САМОУСТАНАВЛИВАЮЩИЙСЯ НИВЕЛИР Российский патент 2000 года по МПК G01C5/00 G01C5/02 

Изобретение относится к геодезическим приборам и может быть использовано в оптических нивелирах.

Известны самоустанавливающиеся нивелиры (1).

Аналогами изобретения являются нивелиры HC-2, HC-3, Koni-007, Ni-B3, Koni-025, предназначенные для проложения ходов нивелирования и технического нивелирования.

Нивелир Koni-025 включает (см. (1)) объектив, фокусирующую линзу, сетку нитей, окуляр, призмы компенсатора, ось маятника, маятник компенсатора наклона. Нивелир Koni-025 выбран авторами за прототип.

Все нивелиры, в том числе и прототип, являются лишь визирными оптическими приборами и поэтому используют измерительную систему с внешним отсчетом - геодезическую рейку с отсчетной шкалой. Наличие геодезической рейки является недостатком нивелиров, так как усложняет и замедляет процесс нивелирования, увеличивает число обслуживающего персонала.

Другим недостатком нивелиров являются неустранимые погрешности, возникающие при смещении линз объектива и фокусировочной линзы и сетки поперек оптической оси в зазорах оправ и направляющих движения фокусировочной линзы. Для уменьшения этих погрешностей используются дорогостоящие технологические операции и высококвалифицированные рабочие. Однако полностью эти погрешности устранить принципиально невозможно.

Задачей настоящего изобретения является усовершенствование нивелира, превращение его в нерасстраивающийся измерительный прибор, независящий от внешнего измерительного устройства, позволяющего производить нивелирование без геодезической рейки при неизменной высоте нивелира, свободного от погрешностей из-за поперечного смещения линз в оправах и криволинейности направляющих движения фокусировочной линзы, повышающего эргономичность при наблюдении изображений на экране видеоконтрольного устройства, способствующего автоматизации процесса нивелирования.

Поставленная задача решается тем, что нивелир снабжен неподвижным и подвижным зеркалами, причем неподвижное зеркало расположено под углом 45^o к визирной оси и соосно с объективом, подвижное зеркало имеет двухстороннее отражающее покрытие, и его ось поворота, перпендикулярная визирной оси, расположена в передней фокальной плоскости объектива, линейкой ПЗС, оптически сопряженной с подвижным зеркалом и кинематически с объективом, ПЗС-матрицей с визирной сеткой, расположенной в задней фокальной плоскости объектива и жестко сопряженной с ним, при этом выход линейки ПЗС через усилитель видеосигнала, микропроцессор, развертывающее устройство, аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом смесителя, выход знакогенератора соединен с вторым входом смесителя, а выход смесителя через канал связи соединен с видеоконтрольным устройством, выход матрицы ПЗС через второй усилитель видеосигнала, второе развертывающее устройство, канал связи соединен с видеоконтрольным устройством, объектив нивелира содержит расположенные по ходу луча силовой и коррекционный линзовые компоненты и дополнительное плоское зеркало, причем линзовые компоненты выполнены с возможностью продольного перемещения, а плоское зеркало расположено на половине фокусного расстояния от главной плоскости объектива и является компенсатором наклона нивелира в вертикальной плоскости.

Изложенная совокупность существенных признаков предлагаемого изобретения позволяет решить поставленную задачу.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где изображена структурная схема нивелира. На этом чертеже:
1. Неподвижное зеркало расположено под углом 45^o к визирной оси и соосно с объективом.

2. Подвижное зеркало имеет двухстороннее отражающее покрытие, его ось поворота перпендикулярна визирной оси и совмещена с передним фокусом объектива.

3. Линейка ПЗС оптически сопряжена с подвижным зеркалом и кинематически связана с устройством продольного перемещения объектива.

4. Передаточный механизм перемещения линейки ПЗС связывает продольное перемещение линейки ПЗС с объективом.

5. Нелинейный преобразователь перемещения объектива связан с передаточным механизмом перемещения линейки ПЗС.

6. Осветитель оптически сопряжен с линейкой ПЗС.

7. Силовой линзовый компонент оптически сопряжен с угловым и коррекционным линзовым компонентом.

8. Склеенный блок матрицы ПЗС, сетки и микропризм, жестко соединенный с силовым линзовым компонентом, оптически сопряжен с передней главной плоскостью объектива.

9. Коррекционный линзовый компонент, оптически сопряженный с силовым линзовым компонентом и плоским зеркалом. Коррекционный компонент имеет возможность продольного перемещения относительно силового компонента. Силовой линзовый компонент совместно с коррекционным компонентом могут перемещаться относительно плоского зеркала с помощью нелинейного преобразователя.

10. Плоское зеркало, оптически сопряженное с линзовыми компонентами и являющееся компенсатором наклона нивелира.

11. Груз маятника компенсатора, жестко связанный с зеркалом 10.

12. Первый усилитель видеосигнала связан с линейкой ПЗС 4, а выход усилителя соединен с входом микропроцессора 13.

13. Микропроцессор, связанный с первым усилителем видеосигнала 12 и первым развертывающим устройством 14.

14. Первое развертывающее устройство, связанное с микропроцессором 13 и аналого-цифровым преобразователем 15.

15. Аналого-цифровой преобразователь, соединенный с первым развертывающим устройством 14 с первым входом смесителя 16.

16. Смеситель, первый вход которого связан с аналого-цифровым преобразователем 15, второй вход - со знакогенератором 17, а выход через канал связи 18 соединен с видеоконтрольным устройством 19.

17. Знакогенератор, выход которого соединен со смесителем 16.

18. Канал связи, первый вход которого соединен со смесителем 16, второй вход - с вторым развертывающим устройством 21, а выход соединен с видеоконтрольным устройством 19.

19. Видеоконтрольное устройство, соединенное с вторым усилителем видеосигнала и смесителя 16.

20. Второй усилитель видеосигнала, связанный с матрицей ПЗС 8 и вторым развертывающим устройством 21.

21. Второе развертывающее устройство, связанное с вторым усилителем видеосигнала 20 и через канал связи - с видеоконтрольным устройством 19.

Предлагаемый нивелир работает следующим образом.

Превышение высот предлагаемым нивелиром определяется по формуле
H = (Д-f_об)•sinϕ (1),
где Д - дистанция; ϕ - угол места (угол в вертикальной плоскости, под которым виден верхний контур объекта измерения); f_об - фокусное расстояние объектива.

Дистанция вводится при фокусировке на резкость изображения объекта. Для повышения точности фокусировки индикация осуществляется с помощью микропризм, которые повышают чувствительность индикации при фокусировке на порядок. Фокусировка осуществляется продольным перемещением линз объектива. Величина перемещения Z¹ связана с дистанцией формулой Ньютона:

Угол места вводится при наведении горизонтальной нити визирной сетки с верхним контуром объекта. Так как ось поворота в зеркале 2 совмещена с передним фокусом объектива, то объект находится от объектива на расстоянии, равном Д - f_об. Поэтому
ϕ = ψ(Д-f_об) (3).
Наведение на объект производится поворотом зеркала 2 вокруг горизонтальной оси с помощью привода наведения. Величина угла ϕ после соответствующего усиления вводится в микропроцессор с помощью линейки ПЗС. Сигнал на линейке ПЗС изменяется пропорционально углу ϕ вследствие смещения пучка лучей осветителя 6 вдоль линейки ПЗС. Пучок лучей, отражаясь от верхней стороны зеркала 2, изменяет направление на величину угла места ϕ . Смещение пучка лучей по линейке ПЗС пропорционально углу ϕ и расстоянию линейки от оси поворота зеркала 2.

Для того чтобы цена интервала между элементами линейки ПЗС в единицах измерения оставалась постоянной для всех дистанций, линейка должна перемещаться вдоль оси пропорционально изменению дистанции. Это перемещение передается на линейку передаточным механизмом 4 от нелинейного преобразователя 5 при фокусировке объектива. Нелинейный преобразователь выполнен в форме криволинейного паза во вращающейся наружной оправе объектива. В результате преобразования перемещение объектива происходит по линейному закону:
Z¹=2f²(Д-f_об) (4).

Вследствие того, что ось поворота зеркала 2 совмещена с фокусом объектива и находится от объекта на расстоянии, равном Д - f, измеряемое превышение высот, согласно выражению (1), можно представить:
H¹= Дsinϕ-fsinϕ = H-ΔH (5).
Перемещение пучка лучей осветителя 6 по линейке ПЗС будет выражаться формулой
h′= K(Д-f_об)sinϕ = KДsinϕ-Kf_обsinϕ = h-Δh (6),
где K - масштабный коэффициент.

Из (6) находим:
H = H¹+ΔH (7)
Поделив (5) на (6), получим, учитывая (7):

Из (8) следует:

Масштабный коэффициент K определяется из соотношения

где h - размер линейки ПЗС, H_мах - максимальное измеряемое превышение высот.

Передаточное число между продольным перемещением линейки ПЗС и линзами объектива определяется выражением

Зеркально-линзовый объектив, используемый в нивелире, состоит из силового плоско-выпуклого линзового компонента 7, формирующего оптическую силу объектива и образующего изображение объектива, положительного склеенного двухлинзового компонента, служащего для коррекций аберраций и малой отрицательной линзы, наклонной соосно на положительный склеенный компонент 9, служащий для коррекции фокусного расстояния, и плоского зеркала 10, установленного на половине фокусного расстояния объектива, обращающего ход лучей и одновременно служащего компенсатором наклона нивелира.

Фокусное расстояние всего объектива в целом f₁ ¹ и фокусные расстояния склеенного двухлинзового компонента f₂ ¹, отрицательного компонента, образованного отрицательной линзой и склеенным двухлинзовым компонентом f₃ ¹, удовлетворяют условию инвариантности (нечувствительности к поперечному перемещению) (2).

где d - расстояние от поверхности малой отрицательной линзы до задней главной плоскости объектива.

На силовой линзовый компонент в главной плоскости объектива жестко наклеивается соосно матрица ПЗС, склеенная с пластинкой с микропризмами и сеткой.

Благодаря инвариантности объектива и маятниковой подвески объектива горизонтальная линия визирования не изменяет своего направления ни при наклоне нивелира, ни при поперечном смещении объектива в целом, ни его отдельных компонентов.

Матрица ПЗС является телевизионным приемником излучения. Телевизионное изображение объекта и визирной сетки рассматривается на экране видеоконтрольного устройства (ВКУ). Связь с видеоконтрольным устройством может быть по радиоканалу или по кабелю. Общее увеличение на экране ВКУ определяется формулой
,
где L - расстояние глаз наблюдается от экрана ВКУ, A_э - размер экрана ВКУ, a_м - размер матрицы ПЗС.

Погрешность фокусировки с использованием микропризм найдем, дифференцируя формулу Ньютона:

где

В частном случае исполнения предлагаемого нивелира неподвижное и подвижное зеркала 1 и 2 имеют размеры 60х85 мм. В качестве линейки ПЗС используется матрица ПЗС ввиду того, что при освещении несфокусированным пучком (вследствие различного расстояния между приемником и осью поворота зеркала) применение матрицы вместо линейки предпочтительнее. Передаточный механизм 4, представляющий собой сочетание зубчатой пары в сочетании с винтовой парой, имеет передаточное число, равное 16. Нелинейный преобразователь преобразует функцию в функцию Z¹ = f_об ²(Д-об), выполнен в форме криволинейного паза, с помощью которого линзовые компоненты объектива перемещаются на величину 5,25 мм при изменения дистанции от 5 до 25 м.

Силовой линзовый компонент 7 представляет собой плоско-выпуклую линзу, обращенную выпуклой стороной в сторону объекта, приблизительно равно фокусному расстоянию объектива в целом и составляет 202 мм. На выпуклой стороне в центре линзы наносится плоский участок, на который жестко наклеивается склеенный блок матрицы ПЗС с визирной сеткой и микропризмами 8. При этом светочувствительная поверхность матрицы ПЗС и визирной сетки совмещены с передней главной плоскостью объектива. В нивелире используются матрицы ПЗС типа 1200 ЦМ.

Коррекционный линзовый компонент осуществляет коррекцию аберраций плоско-выпуклой линзы 7 и регулировку фокусного расстояния объектива в целом в пределах 10, необходимой для согласования цены деления линейки ПЗС с единицей измерения.

Силовой и коррекционный компонент выполнены диаметром 60 мм, экранированный участок объектива равен 15 мм, потери энергии за счет экранирования составляют 6%, которые компенсированы соответствующим увеличением диаметра объектива. Малая отрицательная линза, наклеенная на коррекционный компонент, выполнена диаметром 15 мм.

Усилители видеосигнала 12 и 20 матриц ПЗС 3 и 8 и развертывающие устройства 13 и 21 используются стандартного типа, применяемые в передающих камерах на матрицах ПЗС в качестве телевизионных приемников и выполнены на микросхеме К175УВ1А. Аналого-цифровой преобразователь выполнен на микросхеме КРК72ПВ1А.

Видеоконтрольное устройство 19 используется стандартного типа с электронно-лучевой трубкой 40 ЛК6Б с экраном 40 см.

Предлагаемый нивелир может применяться для проложения ходов нивелирования и высотного обоснования топографических съемок, для технического нивелирования при различных инженерных работах и автоматизации дорожно-строительных и монтажных работ.

Литература
1. В. М. Лобачев, Н.Н. Воронов. Геодезическое приборостроение, "Недра", М., 1971, с. 269 - 273 (прототип).

2. С. А. Сухопаров, Н. Н. Горлушкина, И.Н. Тимошук. Проектирование и расчет пространственно-инвариантных объективов. Журнал "Оптико-механическая промышленность", N 1, 1981, с. 40 - 43.

Изобретение относится к геодезическим приборам и может быть использовано в оптических нивелирах. В нивелире применена оптическая система, полностью свободная от технологических погрешностей, с цифровым отсчетом превышений высот, выводимых на экран, например, дисплея, регистрируемый, в случае необходимости, принтером. В нивелир введено внутреннее фотоэлектрическое отсчетное устройство, нечувствительное к технологическим погрешностям оптической системы, а также использованы телевидение и автоматика. Техническим результатом описанного выше изобретения является производство нивелирования без геодезической рейки, визирование и ведение наблюдений на телевизионном экране видеоконтрольного устройства, удаленного от нивелира на любое удобное для наблюдателя расстояние. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Самоустанавливающийся оптический нивелир, содержащий объектив, компенсатор наклона, визирную сетку, отличающийся тем, что нивелир снабжен неподвижным и подвижным зеркалом, причем неподвижное зеркало расположено под углом 45^o к визирной оси и соосно с объективом, подвижное зеркало имеет двустороннее покрытие и его ось поворота, перпендикулярная визирной оси, расположена в передней фокальной плоскости объектива, линейкой ПЗС, оптически сопряженной с подвижным зеркалом и кинематически с объективом, ПЗС матрицей с визирной сеткой, расположенной в задней фокальной плоскости объектива и жестко сопряженной с ним, при этом выход линейки ПЗС через усилитель видеосигнала, микропроцессор, развертывающее устройство, аналого-цифровой преобразователь соединен с первым входом смесителя, выход знакогенератора соединен с вторым входом смесителя, а выход смесителя через канал связи соединен с видеоконтрольным устройством, выход матрицы ПЗС через второй усилитель видеосигнала, второе развертывающее устройство, канал связи соединен с видеоконтрольным устройством. 2. Нивелир по п.1, отличающийся тем, что объектив содержит расположенные по ходу лучей силовой и коррекционный линзовые компоненты, установленные с возможностью продольного перемещения, а дополнительное плоское зеркало расположено на половине фокусного расстояния от главной плоскости объектива и является компенсатором наклона нивелира в вертикальной плоскости.