Технические характеристики цифровых нивелиров
В настоящее время наибольшая степень автоматизации геометрического нивелирования достигается при использовании цифровых нивелиров, которые выпускаются только зарубежными фирмами.
Эти приборы являются пассивными. В качестве приемного устройства в них использована ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью), устанавливаемая в плоскости изображений, создаваемых зрительной трубой цифрового нивелира. В качестве примера на рис. 3.14 представлена оптическая схема цифрового нивелира DINI, а на рис. 3.15 — внешний вид этого прибора.
Рис. 3.14.
Оптическая схема цифрового нивелира DINI:
1 — объектив; 2 — фокусирующая
линза; 3, 4 — призмы; 5 — нити; 6 — куб-призма; 7 — сетка нитей; 8 — окуляр; 9 —
зеркало-компенсатор; 10 — сенсорный приемник излучения; 11 — воздушный демпфер;
12 — корпус трубы; А, В, С, D — точки закрепления нитей
Рис. 3.15. Внешний вид цифрового нивелира DINI
1 — визир; 2 —
объектив; 3 — кремальера; 4 — клавиша пуска измерений; 5 — окно круглого уровня;
6 — наводящие винты; 7 — подставка; 8 — карта памяти; 9 — интерфейсный порт; 10
— клавиатура; 11 — дисплей; 12 — крышка окуляра; 13 — окуляр
С помощью ПЗС-матрицы 10 распознается кодовая маска на нивелирной рейке, изображение которой получают с помощью объектива 1 в плоскости сетки нитей 7 и в плоскости чувствительной поверхности ПЗС-матрицы. В отличие от традиционных оптических нивелиров, при работе с цифровым нивелиром отсчет производится автоматически и вносится в память прибора.
С помощью цифрового нивелира можно автоматически осуществлять отсчеты по нивелирной рейке, определять расстояния до реки и вычислять превышения между нивелируемыми точками. Внутренняя память рассчитана на хранение измерений 8000 точек. Данные нивелирных ходов могут быть уравнены по методу наименьших квадратов программным обеспечением. Уникальные возможности цифровых нивелиров обеспечивают возможность увеличить производительность на 50 % по сравнению с традиционными оптико-механическими приборами, а также достигнуть наивысшего уровня точности измерений, что позволяет их использовать для выполнения нивелирных работ всех классов и слежения за деформациями.
Все цифровые нивелиры являются самоустанавливающимися и высокоточными, поэтому для нивелирования обычно используются инварные рейки, для менее точных работ фиберглассовые, имеющие несколько больший температурный коэффициент расширения, и поэтому менее точные. На эти рейки наносится кодовая маска, по которой автоматически считываются отсчеты в процессе нивелирования. Все фирмы выпускают рейки к кодовым нивелирам, которые не могут быть использованы для визуального отсчета.
Как правило, цифровые нивелиры используются при выполнении высокоточных геодезических работ. Особенно эффективно их использование при измерении деформаций сооружений и исследовании движений земной коры, вызванных как естественными причинами, так и техногенными факторами.
Современные цифровые нивелиры позволяют значительно повысить производительность при выполнении нивелирования, однако диапазон измеряемых превышений и скорость выполнения работ во многом диктуются используемым методом измерений, т. е. геометрическим нивелированием.
Поэтому интерес исследователей всегда вызывал метод тригонометрического нивелирования, позволяющий определять превышения между точками, удаленными на значительные расстояния. При этом ограничения по дальности обусловлены в первую очередь снижением точности из-за влияния внешних условий (вертикальной рефракции).
Скорость нивелирования и диапазон измеряемых превышений могут быть во много раз повышены, если использовать принцип измерений, основанный на сканировании лазерным пучком в вертикальной плоскости с угловой скоростью, закон изменения которой известен (рис. 3.16).
Рис. 3.16.
Структурная схема сканирующего лазерного профилографа:
1 — лазер; 2 —
оптическая система; 3 — сканирующий узел; 4 — цилиндрическая линза; 5 —
фотоприемники; 6 — усилители; 7 — блок обработки; 8 — отражатели, установленные
на рейке
При этом в плоскости развертки вдоль нивелируемой трассы перемещалась вертикальная рейка с двумя отражателями. Вертикальный угол на каждый отражатель определялся по временному интервалу между импульсами: между опорным импульсом и импульсом от соответствующего отражателя, т. е. так же, как при измерении углов сканирующим устройством. Так как частота сканирования может составлять сотни Гц и более, то скорость передвижения отражателя вдоль трассы практически не ограничена.
Для проверки этого метода нивелирования была использована лазерная контрольно-измерительная система (ЛКИС) (рис. 3.17).
Рис. 3.17. Внешний
вид лазерной контрольно-измерительной системы (ЛКИС)
1 — передатчик; 2 —
приемник; 3 — цифропечатающее устройство; 4 — компьютер
Частота сканирования составляла 100 Гц. В момент измерений определяли углы наклона на оба отражателя, затем вычислялось расстояние по известному базису между отражателями и измеряемому параллактическому углу. Как показали испытания, точность определения отметок точек на участке до 500 м характеризуется средней квадратической ошибкой порядка 10 см.
