его горизонтальной оси и содержит двустороннее зеркало, установленное с возможностью поворота и наклона относительно оси вращения, параллельной горизонтальной оси вертикальной осевой системы, и кольцеобразную плоскопараллельную пластину, установленную с возможностью поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Пластина размещена между объективом и двусторонним зеркалом. Двустороннее зеркало установлено на половине фокусного расстояния от объектива, в узловой точке которого расположена сетка. Индикатор системы координат выполнен в виде зеркальной поверхности, расположенной перед автоколлимационной зрительной трубой перпендикулярно вертикальной оси вращения горизонтальной осевой системы. В предлагаемом устройстве могут использоваться два варианта выполнения индикатора системы координат - открытая поверхность жидкости, нормаль к которой совпадает с вектором земного притяжения, или плоское неподвижное зеркало, выставленное в системе координат, в которой необходимо работать.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемая конструкция автоколлимационного теодолита дает возможность получения достоверных результатов измерений вертикальных и горизонтальных углов, что обеспечивается за счет проведения выверки и быстрого устранения основных первичных погрешностей непосредственно перед использованием теодолита.

На фиг. 1 представлена оптико-кинематическая схема теодолита, работающего в горизонтальной системе координат; на фиг. 2 - вид прямой и автоколлимационной марок в поле зрения окуляра.

Двустороннее зеркало 1 имеет собственную горизонтальную ось 2 вращения, на которой расположен датчик 3 вертикального угла. Двустороннее зеркало 1 может поворачиваться вокруг оси 2 независимо от зрительной трубы 4. На оправе 5 двустороннего зеркала 1 расположен механизм 6 наклона зеркала 1 относительно горизонтальной оси 2. Двустороннее зеркало 1 располагается на половине фокусного расстояния от объектива 7 с приклеенным к нему призменным блоком 8, образуя отражательный автоколлиматор. На полупенту призменного блока 8 наклеена зеркальная измерительная марка 9, подсвечиваемая лампой 10. Между объективом 7 и двусторонним зеркалом 1 находится кольцеобразная плоскопараллельная пластина 11, размещенная в кардановом подвесе 12 и служащая для устранения погрешности, образуемой при несовмещении измерительной марки 9 с узловой точкой объектива 7. Объектив 7 со вспомогательной оптикой 13 - 15 и окуляром 16 - 19 вращается вокруг оси 2 с закрепленным на ней двусторонним зеркалом 1, то есть поворачивается вся зрительная труба 4. Кроме того, зрительная труба 4 имеет возможность наклона относительно горизонтальной оси 20 цапф вертикальной осевой системы при помощи механизма 21. На алидаде 22 теодолита, поворачивающейся вокруг вертикальной оси 23 с датчиком 24 угла, помещен сосуд 25 с открытой жидкостью 26. На основании теодолите установлены регулировочные винты 27.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем.

Непосредственно перед измерениями вертикальных и горизонтальных углов необходимо сделать выверки первичных погрешностей теодолита - коллимационной погрешности, наклона оси цапф и наклона вертикальной оси.

Выверка первичных погрешностей осуществляется следующим образом. Для устранения коллимационной погрешности необходимо повернуть зрительную трубу 4 в надир и совместить прямое и автоколлимационное от поверхности жидкости 26 изображения марок посредством наклона теодолита регулировочными винтами 27; оставляя наблюдательную систему - зрительную трубу 4 в надире, оператор переворачивает двустороннее зеркало 1 на 180^o; при наличии рассогласования прямого и автоколлимационного изображений (фиг. 2), характеризующего коллимационную погрешность K, оператор, наблюдая в окуляр 16 - 19, видит удвоенное ее значение 2K и заклоняет зеркало 1 относительно горизонтальной оси 2 предназначенными для этого механизмом 6 на половину величины рассогласования марок, а затем переворачивает двустороннее зеркало 1 на 180^o в исходное положение. При наличии рассогласования оператор повторяет все операции и делает это до тех пор, пока при поворачивании зеркала прямое и автоколлимационное изображения будут неподвижны и совмещены. Это означает, что коллимационная погрешность устранена.

Затем оператор устраняет наклон оси 20 цапф. При повороте теодолита вокруг вертикальной оси 23 на угол ϕ и наблюдении в окуляр 16 - 19 прямое и автоколлимационное изображения "разбегутся" (при наличии погрешности - наклон оси цапф), при ϕ = 180^o их рассогласование в поле зрения составит 4l (l - отклонение от перпендикулярности горизонтальной и вертикальной осей). Оператор, заклоняя ось 20 цапф предусмотренным механизмом 21 на величину 2l, добивается в поле зрения картинки, на которой автоколлимационное изображение при повороте теодолита на угол ϕ описывает окружность вокруг прямого изображения, при этом погрешность наклона оси 20 цапф считается устраненной.

Погрешность из-за неперпендикулярности вертикальной оси 23 плоскости измерения горизонтальных углов (наклон вертикальной оси) устраняется заклоном всего теодолита с помощью регулировочных винтов 27. При этом совмещается прямое и автоколлимационное изображение марок.

Был рассмотрен вариант устранения первичных погрешностей теодолита перед измерениями при его работе в горизонтальной системе координат. Выставка теодолита (оптическая связь) производилась относительно открытой поверхности жидкости, нормаль к которой совпадает с вектором земного притяжения, а сама жидкость представляет собой плоское зеркало в пределах зрачка входа объектива зрительной автоколлимационной трубы.

При работе теодолита в другой системе координат жидкость должна быть заменена неподвижным плоским зеркалом, выставленным в системе координат, в которой необходимо работать.

Таким образом, заявленный теодолит по сравнению с прототипом позволяет повысить точностные и эксплуатационные характеристики прибора. Это обеспечивается выполнением автоколлимационной зрительной трубы в виде отражательного автоколлиматора, что позволяет оперативно, непосредственно перед использованием теодолита производить выверку основных первичных погрешностей: коллимационной, наклона оси цапф и наклона вертикальной оси.

Литература
1. Спиридонов А.И. Теодолиты., М.: Недра, 1985.

2. Аникс Д.А. Высокоточные теодолиты T1 и TO5. М.: Недра, 1978.

3. Авторское свидетельство СССР N 1525458, кл. G 01 C 1/02, опублик. 30.11.89.

4. Авторское свидетельство СССР N 1585681, кл. G 01 C 1/00, опублик. 15.08.90.

5. Авторское свидетельство СССР N 1670414, кл. G 01 C 1/02, опублик. 15.08.91.

6. Патент ФРГ N 3827458, кл. G 01 C 1/02.

7. Патент Японии N 1-38241, кл. G 01 C 1/06.

8. Теодолит 2Т2А. Паспорт 2Т2А-сбОПС, 1979, с. 9, рис. 3 (прототип).

Изобретение предназначено для высокоточных геодезических измерений и имеет высокие точностные и эксплуатационные характеристики измерения вертикальных и горизонтальных углов. Автоколлимационный теодолит содержит вертикальную и горизонтальную осевые системы с отсчетными устройствами и автоколлимационную зрительную трубу, содержащую объектив, призменный блок с сеткой и окуляр. Автоколлимационная труба выполнена в виде отражательного автоколлиматора и имеет возможность наклона горизонтальной оси вертикальной осевой системы. Автоколлимационная труба содержит двусторонее зеркало, которое находится на половине фокусного расстояния от объектива. В узловой точке объектива расположена сетка. Между объективом и двусторонним зеркалом размещена кольцеобразная плоскопараллельная пластина, которая имеет возможность поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Двусторонее зеркало имеет собственную ось вращения, параллельную горизонтальной оси вертикальной осевой системы. Вокруг этой собственной оси двусторонее зеркало может поворачиваться и наклоняться относительно нее. В качестве индикатора системы координат работы теодолита применена зеркальная поверхность, например, горизонтальной системы координат - открытая поверхность жидкости, установленная перед зрительной трубой перпендикулярно вертикальной оси вращения горизонтальной осевой системы теодолита. Предложенная конструкция позволяет оперативно, непосредственно перед использованием теодолита производить выверку основных первичных погрешностей: коллимационной, наклона оси и цапф и наклона вертикальной оси. 2 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Автоколлимационный теодолит, содержащий вертикальную и горизонтальную осевые системы с отсчетными угловыми устройствами, автоколлимационную зрительную трубу, состоящую из объектива, призменного блока с сеткой и окуляра, и индикатор системы координат, отличающийся тем, что автоколлимационная зрительная труба выполнена в виде отражательного автоколлиматора с возможностью наклона его горизонтальной оси и содержит двустороннее зеркало, установленное с возможностью поворота и наклона относительно оси вращения, параллельной горизонтальной оси вертикальной осевой системы, и кольцеобразную плоскопараллельную пластину, установленную с возможностью поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей и размещенную между объективом и двусторонним зеркалом, установленным на половине фокусного расстояния от объектива, в узловой точке которого расположена сетка, а индикатор системы координат выполнен в виде зеркальной поверхности, расположенной перед автоколлимационной зрительной трубой перпендикулярно вертикальной оси вращения горизонтальной осевой системы. 2. Теодолит по п.1, отличающийся тем, что в качестве индикатора системы координат используется открытая поверхность жидкости, нормаль к которой совпадает с вектором земного притяжения. 3. Теодолит по п.1, отличающийся тем, что индикатор системы координат выполнен в виде плоского неподвижного зеркала, выставленного в системе координат, в которой необходимо работать.