авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 11 |

«В.С.ПЛОТНИКОВ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов оптических ...»

-- [ Страница 5 ] --

Каналы могут работать параллельно, для чего в оптическую схему вклю­ чаются полупрозрачные зеркальные элементы (рис. 49), или поочередно, для чего в оптическую схему вводятся зеркала или призмы, убирающие­ ся при переключении каналов.

Выбор телевизионного приемника излучения - передающей трубки определяется характеристиками объекта и принципами построения системы.

Передающие телевизионные трубки делятся на трубки без накопле \ чТ Телеви­ Г зионная н ~Тг;

система V T Ок Рис. 49. Оптическая схема с использованием телевизионной системы пия, реагирующие только на мгновенный световой поток, и трубки с на­ коплением, которые накапливают световую энергию. К первым отно­ сятся трубки типа диссектор. Ко вторым - трубки следующих типов:

1) ортикон - супсрортиконы (ORTH), изоконы (1SOC);

2) видикон:

a) Sb S - видиконы (VTD);

б) плюмбиконы (РЬО);

в) кремниконы 2 (Si);

г) видиконы с усилителем яркости ( I V I D ) ;

д) секоны (SEC);

е) суперкремниконы (S1T).

В конце 60-х годов в астрономических оптико-электронных систе­ мах стали применять передающие телевизионные трубки, обеспечиваю­ щие работу систем в условиях низкой освещенности. Так, изокон имеет высокую чувствительность в видимой части спектра, кремникон имеет спектральную чувствительность в области спектра — от видимой до ближней инфракрасной. Трубки типа видикон имеют различные разно­ видности и работают в видимой, ультрафиолетовой (0,23-0,6 м к м ) и инфракрасной (0,7-2,0 м к м ) частях спектра, плюмбиконы отлича­ ются низким шумом и малой инерционностью, а суперкремниконы очень высокой чувствительностью [ 4 0 ].

В табл. 4 приведены некоторые характеристики передающих трубок.

Общее увеличение системы с телевизионным каналом v равно о б щ и = 7 о6т ^опт^тсл. (' где У - увеличение приемной оптической системы;

v - увеличе­ оПТ TQn ние телевизионного канала.

Увеличение телевизионного канала определяется отношением попе­ речных размеров растров приемной и передающей трубок, т.е.

7 ^тсл = /'пр/Апер- (- ) Телевизионное увеличение при наблюдении на экране кинескопа с поперечным размером растра h = 220 м м в зависимости от размера п р х растра передающей трубки меняется примерно от 9 до 4 8.

Разрешающая способность телевизионной системы определяется числом темных (светлых) линий на размере растра h в зависимости от числа строк развертки N. Для нормальной системы разрешающая способность приемного (передающего) устройства равна: вдоль строк т = 0,89 TV, в поперечном направлении п — 0,5 N.

N JV = — — N, где Различимость деталей определяется величиной 7' д W - величина изображения детали в линиях.

TV Дальность действия / системы с приемником телевизионного типа, определяющая вероятность обнаружения и распознавания объекта при низкой освещенности, зависит от отношения сигнал/шум на выходе телевизионного датчика, которая, в свою очередь, зависит от освещен­ ности, характеристик передающей трубки, стандарта разложения и конт­ раста.

Таблица Инерционность, Время накопле­ линий на 1 мм Размер растра, Максимальная Наименование Разрешающая спектральная чувствитель­ способность, Ток сигнала, Экспозиция, ность, мкм трубок ния, с лк*с мкА мм Видикон Q,5xl2, 0,42-0,78 2 460-900 0,1-0,3 30-60 0, 4,5x6, 0,35-0,75 l, 5 x l ( f 240-500 0,05-0,1 40-50 0, Диссектор 0,48 34 3 х 10 - 5х10 * Суперорти- 0,5 24x24 4 420-800 4-60 кон Изокон 0,4-0,7 4 500-900 Суперкрем­ Зхю" 320-500 ни кон Освещенность.

Экспериментальные исследования показывают, что увеличение вре­ мени накопления в 2 раза приводит к увеличению / в y/l раз [43].

Большое значение для условия регистрации имеет скорость движе­ ния объекта. Быстро движущийся объект имеет тянущееся изображение.

Критерий скорости смещения изображения на планшайбе трубки связан с ее инерционностью. При условии удовлетворительной регистрации изображение объекта должно иметь скорость, не превышающую опреде­ ленной величины, устанавливаемой обычно экспериментально.

В [39] сообщается об использовании видикона № 156 с мишенью PbQ-PbS, имеющего широкий диапазон спектральной чувствительности, для исследования многих астрономических объектов в нескольких спектральных интервалах, соответствующих окнам прозрачности атмо­ сферы. Телевизионный датчик работал со стандартом разложения 625, но при съемках планет экспозиция удлинялась до 10 с. При этом размеры изображения объекта составляли порядка 16 м к м. Разрешающая спо­ собность трубки N 156 - 500 линий в пересчете с учетом астрономиче­ ских параметров 105-миллиметрового телескопа обеспечивала угловое разрешение до 1 ". Чувствительность видикона позволила в зонах и 1600 нм наблюдать объекты, визуальная яркость которых характери­ зуется 5 - 6 - й звездной величиной.

Сочленение передающих телевизионных трубок с усилителями яркости через волоконноюптические планшайбы позволяет существен­ но (на 1-3 порядка) повысить чувствительность телевизионных дат­ чиков к точечным объектам, не ограничивая разрешение трубок при малых освещенностях [ 4 2 ] Во всех случаях спектральная характеристика телевизионных прием­ ников должна возможно ближе подходить к спектру излучения объек­ та, а охлаждение приемников улучшает их характеристики.

Большое значение имеет обработка видеосигналов телевизионных датчиков. Новым направлением в фильтрации и цифровой обработке изображений является использование логических фильтров.

Сущность логической фильтрации заключается в том, что вся обра­ ботка телевизионного изображения осуществляется не в пространствен­ ной области, а в пространстве первичных образов, куда отображается исходное телевизионное изображение [41]. Цифровая обработка теле­ визионных изображений в сочетании с элементами вычислительной тех­ ники обеспечивает широкие функциональные возможности и гибкость систем.

Фотометрические измерения производятся сравнением видеосигна­ ла от объекта с опорным видеосигналом, полученным от этого же теле­ визионного датчика, оптически связанного также и с источником света известной интенсивности. Если высокой точности не требуется, яркость объекта устанавливается по размаху видеосигнала без сравнения с опорным.

При измерении координат объекта измеряют временную координа­ ту центра тяжести видеоимпульса на строке телевизионного растра, а при измерении протяженности и площади объекта - длительность соот­ ветствующих видеоимпульсов. Повышение точности координатных измерений достигается использованием следящего микрорастра в окрест­ ностях объекта [40].

Для оптико-электронных систем с электронным сканированием, работающих в невещательном стандарте разложения, в США предложена частота кадров 60 Гц и следующая последовательность числа строк:

525,729,875,945, 1029, 1225 [38].

Глава РАБОЧИЕ МЕРЫ § 40. Основные требования, предъявляемые к рабочим мерам геодезических приборов. Классификация рабочих мер В § 5 показано, что при геодезических измерениях л и н е й н ы е или у г л о в ы е величины сравниваются с соответствующими единицами р а б о ч и м и м е р а м и. Отмечено также, что рабочая мера может воспро­ изводить лишь величину, измеряемую прямым измерением. Так, при измерении линий и превышений прямым способом в приборе должна быть линейная рабочая мера - рулетка, лента, проволока, рейка и т.п.

При измерении тех же линий, например, евстодальномером прямым измерениям подвергается время или частота, поэтому рабочая мера должна воспроизводить время и л и ч а с т о т у. Времяимпульсные системы для угловых измерений также должны содержать рабочую меру для измерения времени или частоты колебаний. Сказанное не входит в противоречие со случаями, когда измеряются те же физические вели­ чины, но их значения преобразуются преобразователем. Например, при измерении горизонтального проложения линии и превышения номо граммным тахеометром рабочей мерой остается рейка, а номограмма по сравнению с отсчетом обычным нитяным дальномером с постоянным расстоянием между нитями является простейшим преобразователем геометрического типа.

К рабочим мерам, воспроизводящим у г л о в ы е е д и н и ц ы, относят­ ся л и м б ы, разделенные но окружности на равные части;

к р у г о в ы е ш к а л ы простейших преобразователей и отсчетных барабанов;

угловые рабочие меры фотоэлектрических, электротехнических, кодовых и дру­ гих преобразователей и отсчетных устройств;

ф у н к ц и о н а л ь н ы е ш к а ­ л ы у г л о в, нанесенные на лимбах и основных рабочих мерах преобра­ зователей (например, шкалы тангенсов или синусов углов).

К рабочим мерам, воспроизводящим е д и н и ц ы д л и н ы, относятся:

проволоки базисные;

шкаловые и штриховые ленты и рулетки;

рейки нивелирные и дальномерные;

линейные шкалы и сетки приборов.

К рабочим мерам, воспроизводящим е д и н и ц ы ч а с т о т ы и в р е м е ­ ни, относятся к в а р ц е в ы е э т а л о н ы ч а с т о т ы. Рабочие эталоны часто­ ты могут калиброваться по о б р а з ц о в ы м м е р а м ч а с т о т ы. Образцо­ вые частоты воспроизводятся стандартами частоты. Сравнение рабочих и образцовых частот обеспечивается специальной с л у ж б о й в р е м е н и и национальных эталонов.

К рабочим мерам предъявляются следующие основные требования:

1) воспроизведение с заданной точностью целых, кратных или дробных значений соответствующей единицы;

2) сохранение в промежутке вре­ мени между сравнениями с эталоном (или в течение срока службы при­ бора) в пределах заданной точности размеров, воспроизводящих значе­ ние определенного числа единиц измеряемой величины;

3) отсутствие неучитываемых изменений, превышающих допустимые, при влиянии внешних условий (температура, влажность, ветер и т.п.) и от внутрен­ них напряжений в материале, из которого мера изготовлена;

4) макси­ мальная стабильность с учетом оптимальных режимов работы и сроков сравнения с эталоном.

Точность рабочих мер для воспроизведения линейных и угловых величин характеризуется предельными ошибками нанесения штрихов на рабочих мерах и предельными ошибками определения длины линей­ ных рабочих мер. Наименьшая ошибка нанесения штриха на линейной стеклянной или металлической шкале составляет примерно 0,3 —1,0 мкм;

наименьшая предельная ошибка определения длины меры 0,2- 0,4 м к м.

Порядок сравнения линейных рабочих мер с образцовыми изуча­ ется в курсах "Метрология" и "Геодезия". Что касается инварных проволок базисных приборов 1-го класса, принято считать, что средняя ошибка компарирования 24-метровых проволок составляет 15 м к м.

Предельные ошибки нанесения штрихов на мерных приборах ко леблются в широких пределах — от 5 м к м для шкал инварных проволок до 2 м м на всю длину стальной 20-метровой мерной ленты.

Ошибки нанесения штрихов и делений на линейные рабочие меры регламентированы ГОСТом.

Основное требование к лимбам и круговым шкалам преобразова­ телей - соблюдение допусков на ошибки положения штрихов и деле­ ний. Д л я лимбов обычно эти допуски заменяют допусками на ошибки диаметров. ГОСТ 10529-79 устанавливает ошибки диаметров для лим­ бов теодолитов от 1,2" (для теодолита типа Т1) до 2,5" (для теодоли­ тов типа Т 5 ).

Ошибка в положении штриха определяется линейным смещением штриха / § и в угловой мере выражается углом 5. Линейная величи­ на /5 зависит от диаметра лимба Для горизонтального лимба высокоточного теодолита при 6 = 1 " и D = 220 м м ошибка в положении штриха не должна превышать /§ ^ 0, 5 мкм.

Основным требованием, предъявляемым к рабочим мерам частоты, является с т а б и л ь н о с т ь ч а с т о т ы следования калиброванных импуль­ сов. Так, например, для использования в импульсном хронометрическом угломерном устройстве необходима стабилизация частоты с точностью не ниже 10~ за время одного оборота ротора. Такая стабилизация часто­ ты может быть обеспечена генератором с кварцевым стабилизатором частоты. Аналогичная стабилизация частоты требуется и при радио и светодальномерных измерениях.

В системах управления съемкой при кинотеодолитных измерениях и в аппаратурных комплексах космической геодезии необходима более 8 высокая стабильность частоты (порядка 10~ —10~ за сутки). Точность квантовых, атомных и молекулярных эталонов частоты значительно выше. Так, водородный генератор имеет воспроизводимость частоты ± 5 • 1 0 " и стабильность - среднее квадратическое отклонение частоты от средней за 1 ч в 1 0 ~. Молекулярный стандарт частоты обеспечивает нестабильность частоты 4 - 1 0 " за 10 мин.

§ 41. Расчет элементов рабочих мер Т о ч н о с т ь н а н е с е н и я ш т р и х о в на рабочих мерах определяется точ­ ностью прибора и влиянием ошибок нанесения штрихов на результаты измерений.

Точность нанесения штрихов на лимбах задается, к а к было указано в § 40, полной ошибкой диаметра. Наибольшее значение ошибки диамет­ ра с в зависимости от колебаний значений угла 5 в приемах определя ется так [ 7 ] :

0,25 5 с 0,5 6.

Ниже приведены наибольшие ошибки диаметров, выраженные в ли­ нейной мере в виде смещений штрихов /5 при 5^ = о. Диаметр лимба, мм 270 140 90 6" 1,0 1,5 3,0 7, /5, мкм 0,7 0,5 0,7 2, Величина / 5 для этого случая подсчитывалась по формуле Сравнение значений /5 для лимбов с ошибками линейных шкал показывает, что линейные ошибки нанесения штрихов лимбов значитель­ но меньше ошибок линейных шкал.

Точность нанесения штрихов на точных линейных шкалах, например шкалах отсчетных устройств с микрометрами, определяется параметра­ ми отсчетного устройства и обычно составляет 5 —10 м к м.

В других линейных рабочих мерах она еще ниже.

Выбор цены деления линейных шкал. Цена деления определяется способом отсчитывания. В геодезических приборах цена деления линей­ ных рабочих мер обычно составляет миллиметр, сантиметр и кратные или дробные их доли. Как показано в гл. 9, для линейных шкал отсчи тывание производят в большинстве случаев оценкой десятых долей ин­ тервала. Для этого случая видимый размер деления должен составлять 1 -1,5 м м. При оценке десятых долей деления невооруженным глазом по индексу наиболее распространена цена деления 1 мм. При использова­ нии оптической системы (лупы, микроскопа) цена деления 7 связыва­ Ш ется с увеличением оптической системы Г зависимостью _ 1 мм ?ш " Г * Те же соображения служат для выбора цены деления удаленных шкал нивелирных или дальномерных реек. Для этого случая цена деле­ ния 7 может быть получена из зависимости р qS —• (8.2) J L у = п v 250 Г ' 'Р где S - расстояние до рейки;

Г - увеличение зрительной трубы;

q - ви­ димый наивыгоднейший размер деления (1,0-1,5 м м ). При расчетах величина S выбирается в зависимости от видов работ (от 50 до 500 м ).

Цена деления реек должна составлять 1 см и его кратное значение. Цена деления "шашечных" нивелирных реек составляет 1 или 2 см.

Цена деления дальномерных реек для работы с нитяным дальноме­ ром может быть 1, 2, 5, 10, 20 и 50 см [ 7 ].

Цену деления штриховых нивелирных реек выбирают в зависимости от вида и конструкции микрометра. Обычно она составляет 5 или 10 мм.

Выбор цены деления верньера изложен в § 47. Цена деления даль­ номерных реек с верньерами выбирается из ряда 1,2, 5 см.

Выбор цены деления лимба. Лимбы геодезических приборов делят в градусной мере либо в градовой мере. В градусной мере лимбы делят g через 1, 1/2, 1/3, 1/6, 1/12, 1/15°, в градовой - через 1, 1/2, l / 5. В гл. рассмотрены многие примеры расчета отсчетных устройств, точность ко­ торых прямо связана с ценой деления лимба. Показано, что при выборе параметров отсчетного устройства следует стремиться к максимально возможной цене деления лимба, так к а к уменьшение цены деления ведет к увеличению числа штрихов, что технологически невыгодно. Однако уменьшение цены деления лимба снижает требования и упрощает отсчет ное устройство. Уменьшение цены деления лимба снижает также требо­ вания к его центрировке и эксцентриситету алидады. Так, если дуга верньера или шкалы микрометра сместилась вследствие эксцентриситета алидады на величину е, то отсчет по штриху лимба будет сделан с ошибкой е sin А (8.3) где А — угол между крайними штрихами шкалы микрометра или вернь­ ера. При данных г и е величина 5 " прямо зависит от угла Л, кото­ е рый определяется ценой деления лимба.

При расчете конкретного прибора и его частей следует тщательно проанализировать все возможные варианты и выбрать оптимальное значение параметров, в том числе и цену деления лимба.

Выбор диаметра лимба. При одной и той же линейной ошибке нанесения штриха /$ угловая ошибка б будет обратно пропорциональ­ на радиусу лимба г (кольца делений) Например, для горизонтального лимба высокоточного теодолита при /g = 0,5 м к м, чтобы получить угловую ошибку штриха 5 = 1", надо взять радиус лимба г = 110 м м.

Но ошибка нанесения штриха лимба порядка /5 = 0, 5 м к м стала возможной относительно недавно, когда была существенно повышена точность делительных машин. Вот почему лимбы геодезических прибо­ ров, особенно высокоточных, имели большие размеры. Например, при проложении дуги меридиана в первой половине XIX в. русский ученый В.Я. Струве применял теодолиты с диаметром лимба до 460 м м. Один из современных теодолитов имеет горизонтальный круг диаметром 70 м м и вертикальный круг диаметром 55 мм.

При выборе диаметра лимба следует исходить из заданной точности измерения угла, от которой переходят к допускаемой ошибке диамет­ ров и к точности положения штрихов. Для лимбов различных теодоли­ тов допустимые значения полных ошибок диаметров регламентированы ГОСТ 10529—79. Эти ошибки определяют и минимальное значение диа­ метра лимба. Например, для теодолита типа Т2 допустимая полная ошиб­ ка диаметров лимба горизонтального круга равна 1,5", отсюда диаметр лимба 2г 100 м м. В теодолите Т2 диаметр лимба выбран равным 90 м м.

Диаметр лимба определяет габариты угломерного прибора, его об­ щую массу, конструкцию отсчетных устройств. При уменьшении диа­ метра лимба уменьшаются общие габариты, но могут возрасти габари­ ты отсчетных устройств.

В техническом задании на проектирование задаются обычно габари­ ты и масса, но при обосновании выбора основных параметров прибора необходимо обосновать и осуществимость заданных габаритов и массы при условии выполнения заданной точности и обеспечения рассчитанных параметров в производстве при современном уровне технологии. Диа­ метры лимбов теодолитов в настоящее время колеблются в пределах 5 0 - 1 4 0 м м, стеклянных лимбов - в пределах 50—90 м м. У высоко­ точных теодолитов диаметры стеклянных лимбов достигают 250 м м, в астрономических приборах — еше большего размера.

Суммарные ошибки диаметров лимбов состоят из систематических т, случайных и короткопериодических т составляющих 0 к ошибок. Систематические ошибки лимба могут быть в значительной сте­ пени ослаблены или исключены при измерениях с симметричной про­ граммой перестановок лимба. Остаточное влияние систематических ошибок по исследованиям А.И. Спиридонова невелико (например, для теодолита Т1 оно составляет 0, 4 ' ). Случайные ошибки диаметров лимба зависят от многих факторов, в том числе и от величины рабочего диаметра лимба. Эмпирическая зависимость между случайной ошибкой диаметров лимба т§ и рабочим диаметром лимба D для бифилярных n штрихов приведена в * [ 1 ] :

где 100" - эмпирический коэффициент;

D - рабочий диаметр штрихов n на лимбе, м м ;

у/2 - коэффициент, учитывающий бифилярность штрихов.

Формула (8.4) для теодолита типа Т1 при Ц, = 136 м м даст вели­ чину т$ = 0,5".

Толщину лимбов выбирают, исходя из необходимой жесткости. Для точных оптических деталей существует соотношение толщины и диамет­ ра 1:10. Для лимбов это соотношение обычно принимают несколько меньшим, в среднем до 1:20 с учетом покровного стекла.

Расчет допустимой ширины штрихов. Допустимая ширина (тол щи на) штрихов определяется: а) технологическими возможностями нане­ сения тонких штрихов;

б) физиологическими возможностями глаза;

в) требуемой точностью отсчитывания и параметрами отсчетных уст­ ройств.

Т е х н о л о г и ч е с к и е в о з м о ж н о с т и нанесения штрихов определя­ ются способом их нанесения. Нанесение штрихов к о р о т к и х ш к а л на стекле методом копирования и на малых полуавтоматических делитель­ ных машинах алмазным резцом обеспечивает толщину штрихов не ме­ нее 3 м к м ;

травлением после нарезания резцом по восковому слою — не менее 4—5 м к м ;

напылением хрома в вакууме после нарезания штрихов резцом по слою лака не менее 1 — 1,5 м к м. Штрихи л и м б о в в подавляющем большинстве приборов с оптической системой отсчета наносят методом гравировки по воску с последующим травлением в парах плавиковой кислоты и запуском краской, который обеспечивает ширину штрихов не менее 5 - 6 м к м. При нарезании резцом по слою специального лака с последующим напылением хрома в вакууме можно получить ширину штрихов лимба до 1,5 м к м.

Физиологические возможности глаза. На расстоянии наилучшего зрения (250 мм) глаз хорошо различает штрих шириной 0,06 мм. Для расчетов с учетом условия удобной оценки десятых долей деления на глаз для невооруженного глаза ширина штриха устанавливается в 0,1 мм. При использовании оптической системы (лупы, микроскопа) с увеличением Г ширина штрихов d должна быть уменьшена в Г раз по сравнению с шириной d, установленной для наблюдения невоору­ Q женным глазом, т.е.

d • (8-5) = — Точность отсчитывания и параметры отсчетных устройств. Для при­ боров, в которых отсчитывание производится по способу совмещения, ширина штрихов несколько увеличивается по сравнению с расчетной.

При рассматривании шкалы (например, рейки) в зрительную трубу толщину штриха выбирают в зависимости от способа отсчитывания.

При отсчитывании с оценкой десятых долей интервала на глаз видимая ширина штриха должна соответствовать 0,1 /,-, где - цена деления.

Для этого случая ширину штриха подсчитывают по формуле 0, где S — расстояние до рейки;

Г — увеличение зрительной трубы. Ширина штрихов выбирается из ряда: 1;

2;

4;

5;

10 м м.

При отсчитывании делений рейки по верньеру и по способу совме­ щения желательно, чтобы ширина штрихов удовлетворяла условию d-^F"/,. (8.7) V 250 Г ' ' х Для S = 300 м, Г = 2 5 d = 10 м м. Ширину штрихов и для этого случая выбирают из указанного ряда. С о о т н о ш е н и е д л и н ш т р и х о в выбирают из определенной пропорции в размерах, на основе рекомен­ дуемого "золотого сечения" [ 7 ]. Так, между тремя размерами а, Ь и с принимают соотношения а Ъ —= — и с = а + Ъ.

ь п *• k Если размер а принять за единицу, то а\Ъ.с~ 1:1,6:2,6. На прак­ тике обычно выбирают соотношения 1:1,5 :2 или 1:1,3:1,7. Если имеются только большие и малые штрихи, то принимают соотношения 1:1, или 1:2. Интервал между штрихами и их длина должны находиться в этом же соотношении.

§ 42. Способы нанесения штрихов на линейных рабочих мерах.

Деформации линейных мер и выбор материалов Способы нанесения продольных шкал зависят от их назначения и точ­ ности.

Шкалы на стекле наиболее мелкие и точные (длиной от долей мил­ лиметра до нескольких десятков миллиметров). К таким шкалам отно­ сятся сетки для труб и микроскопов, измерительные шкалы отсчетных устройств, измерительные шкалы дальномеров и д р. Допустимые ошиб­ ки нанесения штрихов таких шкал обычно порядка ±1—2 м к м ;

шири­ на штрихов указана в § 4 1.

Шкалы на металлических контрольных линейках и шкалы инварных проволок. Допустимая ошибка нанесения штрихов порядка 5 — 10 м к м.

Штрихи наносят на высокоточных делительных машинах стальным рез­ цом. Ширина штрихов при рассматривании в лупу небольшого увеличе­ ния около 0,05 мм, а для рассматривания невооруженным глазом — око­ ло 0,1 —0,15 м м.

Требования к делению различных мерных приборов, рулеток и лент, реек и др. определяются соответствующими ГОСТами.

Деформации рабочих мер длины и их уменьшение выбором материа­ лов. При влиянии внешних воздействий, температуры и др. рабочие ме­ ры не должны изменять размеров в недопустимых пределах и быть ста­ бильными во времени. Повышения стабильности рабочих мер можно достигнуть соответствующим выбором материалов и технологией.

Широкие исследования в области особо стабильных материалов при­ вели к открытию ряда сплавов с весьма ценными свойствами. К ним относятся инвар (36% N i и 64% Fe);

платинит (42% Ni и 58 % Fe);

сплав из 46 % Ni и 54 % Fe;

инвар стабиль (58 % N i и 42 % Fe).

Платинит оказался материалом высокой стабильности (изменения длины составили всего порядка 1 м к м на 1 м за 2 0 - 2 5 лет). Такой же стабильностью обладает материал с 58 % никеля, кроме того, он имеет коэффициент линейного расширения близкий к стали. Сплав с 46 % никеля имеет коэффициент линейного расширения близкий к коэффи циенту стекла. Особо важные свойства обнаружил инвар, коэффициент линейного расширения которого около 2-1CF. Однако инвар показал значительную изменяемость во времени (до 5 м к м на 1 м в год и даже до 20 м к м на 1 м в течение первых пяти месяцев после изготовления).

Поэтому инварные проволоки нуждаются в периодическом компари ровании.

Дальнейшая работа над улучшением сплавов д л я мерных приборов и технологии их обработки привели к получению из инвара мерных проволок с коэффициентом линейного расширения около 0,5-10" и изменением длины не более 2 м к м на 1 м в год. Был предложен сплав с у п е р и н в а р, состоящий из 63% Fe, 31 % Ni и 6% Со. Оказалось, что после соответствующей обработки из этого сплава можно получить базисные проволоки с весьма малым и даже отрицательным коэффици­ ентом линейного расширения, однако и этот сплав обладает нестабиль­ ностью во времени.

Из указанных сплавов могут изготавливаться не только меры дли­ ны, но и детали, которые должны обладать особой стабильностью длины при значительных перепадах температуры.

Весьма ценным материалом, который может использоваться и для точных мерных приборов и для стабильных по размерам оптических деталей при больших перепадах температуры, является кварц. Он при­ меняется для изготовления жезлов интерференционных компараторов базисных приборов, для получения тонких (до 2 м к м ) кварцевых ни­ тей, стабильных зеркал и других деталей. По химическому составу кварц - двуокись кремния S i 0, поэтому на него воздействуют только шелочи и фтористоводородная кислота.

Температурный коэффициент линейного расширения плавленого кварца 0,4-10~ при температуре от 0 до 30 °С, при температуре от - 4 0 ° до 0 °С - еще меньше - 0,3-10". Кварц обладает очень малым коэф­ фициентом теплового гистерезиса, остаточное относительное удлине­ ние стержня из кварца составляет 1-10' (у инвара в 100 раз больше).

Твердость кварца близка к твердости стекла, теплопроводность — в 2 3 раза больше, чем объясняются малые деформации при изменении тем­ пературы.

Плавленый кварц может быть прозрачным и непрозрачным. Из прозрачного кварца могут быть изготовлены оптические детали. Непро­ зрачный кварц менее прочен и обладает гигроскопичностью. Стабиль­ ность мер из плавленого кварца весьма высока.

§ 43. Выбор материала для лимбов. Деление лимбов по стеклу и металлу Материал для изготовления лимбов должен обладать устойчивостью против деформаций и коррозии, возможностью получения поверх­ ности тонкой структуры для нанесения тонких и четких штрихов.

Наиболее полно этим требованиям удовлетворяет оптическое стек­ ло. Кроме того, стеклянный лимб в отличие от металлического является прозрачным и допускает применение оптической системы с оптической схемой, в которой лимбы рассматривают на просвет. Поверхность стек­ лянного лимба позволяет получить штрихи шириной до 1 м к м. Лимбы изготавливают из стекла марки БК-10, хорошо подвергающегося трав­ лению в парах плавиковой кислоты, а также из стекла Ф6. Лимбы из стекла могут быть применены для любых приборов, в том числе для аст­ рономических и приборов для траекторных измерений. Диаметр стек­ лянных лимбов может быть 700 м м и более. Заготовки для стеклян­ ных лимбов подвергаются старению. После отжига и обдирки заготов­ ка выдерживается в печи при температуре около 200 °С двое суток, за­ тем медленно охлаждается вместе с печью. В настоящее время в подавля­ ющем большинстве геодезических приборов применяют стеклянные лимбы. Металлические лимбы имеют, пожалуй, лишь исторический ин­ терес.

Металлический лимб состоит из двух частей: основания и соединен­ ного с ним кольца из другого материала, на котором наносят деления.

Основание изготавливают из материала, устойчивого против деформаций и коррозии, обычно из оловянистой бронзы Б р. ОФ 6,5 — 0,4. Для при­ боров массового применения используют латунь Л62, ЛС59— 1.

Кольцо, на которое наносят деления, в виде полоски в форме "лас­ точкин хвост" присоединяется к основанию, затем окончательно обра­ батывается.

Для снятия напряжений производят старение — нагрев до 200 — 250 °С с охлаждением в течение нескольких часов. Для обеспечения надлежащего качества термическая обработка чередуется с механиче­ ской и проводится несколько раз.

Материалом для кольца является нейзильбер МНЦ 15-20, а также сплав, состоящий из 87,5 % серебра и 12,5 % меди. Деления на высоко­ точные лимбы наносят на кольце из сплава с содержанием 94% серебра и 6 % меди.

При изготовлении высокоточного лимба на металле основание при­ тирается к оправке, на которой в последующем ставится на делительную машину лимб для проточки серебряной поверхности кольца. После проточки следы обработки зачищаются углем вручную (пемзовка).

После первой немзовки при помощи пантографа наносят цифры, ко­ торые закрашивают, после чего производят вторую пемзовку — подго­ товку поверхности для нарезания штрихов. Штрихи нарезают на дели­ тельной машине, после чего в них втирают краску. После высыхания краски делают окончательную пемзовку.

Деление лимбов по стеклу. Самым распространенным способом до настоящего времени является способ гравировки по воску с после­ дующим травлением в парах плавиковой (фтористоводородной) кисло­ ты. Приведем описание укрупненного технологического процесса.

Пчелиный воск, которым покрывается лимб перед делением, под­ вергается длительной (120 ч) варке при температуре 200 °С для дости­ жения необходимой пластичности, однородности и дисперсности, от ко­ торых зависит качество штрихов. Подогретый воск наносят на поверх ность лимба тонким слоем, равным примерно половине ширины штриха.

После деления и оцифровки на пантографе лимб поступает на специаль­ ную установку для травления, на которой заранее установлен требуемый режим: травильный состав, давление его паров, время нахождения дета­ ли в парах, форму струи пара, направляемой на деталь. Сразу после трав­ ления деталь промывают проточной водой. Воск смывают бензином, штрихи и цифры заполняют черным составом в виде краски или лака, дополнительно втирают графит в виде мелкого порошка. После просуш­ ки лимб протирают (красящий состав остается только в штрихах и цифрах).

В зависимости от типа оптической системы отсчета лучи света либо проходят через лимб (на просвет), либо отражаются от зеркальной поверхности лимба. В первом случае для защиты штрихов и цифр на лимб наклеивают бальзамом покровное стекло в виде кольца. Если поверхность лимба является одновременно и зеркалом, на нее наносят слой серебра, покрываемый для защиты медью и лаком. Описанный способ имеет недостатки [1 ]. Минимальная ширина штрихов — 5—6 м к м.

Качество травления штрихов во многом зависит от технологии их изго­ товления, качества кислоты, степень пластичности и дисперсности воска и т.п. При больших увеличениях высокоточных отсчетных систем видны неровности краев штрихов, концы их нечеткие, запуск краской часто неравномерен. При неудачном делении травленые штрихи можно уда­ лить только перешлифовкой с последующей полировкой лимба, что уменьшает толщину лимба и может привести к неисправимому браку.

Эти недостатки устранены в способе нанесения штрихов напылением хрома в вакууме после гравировки по специальному лаку. Этот процесс при современном оборудовании хорошо контролируется и управляется на всех операциях. Минимальная ширина штрихов — до 1,5 м к м. Очер­ тания штрихов четкие, края ровные, контраст максимальный. Макси­ мальная прочность и твердость штрихов высоки, а так как краска отсут­ ствует, круги легко чистятся.

Весьма важным технологическим преимуществом этого способа является возможность многократного нанесения штрихов на одну и ту же поверхность, так к а к напыленные штрихи можно смыть практически без нарушения качества поверхности.

Следует учитывать, что при напыленных штрихах оптическая система не может работать на отражение, поэтому при таких лимбах принци­ пиально оптическая отсчетная система должна работать по схеме с рас­ сматриванием лимбов на просвет.

§ 44. Деформации лимбов. Принципы конструирования лимбов Технология изготовления лимбов, принципы их конструирования долж­ ны обеспечить минимальные деформации в процессе эксплуатации.

Деформации лимбов приводят к смещениям штрихов в плоскости деле­ ний, что влияет на точность измерений аналогично влиянию ошибки нанесения штрихов или ошибки установки лимбов в теоретическое поло­ жение (наклон лимба).

Рис. 50. Схема действия сил при дефор­ мациях лимба В § 43 указывалось на технологические меры практически полного устранения деформаций лимбов, возникающих вследствие внутренних напряжений в заготовках деталей лимба. В зависимости от вида, формы, материала и размера заготовки разрабатывается конкретная технология естественного или (чаще всего) искусственного старения и промежуточ­ ных операций механической обработки. Проводятся исследования пар­ тии деталей и на основе экспериментальных данных уточняется и окон­ чательно дорабатывается технологический процесс термообработки и механической обработки с назначением соответствующих припусков, межоперационных размеров и допусков.

Деформации лимбов, кроме того, могут быть вызваны механиче­ ским воздействием других деталей и частей прибора, что должно быть учтено при конструировании лимбов, а также воздействием внешних причин, например односторонний нагрев или охлаждение частей лимба.

В [7] подробно рассмотрены два вида деформаций лимбов: э л л и п ­ т и ч е с к а я деформация под воздействием двух равных симметричных сил Р в горизонтальной плоскости (рис. 50) и деформация н а к л о н а под воздействием равных симметричных сил в вертикальной плоскости.

Однако характер действия сил в каждой конкретной конструкции может быть самым различным, и расчеты возможных деформаций и их влияния на точность измерений выполняют на основе сведений, изло­ женных в курсах "Сопротивление материалов" и "Теория упругости".

Данные расчетов необходимо подтвердить экспериментальными иссле­ дованиями.

Конструкция оправы, выбор материалов, зазоров в посадочных местах, крепления лимба к оправе и прочее должны быть выполнены так, чтобы исключить возникновение недопустимых деформаций. В прос­ тейших случаях должны быть предусмотрены температурные зазоры, в более сложных — приняты меры по разработке соответствующей кон­ струкции и выбору материалов.

а А 1 2 3 4 $ Рис. 51. Конструкция оправы лимба теодолита Т Для примера приведем конструкцию оправы лимба теодолита Т 1, описанную в [ 1 ].

Конструкция оправы лимбов теодолита Т1 показана на рис. 51.

Лимб 1 установлен в оправе 3 и прижимается к ней с натяжением пластинкой 2. Опорная поверхность А оправы 3 обрабатывается сов­ местно с осевой системой, обеспечивается перпендикулярность плоско­ сти А посадочной цилиндрической поверхности втулки осевой системы лимба, насаживаемой на полую неподвижную ось подставки (рис. 51, а ).

Это необходимо для предохранения лимба от деформаций изгиба. Меж­ ду лимбом и прижимной пластиной 2 для равномерного распределения давления проложена прокладка 4 толщиной около 0,3 мм, изготовлен­ ная из свинца или ватмана. Прижим регулируют посредством индиви­ дуальной обработки с расчетом, чтобы в прижатом состоянии лимб можно было провернуть с усилием в 2 - 3 Нм. После центрировки на осе­ вой системе лимб приклеивают к оправе 3 спиртовым раствором шел­ лака через четыре специально для этого предназначенных отверстия.

Весьма важными конструктивными мерами является конструкция опра­ вы с защитным поясом упругости и выбор материала для оправы. Опра­ ва 3 имеет массивный пояс крепления лимба и тонкую (около 1 мм) часть Б, выполняющую роль защитного пояса упругости. Оправу 3 из­ готавливают из титана, коэффициент температурного расширения а т которого наиболее близок к стеклу ( а = 8,3-10" ). Такая система х крепления исключает возможность так называемого сползания лимбов и предохраняет их от деформаций растяжения-сжатия, т.е. от эллипти­ ческих деформаций.

Детали осевых систем в теодолите Т1 изготавливают из стали, име­ ющей больший, чем у стекла, коэффициент линейного расширения, при изменении температуры их размеры изменяются больше. Происходящие при значительном перепаде температуры упругие деформации из-за из­ менения размеров локализуются в защитном поясе Б оправы лимба, имеющем значительно меньшую жесткость, чем пояс крепления, и не рас­ пространяются на лимб. На рис. 51,5 схематично показан защитный пояс Б в деформированном состоянии при пониженной температуре, т.е. при уменьшении диаметра оси лимба.

Глава ОТСЧЕТНЫЕ УСТРОЙСТВА ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ § 45. Классификация отсчетных устройств и их основные параметры Отсчетные устройства служат для определения с необходимой точностью положения отсчетного индекса относительно ближайших штрихов отсчет ной шкалы рабочей меры, причем отсчетный индекс занимает определен­ ное положение по отношению к визирной линии или другой ориентиро 11 - B.C. Плотников ванной на объект части прибора. Например, при измерении горизонталь­ ного угла теодолитом отсчетный индекс отсчетного устройства занимает фиксированное положение относительно плоскости визирования, в ко­ торой перемещается при наклоне по углу места визирная ось трубы.

Отсчетные системы и устройства геодезических приборов можно подразделить на следующие разновидности:

1) в зависимости от системы отсчета и способа отсчитывания на ана­ логовые, дискретные, дискретно-аналоговые, одноступенчатые и много­ ступенчатые;

2) в зависимости от перемещения рабочей меры относительно ин­ декса на устройства с неподвижной рабочей мерой и с подвижной рабо­ чей мерой. Из последних к наиболее перспективным относятся времен­ ные системы отсчитывания;

3) в зависимости от чувствительного элемента отсчетные устрой­ ства можно подразделить на визуальные и невизуальные: а) отсчетные системы с фото регистрацией;

б) фотоэлектрические отсчетные устрой­ ства и системы;

в) обтюрационно-растровые и муаровые отсчетные системы;

г) времяимпульсные отсчетные устройства;

д) потенциомет рические и индуктивные отсчетные устройства;

е) кодовые отсчетные системы и устройства.

Отсчетные устройства могут характеризоваться следующими пара­ метрами:

1) ценой деления основной шкалы (например, лимба) - ?, отсчет- л ной шкалы - т. ;

0 ш 2) действительным размером (интервалом) деления основной шка­ лы - / ;

ш 3) видимым (анализируемым) размером деления основной шка­ лы - /щ', 4) пределом разрешения системы отсчета (преобразователя): Д х = р = 7 •А'р, Ддр = 7 ^, где К 1;

К - коэффициент разрешения Л 0(Ш р р р в долях деления шкалы;

5) диапазоном измерений (диапазоном измерения входной величи­ ны): А = Х — Х[ ;

х тлх т п 6) числом возможных дискретных значений измеряемой величины (числом дискретных уровней квантования выходной величины) N = = № n a x ~ ^min)/A*p- Это число определяет разрядность системы от­ счета (преобразователя). Например, при диапазоне измерения, равном полному кругу, и пределе разрешения AjCp = 1,236" N = 360»60-60/ /1,236 = 2 (двадцать разрядов). Очевидно, что разрядностью в двоич­ ном счислении удобно характеризовать к а к автоматические, так и визу­ альные системы с точки зрения оценки их информационных возмож­ ностей;

7) суммарной ошибкой отсчетного устройства (преобразовате­ ля) Д ;

0у 8) предельной ошибкой системы отсчета А = 3m где т с 0 CtQi с о средняя квадратическая ошибка системы отсчета;

9) временем регистрации (преобразования) единичного отсчета Грег- Например, для системы с фоторегистрацией время регистрации определяется временем выдержки фотозатвора г ;

в 10) частотой регистрации (выдачи) информации /. Определяется рег временем (периодом) между д в у м я соседними моментами снятия от­ счета (выдачи информации в канал регистрации или записи). Например, допустим, что при визуальном отсчете период между отсчетами Г = рег = 3 0 с. Тогда частота регистрации / = —= (Гц). При измере рег нии траектории кинотеодолитами частота регистрации обычно не превы­ шает 50 Гц. Предельно возможная частота регистрации (число преобра­ зований), очевидно, будет равна Aer = ^'рег' max 11) допустимой скоростью изменения входной величины Я' А *р dx _ ( ^ / Г ^ д о п ~" г ' «' 'per где q - часть предела разрешения, на которую допускается изменение входной величины за время регистрации.

§ 46. Общие соображения по выбору типа и схемы отсчетного устройства При определении типа отсчетного устройства руководствуются следую­ щими соображениями и исходными данными. Степень автоматизации сня­ тия отсчета определяется назначением и классом прибора в целом. Выби­ рают визуальную, фотографическую или одну из автоматических отсчет­ ных систем. Для решения конкретно поставленной задачи способ отсчета и отсчетное устройство в целом должны быть возможно более простыми.

По степени сложности (от простых к более сложным) отсчетные уст­ ройства располагаются примерно в таком порядке: визуальные, полуав­ томатические (например, фотографические), автоматические.

Схема отсчетного устройства и способ отсчета определяются необхо­ димой точностью отсчетного устройства, которая прямо зависит от точ­ ности прибора в целом. Опыт разработки и эксплуатации показывает, что, например, для теодолитов предельная ошибка системы отсчета не должна превышать средней квадратической ошибки измерения направ­ ления теодолитом и должна быть близкой к ней, т.е. средняя квадрати­ ческая ошибка системы отсчета т должна составлять примерно 1/ с средней квадратической ошибки измерения направления теодолитом т р [ 1, 2 6 ], т.е. / и. = т /3.

с 0 Если / и w ^ / З, то отсчетное устройство излишне точное, а сле­ Св довательно, более сложное, что неоправдано для данного теодолита и И* неэкономично. Если т т ^ / З, то суммарное значение т$ из-за с о увеличения m будет превосходить заданное значение, т.е. теодолит Ct не обеспечит заданной точности измерения направления.

Следует отметить, что современные требования к теодолитам преду­ сматривают наличие оптической системы для отсчета по лимбам, что поз­ воляет удобно снимать отсчет наблюдением в отсчетный микроскоп, расположенный рядом с основной трубой, т.е. избежать перемещения наблюдателя вокруг прибора. Кроме очевидного удобства и повышения производительности снятия отсчета это позволяет также избежать смеще­ ния штатива или столика сигнала, что весьма важно, особенно при высо­ коточных измерениях. Именно поэтому отсчетные устройства типа но­ ниусов (верньеров), применявшиеся в теодолитах средней точности, и микроскоп-микрометров, применявшихся в высокоточных теодоли­ тах, стали уже историей и будут рассматриваться лишь в силу необходи­ мых методических обобщений, тем более, что они применяются во мно­ гих других измерительных приборах.

Точность отсчетного устройства определяет также необходимость снятия отсчета с двух противоположных сторон лимба или возможность ограничиться односторонним отсчетом.

В § 12 было рассмотрено влияние эксцентриситета оси вращения отсчетного устройства и окружности кольца делений лимба. Практи­ ка расчета, технология производства, исследования и эксплуатация тео­ долитов показывают, что при 5" (теодолиты типа Т5, Т15, ТЗО, Т60) можно допустить односторонний отсчет по кругам, что значитель­ но упрощает оптическую схему;

при 5" (теодолиты типа Т2, Т и точнее) необходимо применять двухсторонний отсчет по двум противо­ положным сторонам лимба.

Наконец, при расчете визуальных отсчетных устройств необходимо учитывать разрешающую способность глаза и ее связь с пределом раз­ решения отсчетной системы. Эту связь можно проиллюстрировать сле­ дующим примером. На рис. 52 представлен лимб радиуса г, по шкале которого необходимо произвести отсчет невооруженным глазом.

Углу разрешения глаза Р на шкале г лимба, находящейся на расчетном рас­ стоянии наилучшего зрения, принима­ емом обычно 250 мм, соответствует линейное разрешение глаза /, г Р • г / = „ • (9.1) г Р Но величина / будет составлять и г линейный предел разрешения системы отсчета, т.е. 6 = /.

р г Угловой же предел разрешения системы отсчета будет зависеть от радиуса лимба г. Чем больше г, тем меньше угловой предел разрешения Рис. 52. Предел разрешения Таблица Наименьшее замеча­ Угол разрешения Р, емое линейное смеще­ г Способ отсчитывания у гл. с ние, мм Оценка десятых долей интервала 80-100 0,1-0, Совпадение двух одинарных 8-20 0,01-0, штрихов 8-12* Совпадение бифилярных штрихов 0,01-0, 10-30 0,01-0, Биссектирование *По данным [ l ], совмещение по бифилярным штрихам точнее (в у/~2 раз), чем по одиночным.

системы отсчета при той же величине линейного предела разрешения, т.е.

«р = (9-2) Необходимая величина радиуса шкалы лимба т при известных а р и бр равна т= °Р или с учетом 6 = / и соотношения (9.1) р г Л г = 250 • (9.3) а Р В табл. 5 приведены значения предельных углов разрешения глаза и соответствующих им линейных пределов разрешения глаза для различ­ ных условий и способов отсчитывания [7]. На предел разрешения глаза кроме способов отсчитывания оказывают влияние контраст штрихов и их освещенность, граница раздела, резкость и форма штрихов и другие факторы.

§ 47. Визуальные от счетные устройства.

Основные принципы отсчитывания Построение визуальных систем отсчета основывается на следующих ос­ новных принципах:

1) оценке десятых долей интервала;

2) оценке совпадения двух штрихов (один на продолжении другого);

3) оценке установки штриха в биссекторе или посредине интервала двойного штриха (биссектирование);

4) принципе совмещения (способ "коинциденс");

5) отсчитывании по трансверсалям.

1. Оценка десятых долей интервала по индексу. Простейшим из ви­ зуальных отсчетных устройств является устройство, основанное на спо­ собе отсчета десятых долей интервала шкалы по индексу. Установлено, что точность такого отсчета зависит от видимой величины интервала шкалы /. При / = 1,0-1,5 м м и видимой толщине штрихов шкалы ш ш и индекса 6' = 0,1-0,15 м м предел разрешения отсчета получается около А х ^ 0, 1 7 о. ш [ ] (коэффициент разрешения Ар = 0,1).

р Однако такое устройство при отсчете невооруженным глазом, когда = ^ш» потребует весьма больших габаритов лимба даже при относи­ тельно невысокой точности (отсчет производится непосредственно по шкале лимба). Например, при Ддг = Г у = 10', т.е. лимб должен быть р л разделен через 10' и иметь число делений п = 2160. При / = / = 1 м м ш ш длина делительной окружности / = / - л = 2160 мм, а ее диаметр d = д ш a = 688 мм. Ясно, что такие габариты прибора являются неприемлемыми.

Уменьшение габаритов достигается применением оптических систем для увеличения видимого интервала шкалы лимба до величины / = 1,0 ш 1,5 м м, что уменьшает действительный размер шкалы лимба:

/ = ш где ]3 — увеличение оптической системы.

х При увеличении /3 = 3 —5 применяют лупу, при большем увеличе­ х нии (]3 до 8 0 ) - штриховой или шкаловой микроскоп.

Принцип отсчета при использовании лупы, штрихового или шкало вого микроскопа остается неизменным: оцениваются десятые доли види­ мого интервала деления шкалы на глаз. Разрешающая способность глаза при этом принципе оказывается равной:

Р = = ~ 80", г г 250 где 6 = 0,1 м м - предел линейного разрешения глаза для этого принци­ па отсчета.

Поле зрения штрихового отсчетного микроскопа показано на Рис. 53. Поля зрения отсчетных устройств:

а — штриховой микроскоп;

б — верньер;

в — верньерный микроскоп рис. 53, д, отсчет равен 24° 26'. Однако в старых теодолитах, когда лим­ бы делали металлическими, при больших увеличениях было трудно обеспечить нанесение малых делений и необходимую видимую толщину штрихов, что не позволяло достичь высокой точности отсчета.

В те времена большим достижением оказалось изобретение верньера (нониуса).

2. Оценка совпадения двух штрихов. Верньер (нониус). Верньер (но­ ниус) представляет собой вспомогательную шкалу, которая, перемеща­ ясь вдоль основной шкалы, служит для оценки долей интервала основ­ ной шкалы. Принцип отсчета здесь другой — оценка совпадения штрихов основной шкалы и нониуса - один на продолжении другого. Для этого случая разрешающая способность глаза Р = 20—30". т Интервалы шкалы верньера несколько меньше, чем интервалы ос­ новной шкалы лимба. Интервал в п делений шкалы нониуса соответ­ ствует п — 1 делений шкалы лимба.


Если у - цена деления шкалы лимба, у - цена деления шкалы п н нониуса, то:

пу = (п- 1).

н 7л = Разность t — у - у у /п называется точностью нониуса, вернее, л н п пределом разрешения способа отсчета.

На рис. 53, б изображен нониус, который имеет шкалу с п = 20, что соответствует 19 делениям шкалы лимба. у = 20', так что точность л (предел разрешения) нониуса / = у /п = 20/20 = Г. п Сравним систему нониуса с вышеприведенной системой отсчета десятых долей интервала на глаз при том же пределе разрешения t = Г.

В случае нониуса, не принимая пока во внимание более высокую разрешающую способность глаза ( 2 0 - 3 0 " вместо 80"), замечаем, что цена деления лимба у = 20i т.е. в 2 раза больше, чем в первом случае.

л Это означает, что при том же размере деления шкалы лимба число деле­ ний будет в 2 раза меньше, следовательно, в 2 раза будет меньше диаметр делительной окружности, т.е. с/ = 344 м м. Если учесть, что размер деле­ д х х ния можно уменьшить в (3, применив простую лупу с увеличением / х (порядка 3 ), то получается вполне приемлемый размер лимба (поряд­ ка 100-120 м м ).

Приведенное сопоставление показывает преимущество верньера. Од­ нако повышение точности верньера приводит к увеличению числа деле­ ний л, шкала получается слишком длинной, а отсчет неудобным. Поэто­ му верньеры встречаются в теодолитах прежних выпусков малой точно­ сти и в некоторых других приборах. В известных приборах точность вер­ ньера выше 10" не встречается. Д л я получения необходимого увеличения при точности порядка 10" применяют верньерный микроскоп (рис. 53, в).

Оценка совпадения двух или нескольких штрихов используется и в принципе совмещения. Экспериментальными исследованиями установ­ лено, что предел разрешения при оценке совпадения бифилярных (двой­ ных) штрихов повышается [ 1 ]. Это обстоятельство учитывают при раз­ работке отсчетных систем высокоточных теодолитов (см. табл. 5).

3. Биссектирование. Два рядом расположенных штриха образуют биссектор. Оценка установки штриха в биссекторе или посредине интер­ вала двойного штриха называется биссектированием.

В виде биссектора может быть как отсчетный индекс (например, микроскоп-микрометра), так и штрихи лимба (например, при наличии двух делительных окружностей лимба одна может иметь бифилярные штрихи, которые затем используются как биссектор). Однако бифи­ лярные штрихи кругов высокоточных теодолитов, как было отмечено, могут использоваться и при оценке по принципу совпадения, а не биссек тирования.

Следует учитывать, что предел разрешения отсчета при биссек1ирова нии зависит не только от общего видимого увеличения микроскопа Гм, но и от расстояния между нитями биссектора и отсчетным штрихом.

Практика показывает, что оптимальным расстоянием между нитями биссектора является расстояние в 2,3 видимой толщины штриха (рис. 54):

Д/ = 2,ЗДС б Видимая угловая величина промежутка Д / / между штрихом и нитя­ ми биссектора должна быть порядка 4 ' [ 7 ].

По другим данным расстояние между нитями биссектора целесооб­ разно принимать Д / = З Д / щ, а видимуй) угловую величину промежут­ б ка между штрихом и нитью биссектора Д / / ^ 2,5' — 3 \ При указанных условиях предельная ошибка системы отсчета при биссектировании может быть определена из вычислений, аналогичных приведенным в (9.1) и (9.2).

Линейный видимый предел разрешения (глаз + микроскоп) 1^ = Р • г угловой предел разрешения способа отсчета с учетом ра Г Р'М диуса лимба будет а — Р • 250 т v Пи' Если принять, что предельная ошибка наведения Д соответствует и угловому пределу разрешения и равна Д = а = /3 т, то средняян н р квадратическая ошибка наведения при биссектировании будет:

Р- Т (9.4) Для расчетов рекомендуется принимать значение Р = 10". Приве­ г денные в [7] опытные данные хорошо согласуются с изложенными реко­ мендациями.

4. Принцип совмещения. Выше было указано, что в высокоточных теодолитах для исключения влияния эксцентриситета необходимо сни­ мать отсчет с двух противоположных частей лимба. Использование двух отсчетных микроскопов создавало неудобства и приводило к возможно­ му смещению штатива или столика при подходе наблюдателя к отсчет В Поле зрения Рис. 54. Соотношения между штрихами Рис. 55. Принципы совмещения биссектора ным микроскопам с двух сторон. Для устранения этого недостатка бы­ ло предложено производить отсчет по обеим сторонам лимба через один отсчетный микроскоп, расположенный рядом с окуляром зрительной трубы.

Сущность способа совмещения заключается в том, что изображения штрихов противоположных частей лимба оптической системой проеци­ руются рядом и рассматриваются в поле одного микроскопа.

Принцип совмещения иллюстрируется рис. 55. На рис. 55 изображе­ ны лимб с условным начальным диаметром аЬ и его изображение ab\ совмещенные противоположными концами диаметров (точки Ь и а').

Если представить, что отсчет снимается по одной стороне лимба, и поместить отсчетный индекс по линии ab, то при положении диаметра лимба АВ точная часть отсчета будет измеряться дугой ВЬ. Точная часть отсчета по противоположной стороне лимба соответствовала бы дуге Аа, а в случае совмещения - дуге А 'а' = Аа. В случае отсчета по д в у м отсчет ным устройствам, к а к известно (и это видно и из рис. 55), окончатель­ ным отсчетом является полусумма отсчетов по двум сторонам лимба, -. г, ВЬ + Аа. ВА, 1,1 AT т.е. отсчет по линии aba Ъ будет N ' = В + = В + —— п.

a b Теперь остается проследить, что если при вращении лимба в случае совмещения изображений диаметр АВ будет приближаться к условному начальному диаметру аЬ или удаляться от него, то положение условного начального диаметра не изменится, а в случае совпадения с ним диамет­ ра АВ точная часть отсчета будет равна 0. Очевидно, что точки b п а' условного начального диаметра (воображаемый отсчетный индекс) со­ ответствуют штрихам лимба, разность между которыми равна точно 180°. Таким образом, принцип совмещения позволяет не только снять отсчет по двум сторонам лимба в одном микроскопе, но и получить сра­ зу среднее арифметическое значение отсчета, свободное от ошибки из-за эксцентриситета. Точная часть отсчета будет определяться половиной расстояния между диаметрально противоположными штрихами (1/2 В А*).

Расстояние между диаметрально противоположными штрихами может быть определено разными способами с использованием различных принципов отсчета - оценкой долей деления на глаз, нониуса, биссекти Рис. 56. Примеры отсчета по лимбам с двумя кольцами делений рования, совмещения штрихов противоположных частей круга один на продолжении другого. При оценке долей деления между диаметрально противоположными штрихами на глаз в некоторых теодолитах (напри­ мер, в теодолитах фирмы "Керн", Швейцария) применяются лимбы с двумя кольцами делений с различной ценой деления каждого кольца [6, 7 ]. На рис. 56, а показан пример отсчета по кругу с двумя кольца­ ми делений. Цена деления одного кольца - 20', другого — 4'. В поле микроскопа видны рядом два ряда делений, причем оДин ряд (с ценой деления 20') принадлежит одной стороне лимба, а другой (с ценой деле­ ния 4') - противоположной стороне. Отсчет производится следующим образом. Градусы и десятки минут отсчитываются относительно индекса по верхней шкале. На рис. 56, а значение 180° 2 0 ' л е ж и т слева от индек­ са, значит, к нему надо добавить точную часть отсчета;

значение 180° 40' лежит справа от индекса, значит, от него следует отнять точную часть отсчета. Точная часть отсчета снимается подсчетом числа целых интерва­ лов и их долей по верхней шкале, содержащихся между штрихами верх­ ней и нижней шкал, лежащих на одном диаметре, и умножением этого числа на половину цены деления (в данном случае на 2): 180° 20' + + 7,5-2 = 180° 35' или 180° 40' - 2,5-2 = 180° 35'. Этот принцип отсче­ та аналогичен отсчету по штриху с оценкой десятых долей деления и не требует применения микрометра. Однако в точных отсчетных системах лимб с двумя кольцами делений не применяется, так как необходимо иметь кольцо с очень малой ценой деления, что, разумеется, сложно.

Усложняется и отсчет. В этом случае для отсчета по принципу совмеще­ ния целесообразнее применить микрометр.

В отечественном горном теодолите применено отсчетное устройство (оптический нониус Н А. Гусева) с одной шкалой. Изображение противо­ положной части этой шкалы строится в соответствующем масштабе и совмещается с участком шкалы. Если увеличение подобрать так, что­ бы видимый размер п интервалов шкалы был равен п - 1 интервалов противоположного участка, то отсчет можно снимать по принципу но­ ниуса, построенного оптическим путем. Однако и здесь повышение точ­ ности встречает большие затруднения, отмеченные ранее при изложении принципа отсчета по нониусу.

Вместо совмещения штрихов в системах с двумя кольцами делений используется биссектирование. Для исключения ошибки эксцентриситета деления внешнего кольца проецируются оптической системой рядом с делениями противоположной стороны лимба, образуя биссектор, в ко­ торый вводится отсчетный штрих микрометра. Для получения биссекто ра при ошибке эксцентриситета, равной 0, штрихи наружного и внутрен­ него колец делений сдвинуты на небольшой угол ф (рис. 56,6*). Очевид­ но, что расстояние между штрихами биссектора из-за того, что ошибка из-за влияния эксцентриситета является переменной, будет меняться при повороте лимба. Необходимо при расчете этой системы отсчета за­ дать максимально допустимое значение эксцентриситета, чтобы расстоя­ ние между штрихами биссектора не оказалось чрезмерно большим. При этом следует учесть, что в данном случае оптическая система построения изображения штрихов противоположной части лимба должна быть по­ строена так, чтобы изображения двух частей лимба при его вращении перемещались в одну сторону (обе призмы без крыши, см. § 50).

Имеются системы с двумя кольцами делений, в которых одно из колец имеет двойные штрихи, а другое - одиночные (например, теодо­ лит ДКМ-3 фирмы "Керн") — рис. 56, е. В этом случае оптическая систе­ ма построения изображения противоположной стороны лимба должна обеспечить движение изображений участков лимба навстречу друг другу.


Отсчет по микрометру с одной плоскопараллельной пластинкой берется после того, к а к изображение одиночного штриха введено к а к в биссек­ тор между парными штрихами.

Принцип совмещения одинарных или бифилярных штрихов противо­ положных частей лимба предусматривает применение различных оптиче­ ских микрометров с двумя отклоняющими элементами. В этом случае изображения противоположных частей лимба должны перемещаться на­ встречу друг другу (см. § 50).

На основании изложенного можно отметить следующие основные особенности принципа совмещенного отсчитывания.

1. Во всех случаях отсчет снимается с двух противоположных частей лимба, оптически совмещенных в поле одного микроскопа, что позво­ ляет автоматически исключить влияние эксцентриситета алидады и лим­ ба путем снятия сразу среднего арифметического значения отсчета.

2. Изображения штрихов противоположных частей лимба могут пере­ мещаться навстречу друг другу или в одну и ту же сторону. В первом случае имеет место удвоенное линейное смещение штрихов, соответ­ ствующее углу поворота алидады. Это позволяет в 2 раза уменьшить увеличение оптической системы при заданной точности для обычного отсчета.

3. При совмещенном отсчитывании могут быть использованы все перечисленные принципы отсчитывания: оценка десятых долей интерва­ ла, нониус, биссектирование, совмещение одинарных и бифилярных штрихов.

4. Поскольку основные преимущества способа совмещения обеспе­ чивают высокую точность и удобство отсчитывания, особого внимания в высокоточных геодезических приборах заслуживает принцип совме­ щения штрихов противоположных частей лимба при их перемещении навстречу друг другу (способ "коинциденс") с использованием для точ­ ного отсчета оптического микрометра с д в у м я отклоняющими элемен­ тами (коинциденс-микрометра).

5. Отсчитывание по трансверсалям. Этот принцип отсчитывания весь­ ма прост и поэтому здесь не рассматривается, § 48. Лупы и микроскопы в отсчетных устройствах Для повышения предела разрешения глаза применяется оптическая сис­ тема в виде лупы или микроскопа. Лупа применяется при увеличении х до 5, микроскоп при больших увеличениях, не превышающих, как пра­ х вило, 8 0. В первом приближении можно считать, что угловой предел разрешения глаза, вооруженного оптической системой, у уменьшается во столько раз, к а к о в о поперечное увеличение оптической системы Г, м 7= —. (9.5) м где Р - предел разрешения невооруженного глаза.

г Общее увеличение оптической системы определяется заданной пре­ дельной ошибкой системы отсчета (см. § 19). Так, из формулы (9.5) вытекает, что при использовании принципа совмещения и применении способа "ко!шциденс" необходимое общее видимое увеличение оптиче­ ской системы (микроскопа) будет:

V Г м=^~Г где Д. — предельная ошибка системы отсчета.

с К основным параметрам микроскопа относятся: общее видимое увеличение микроскопа - Г ;

увеличение объектива 0;

увеличение м окуляра Г;

фокусные расстояния объектива / и окуляра / ^ ;

число­ об к вая апертура А;

диаметры входного D и выходного D' зрачков. Общее увеличение микроскопа является произведением увеличений объектива и окуляра, т.е. Г = 0 Г. м Увеличение окуляра определяется как увеличение лупы:

Г = 25(У/ок • Увеличение объектива микроскопа определяется o i ношением необхо­ димой величины изображения интервала А шкалы (лимба) к действи­ тельной величине этого интервала б 0 = А/б.

Величина увеличения 0 связана с параметрами микроскопа извест­ ной в оптике зависимостью где L — длина тубуса микроскопа (точнее, разница сопряженных рассто­ яний между изображением и предметом L — а[ — а ). Величина L за­ { дается обычно равной оптической длине зрительной трубы. Фокусное расстояние объектива можно также найти по формуле / 0 Роб ' где Д — оптический интервал ( Д = а\ - / ^ б ) От увеличения 0 зависит размер изображения интервала шкалы, который в большинстве отсчетных устройств должен точно соответ­ ствовать необходимой величине, для чего предусматривается юстиров­ ка величины /3. Формула для / Q показывает, что изменение |3 возмож­ но путем изменения либо величины /,, либо /. Это обусловило приме­ об нение д в у х т и п о в м и к р о с к о п о в. Величина L изменяется в микро­ скопах, где изображения противоположных частей лимба не сводятся в один отсчетный микроскоп (микроскопы-микрометры, штриховые и шкаловые микроскопы). В микроскопах отсчетных устройств более современных приборов, где изображения двух частей круга сведены в один отсчетный микроскоп, фокусное расстояние изменяется при юсти­ ровке величины р. Это достигается изменением расстояния е между двумя компонентами объектива в соответствии с известной зависи­ мостью /об где и / ' — фокусные расстояния компонентов, е - расстояние меж­ ду их главными плоскостями.

Числовая апертура микроскопа определяется зависимостью А = = п sin и где и - апертурный угол, а п — показатель преломления про­ странства объектов. Д л я большинства микроскопов отсчетных устройств % числовая апертура близка к А = 0,1, а увеличение Г 500 А. Фокус­ м ное расстояние связано с отрезком а формулой х ^об ~ 1_ 0 ' Величина а обычно задается порядка 30—40 м м.

х Диаметр входного зрачка для микроскопов первого типа (f $ = = const) можно определить по формуле 2а А. Диаметр выходного х зрачка определяется из выражения 2/1, = Пи Рис. 57. Поле зрения шкапового микроскопа В микроскопах отсчетных устройств диаметр выходного зрачка обычно близок к 1 м м.

Расчет параметров микроскопов производится одновременно с рас­ четом других элементов отсчетного устройства (микрометров, шкал и т.п.). Покажем порядок расчета на примере шкалового микроскопа.

Шкаловой микроскоп отличается от штрихового тем, что размер отсчетной шкалы микроскопа должен точно соответствовать размеру изображения интервала деления лимба. Отсчет производится по штриху лимба к а к по индексу с оценкой десятых долей шкалы на глаз (рис. 57).

Рассчитаем параметры oiсчетного устройства со шкаловым микроско­ пом при следующих исходных данных.

Предельная ошибка отсчета А = О,Г. Цена деления лимба у = 1 °. л Диаметр лимба D 100 м м.

n Поскольку оценивается десятая доля интервала шкалы и Д = 0,1 цена деления шкалы у — 0,1 • 10 = Г. Число делений шкалы ш Действительный размер интервала лимба при D — 100 м м n 3,14 = 0,874 мм.

360 Размер одного деления шкалы без увеличения Оптимальный видимый размер одного деления шкалы при оценке деся­ тых долей на глаз (см. § 46) принимаем / = 1 м м. Отсюда необходи­ ш мое общее видимое увеличение микроскопа будет х Гм " = 69.

—" — = м / 0, ш Покажем, что в данном случае ограничением общего увеличения микроскопа является толщина штриха лимба. Видимый размер толщи­ ны штриха должен быть порядка 6 = 0, 1 м м. Действительный размер Л толщины штриха деления лимба будет 5 = ~7Г = 1,5 м к м.

— = Л и м Это является пределом технологических возможностей. Таким образом, при заданном диаметре лимба и цене деления шкалы лимба увеличение х шкалового микроскопа Г = 7 0 является пределом.

м Это и послужило причиной поиска других отсчетных устройств винтовых и оптических микрометров, допускающих меньшее увеличе­ ние микроскопов. Разделим общее увеличение микроскопа на увеличе­ ние объектива 0 и увеличение окуляра Г, руководствуясь следующими соображениями. Действительный размер деления шкалы / мал, поэто­ ш му его целесообразно максимально увеличить для облегчения техноло­ гического процесса изготовления шкалы. Однако чрезмерное увеличе­ ние 0 приведет к усложнению объектива микроскопа. В приведенном х примере увеличение объектива целесообразно выбрать порядка 6—7.

Тогда увеличение окуляра будет Г = Г / 0 = 11,5-10, что вполне м приемлемо. Большое увеличение окуляра также нежелательно.

§ 49. Микрометры в отсчетных устройствах Винтовой микрометр. Повышение точности шкалового микроскопа тре­ бует больших увеличений и предельно возможного уровня технологии изготовления шкал. Повышение точности требует уменьшения цены деления шкалы лимба, т.е. увеличения числа делений, что нельзя считать целесообразным. Применение винтового микрометра позволяет устра­ нить эти недостатки и существенно повысить точность.

Винтовой микрометр позволяет оценить расстояние от его нуль пункта до изображения штриха шкалы лимба (или любого другого объ­ екта) числом оборотов микрометренного винта, который перемещает поступательно рамку с сеткой нитей. Конструкция микрометра схема­ тично изображена на рис. 58. Микрометренный винт 4 поступательное движение которого при вращении не допускается, проходит через перед­ нюю стенку корпуса 1 и упирается в угольник 5, связанный с основа­ нием корпуса. Винт ввинчен в рамку (ползун 2) с нитями. Для устране­ ния "мертвого хода" в сопряжении винтовой пары и предотвращения 7 Z J b5 6 7 8 9 Puc. 58. Винтовой микрометр поступательного перемещения винта винт через рамку (ползун) притя­ гивается к упорному угольнику 3 двумя пружинами. На стержне микро метренного винта укреплена головка #, на которой гайкой 9 с пружи­ ной 6 крепится барабан 7 с отсчетной шкалой. Перемещение рамки с ни­ тями (биссектором) в пределах одного оборота винта отсчитывается по шкале барабана 7 относительно отсчетного индекса, нанесенного на стойке 5. Для счета целых оборотов винта служит "гребенка", укреп­ ленная в оправе в зоне перемещения сетки нитей. Винтовой микрометр устанавливается у окулярной части тубуса микроскопа. Изображение шкалы лимба строится объективом микроскопа в плоскости биссектора микрометра. В о к у л я р микроскопа рассматривается изображение штри­ хов шкалы лимба и биссектор при наведении последнего при отсчете на ближайшие от нуль-пункта штрихи лимба.

Микрометренные винты изготавливают с максимально возможной точностью. Ходовая погрешность винта (систематическая накопленная ошибка шага) обычно составляет 0, 5 - 1, 5 м к м на 6—8 оборотов винта.

В отсчетных микроскопах зта ошибка практически устраняется путем юстировки увеличения объектива микроскопа. Периодическая ошибка винта, проявляющаяся на каждом обороте и изменяющаяся по синусо­ идальному закону, в отсчетных устройствах существенно влияет на точность. Периодическая ошибка составляет обычно 0, 3 - 0, 8 м к м [ 7 ].

Приведем пример расчета отсчетного устройства с винтовым микро­ метром для отсчета по лимбу теодолита со средней квадратической ошибкой измерения угла одним приемом = 2 " и диаметром лимба D 2 2 0 мм.

n Из условия m « АЯ^/З находим АЯ. = 0, 7 ". Пренебрегая личной Ct0 С ошибкой наблюдателя, считаем, что суммарная ошибка системы отсчета равна суммарной ошибке отсчетного устройства, т.е. m = АЯ.У Сум­ Ct0 марная ошибка отсчетного устройства складывается из следующих час­ тичных ошибок: 1 ) ошибки отсчета по барабану микрометра т §\ 0% 2) ошибки наведения биссектора микрометра на изображение штриха т;

3 ) ошибки масштаба изображения деления лимба (рен) - т ;

н г 4 ) ошибки резьбы микрометренного винта т \ 5 ) непрямолинейности ъ направляющих каретки и несовпадения оси винта с направлением дви­ жения каретки.

Определим основные параметры отсчетного устройства с учетом их взаимосвязей, частичных ошибок и суммарной ошибки отсчетного уст­ ройства.

Зададим следующие параметры: а) цена деления шкалы на барабане б) шаг винта — S;

в ) число оборотов винта п 5, винта микрометра соответствующее одному делению шкалы лимба.

Для простоты расчета положим, что одному делению шкалы лимба соответствуют 2 оборота винта микрометра, т.е. п $ = 2 (для уменьше­ ния влияния периодической ошибки лучше, если деление лимба будет кратно 0,5 оборота винта, например л = 2,5 оборота). об При отсчете по шкале барабана микрометра на глаз по индексу с учетом параллакса и эксцентриситета оси барабана возможно допустить предельную ошибку отсчета Д — 0, 2 5 дел. Положив значение ошибки 0б в угловой мере Д = 0, 5 ", найдем, что цена деления шкалы барабана 0б 7 = 2 ". Из конструктивных соображений примем диаметр барабана Ш D = 3 0 м м, тогда длина окружности шкалы / = TTD = 9 4 м м. При 6 Ш 7 = 2 " целесообразно иметь на окружности шкалы барабана число де­ Ш лений л. б = 6 0. При л б = 2 делению лимба будет соответствовать ш число делений шкалы барабана л = л - л = 1 2 0 дел., а цена деления шб об шкалы лимба у = у п = 2"-120 = 240". ? = 240"=4\ л ш Л При шаге винта S одному делению шкалы барабана будут соответ­ ствовать линейные перемещения: _п ^ 1) в плоскости шкалы лимба / =— = ;

ПАП д е л ' п 360-60-я, s 2 ) в плоскости биссектора микрометра / = • дел Тогда увеличение объектива микроскопа можно найти из соотношения. 'дел S- л - 3 6 0 - 6 0= дел "ш.б-^лТл При минимальном шаге 5 = 0,25 мм, оправданном по технологическим и эксплуатационным соображениям, и заданном диаметре лимба D = n = 200 м м получим:

0,25-120-360- х 0= = 60-3,14-220- Предел разрешения при работе с винтовым механизмом микрометра должен соответствовать пределу разрешения глаза при биссектирова­ нии. Примем установленные экспериментально предельные значения:

для минимально возможного угла поворота барабана D = 30 м м, ощущаемого пальцами руки, а = 1 ° ;

для предела разрешения при бис­ б сектировании Р = 10". г Тогда минимально возможное линейное смещение биссектора будет:

Sa 0,25-1° Дj = = • = 0,7 м к м.

360 360° 12 - B.C. Плотников В плоскости лимба ему будет соответствовать линейное смещение Ai 0, 6 =— =— = 0,175 м к м.

Л Это смещение в угловой мере может быть оценено к а к минимальная ошибка (примем ее к а к среднюю квадратическую) наведения Ь ПР" 0,175-2- * 0,3.

Н " г ПОЮ п Отсюда найдем общее увеличение микроскопа:

Р-250 10- х Г = —= = ^ 44.

М Ф'т г 1,73-0,3'ПО н п Здесь для получения предельного значения ошибки наведения принят закон равной вероятности, при котором Д = у/Т т. н н Увеличение окуляра микроскопа:

х Г=—— =— = 11.

Фокусное расстояние объектива микроскопа находят, задавая длину тубуса L из конструктивных соображений. В одной из конструкций L = 190 м м. Тогда = 30 м м. Числовая апертура выбирается, к а к бы­ ло указано, около 0,1.

Толщину штрихов делений лимба, толщину нитей биссектора и рас­ стояние между нитями биссектора выбирают в соответствии с рекомен­ дациями, изложенными в § 46.

= Так, если толщина штриха шкалы лимба Д /. л 5 м к м, то ее Ш изображение в плоскости биссектора Д / = Д /. - J 8 = 5-4 = 20 м к м.

ш#л ш л Расстояние между нитями биссектора Д / g = 3 - Д / = 3-20 = 60 м к м. ШЛ Толщину нитей биссектора в соответствии с рекомендациями [7] целе­ сообразно выбирать 7 - 8 м к м (видимая толщина 0,08-0,09 м м ). При полученных размерах видимый угловой размер просвета между изобра­ жением штриха лимба и нитью биссектора будет 1 250 250- что соответствует рекомендациям, изложенным в § 46.

Ошибка шага винта определяется технологическими возможностя­ ми. Постоянная ошибка шага не имеет значения, так к а к будет скомпен­ сирована при юстировке рена. Периодическая ошибка не допускается = более 0,4 деления барабана. Отсюда Д = 0,4 7 б О Д ' 2 " = 0,8";

в Ш т = Д / 3 = 0,26".

в В Допустимую ошибку рена определим из следующего соотношения:

= V ^ o. y " (™о.б m + т + r н = 2 2 2 = \ / 0, 7 - (0,29 + 0,3 + 0,26 ) * 0,5", А = 3/и = 1,5".

Г| г Предельная ошибка при юстировке увеличения для устранения рена мо­ жет быть задана 0,25 видимой в о к у л я р ширины штриха лимба. При 6 = 5 мкм Л в5 s п.я г ш. я ' Р " / 4 т = 5-210 /4-110 10 * 2,3". Так я кж А у и Д ^ одного порядка, юстировка рена с необходимой точ­ г ностью технологически возможна.

Непрямолинейность направляющих каретки и несовпадение оси винта с направлением движения каретки при современных возможнос­ тях изготовления и юстировки могут быть сведены до пренебрегаемо малых величин. Кроме того, при небольших линейных перемещениях эти ошибки оказывают незначительное влияние.

Аберрационный расчет микроскопов производится в соответствии с рекомендациями, изложенными в курсах по теории оптических сис­ тем и прикладной оптике.

Оптические микрометры. Оптический микрометр — измерительное устройство с оптическими элементами, изменение положения которых приводит к соответствующему изменению положения изображений штрихов лимба относительно нуль-пункта микрометра. Изменение угло­ вого или линейного положения оптических элементов микрометра измеряется по связанной с ними шкале.

По принципу действия оптические микрометры аналогичны компен­ сирующим системам дальномеров и других устройств, где применяются отклоняющие или компенсирующие элементы*.

В микрометрах геодезических приборов применяются следующие разновидности оптических систем:

1) с одной или двумя плоскопараллельными пластинками, враща­ ющимися относительно неподвижной оси, перпендикулярной к опти­ ческой оси микроскопа;

2) оптических клиньев, перемещаемых поступательно вдоль опти­ ческой оси микроскопа;

3) оптических клиньев, вращаемых вокруг оси, совпадающей с опти­ ческой осью микроскопа;

4) линз, перемещаемых перпендикулярно к оптической оси микро­ скопа без изменения их наклона;

5) линз, наклоняемых вокруг оси, перпендикулярной к оптической оси микроскопа.

Оптический микрометр с плоскопараллельными пластинками. Схе­ ма микрометра с одной плоскопараллельной пластинкой показана на рис. 59.

*В [5] указывается разница между микрометрами и компенсаторами, кото­ рая при расчете отсчетных устройств не имеет принципиального значения.

Рис. 59. Оптическая схема микрометра с плоско параллельной пластинкой Объектив микроскопа изображает интервал деления лимба б в пло­ скости неподвижной пластины 7, на которой нанесены штрихи в виде биссекторов с расстоянием между ними Д, причем Д = бо*Р» где 0 0 увеличение объектива 3 микроскопа.

Поворот плоскопараллельной пластинки 2 на угол а смещает луч, иДущий от штриха круга, на величину z. Из оптики известно, что сме­ щение луча z при небольших углах а пропорционально повороту плас­ тинки на угол а.

Если сдвиг луча z равен размеру изображения интервала лимба Д при определенном угле а, то часть интервала между нуль-пунктом и штрихом можно измерить по круговой шкале, соединенной с пластин­ кой 2 (см. рис. 59).

Приведем основные соотношения для расчета. Из оптики известно, что при толщине пластинки d сдвиг луча z является функцией угла падения /, луча на пластинку cos I'I z = d(\ —— — ) sin ip 2 y/n — sin i"i При малом 1 1 :

J L J *=rf ^ -tgi, (9.8) I П где n — показатель преломления стекла пластинки.

При п = 1,5 и при переходе от /"i к углу поворота пластинки а, получают известную рабочую формулу z = 0,006 d а.

Если z = Д и А : б = J3, то 0 0 60 г-У„-Р О или 0,006 d 0,006 dp* где 7 — цена деления шкалы лимба в минутах;

г — радиус лимба.

Л Принимая в о внимание, что отклонение от линейности зависимости z от а определяется величиной целесообразно угол а определять от среднего положения пластинки (угол i"i = 0 ) в обе стороны, что позволяет уменьшить значение угла падения в 2 раза ( i i = а/2).

Толщина пластинки будет:

d= ;

d=. (9.9) 2 (л - 1) t g / i 2 (л Величина / ] не должна превышать предельно возможного значения угла ' 1 max который подсчитывается по формуле (9.10) z 0, При расчете шкалы поворота пластинки, ошибок отсчета по шкале, наведения на штрих при биссектировании и тому подобное следует руко­ водствоваться уже приведенными соображениями.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 11 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.