Измерения расстояний с использованием нитяного дальномера зрительной трубы

Измерения расстояний с использованием нитяного дальномера зрительной трубы

Принцип действия и классификация оптических дальномеров.Дальномерное измерение расстояний в геометрическом отношении основано на вычислении высоты S равнобедренного треугольника (рис. 43) по формуле

где b — база, β —параллактический угол.

Одна из величин, bили β, обычно является постоянной, другая — переменной (измеряемой). В зависимости от этого различают оптические дальномеры с постоянной базой или с постоянным углом. По конструктивным особенностям их подразделяют на нитяные и двойного изображения.

Измерение расстояния нитяным дальномером.Зрительные трубы современных геодезических приборов (теодолитов, нивелиров и др.) являются одновременно и нитяными дальномерами с постоянным параллактическим углом (рис. 44). Переменная база — дальномерная рейка, устанавливаемая на точке, до которой требуется измерить расстояние. На сетке нитей трубы (см. рис. 44 и 56) через точки ти l прочерчены горизонтальные штрихи, являющиеся дальномерными нитями. Лучи света, идущие от точек ти l, пересекаются в главном фокусе F объектива и попадают соответственно в точки MhL рейки, отсекая на ней отрезок п. Из подобия треугольников MFL и m1Fl1 вытекает соотношение S1/f = n/p; из него следует S1 = nf/p. Отношение фокусного расстояния f объектива к расстоянию p между дальномерными нитями сетки — величина постоянная для данного прибора, это — коэффициент дальномера k. Следовательно, S1=kn. При изготовлении нитяного дальномера подбирают k=100, что возможно, например, при f = 200 мм и р=2 мм. Как видно из рис. 44, все измеряемое расстояние S = S1+ с, где с= = f + δ. Трубы геодезических приборов конструируют так, чтобы с было близкимнулю. Поэтому

Нитяным дальномером удобно измерять расстояние по рейке с сантиметровыми делениями, так как отсчетпо такой рейке в сантиметрах равен расстоянию между прибором и рейкой в метрах.

Приведение к горизонту расстояния, измеренного нитяным дальномером.На наклонной местности (рис. 45) дальномером определяют длину луча IR и угол ν его наклона к горизонту. Если бы при этих измерениях рейку можно было установить перпендикулярно линии визирования, то для вычисления горизонтального расстояния применили бы формулу S = D cos ν, в которой D = kn’. Ho в точке В рейку ставят отвесно и отсчитывают на ней отрезок n между точками пересечения рейки с проекциями дальномерных нитей. Вполне очевидно, что в треугольнике MRM’ угол R = ν, а угол М’≈90°. Поэтому п’/2 = ncos ν/2 или n’ = n cos ν, а наклонное расстояние D = kn’ = kn cos ν. Следовательно, S = kn cos ν cos ν =<kn cos2 ν. Полагая, что kn≈D, находим


Горизонтальное проложение S по (28) вычисляют при помощи тахеометрических таблиц.

Формулу для вычисления поправки в наклонное расстояние, измеренное нитяным дальномером, находим следующим образом:

Точность измерения расстояния нитяным дальномером.Вследствие неодинакового преломления в атмосфере верхнего и нижнего лучей возникают значительные ошибки определения расстояния, особенно в жаркие дни. В такие дни можно измерять линии небольшой протяженности (100—150 м) и использовать при отсчетах верхнюю часть рейки. Кроме того, причинами ошибок служат неодновременность снятия отсчетов по дальномерным нитям, отклонения рейки от вертикального положения и др. Относительная погрешность определения расстояния нитяным дальномером при благоприятных условиях составляет 1 : 300—1 : 400 при длине до 200—250 м, а при неблагоприятных условиях может достигать 1 :100.

Понятие о дальномерах двойного изображения. Дальномеры двойного изображения конструктивно оформляют в виде самостоятельных приборов (Д-2) или насадок на зрительную трубу теодолита (ДНР-5 и ДН-8).

Редукционный дальномер ДНР-5 с постоянным параллактическим углом автоматически редуцирует (приводит к горизонту) наклонные расстояния. Дальномеры Д-2 и ДН-8 с постоянной базой в виде горизонтальной рейки измеряют с высокой точностью параллактические углы.

У дальномеров двойного изображения с постоянным параллактическим углом; половину объективна трубы теодолита (рис. 46, а) закрывают оптическим клином, отклоняющим визирный луч на угол β = 34,4′. Коэффициент такого дальномера ctg β = = 100. Луч света, идущий от центра сетки нитей т через открытую часть объектива, пересекает рейку в точке M, а тот же луч, идущий через клин, отклоняется им от прямолинейного направления в точку M1. Наблюдатель видит одновременно две части рейки, смещенные по высоте на величину п. Определив величину этого смещения, находят расстояние от вертикальной оси прибора до рейки по формуле

Обычно рейки оцифровывают так, что величина с автоматически прибавляется к отсчету. Величину смещения изображения η определяют разными способами, например помещением на даль-номерную рейку нониуса (см. рис. 46, б). Перемещая трубу в вертикальной плоскости, добиваются точного совмещения одного из штрихов нониуса со штрихом основной шкалы рейки. Тогда отсчет по рейке (см. рис. 46, в) составляют: из целого числа делений рейки, прочитанных против нуля нониуса (на рисунке он обозначен треугольником); десятых долей рейки, определенных по номеру совмещенного штриха нониуса; сотых и тысячных долей деления рейки, прочитанных на нониусе по горизонтальной нити сетки. Погрешность определения расстояния дальномером двойного изображения меньше, чем нитяным дальномером, в несколько раз и не превышает 1:2 000—1:1000 расстояния.

Светодальномеры. Расстояния этими приборами определяют по времени распространения электромагнитных колебаний вдоль измеряемой линии; ее длину вычисляют по формуле S=τυ/2, где τ — время прохождения электромагнитных волн от источника их излучения к отражателю и обратно; υ — скорость электромагнитных волн в воздухе во время измерений.

Светодальномеры бывают импульсные и фазовые. При работе с импульсными измеряют время движения импульсного сигнала, моменты излучения и приема которого отмечаются с большими погрешностями. При помощи фазовых светодальномеров расстояние S определяют с высокой точностью по формуле 5 = λ(N+Δ)/2, где λ — излучаемая длина электромагнитных волн; N— число волн, укладывающееся на отрезке измеряемого расстояния; Δ — дробная часть целого числа волн, находимая с точностью до 1 : 1 000—1 : 1 500 от периода колебания.

Светодальномер состоит из приемопередатчика, устанавливаемого на одном конце линии, и отражателя — на другом. Приемопередатчик излучает электромагнитные волны в направлении отражателя и принимает отраженные им волны, измеряя время их распространения. Малые топографические светодальномеры показывают величину измеряемого расстояния в метрах непосредственно на табло прибора.

Светодальномер СМ-5 имеет диапазон измеряемых расстояний при использовании отражателя с одной призмой от 2 до 300 м, а с тремя призмами до 500 м. При благоприятных условиях дальность действия увеличивается до 700 м. При измерении используются два метода: фазовый в режиме «точно» и импульсный в режиме «грубо». Во время работы приемопередатчик устанавливают на съемной подставке или крепят к теодолиту серии 2Т. При работе с теодолитом светодальномер используют для крупномасштабной топографической съемки. Средняя квадратическая погрешность измерения расстояния одним приемом составляет 20— 30 мм.

Светодальномер «Блеск» ЗСМ-2 также может устанавливаться на теодолиты серии 2Т для одновременного измерения углов и расстояний. Он превосходит СМ-5 по точности, дальности, степени автоматизации и имеет минимальные габариты и массу. Использован импульсный метод измерения расстояний с преобразованием временного интервала. Отражатель с одной призмой позволяет измерить расстояние от 0 до 500 м, а семипризменный — от 0 до 3 500 м. При благоприятных внешних условиях дальность действия D увеличивается до 5 000 м. Средняя квадратическая погрешность измеряемого расстояния одним приемом составляет не более (10+5· 10-6 D) мм. Оба светодальномера имеют одинаковые максимальные углы наклона приемопередатчика, равные ±20°.

В 1985 г. успешно прошел испытания светодальномер СП-2 «Топаз». Он предназначен для измерения расстояний при инженерно-геодезических работах и в строительстве. Прибор обеспечивает высокий уровень автоматизации процесса измерения на расстоянии до 1 000 м. При хорошей видимости дальность действия составляет 3 000 м. Используется импульсный способ измерения расстояний. Приемная и передающая оптическая системы совмещены. Зрительная труба имеет прямое изображение. Прибор снабжен оптическим центриром с цилиндрическим уровнем. Наклон измеряемых линий ±25°. Средняя квадратическая погрешность измерения расстояний равна (2+3·10-6 D) мм.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Какими приборами и способами измеряют расстояние при лесной съемке? 2. Что такое компарирование ленты и как его выполняют? 3. Как измеряют длину линий лентой? 4. Для чего и как приводят к горизонту расстояния, измеренные лентой? 5. Как определяют на наклонной местности длину 100-метрового пикета? 6. Как измеряют расстояния при помощи нитяного дальномера? 7. Почему дальномером двойного изображения расстояние измеряется точнее, чем нитяным дальномером? 8. Расскажите об особенностях работы светодальномеров.

13.2. ПОДГОТОВКА ЛИНИИ К ИЗМЕРЕНИЮ

Перед измерением линию закрепляют, провешивают и расчищают. Закрепление состоит в установке на концах линии временных или постоянных знаков (см. рис. 12.10) и вех. Длинную прямую обозначают промежуточными вехами. Обозначение линии на местности рядом отвесно поставленных вешек, находящихся в одной вертикальной плоскости называют вешение линии. Оно необходимо для того, чтобы в процессе измерения можно было укладывать ленту с возможно малыми отклонениями от створа – вертикальной плоскости, проходящей через концы линии.
Используют вехи фабричного производства или изготовленные из подручных материалов; длина их 1,5 – 2,5 м, толщина 4 – 6 см.

Вешение линии ведется обычно способом «на себя», по теодолиту или биноклю (рис. 13.9, а). Первую веху ставят по кресту нитей возможно дальше от инструмента. Последующие вехи устанавливают между задней вехой и инструментом, постепенно приближаясь к инструменту. Вехи ставятся на расстоянии около 50 м одна от другой.
Если необходимо проложить прямую между точками А и В взаимная видимость между которыми закрыта лесом (рис. 13.9, б), в стороне от линии выбирают точку С, из которой видны точки А и В. На направлении АС перед лесным участком ставят веху D и измеряют землемерной лентой расстояния AD, DC и ВС, а буссолью – угол β в точке С. Такой же угол откладывают в точке D и на его стороне ставят веху F. Затем вычисляют отрезок DE = BC×AD/AC и откладывают его на направлении DF. Точка Е находится в створе линии АВ и служит ориентиром при ее вешении.
Провешивая прямую в лесу, крупномерные деревья на линии не срубают, а обходят вехами (рис. 13.9, в). Для этого примерно в 10 м от дерева на прокладываемой линии ставят три вехи, затем их переставляют строго по перпендикулярам к линии вправо или влево на определенное расстояние, например 0,5 м, измеряемое рулеткой. Создается новый створ, параллельный заданной линии. Его продолжают и за деревом, также выставляя три вехи. Последние тем же способом смещают на направление прокладываемой линии и продолжают ее вешение.
В случае, когда видимость между концами линии АВ (13.9, г) закрыта возвышенностью, створ создают следующим образом. В произвольных точках на противоположных склонах возвышенности вблизи ее вершины ставят вехи 1′ и 2′ (рис. 13.3, д). Визируя из точки 2′ на веху А, переносят на линию визирования в точку 1» веху из точки 1′. Затем, визируя по линии 1″-В, выставляют на нее веху 2″, снятую с точки 2′. Эти действия повторяют и заканчивают тогда, когда вехи 1 и 2 окажутся точно на линии АВ.
Расчищая линию, с нее убирают валежник, вырубают кустарник, скашивают высокую траву.

13.3. ПОРЯДОК ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНИИ ЗЕМЛЕМЕРНОЙ ЛЕНТОЙ

Измерение ведут два мерщика – передний и задний. Второй (задний) берет себе одну шпильку, а первый – все остальные (10 или 5) и, разматывая ленту, идет по линии. Задний ставит шпильку в начальную точку, зацепляет за нее конец ленты и показывает переднему, как уложить ленту в створ. Находясь в створе линии, передний мерщик встряхивает ленту, укладывает ее на землю и вставляет шпильку в переднюю прорезь ленты.
Выполнив первую укладку ленты, задний мерщик вынимает из земли шпильку, а передний аккуратно выводит ленту из зацепления со шпилькой и оставляет последнюю в земле. Взяв ленту за ручки, мерщики идут вперед по заданной линии и останавливаются тогда, когда задний мерщик подходит к шпильке, оставленной в земле передним. Описанным выше способом откладывают вторую ленту. В дальнейшем мерщики повторяют свои действия до тех пор, пока передний не израсходует все шпильки; задний передает ему собранные шпильки, кроме одной, находящейся в земле, и они продолжают измерение. Число передач шпилек отмечают оба мерщика.
Подойдя к конечной точке, они отсчитывают остаток с точностью до 0,01 м (расстояние между последней шпилькой и концом линии) и подсчитывают длину линии.
Линию обязательно измеряют в обратном направлении и из двух результатов, если они сходятся в пределах допуска, вычисляют среднюю длину Dcp и добавляют к ней поправку за компарирование ленты.

13.4. ПРИВЕДЕНИЕ К ГОРИЗОНТУ НАКЛОННЫХ ЛИНИЙ

На план или карту наносят горизонтальные проложения, линий местности. Для вычисления длины d горизонтального проложения АВ′ измеряют длину S наклонной линии АВ местности и ее угол наклона v. Решив прямоугольный треугольник АВВ’, можно определить величину горизонтального проложения d
d = S cos v

Рис. 13.10. Горизонтальное проложение линии

Горизонтальное проложение линии d всегда меньше ее длины S на поверхности Земли на величину Δs
Δs = S – d = S – S cos v = S(1 – cos v).
Обычно значение Δs определяют с помощью таблицы, тогда: d = S – Δs.

Поправки на наклон линий (в метрах)

Таблица 13.1

Пример. Вычислить длину горизонтального проложения d измеренной наклонной линии местности длиной S = 167,38 м, угол наклона которой v = 6°15′.
Измеренное значение длины S представим в виде 100 + 60 + 7 + 0,3 + 0,08 и для каждого значения найдем с помощью таблицы 13.1 поправки для каждого слагаемого при углах наклона 6º и 7°.

13.5. ЭКЛИМЕТРЫ

Необходимые для вычисления горизонтальных проложений углы наклона, не превосходящие 10°, измеряют эклиметрами (От греческих слов ekklino – отклоняю и metreo – измеряю), а углы, большие 10° – вертикальным кругом теодолита.
Простейший эклиметр (рис. 13.11) состоит из линейки с прикрепленным к ней полукругом. Перпендикулярный верхнему ребру линейки радиус со подписан на полуокружности нулем. В обе стороны от нуля идут градусные деления, подписанные до 90°. К центру с полукруга прикреплен шнур с отвесом g.

Рис. 13.11. Измерение угла наклона эклиметром с отвесом

При горизонтальном положении верхнего ребра аb линейки шнур должен проходить через нулевой штрих полукруга. Эклиметр прикреплен к рейке К с металлическим наконечником.
Для измерения угла наклона, эклиметр устанавливают в точке А (рис. 13.11), а в точке В – веху с отмеченной на ней в точке Т высотой i инструмента. Верхнее ребро аb линейки направляют на точку Т и замечают, возле которого штриха на полуокружности окажется успокоившийся шнур с отвесом. Этот отсчет представляет собой значение угла наклона v, так как cg ^ AB’ и со ^ АВ.
Эклиметр с отвесом можно изготовить на куске картона, фанеры и т.п., для чего вычерчивают полуокружность, диаметр которой параллелен ребру этого куска. В центре полуокружности восставляют перпендикуляр к диаметру. Точку пересечения его с полуокружностью подписывают нулем. Пользуясь транспортиром, наносят градусные деления в обе стороны от нуля. К центру полуокружности прикрепляют тонкий шнурок с грузилом.
Более совершенным является эклиметр Брандиса. В круглом металлическом корпусе прибора 1 (рис. 13.12, а) на горизонтальной оси вращается металлический маятниковый диск 8 (рис. 13.12, б), на ободке 7 которого нанесены градусные деления от 0° до ±60°. Деления ниже нуля – со знаком плюс, выше нуля – минус. Маятниковый диск имеет груз 9, под действием которого нулевой диаметр располагается в горизонтальном положении. К корпусу эклиметра прикреплена визирная трубка 3 с глазным диоптром 5 и предметным диоптром с горизонтальной нитью 2. Для приведения эклиметра в рабочее состояние следует нажать на кнопку 4.

Рис. 13.12. Эклиметр

Для измерения угла наклона наблюдатель становится в начальной точке и визирует трубкой эклиметра на метку на вехе, стоящей на последующей точке. Метка отмечает высоту глаза наблюдателя и, следовательно, линия визирования будет параллельна линии местности. Нажав на кнопку 4, наблюдатель через лупу 6 производит отсчет. Эклиметр позволяет измерять углы наклона с точностью до 0,5°.

Рис. 13.13. Эклиметр Брандиса

От исправного эклиметра требуется соблюдение такого условия: нулевой диаметр свободно подвешенного кольца должен занимать горизонтальное положение.
Поверка производится измерением угла наклона одной и той же линии местности в прямом и обратном направлениях. Если эклиметр верен, то оба раза будут получены одинаковые результаты.

13.6. ИЗМЕРЕНИЕ ЛИНИИ НИТЯНЫМ ДАЛЬНОМЕРОМ

Оптический прибор с дальномерными нитями устанавливают на штативе над точкой А (рис. 13.13, а). На точке В ставят дальномерную рейку, на которой предварительно отмечают, высоту прибора i (приставляют рейку к прибору). Средней нитью оо (рис. 13.13, б) дальномера визируют на отметку i на рейке и берут отсчеты а и b по нитям хх, уу. Вычисляют разность b – а = l. По разности отсчетов определяют длину линии S’. В нашем примере
а = 1085 мм; b = 1210 мм;
l = 1215 – 1085 = 130 мм
Учитывая кратность прибора – 100 получим S’ = 130 мм × 100 = 13000 мм,
что соответствует 13 м.
Визирование на высоту прибора позволяет одновременно с дальномерным расстоянием измерять угол наклона линии.

Рис. 13.14. Нитяный дальномер (а) и поле зрения трубы (б)

13.7. ПОГРЕШНОСТИ И ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЯ ЛИНИЙ

Вследствие неточного укладывания ленты в створе измеряемой линии, непостоянства ее натяжения, провисания и прогибов, колебания температуры и других причин результат измерения может отличается от истинного расстояния. Но так как последнее неизвестно, о качестве измерений судят по сходимости прямого Sпр и обратного Sобр результатов. Считается, что измерение выполнено удовлетворительно, если относительная погрешность
Fотн = (Sпр – Sобр)/Scp
не превышает 1:2000 при благоприятных условиях измерения (ровная местность, крепкий грунт), 1:1500 при средних условиях и 1:1000 при неблагоприятных условиях (пересеченная или заболоченная местность, наличие пней, мелкого кустарника). При измерении длины просек, визиров и других ходовых линий (линии, на которых расположены пункты таксации) при лесоустроительных работах верным считают такой результат, который отклоняется от контрольного промера не более 1:500 при I – II и не более 1:300 при III разрядах лесоустройства.
Относительная погрешность измерений длинномерами достигает 1:10 000, а инварными проволоками 1:500 000 – 1:1 000 000. Точность измерения линий нитяными дальномерами ниже – от 1:600 до 1:200, средняя относительная погрешность 1:400.

Задания и вопросы для самоконтроля

  1. Какие приборы используют для линейных измерений?
  2. Для каких целей придают к землемерной ленте комплект шпилек?
  3. Что представляет собой и для каких целей предназначен длинномер?
  4. Что представляет собой и для каких целей предназначена инваная проволока?
  5. Что представляет собой нитяной дальномер, для каких целей он предназначен?
  6. Объясните принцип действия радиодальномера.
  7. Объясните принцип действия светодальномера.
  8. Какой процесс в геодезии называют вешением линии?
  9. Что называют створом линии?
  10. Какова методика вешения линии, если между начальной и конечной точками хорошая видимость?
  11. В чем сущность способа «вешением на себя»?
  12. Какова методика вешения линии через возвышенность?
  13. Какова методика вешения линии через овраг?
  14. Что представляет собой полевой компаратор, и для каких целей он предназначен?
  15. Как привести к горизонту наклонную линию, измеренную на местности?
  16. Что представляет собой и для каких целей предназначен эклиметр?
  17. Объясните порядок измерения длины линии нитяным дальномером.
  18. Каковы величины относительных погрешностей измерений землемерной лентой, длинномером, инварной проволокой, нитяным дальномером?


Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *