Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений"

На правах рукописи

Травкин Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ПОВЕРКИ И КАЛИБРОВКИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРЕВЫШЕНИЙ

Специальность 25 00 32 - Геодезия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2007

003175395

Работа выполнена на кафедре геодезии Московского государственного университета геодезии и картографии «МИИГАиК»

Официальные оппоненты доктор технических наук Маслеников А С

кандидат технических наук Визиров Ю В

Ведущее предприятие «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы» (ВНИИМС)

Защита диссертации состоится «29» ноября 2007 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д212 143 03 при Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии «МИИГАиК» по адресу 105064, Москва, Гороховский пер , 4 (корп 4 ауд 101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии «МИИГАиК»

Автореферат разослан «26» октября 2007 г

Ученый секретарь

Научный руководитель кандидат технических наук, доцент

Н X Голыгин

Научный консультант доктор технических наук, профессор

ХК Ямбаев

диссертационного совета

Ю М Климков

Общая характеристика работы

Актуальность темы диссертации. В настоящее время в области геодезических измерений происходит переход от оптических методов измерений к оптико-электронным При этом развитие и совершенствование оптико-электронных приборов для измерения превышений, повышение их точности, надежности и С1епени автоматизации приводят к необходимости создания новых ме ходов и средств контроля их метрологических характеристик Это, в свою очередь, требует разработки новых технологий и средств их метрологической поверки, калибровки и сертификации Этой актуальной задаче и посвящена данная диссертационная работа

В общем разработка современных эталонных средств в метрологии направлена на обеспечение единства измерений, сокращение времени испытаний, повышение их точности и надежности, оперативную обработку полученных данных

Методология поверок и калибровок высокоточных приборов для измерения превышений тахеометрами и нивелирами регламентируется рядом специально разработанных стандартов, устанавливающих основные метрологические характеристики Эта документация рассчитана в основном для оптических приборов, поверочные схемы оптико-электронных устройств не достаточно разработаны

В настоящее время в геодезической метрологии следует выделить постановку задачи разработки и исследований новых методов и средств поверки и калибровки современных оптико-электронных и цифровых приборов для измерения превышений, реализованных виде соответствующих поверочных стендов

Основными требованиями к техническим и метрологическим характеристикам стендов для поверки и калибровки оптико-электронных (цифровых) геодезических приборов для измерения превышений являются

- многофункциональность стендового оборудования,

- уменьшение времени поверки и калибровки геодезического прибора,

- автоматизация процесса измерений,

использование альтернативных эталонных мер - кодовых и растровых датчиков, лазерных интерферометров, жезлов и концевых мер длины, - увеличение точности считывания с кодовых, растровых инкрементальных датчиков угла или длины

Следовательно, задачи создания универсального стендового оборудования для метрологических исследований современных оптико-

электронных приборов для измерения превышений являются на данный момент актуальными

Целью работы является разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений

Для достижения поставленной цели сформулированы и решены следующие научные задачи:

1 Проведен анализ существующих методов и средств исследования, поверки и калибровки приборов для измерения превышений

2 Разработаны методы и средства определения основных метрологических характеристик геодезических приборов для измерения превышений

3 Разработаны и исследованы соответствующие теме диссертации стенды универсального метрологического комплекса УМК-М

Объект исследования - методы и используемые в них эталонные средства калибровки геодезических приборов для измерения превышений на примере линейного растрового измерительного преобразователя, лазерного интерферометра, коллиматоров, концевых мер длины и инварных жезлов

Методика исследования. Выполненные в диссертационной работе исследования основаны на анализе опубликованных данных, выполнении теоретических и практических исследований и экспериментальной проверке достоверности этих результатов

Научная новизна работы заключается в следующем 1 Разработан эталонный стенд и технология исследования короткопериодической погрешности измерения вертикальных углов геодезическими приборами

2 Разработана и исследована методика поверки и калибровки системы лазерного трекера для измерения превышений и вертикальных углов на эталонном стенде

3 Разработаны и реализованы методы поверки и калибровки системы «нивелир - рейка» а) при помощи измерительного преобразователя, б) на оптико-механическом компараторе, в) с использованием концевых мер длины

Практическая значимость работы:

1 Разработанные методы и сгенды использованы в поверочной установке МИИГАиК УМК-М, на которую от Федерального Агентства по техническому регулированию и метрологии получен Сертификат об утверждении типа средств измерений

2 По результатам исследований диссертанта на методику измерений университетом подана заявка на изобретение и получено положительное решение

Апробация рабо1Ы. Результаты работы докладывались и обсуждались на трех научно-технических конференциях (МИИГАиК, 2005-2007 гг), на научно-технической конференции «НТТМ-2006»(гМосква ВВЦ 2006 г), на международном форуме ОЕОР(ЖМ+ 2006 (г Москва "Сокольники", 2006т), на международном кошрессе "ГеоСибирь-2006" (г Новосибирск), на международных выставках - ШТЕКСШО 2006 и 2007 (Германия, г Мюнхен, 2006г, г Лейпциг, 2007г)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников информации, содержащего 51 наименование Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержи! 56 рисунков, 6 таблиц и 10 приложений

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснованы актуальность темы и основные направления исследований, сформулирована цель работы и ее научная новизна

Первая глава. В ней проведен аналитический обзор современных методов и приборов для измерения превышений Рассмотрена классификация средств поверки оптических и оптико-электронных геодезических приборов для измерения превышений Проведен анализ методов и средств исследований нивелиров и реек, систем измерения вертикальных углов геодезических приборов

Рассмотренные в первой главе существующие методы и средства исследований нивелиров и реек предусматривают определение накопленной погрешности измерения превышения системы «нивелир — рейка» А так же исследование накопленной погрешности самой нивелирной рейки На сегодняшний день не существуют методы и стенды для исследования короткопериодической погрешности, и во всех методиках используется только одно эталонное средство измерения превышений

На основании проведенного анализа существующих методов и средств метрологического исследования тахеометров можно сделать следующие выводы

- методы сличения и калибровки при помощи многогранных призм, панорамная установка, стенд на основе волоконно-оптических элементов позволяют обеспечить требуемую точность поверки одного из параметров, но с другой стороны имеют ряд существенных недостатков, таких как невозможность автоматизации, сложность конструкции, недостаточная стабильность фиксации эталонных углов, длительное время исследования,

- коллиматорные стенды при широком распространении и отработанности конструкции не обеспечивают автоматизации процесса измерений

Актуальным является разработка современного универсального метрологического комплекса для проведения поверок и калибровок

геодезических приборов, основные требования к которому заключаются в том, что должны быть использованы

- многогранные эталонные призмы, погрешность изготовления < 0,5",

- автоколлиматоры для задания референтных направлений с точностью наведения < 0,2",

- растровые измерительные преобразователи с дискретностью отсчитывания < 0,5мкм,

- лазерные интерферометры с погрешностью < (1мкм + 1ртт), и удовлетворены следующие требования

- минимизация времени исследований (за счет сокращения числа измерений и автоматизации процесса поверки и калибровки, компьютерной обработки измерительной информации),

- обеспечение соответствующих климатических условий для эталонных стендовых исследований,

- обеспечение единой метрологической базы поверки и калибровки нивелиров и тахеометров,

- применение оптимальных альтернативных эталонных средств измерений (СИ) (призмы, инварные и композитные жезлы, автоколлиматоры, растровые датчики),

- использование современных эталонных СИ для поверки и калибровки нивелиров и тахеометров

Следует отметить, что с появлением кодовых лимбов и штрих-кодовых реек большую роль играет погрешность считывания с мер Погрешность считывания зависит в основном из двух видов погрешностей погрешностей нанесения делений на меру и погрешностей интерполяции электрического сигнала Эти погрешности, в свою очередь, носят длиннопериодический (накопленный) и коро гкопериодический (внутришаговый) характер Для исследования короткопериодической (внутришаговой) погрешности не разработано методик и средств поверки и калибровки

С целью устранения этих недостатков в МИИГАиК при участии автора выполнены разработки и исследования универсального метрологического

комплекса (УМК-М) для поверки и калибровки современных оптико-электронных приборов при непосредственном участии автора

Вторая глава. Во второй главе рассмотрены разработанные методы проведения исследований метрологических установок и стендов для поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений

Метод исследования короткопериодической погрешности измерения вертикальных углов геодезических приборов Важной задачей при исследовании оптико-электронных геодезических приборов является испытание систем, измеряющих вертикальные углы В измерительных растровых системах доминирующей составляющей суммарной погрешности является короткопериодическая (внутришаговая) погрешность Для исследования короткопериодической погрешности предлагается способ косвенного измерения определения эталонного значения вертикального угла При известных значениях превышения И и измеренном горизонтальном проложении й вычисляется угол V, равный V = аг^ к /Д очевидно

—-- — + <т'1 * ? —, что при В - 10 м и /К 100 мм обеспечивает

О О

погрешность измерений с ол= 0,003 шиос=3 мм, получаем пу < 0,6", что вполне приемлемо для высокоточных угломерных приборов (УП) Эталонное превышение к следует устанавливать, руководствуясь длиной растрового преобразователя, целесообразней проходить с некоторым шагом Для задания такого эталонного превышения используется растровый измерительный преобразователь линейного вида, погрешность которого не превышает 0,003 мм Горизонтальное проложение I) от исследуемого прибора до визирной цели может быть измерено светодальномером Погрешность определения вертикального угла соизмерима с погрешностью визирования на цель Чтобы ослабить влияние погрешности визирования, на разработанном стенде может быть использован разрезной фотодиод для фиксации референтного направления, наведение на ось симметрии диода может производиться полупроводниковым лазером Лазерный излучатель при этом устанавливается

на трубу исследуемого прибора в непосредственной близости от визирной оси. Схема метода представлена на рис. 1.

Рис.

1. Схема

исследовании

короткопериоднческон погренпю-стн п шипении вертикального угла (ВУ) угломерными приборами.

I - УП, 2 - растровая мера, 3

считывающая головка растрового преобразователя, 4 - разрезной фотодиод, 5 - лазерная насадка.

Метод позволяет определить корогкопериодическую (внутришаговую) погрешность измерения вертикального угла. Так же по результатам исследования может быть выявлена калибровочная характеристика.

Метод поверки системы лазерного трекера для измерении превышений и вертикальных углов. Лазерный трекер является геодезическим средством измерения и, в соответствии с законом о единстве измерений, требует проведения метрологической поверки или калибровки. Погрешность измерения вертикальной координаты (превышения) современных лазерных трекеров составляет порядка 20 мкм. Для проведения поверки и калибровки системы лазерного трекера для измерения превышений в данной работе разработан метод, позволяющий исследовать как накопленную погрешность измерения превышения, гак и корогкопериодическую (внутришаговую) составляющую погрешности.

Для проверки точности измерения вертикальной координаты предложено использовать в качестве эталонного средства измерения растровый измерительный преобразователь, погрешность определения превышения которого не превышает 3 мкм. Для проведения поверки целесообразней выбрать вертикальный диапазон измерения превышений, соответствующий диапазону исследуемого прибора. Методика проведения поверки заключается

в измерении одинаковых превышений по растровому измерительному преобразователю и лазерному трекеру Вполне возможно применить альтернативное эталонное средство поверки — лазерный интерферометр (погрешность 1мкм+1ррт), как отдельно, так и совместно с растровым измерительным преобразователем При проведении исследования отсчеты по всем трем приборам берутся одновременно и затем сравниваются Отражатели трекера и интерферометра должны перемещаться совместно с растровым измерительным преобразователем вдоль меры За эталонное превышение принимается значение, измеренное растровым измерительным преобразователем, а значение, измеренное интерферометром, используется как контрольное Эталонное превышение по растровому преобразователю сравнивается с превышением, измеренным лазерным трекером (рис 2)

Рис.2. Схема поверки

системы_лазерного

трекера для измерения превышений и вертикальных углов

а) схема поверки при положительных значениях углов наклона, б) схема поверки при 'отрицательных значе-ниях углов наклона, 1-поверяемый лазерный трекер, 2-лазерный интерферометр, 3-

разворачивающий блок интерферометра, 4-отражатель интерферометра, 5-растровый измерительный преобразователь, 6-стеклянная растровая мера, 7-отражатель трекера, 8-поворотная головка трекера

Калибровку проводят в помещении с постоянной температурой и давлением, при минимальном времени проведения измерений

Методы поверки и калибровки системы «нивелир — рейка». Основной метрологической погрешностью нивелира является средняя квадратическая погрешность измерений превышений на 1 км нивелирного (двойного) хода Пути ее выявления весьма трудоемки, и получение инструментальной

погрешности нивелирования затруднительно Для решения этой

задачи в диссертации разработаны и исследованы методы и средства калибровки системы «нивелир-рейка»

Метод исследования системы «нивелир — рейка» при помощи растрового измерительного преобразователя Метод разработан для получения инструментальных погрешностей системы «нивелир - рейка» В качестве эталонного средства при калибровке предложено использовать растровый измерительный преобразователь, погрешность измерения которого не превышает 3 мкм Исследуемый нивелир устанавливается на подвижную каретку вертикального стенда совместно с растровым преобразователем Нивелиры могут быть, как цифровые, так и оптические В соответствии с исследуемым нивелиром выбирается рейка со штрих-кодом или с оцифрованной шкалой Рейка устанавливается на неподвижный столик и приводится в отвесное положение с помощью круглого накладного уровня и подъемных винтов столика

Методика проведения калибровки заключается в измерении одинаковых значений вертикальных перемещений с помощью растрового измерительного преобразователя и нивелира по рейке При проведении калибровки предусмотрена возможность применения альтернативного эталонного средства - лазерного интерферометра (погрешность 1мкм+1ррт) Для этого отражатель интерферометра закрепляется совместно с нивелиром и измерительным преобразователем На рис 5 представлена схема проведения калибровки системы «нивелир - рейка»

В момент проведения исследования отсчеты по нивелиру, интерферометру и датчику измерительного преобразователя берутся одновременно и затем сравниваются Отражатель интерферометра и нивелир должны перемещаться совместно с растровым измерительным преобразователем вдоль меры (рис 3(а)) Эталонное превышение сравнивается с превышением, измеренным нивелиром по рейке

---В-----й

Э--

-з----чв

Рис.3 Схема калибровки системы «нивелир — рейка».

а) когда нивелир перемещается вдоль растровой меры, б) когда рейка перемещается вдоль растровой меры 1-исследуемый нивелир, 2-лазерный интерферометр, 3-разворачивающий блок интерферометра, 4-отражатель интерферометра, 5- растровый измерительный преобразователь, 6-стеклянная растровая мера, 7- нивелирная рейка

Разработанный метод позволяет получить инструментальную погрешность системы «нивелир - рейка», как длиннонериодическую, так короткопериодическую составляющие Для разделения погрешностей отдельно нивелира и отдельно рейки следует эталонировать нивелирную рейку (например, на компараторе) и затем учесть погрешность рейки

Метод исследования системы «нивелир - рейка» на компараторе -основывается, как и в предыдущем методе, на компарировании или сравнении Для проведения калибровки используются два эталонных средства измерения превышений Это лазерный интерферометр (погрешность 1мкм+1ррш) и инварный жезл (погрешность Юмкм) Метод заключается в том, что перемещение рейки и эталонного жезла осуществляется в горизонтальном положении по направляющим рельсам на подвижной тележке Основой данного метода является существенно усовершенствованный оптико-механический компаратор МИИГАиК (рис 4) На изолированных «малых» фундаментах (12) с интервалом в 1м закреплены рельсы (3), выставленные в горизонт и по азимуту На рельсах установлена подвижная каретка (1) На «больших» фундаментах, расположенных за рельсовым путем, закреплена

направляющая (7) длиною 3,5м, на которой располагаются микроскопы (5), имеющие возможность перемещения по этой направляющей Направляющая с микроскопами располагается над рельсовым путем На расстоянии 25м по направлению рельсов на бетонной основе устанавливается нивелир (8), с другой стороны - лазерный интерферометр (11) и блок опорного канала (10), для измерения интерферометром на подвижной каретке закреплен уголковый отражатель (9) Для разворота изображения рейки на направляющей закреплено наклонное зеркало (6), которое имеет возможность юстировки Для проведения измерений на каретку одновременно или по очереди устанавливаются инварный жезл (4) и исследуемая рейка (2) Если за эталонное средство принимается только инварный жезл, то температура следует измерять с точностью порядка 0,1 °С При использовании интерферометра, как правило, параметры окружающей среды берутся с датчиков интерферометра

Рис 4 Принципиальная схема с генда.

Как и в предыдущем методе, разработанный метод позволяет выявить длиннопериодические и остаточные погрешности измерения превышений, но не позволяет в полной мере оценить короткопериодические погрешности Это связанно с ограниченностью задания минимального превышения ценой деления рейки Но в методе предла! ается задавать эталонные превышения интерферометром, это даст возможность выявление короткопериодической погрешности измерения превышения системы «нивелир - рейка»

Метод исследования системы «нивелир — рейка» с использованием концевых мер длины основан на сравнение эталонных превышений, задаваемых при помощи концевых мер длины (КМД), с измеренными превышениями нивелиром по рейке Для изменения высоты точки в разработанном методе используются концевые меры длины II разряда, погрешность размера которых не превышает 0,4 мкм (при температуре 20°С) Эталонные превышения задаются в диапазоне 0-200мм с шагом от 0,2мм до 10мм, что позволяет выявить короткопериодические погрешности на отдельном участке рейки Таким образом, существует возможность исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир — рейка»

Для выполнения исследования нивелир устанавливается на жесткое основание, на выбранном расстоянии устанавливается горизонтальный столик с отшлифованной поверхностью На столик поочередно устанавливаются и притираются КМД различной высоты, на меры ставится нивелирная рейка с накладным уровнем При установке различных КМД и рейки снимается отсчет по нивелиру Результатом калибровки являются графики погрешности измерения высоты КМД

Предлагаемый метод является более функциональным, так как позволяет производить исследование на больших расстояниях между нивелиром и рейкой, а так же позволяет проводить испытания как в лабораторных, так и в полевых условиях

Представленные во 2-ой главе разработки позволяют

- исследовать короткопериодическую погрешность измерения вертикального угла геодезических приборов - теодолитов, тахеометров,

- исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир - рейка» при помощи растрового измерительного преобразователя,

- исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир - рейка» на компараторе,

- исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир - рейка» с использованием концевых мер длины,

- провести калибровку координатных систем типа лазерный трекер

Третья глава. В этой главе представлены разработанные стенды для поверки и калибровки, входящие в разработанную при участии автора поверочную установку УМК-М

Стенд УМК-М для поверки и калибровки систем геодезических приборов для измерения вертикальных углов (Вертикальный стенд) —рис 5

Рис 5 Схема стенда дли исследования тахеометров при измерении ВУ

В точках К1,КЗ,К4,К5,К6, установлены коллиматоры (в качестве коллиматоров использованы зрительные трубы теодолитов типа Т2), а в точке Т - поверяемый теодолит Взаимное расположение коллиматоров таково, что обеспечивает измерение вертикальных углов (ВУ) от 0°до45° и от 0°до - 45°

Для испытаний геодезических приборов необходимо знать эталонный угол Для измерения эталонных углов были использованы высокоточные приборы оптический теодолит Т1 и электронный тахеометр фирмы «Leica» TPS 1100 (mv = 0,5") Были произведены измерения всех вертикальных углов двенадцатью приемами В результате измерений были получены средние квадратические погрешности (СКП) для средних значений ВУ из 12-ти приемов (см табл 1) Таблица 1

Прибор Теодолит Т1 Тахеометр TPS 1100

V +4° +25° +45° -45° +4° +25° +45° -45°

mv 2,9" 2,6" 2,3" 3,8" 3,2" 2,6" 3,1" 2,6"

Как видно из табл 1, СКП эталонных углов, измеренных двумя разными по точности приборами, одинаковые Отсюда можно сделать вывод, что

определяющим фактором в полученных результатах является фокусное расстояние коллиматоров (зрительные трубы Т2, £=300мм) Полученные СКП эталонных углов показали, что испытание на разработанном стенде можно проводить только тех геодезических приборов, точность которых сопоставима с полученной или ниже

Стенд УМК-М для исследования короткопериодической погрешности систем геодезических приборов для измерения вертикальных углов -рис 6 представляет собой вертикально установленный на изолированном фундаменте швеллер 19, на котором расположена станина 18 с подвижной кареткой 15 На

станине жестко закреплена оправа 6 растровой меры 5 (ЬШ-ЗОО (НЕГОЕКМАШ)), длина меры 200 мм, дискретность отсчитывания 0,5 мкм На каретке расположены считывающая головка 4 ЬШ-ЗОО, нивелир №-007 (поз 2), блок разрезного четырех площадочного

фотодиода 1 Отражатель исследуемого тахеометра (на рис 6 не показан) — жестко закреплен на уровне разрезного фотодиода на

Рис.6. Схема вертикального стенда для

исследования тахеометров. корпусе N1-007 с противоположной стороны Сигналы с разрезного фотодиода через аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и электронного счетчика 21 ЬШ-ЗОО выводятся на ЭВМ Растровая мера служит в качестве эталонной при измерении перемещений подвижной каретки, нивелир N1-007 и разрезной фотодиод служат датчиками опорного направления при исследовании оптических приборов и приборов с лазерными указателями Исследуемый теодолит (тахеометр) устанавливается на поворотном прецизионном столе,

Изменение превышений, мм

Рис. 7. Погрешности щмерсния вертикально! о угла тахеометром 1ек~а 11'М 10(1 на 01 ража гель.

расположенном на изолированном фундаменте, расстояние между прибором и стендом - 9,8м (см. рис.5). Результаты испытаний тахеометра представлены на графике (рис. 7).

Из графика видно, что точность измерения

вертикального угла при наведении на уголковый отражатель составляет 8". Отсюда можно сделать вывод, что использование уголкового отражателя не приемлемо. Для исследований следует

использовать разрезной

фотодиод и полупроводниковый лазер для фиксации референтных направлений. В полученных результатах наблюдается закономерность, она возникает из-за не вертикальности движения каретки с отражателем вдоль стеклянной растровой меры (систематическая погрешность).

Исследование систематической погрешности вертикального стенда УМК-М с помощью лазерного интерферометра.

Для этих исследований использован лазерный

интерферометр фирмы

Не\¥1еМРаскагс1 НР5528А с погрешностью измерения расстояний 1мкм+1ррт.

По результатам

многократных измерений построен график

погрешности (рис.8). В данном эксперименте систематическая погрешность не превышают 50 мкм. Полученные значения являются калибровочными и их

■ I

50 100 150

Участки растровом меры, мм

Рис.8. Систематическая 1101 репшость работы стенда.

следует вводить как поправки при поверке и калибровке тахеометров (нивелиров) на вертикальном стенде.

Стенд УМК-М для поверки и калибровки системы «нивелир — рейка» - рис. 3(а). В отличие от исследования ВУ, при исследовании нивелиров на подвижный столик устанавливается нивелир (1) (оптический, цифровой, лазерный). Нивелир устанавливался на горизонтальном столике вертикального стенда. Расстояние от прибора до рейки составляло порядка 3 метров. Винт микроподачи обеспечивает перемещение в вертикальном направлении подвижной части со столиком и нивелиром. Инварная метровая штрих-кодовая рейка (7) устанавливается неподвижно (для оптических нивелиров используется метровая инварная рейка с 5мм делениями). На подвижной каретке закреплена считывающая головка 1лс1-300 (НЕГОЕЫНАГЫ) (5), растровая мера длиной 200мм (6) установлена в корпусе, жестко связанном с неподвижным, вертикально расположенным на фундаменте, швеллером. Мера изготовлена из стекла, коэффициент линейного расширения которого составляет 10мкм/м градус. Погрешность отсчитывания составляет порядка Змкм. Перемещение в вертикальном направлении отображается на цифровом блоке УЮ1 735 (НЕГОЕМНАШ) с дискретностью 0,5 мкм. На графиках (рис. 9 и 10) показаны результаты исследования цифровых нивелиров 10, Е>1]\П12 и 1 метровой инварной штрих-кодовой рейки.

Рис. 9. Результаты исследования нивелира РПУПО и 1м штрих-кодовой инварной рейки.

й -0,01

1

I

а

0 01

0,00

180

Изменение высоты в мм

-0,02

Рис 10 Результаты исследования иивелира Р1№12 и 1м штрих-кодовой инварной рейки.

Из графиков видно, что погрешность определения превышения по инварной штрих-кодовой рейке цифровым нивелиром Ь^Ю не превышает 0,05 мм, а 1Х№12 - не превышает 0,015 мм На графиках (рис 9 и 10) показаны результаты исследования на одном из участков рейки, выбор именно этих участков обусловлен наибольшей величиной погрешности

Горизонтальный стенд УМК-М для поверки и калибровки системы «нивелир — рейка» Основой разработанного стенда является оптико-механический компаратор МИИГАиК, существенно доработанный и усовершенствованный (см рис 4)

Для совместного исследования нивелира и рейки применялась методика, разработанная в главе 2 Зная расстояние между микроскопами по инварному жезлу, мы имеем возможность переместить подвижную каретку на это расстояние Вводим штрих рейки в бисектор микроскопа и снимаем отсчеты по нивелиру Затем перемещаем каретку с рейкой так, чтобы тот же штрих рейки попал в бисектор другого микроскопа, и снимаем отсчеты по нивелиру Разность двух соответствующих отсчетов даст нам перемещение Также возможны исследования с использованием лазерного интерферометра В табл 2 показаны результаты исследования цифрового нивелира Б1№12 и 3 метровой инварной штрих кодовой рейки

Из результатов исследований следует, что инструментальная погрешность измерения метровых интервалов при помощи системы «цифровой нивелир Б1№12 - инварная 3-х метровая штрих-кодовая рейка» не превышает 0,06 мм Таблица 2

Метровые интервалы Номинальная длина метровых интервалов рейки полученная на УМК-М Длина метровых интервалов измеренных цифровым нивелиром 01№12 Погрешности измерения метровых интервалов цифровым нивелиром 0|№12 с учетом поправок за компарирование рейки наУМК-М

ход прямо ход обратно среднее

мм 1 мм 1 мм | мм мм

1 1м +0,009 1м +0,01 1м -0,01 1м +0,000 -0,009

2 1м +0,007 1м +0,01 1м +0,02 1м +0,015 +0,008

3 1м +0,003 1м +0,01 1м -0,01 1м +0,000 -0,003

4 1м -0,012 1м +0,02 1м +0,00 1м +0,010 +0,022

5 1м -0,005 1м -0,01 1м -0,02 1м -0,015 -0,010

6 1м -0,021 1м -0,01 1м +0,00 1м -0,005 +0,016

7 1м -0,008 1м +0,02 1м +0,02 1м +0,020 +0,028

8 1м -0,007 1м +0,01 1м -0,01 1м +0,000 +0,007

Погрешность метровых интервалов инварной 3-х метровой штрих-кодовой рейки не превышает 0,02 мм Инструментальная погрешность самого цифрового нивелира Б1№12 при измерении метровых интервалов не превышает 0,04мм

Исследование системы «нивелир - рейка» с использованием концевых мер длины Для проведения эксперимента было выбрано три высокоточных нивелира оптический Н-05 и два цифровых ВйЧГЮ и ОтгИ, а также рейки инварная для оптического нивелира, инварная и четыре деревянных рейки для цифровых нивелиров Все три прибора были установлены на штативы на одинаковом расстоянии от нивелируемых точек и на приблизительно одной высоте Три точки установки реек представляли собой неподвижные горизонтальные площадки (предметный столик) Расстояния от нивелиров до трех точек нивелирования составляли 3,5 м, 13,7 м, 29,0 м соответственно Для изменения высоты точки использовались концевые меры длины (КМД), погрешность размера которых не превышала 0,4 мкм (при температуре 20°С) Размер КМД составлял от 0,5 мм до 200 мм

На нивелируемую точку по очереди устанавливались рейки и снимались отсчеты Затем на точку устанавливали концевую меру размера 0,5мм и снова поочередно ставили рейки и снимали отсчеты Изменение высоты при помощи

концевых мер проводилось 01 нуля (пустая площадка), до 200 мм Шаг изменения высоты от 0 до 10 мм составлял 0,5 мм, от 10 до 100 мм составлял

V

10мм, от 100 до 200 мм составлял 20мм, между мерой в 1 мм и 1,5 мм устанавливалась мера в 1,2 мм Такая методика была использована на каждой из трех нивелируемых точек Реализованная методика представляет собой нивелирование из середины

В результате исследования получено, что отклонения в превышениях, определенных нивелиром Н-05 по инварной рейке с 5-ти миллиметровыми делениями, составили порядка 0,2мм Отклонения в превышениях, определенных нивелиром 1)1 N1 10 по инварной штрих-кодовой рейке, не превышают 0,1мм Отклонения, определенные нивелиром 01№ 12 по инварной штрих-кодовой рейке, не превышают 0,05 мм Можно сделать вывод, что нивелир Di.Ni 12 является более точным

Методика проведения эксперимента в полевых условиях почти не отличается от методики в лаборатории Разница лишь в том, что было добавлено расстояние 50м и подобрано максимальное расстояние 86,5м, на котором нивелиры ВпЧ) 10 и В)№ 12 могли отсчитывать по рейке

Из проведенных исследований вытекают следующие выводы С ростом расстояния от нивелира до рейки растет и погрешность определения превышения. Максимальная погрешность измерения превышений нивелиром Б1№10 на 3,5м составила 0,2мм, на 13,5м - 0,2мм, на 29,0м - 0,5мм, на 50м -0,6мм и на 86,5м погрешность достигла 1,2мм Максимальная погрешность измерения превышений нивелиром 0№ 12 на 3,5м составила 0,15мм, на 13,5м -0,25мм, на 29,0м - 0,35мм, па 50м - 0,55мм и на 86,5м погрешность достигла 1,2мм

Проведенные исследования метода калибровки систем «нивелир - рейка» с помощью концевых мер длины продемонстрировали возможность выявления инструментальной погрешности В результате исследований выявлены инструментальные погрешности, которые в дальнейшем могут быть учтены при разработке методик и инструкций по нивелированию различных классов

Результаты поверки и калибровки системы лазерного трекера для

измерения превышений. Лазерный трекер (рис.11) является высокоточным

средством измерения и, в соответствии с

законом о единстве измерений, требует

проведения метрологической поверки

или калибровки.

Исследование проводилось в

соответствии с разработанной в главе 2

методикой. Для исследования был

предоставлен лазерный трекер фирмы Рис. 11. Лазерный трекер «FARO».

«FARO». Заявленная фирмой погрешность измерения вертикальной координаты «Z» или превышения составляет 18мкм + Зррт . При такой заявленной погрешности в качестве эталонного средств был выбран растровый измерительный преобразователь с погрешностью Змкм, а в качестве альтернативного - лазерный интерферометр с погрешностью 1мкм+1ррт. Для исследования погрешности измерения превышения в диапазоне от -45°до+45п работа проводилась при двух установках лазерного трекера. Трекер был установлен на расстоянии 200мм от отражателя. Данные условия вызваны тем, что длина растровой меры измерительного преобразователя составляла 200мм. По результатам исследований был построен график (рис. 12) погрешностей измерения

превышений лазерным

трекером. В результаты поверки были внесены поправки за систематическую погрешность хода подвижной каретки. Эти исследования показали, что

инструментальная погрешность измерения превышения

лазерным трекером не

\л 15. 10' № А, мкм А

1 • / \ —1 V

-60 -40 -20 40 60

-5. Г

-10' 4

-15'

Рис. 12. График погрешностей шмереннч превышений лазерным трекером.

превышает 30 мкм, однако при изменении горизонта инструмента происходит «скачок», это может свидетельствовать о наличие неучтенной погрешности

ВЫВОДЫ

1 Разработаны методы поверки и калибровки геодезических приборов для измерения вертикальных углов и превышений, позволяющие повысить точность измерений И использование прецизионных линейных преобразователей и лазерных интерферометров позволяет экспериментально исследовать наличие короткопериодической погрешности поверяемого средства измерения

2 Разработанные методы и средства поверки и калибровки геодезических приборов позволяют

- исследовать корогкопериодическую погрешность измерения вертикального угла геодезических приборов - теодолитов, тахеометров,

- исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир - рейка» при помощи растрового измерительного преобразователя,

- исследовать инструмеш альную погрешность системы «нивелир - рейка» на компараторе,

- исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир - рейка» с использованием концевых мер длины,

- провести калибровку координатных систем типа лазерный трекер

3 На основе разработанных методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений или вертикальных углов разработаны специальные С1енды, входящие в состав «Универсального метрологического комплекса МИИГАиК» (УМК-М)

4 На разработанных аепдах проведены соответствующие исследования геодезических приборов, которые показали работоспособность, надежность и достаточную точность «Универсального метрологического комплекса МИИГАиК» (УМК-М)

5 По результатам исследований на методику измерений университетом подана заявка на изобретение и получено положительное решение Получен

официальный документ - «Сертификат эталонного средства

измерения», что позволит проводить поверки и калибровку геодезических приборов - нивелиров, теодолитов, тахеометров, а также средств измерений в машиностроении, находящихся в эксплуатации в государственных и коммерческих предприятиях, организациях и фирмах

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1 Голыгин Н X Степочкин А А Травкин С В Бахарев Е С Исследование оптико-электронных геодезических приборов и устройств для аттестации //Изв вузов Геодезия и аэрофотосъемка -2005 -№5 -С 123-135

2 Голыгин Н X, Травкин С В , Стенд для аттестации вертикальных угловых измерительных систем геодезических приборов // Изв вузов Геодезия и аэрофотосъемка -2006 -№2 - с 128-131

3 Травкин С В Метод определения погрешности измерения превышения высокоточными нивелирами с использованием концевых мер длины //Изв вузов Геодезия и аэрофотосъемка-2006-№3-С 97-100

4 Бахарев Е С , Голыгин Н X , Травкин С В , Хиноева О Б , Ямбаев X К Измерительный комплекс для аттестации угловых и линейных измерительных систем УМК-М//Приборы, 2006,-№5(71) -С 50-54

5 Хиноева О Б , Жданова Е С , Целикова А А, Травкин С В -Сб научных докладов научно-практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» Москва, 2006, - С 246248

6 Клименок И В , Быков К И, Ласунова Е А, Травкин С В -Сб научных докладов научно- практической конференции «Научно-техническое творчество молодежи - путь к обществу, основанному на знаниях» Москва, 2006, - С 242244

7 Заявление о выдаче патента Российской Федерации на изобретение, 10 08 2006, №031539

МГУГиК

105064, Москва К-64, Гороховский пер ,4

Подп к печати 25 10 2007 Формат 60x90 Бумага офсетная Печ. л 5 Уч.-изд л 5 Тираж 80 экз Заказ № 253 Цена договорная

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Травкин, Сергей Владимирович

Введение.

Глава 1. Анализ существующих методов и средств исследования, поверки и калибровки приборов для измерения превышений.

1.1. Аналитический обзор современных методов и приборов для измерения превышений.

1.2. Классификация средств поверки геодезических приборов.

1.3.Методы и средства исследований и поверок нивелиров и реек.

1 АМетоды и средства исследования и поверок систем измерения вертикальных углов геодезических приборов.

Глава 2. Разработка методов и средств определения основных метрологических характеристик геодезических приборов для измерения превышений.

2.1. Метод и средства исследования короткопериодической погрешности измерения вертикальных углов геодезических приборов.

2.2. Метод поверки системы лазерного трекера для измерения превышений и вертикальных углов.

2.3. Метод поверки и калибровки системы «нивелир - рейка».

2.3.1. Метод исследования системы «нивелир - рейка» при помощи растрового измерительного преобразователя.

2.3.2. Метод исследования системы «нивелир - рейка» на компараторе.

2.3.3. Метод исследования системы «нивелир - рейка» с использованием концевых мер длины.

Глава 3. Разработка и исследование универсального метрологического комплекса УМК-М.

3.1. Стенд УМК-М для поверки и калибровки систем геодезических приборов для измерения вертикальных углов.

3.2. Стенд УМК-М для исследования короткопериодической погрешности систем геодезических приборов для измерения вертикальных углов.

3.3. Исследование систематической погрешности вертикального стенда УМК-М с помощью лазерного интерферометра.

3.4. Вертикальный стенд УМК-М для поверки и калибровки системы «нивелир - рейка».

3.5. Горизонтальный стенд УМК-М для поверки и калибровки системы «нивелир - рейка».

3.6. Исследование системы «нивелир - рейка» с использованием концевых мер длины.

3.7. Исследование разрешающей способности системы нивелир - рейка» с помощью индуктивного датчика.

3.8. Результаты поверки и калибровки системы лазерного трекера для измерения превышений.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений"

Развитие и совершенствование оптических и оптико-электронных приборов для измерения превышений, возрастающие требования к их точности и надежности, а также автоматизация процесса измерений, приводит к необходимости создания новых методов и средств испытаний с целью поверки и калибровки геодезических приборов. Наибольшие трудности возникают при создании эталонных средств поверки и калибровки высокоточных приборов, таких как, высокоточные теодолиты, тахеометры, астрономические универсалы, лазерные трекеры и высокоточные нивелиры (оптические и цифровые).

Поверка - определение погрешностей средств измерений и установление их пригодности к применению.

Калибровка средства измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и/или пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному контролю и надзору.

Разработка современных эталонных средств измерений (СИ) направлена на обеспечение единства измерений, сокращение времени испытаний, повышение их точности и надежности результатов, оперативную обработку полученных данных. Для оптико-электронных приборов важное значение имеет исследование короткопериодической (внутришаговой) составляющей суммарной погрешности.

Методология поверок и калибровок высокоточных приборов для измерения превышений тахеометрами и нивелирами регламентируется рядом специально разработанных стандартов [43, 44, 45 и 46], устанавливающих основные метрологические характеристики (МХ). Эта документация рассчитана в основном для оптических приборов, поверочные схемы оптико-электронных устройств детально не разработаны.

В этой связи актуальным является разработка новых методов и средств поверки и калибровки современных оптико-электронных и цифровых геодезических приборов.

Основными требованиями к техническим и метрологическим характеристикам стендов для поверки и калибровки современных геодезических приборов для измерения превышений являются:

- многофункциональность стендового оборудования;

- уменьшение времени поверки и калибровки геодезического прибора;

- автоматизация процесса измерений;

- оперативная обработка данных измерений с помощью специальных микропроцессоров;

- использование альтернативных эталонных мер - кодовых и растровых датчиков, лазерных интерферометров, эталонных жезлов и концевых мер длины; возможность исследования геодезических приборов в условиях приближенных к рабочим условиям;

- увеличение точности считывания с кодовых, растровых инкрементальных датчиков угла или длины.

Данная диссертационная работа посвящена повышению точности эталонного оборудования и разработке новых методов исследований.

Работа включает в себя теоретическую и экспериментальную части. Теоретические исследования включают: анализ и классификацию используемых методов и средств поверки и калибровки нивелиров и тахеометров, их достоинств и недостатков; разработку методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов, для измерения превышений и вертикальных углов; анализ и классификацию погрешностей методов испытаний и эталонных средств измерений. Экспериментальная часть работы включает:

- апробацию и верификацию разработанных стендов;

- исследование методик поверки и калибровки геодезических приборов.

На защиту выносятся:

- средства и методы проведения поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений;

- результаты исследований современных оптико-электронных и цифровых геодезических приборов на поверочной установке МИИГАиК УМК-М.

Основное содержание диссертационной работы изложено на 144 стр., включая 6 таблицы, 56 рисунков, 10 приложений.

По материалам диссертационной работы опубликовано 6 научных работ.

На «Универсальный метрологический комплекс МИИГАиК» (УМК-М), разработанный и созданный при участии автора, от ВНИИМС получен сертификат эталонного средства измерения {Приложение 9) и лицензия (Приложение 10), которые позволяют проводить поверки и калибровки геодезических приборов - нивелиров, теодолитов, тахеометров, а так же средств измерений в машиностроении.

Результаты разработок и исследований автора были представлены на выставках, форумах и конференциях:

- ОЕОР(ЖМ+, Зй Международный промышленный форум;

- ГЕО-СИБИРЬ 2006, Вторая международная специализированная выставка и научный конгресс;

- 1ЖЕ1ШЕО 2006, Мюнхен;

- МЕРА - 2006, Москва - Экспоцентр;

- Научные конференции студентов и аспирантов и молодых ученых МИИГАиК в марте 2005, в марте 2006, в апреле 2007.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Травкин, Сергей Владимирович

Выводы по главе 3

На основе разработанных в главе 2 методов поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений или вертикальных углов, разработаны специальные стенды и проведены соответствующие исследования.

Исследованы погрешности измерения вертикальных углов в диапазоне от -45° до +45°, различными высокоточными геодезическими приборами, в результате получены СКП определения эталонных углов не превышающие 3,2".

Исследованы короткопериодические (внутришаговые) погрешности, при помощи растрового измерительного преобразователя, у тахеометра фирмы «Leica» TPS 1100, погрешность измерения вертикального угла, при наведении на отражатель, составила 8";

Исследование на вертикальном стенде системы «нивелир - рейка», показало, что погрешность определения превышения по инварной штрих кодовой рейке цифровым нивелиром DiNilO равна 0,05 мм, a DiNil2 - 0,015 мм;

Исследования вертикального стенда с помощью интерферометра на наличие систематической погрешности по результатам многократных измерений выявили, систематическую погрешность растровой меры, не превышающую 50 мкм.

По результатам исследования на горизонтальном стенде системы «нивелир - рейка» получено, что инструментальная погрешность измерения метровых интервалов при помощи системы «цифровой нивелир DiNil2 -инварная 3-х метровая штрих-кодовая рейка» не превышает 0,06 мм. Погрешность метровых интервалов инварной 3-х метровой штрих-кодовой рейки не превышает 0,02 мм. И инструментальная погрешность самого цифрового нивелира DiNil2 при измерении метровых интервалов не превышает 0,04мм.

Исследованы методы поверки и калибровки приборов для измерения превышений, при помощи КМД. Исследования проводились как в лаборатории, так и в полевых условиях, при этом получены следующие результаты:

- в лабораторных условиях погрешности в измерениях превышений нивелиром Н-05 по инварной рейке с 5-ти миллиметровыми делениями, составили - порядка 0,2мм. Отклонения в превышениях определенные нивелиром DiNi 10 по инварной штрих-кодовой рейке составляют: 0,1мм. Отклонения, определенные нивелиром DiNi 12 по инварной штрих-кодовой рейке - 0,05 мм. Можно сделать вывод, что нивелир DiNi 12 определяет превышения с наибольшей точностью. - в полевых условиях с изменением расстояния от нивелира до рейки погрешность определения превышения носит не линейный характер. DiNi 10 на 3,5м имеет погрешность 0,2мм, на 13,5м - 0,2мм, на 29,0м -0,5мм, на 50м - 0,6мм и на 86,5м погрешность достигла 1,2мм. DNil2 на 3,5м имеет погрешность 0,15мм, на 13,5м - 0,25мм, на 29,0м -0,35мм, на 50м - 0,55мм и на 86,5м погрешность составила 1,2мм. Отсюда можно сделать вывод, что на расстояниях, превышающих 30м. погрешность измерения превышения, с увеличением расстояния, достигает больших значений; максимальное расстояние, на котором нивелир DiNi 12 снимал отсчет по рейке, составило 86,5м, а нивелир DiNi 10 снимал отсчеты по рейке на расстоянии превышающем 90м. Проведенные исследования метода калибровки систем «нивелир -рейка» с помощью концевых мер длины продемонстрировали возможность выявления инструментальной погрешности. В результате исследований получены инструментальные погрешности, которые в дальнейшем могут быть использованы для разработок методик нивелирования. Например, методики нивелирования I, И, III и IV классов для цифровых (электронных) нивелиров, которых на сегодняшний день ни одной не разработано.

Исследованы разрешающие способности системы «нивелир - рейка», она имеет сложную зависимость. Из частоты скачков видно, что разрешающая способность у нивелира DiNi 12 выше, чем у DiNi 10. Средняя разрешающая способность у нивелира DiNi 12 равна 200микрон, а у DiNi 10 порядка 250 микрон.

Исследована погрешность измерения превышения лазерным трекером, в результате которого получен график калибровочной характеристики трекера при измерении превышений, предельная погрешность измерения составила ЗОмкм.

Таким образом, результаты исследований убедительно показали работоспособность, надежность и достаточную точность разработанного «Универсального метрологического комплекса МИИГАиК» (УМК-М).

Полученные от ВНИИМС сертификат эталонного средства измерения и лицензия позволяют проводить поверки и калибровки геодезических приборов - нивелиров, теодолитов, тахеометров, а также средств измерений в машиностроении.

Заключение

В диссертационной работе разработаны методы и средства поверки и калибровки геодезических приборов, измеряющих вертикальные углы и превышения, позволяющие повысить точность измерений.

Основной акцент был сделан на анализ существующих методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов. По результатам анализа сделаны выводы о том, что для повышения точности поверки и калибровки геодезических приборов необходимо: использование автоколлиматоров для задания референтных направлений, точность наведения на которые составляет порядка 0,2"; применение линейных измерительных преобразователей с дискретностью отсчитывания порядка 0,5 мкм; использование эталонных инварных жезлов 2 разряда, погрешность которых составляет ~ 0,3мкм; применение лазерных интерферометров с погрешностью 1мкм + 1ррт; применение альтернативных эталонных средств измерений (инварные и композитные жезлы, автоколлиматоры, растровые датчики). Так же сделан вывод, что важной задачей при испытании оптико-электронных приборов является исследование короткопериодической составляющей суммарной погрешности измерений.

Разработанные методы и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений - нивелиров и тахеометров позволяют:

- исследовать короткопериодическую погрешность измерения вертикального угла геодезических приборов - теодолитов, тахеометров;

- исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир -рейка» при помощи растрового измерительного преобразователя;

- исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир -рейка» на компараторе;

- провести калибровку координатных систем типа - лазерный трекер.

На основе разработанных методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений или вертикальных углов, разработаны специальные стенды и проведены соответствующие исследования.

Исследованы погрешности измерения вертикальных углов в диапазоне от -45° до +45°, различными высокоточными геодезическими приборами, в результате получены СКП определения эталонных углов не превышающие 3,2".

Исследованы короткопериодические (внутришаговые) погрешности, при помощи растрового измерительного преобразователя, у тахеометра фирмы «Leica» TPS 1100, погрешность измерения вертикального угла, при наведении на отражатель, составила 8";

Исследование на вертикальном стенде системы «нивелир - рейка», показало, что погрешность определения превышения по инварной штрих кодовой рейке цифровым нивелиром DiNilO равна 0,05 мм, a DiNil2 - 0,015 мм;

Исследования вертикального стенда с помощью интерферометра на наличие систематической погрешности по результатам многократных измерений выявили, систематическую погрешность растровой меры, не превышающую 50 мкм.

По результатам исследования на горизонтальном стенде системы «нивелир - рейка» получено, что инструментальная погрешность измерения метровых интервалов при помощи системы «цифровой нивелир DiNil2 -инварная 3-х метровая штрих-кодовая рейка» не превышает 0,06 мм. Погрешность метровых интервалов инварной 3-х метровой штрих-кодовой рейки не превышает 0,02 мм. И инструментальная погрешность самого цифрового нивелира DiNil2 при измерении метровых интервалов не превышает 0,04мм.

Исследованы методы поверки и калибровки приборов для измерения превышений, при помощи КМД. Исследования проводились как в лаборатории, так и в полевых условиях, при этом получены следующие результаты:

- в лабораторных условиях погрешности в измерениях превышений нивелиром Н-05 по инварной рейке с 5-ти миллиметровыми делениями, составили - порядка 0,2мм. Отклонения в превышениях определенные нивелиром DiNi 10 по инварной штрих-кодовой рейке составляют: 0,1мм. Отклонения, определенные нивелиром DiNi 12 по инварной штрих-кодовой рейке - 0,05 мм. Можно сделать вывод, что нивелир DiNi 12 определяет превышения с наибольшей точностью, в полевых условиях с изменением расстояния от нивелира до рейки погрешность определения превышения носит не линейный характер. DiNi 10 на 3,5м имеет погрешность 0,2мм, на 13,5м - 0,2мм, на 29,0м -0,5мм, на 50м - 0,6мм и на 86,5м погрешность достигла 1,2мм. DNil2 на 3,5м имеет погрешность 0,15мм, на 13,5м - 0,25мм, на 29,0м -0,35мм, на 50м - 0,55мм и на 86,5м погрешность составила 1,2мм. Отсюда можно сделать вывод, что на расстояниях, превышающих 30м. погрешность измерения превышения, с увеличением расстояния, достигает больших значений; максимальное расстояние, на котором нивелир DiNi 12 снимал отсчет по рейке, составило 86,5м, а нивелир DiNi 10 снимал отсчеты по рейке на расстоянии превышающем 90м. Проведенные исследования метода калибровки систем «нивелир -рейка» с помощью концевых мер длины продемонстрировали возможность выявления инструментальной погрешности. В результате исследований получены инструментальные погрешности, которые в дальнейшем могут быть использованы для разработок методик нивелирования. Например, методики нивелирования I, II, III и IV классов для цифровых (электронных) нивелиров, которых на сегодняшний день ни одной не разработано.

Исследованы разрешающие способности системы «нивелир - рейка», она имеет сложную зависимость. Из частоты скачков видно, что разрешающая способность у нивелира 12 выше, чем у Б1М1 10. Средняя разрешающая способность у нивелира 12 равна 200микрон, а у 10 порядка 250 микрон.

Исследована погрешность измерения превышения лазерным трекером, в результате которого получен график калибровочной характеристики трекера при измерении превышений, предельная погрешность измерения составила ЗОмкм.

Таким образом, результаты исследований убедительно показали работоспособность, надежность и достаточную точность разработанного «Универсального метрологического комплекса МИИГАиК» (УМК-М).

Полученные от ВНИИМС сертификат эталонного средства измерения и лицензия позволяют проводить поверки и калибровки геодезических приборов - нивелиров, теодолитов, тахеометров, а также средств измерений в машиностроении.

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Травкин, Сергей Владимирович, Москва

1. ГОСТ 16263-70. Метрологическая аттестация средств измерений.

2. Артемьев Б.Г., Голубев С.М. Справочное пособие для работников метрологических служб. М.: Издательство стандартов, 1990. - 962 с.

3. Рубичев H.A., ФрумкинВ.Д. Методы и средства поверки и метрологической аттестации средств измерений. М.: Машиностроение 1986.

4. Генике A.A., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии. М.: Картгеоцентр-Геоиздат, 1999.

5. Макаренко H.JI. О переходе на автономные спутниковые методы определения координат // Геодезия и картография. 1996. -№5 -С.4 - 7

6. Машимов М.М. Всеобщий взгляд на геоспутниковую технологию // Геодезия и картография. 1994. -№12 -С.6 -11.

7. Красовский Ф.Н., Данилов В.В. Руководство по высшей геодезии. Часть I, вып. 1.-М.: Изд. Редбюро ГУГСК НКВД СССР, 1938.

8. Kukkamaki T.I. Vaisalainterference Comparator. Publications of the Finnish Geodetic Istitute.1978, № 87. P. 3 - 49.

9. Buschman E. Metrologische Grundlagender Geodäsie. //Vermessungstechnik. 1975. - №10. - S. 361 - 366.

10. Deumlich F. Instrumentenkunde der Vermessungstechnik. VEB Verlag für Bauwesen. Berlin, 1988.

11. Sledzinski J., Kalinowska-Sledzinski B. Metrological laboratories as an indispensable tool in the activities of the national geodetic services. Proceeding of the United nations. Regional cartographic conference, 1985.

12. Heister H. Zur Überprüfung von Prazisions-Nivellierlatten mit digitalem Code. Sriftenreihe Studiengang Vermessungswesen, Universität der Bundeswehr München, Heft 53,45-53 S.

13. Карсунская М.М. Геодезические приборы М.: Институт оценки природных ресурсов, 2002. - 186с.

14. Кочетов Ф.Г. Нивелиры с компенсаторами. М. Недра, 1985г., 148 с.

15. Кузнецов П.Н., Васютинский И.Ю., Ямбаев Х.К. Геодезическое инструментоведение. М., Недра, 1984г., 265 с.

16. Ямбаев Х.К., Голыгин Н.Х. Геодезическое инструментоведение. М.: «ЮКИС», 2005.-312с.: ил.

17. Ingensand Н., Maurer W., Schauerte W., Die Digitalnivellirfamilie WILD NA2002/NA3000 und ihre Anwendungen in der Ingenieurvermessung. Beitrage zum XI. Internationalen Kurs for Ingenieurvermessung, Zurich, 21. -25.9.1992, 14 S.

18. Елисеев С. В. Геодезические инструменты и приборы.-М.:Недра,1973.

19. Литвинов Б.А. Лобачев, Воронков. Геодезическое инструментоведение. М. Недра 1971, 328 с.

20. Климов О. Д. Применение принципа автоколлимации при исследовании астрономических инструментов. //Изв.вузов Геодезия и аэрофотосъемка, 1982, № 4.

21. Зимин В.Н. Стенд для исследования угломерных инструментов. М. Геодезия и картография, 1983, № 4.

22. Каяк Л. К., Мартынов В. Т. Поверка лимбов теодолитов и других угломерных приборов по образцовым многогранным призмам. -Измерительная техника №3 1968.

23. Мартынов В. Т. Аттестация высокоточных лимбов. Труды ВНИИ им. Менделеева, Вып. 199(259).-л. Энергия 1976

24. Высокоточные угловые измерения/ под ред. Ю. Г. Якушенкова М.: Машиностроение, 1987,480 с.

25. Петропавловский В.П., Сипицын Н.В. Фазовые цифровые преобразователи угла. М. Машиностроение 1984.186 с.

26. Научно-технический отчет по теме 6.30.011 раздел 05. № регистрации 01.86.0063 982. М. МИИГАиК 1989

27. Войцекян В.И. Лабораторное метрологическое оборудование для обеспечения разработки и испытаний высокоточных теодолитов.- Сб. науч.трудов ЦНИИГАиК, М. ЦНИИГАиК ГУКГ СССР, 1989 -136 с.

28. Научно-технический отчет по теме Стенд для контроля теодолитов. М. МИИГАиК, 1999.

29. Научно-технический отчет по теме Универсальный измерительный комплекс М. МИИГАиК, 2001.

30. Гончар Б.В. Разработка и исследование средств контроля пространственной стабильности стендов для аттестации оптических угломеров. Дисс. На соискание ученой степени канд. техн. наук М.: МИИГАиК, 2005г.

31. Голыгин Н.Х., Травкин С. В., Стенд для аттестации вертикальных угловых измерительных систем геодезических приборов. // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2006. - №2. - с. 128-131.

32. Голыгин Н.Х., Хиноева О.Б., Ямбаев Х.К. Возможности повышения точности геодезических измерений на основе искусственных нейросетей//Изв.вузов.Геодезия и аэрофотосъемка.-2005.-№4.-с.17-27.

33. Голыгин Н.Х., Травкин С. В. Стенд для аттестации вертикальных угловых измерительных систем геодезических приборов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка-2006. -№2 -С. 128 131.

34. Травкин С. В. Метод определения погрешности измерения превышения высокоточными нивелирами с использованием концевых мер длины//Изв.вузов.Геодезия и аэрофотосъемка.-2006-№3-С.97-100.

35. Голыгин Н.Х. Степочкин A.A. Травкин C.B. Бахарев Е.С. Исследование оптико-электронных геодезических приборов и устройств для аттестации //Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -2005,-№5.-С. 123- 135.38. http://www.ntpgorizont.ru/

36. Руководство пользователя TSP-System 1000.

37. РТМ 68-8. 3-76. Эталонирование инварных реек и контрольных линеек на компараторе МК-1, 1976.

38. Инструкция по проведению технологической поверки геодезических приборов. М.: ЦНИИГАиК, 1999.

39. ГОСТ23543-79. Приборы геодезические. Основные технические требования.

40. Методика института. Теодолиты. Методы средства поверки. МИ БГЕИ 08-90. Москва 1991, ЦНИИГАиК.

41. Методика института. Теодолиты. Методы средства поверки. МИ БГЕИ. Москва 1999, ЦНИИГАиК.

42. Дурнева П.И., Спиридонов А.И. Об исследовании эксцентриситетавертикального круга у теодолитов с односторонней системой отсчитывания //Геодезия и картография. 1966. - №9.

43. Селиханович В. Г., Геодезия: Учебник для вузов, Ч. II М. Недра, 1981.544с.

44. Деймлих Ф., Геодезическое инструментоведение. М., Недра, 1970. 584с.

45. Васютинский И.Ю. Гидростатическое нивелирование. М., Недра, 1976.