Перспективы развития современного геодезического оборудования
В лазерных геодезических приборах в качестве излучателя светового потока используют оптические квантовые генераторы (ОКГ). Оптические квантовые генераторы (лазеры) бывают: твердотельные, газовые, жидкостные и полупроводниковые. В геодезических приборах используют газовые и полупроводниковые лазеры. Газовые лазеры применяют в приборах, задающих положение вертикальной или горизонтальной опорной линии: лазерных нивелирах, указателях направлений, лазерных центрирах и других приборах различного назначения. В практике геодезического обеспечения строительства используют газовые гелий-неоновые лазеры непрерывного излучения, работающие в видимой части светового диапазона и излучающие узконаправленный пурпурно-красный пучок света. Полупроводниковые лазеры применяют в основном в приборах для измерения расстояний — светодальномерах.
Лазерные геодезические приборы конструируют таким образом, чтобы лазер был установлен параллельно визирной оси при бора, на котором он смонтирован, или лазерный пучок направлялся бы через зрительную трубу прибора. Как правило, при измерениях используют визуальную или фотоэлектрическую индикацию лазерного пучка. При визуальной индикации для отсчетов по лучу применяют экран в виде сетки квадратов или концентрических окружностей, а также нивелирную рейку. При более точной фотоэлектрической индикации используют специальные фотоприемные устройства с фотоэлементами.
Рассмотрим некоторые типы известных лазерных приборов, применяемых в строительстве.
Лазерные нивелиры предназначены для измерения превышений и передачи высотных отметок. Нивелир излучает видимый пучок света, относительно которого производят измерения превышений. В одних приборах пучок лазерного излучения направляют по оптической оси зрительной трубы, в других зрительная труба соединена параллельно с излучателем ОКГ.
В нивелирах с уровнем ось пучка приводят в горизонтальное положение цилиндрическим уровнем, а в нивелирах-автоматах — компенсатором. По условиям геометрического нивелирования оси лазерного пучка и цилиндрического уровня должны быть параллельны.
В настоящее время лазерные нивелиры выпускают в основном с автоматически горизонтирующимся пучком излучения, вращающимся лазерным пучком и другими особенностями.
Примером может служить лазерный нивелир LNA2L фирмы «Вильд» (рис. 9.1, а), задающий вращающуюся световую горизонтальную плоскость. Положение этой плоскости фиксируется на специальной рейке или стенах зданий (рис. 9.1, б). Нивелир может быть установлен так, чтобы формировалась вертикальная
световая плоскость (рис. 9.1, в). Он снабжен вычислительным устройством, выполняющим автоматическое вычисление высот. Кроме того, с помощью этого нивелира по рейке можно определять рас стояния до 100 м.
В лазерных теодолитах (рис. 9.2, а), предназначенных для задания створов и измерения углов, вместо визирной оси в пространстве создается узконаправленный пучок света. Наличие горизонтального 1 и вертикального 2 кругов позволяет придавать пучку излучения нужную ориентировку. Как правило, визирная марка (рис. 9.2, б) лазерных теодолитов на строительной площадке совмещена с шаблоном для разметки ориентирных рисок. Марка 5 со стержнем 6 крепится на опоре 3, а ее высота регулируется стойкой 7 и фиксируется закрепительным винтом 4. Ориентирные риски проводят по щечкам опоры 3.
Многоцелевые приборы, предназначенные для контрольно-измерительных операций при установке конструкций, опалубки, выемке грунта, устройстве земляного полотна, укладке бетона, со вмещают в себе визирную оптическую трубу и установленный на нее квантовый генератор. Рассмотрим некоторые из этих приборов.
Прибор ПГЛ-1 состоит из фотоприемного устройства (рис. 9.3, а) и передающей части (рис. 9.3, б). Фотоприемное устройство состоит из фотоприемника импульсных сигналов и измерительной рейки 6. Результаты измерений регистрируются на стрелочном приборе. Фотоприемник перемещают вдоль рейки до появления показаний на стрелочном приборе. Передающая часть включает в себя: лазерный передатчик, формирующий излучение в виде световых линий и плоскости, блок питания 4 и штатив 3 для установки передатчика.
Конструкция штатива позволяет в широких пределах изменять высоту ПГЛ-1 над местностью. Угол сканирования (поворота)
лазерного прибора составляет 180°. Погрешность измерения от лазерного пучка или плоскости до контролируемой поверхности +-3 мм при дальности действия 150 м.
Прибор задания вертикали ПВЗЛ-1 имеет передающую и приемную части. Передающая часть включает в себя: лазерный передатчик в виде цилиндра диаметром 120 мм и длиной 382 мм (масса 3,1 кг), горизонтирующее устройство и автономный блок питания размерами 200х106х138 (масса 2,6 кг) на гальванических элементах. Световой пучок попадает в насадку и, проходя через пентапризму (прямоугольную стеклянную призму), изменяет направление с горизонтального на вертикальное.
Насадка с пентапризмой съемная, что позволяет использовать
луч прибора горизонтальной плоскости. Приемная часть состоит
из регистратора и фотомишени, перемещающейся по взаимно-перпендикулярным измерительным линейкам.
Лазерный передатчик устанавливают на исходном горизонте по уровням, что формирует в пространстве вертикальную световую линию. Фотомишень с регистратором размещают на монтажном горизонте и по линейкам перемещают до совмещения с центром проекции лазерного пучка. При совмещении показания индикаторов регистратора будут нулевыми. Возможные отклонения от задаваемой вертикали считывают по линейкам фотомишени. Дальность действия прибора с фотоэлектрической регистрацией составляет 20 м, погрешность измерения отклонения объекта от задаваемой вертикали — 1 мм, а задания вертикали — 2 мм. Некоторые типы лазерных приборов устроены так, что испускаемый луч направляется вертикально вверх, и тогда с помощью насадки с пентапризмой при необходимости изменяют его направление на горизонтальное.
Особую группу приборов составляют лазерные указки. К ним относятся лазерные указки укладки труб, визирования,
вертикали и др.
Так, лазерная указка укладки труб состоит из корпуса, на одном конце которого прикреплена горизонтирующая основа. В ней устроены оправа с лазером, уровень и шкала уклонов, что позволяет направлять луч под заданным углом к горизонту. Погрешность задания уклона составляет не более ±10 мм на 100 м длины.
Лазерные указки просты в обращении, дешевы в изготовлении, имеют автономное питание (12 В) от батареек для карманных фонарей, могут включаться и выключаться с помощью дистанционного управления.
Применение лазерных указок повышает производительность труда пользователей на 50 %, машин и механизмов — на 10 %.
Некоторые примеры применения лазерных геодезических приборов показаны на рис. 9.4 и 9.5.
9.2. Электронные теодолиты и тахеометры
К высокоточным современным и высокопроизводительным геодезическим средствам измерений относится новое поколение приборов, позволяющих выполнять все измерения в автоматизированном режиме. Такие измерительные приборы снабжены встроенными вычислительными средствами и запоминающими устройствами, создающими возможность регистрации и хранения результатов измерений, дальнейшего их использования на ЭВМ для обработки. Применение ЭВМ пятого поколения предполагает интеллектуализацию компьютеров, т. е. возможность работы с ними непрофессионального пользователя на естественном языке, в том числе в речевой форме.
Речевой ввод топографо-геодезической информации в полевых условиях обеспечивает улучшение условий труда и уменьшение числа ошибок наблюдателя. Скорость ввода информации измерений значительно увеличивается по сравнению с вводом при помощи клавишей.
Для автоматизации полевых измерений при производстве топографической съемки и других видов инженерно-геодезических работ созданы высокоточные электронные тахеометры. Электронный тахеометр содержит угломерную часть, сконструированную на базе кодового теодолита, светодальномер и встроенную ЭВМ. С помощью угломерной части определяются горизонтальные и вертикальные
углы, светодальномера - расстояния, а ЭВМ решает различные геодезические задачи, обеспечивает управление прибором, контроль результатов измерений и их хранение.
Примером может служить отечественный электронный тахеометр ТаЗМ (рис. 9.6), с помощью которого можно определить: горизонтальные углы с по грешностью 4", зенитные расстояния с погрешностью 5", наклонные дальности с погрешностью 10 мм, горизонтальные проложения, превышения или высоты точек визирования, приращения координат или координаты точек визирования.
Прибор может работать в четырех режимах: разделенном, полуавтоматическом, автоматическом и режиме слежения. Геодезические задачи решаются с учетом поправок: на кривизну Земли, рефракцию атмосферы, температуру и давление, разность высот штативов прибора и отражателя.
Информация об угловых значениях выдается в гонах или градусах. Датчик
углов прибора — кодовый, накопительного типа. В комплект тахеометра входят: отражатели, штативы, источники питания, разрядно-зарядное устройство, принадлежности для юстировки прибора и ухода за ним.
Тахеометр ТаЗМ снабжен электрооборудованием для работы ночью. Выдаваемая на цифровое табло оперативная информация может быть введена в память тахеометра или внешний накопитель.
Выпускаемый отечественной промышленностью электронный тахеометр 2Та5 решает те же задачи, что и ТаЗМ, но имеет иные технические характеристики: погрешность измерения горизонтального угла 5", погрешность измерения зенитного расстояния 7", погрешность измерения наклонной дальности (5 + 3D км) мм.
Зарубежные фирмы (США, Германия, Швеция, Япония и др.) выпускают электронные тахеометры, различные по точности измерения: углов от 0,5 до 20", расстояний от 2 до 10 мм и с внутренней памятью, размещающей результаты наблюдений до 10000 точек. Многие из них работают в безотражательном режиме. Существуют роботизированные электронные тахеометры, например «Геодиметр 640» фирмы «Геотроникс» (Швеция), который сам находит положение отражателей, измеряет расстояние до них, горизонтальные и вертикальные углы и вычисляет координаты каждого отражателя. С помощью такого прибора определяют деформации бортов карьера.
К новому поколению измерительных станций относятся приборы, определяющие координаты X, У и высоту Н точки по сигналам со специальных геодезических спутников, вращающихся
вокруг Земли по строго определенным орбитам.
9.3. Приборы вертикального проектирования
Задание отвесной линии (вертикальное проектирование) при строительстве, проходке горных выработок и других инженерно-геодезических работах — необходимая и весьма ответственная задача. Для вертикального проектирования применяют специальные оптические и лазерные зенит- (вверх) и надир- (вниз) приборы.
Оптические и лазерные приборы вертикального проектирования по способу приведения визирной оси или светового луча в отвесное положение могут быть уровенными или с компенсатором наклона. В свою очередь, компенсаторные приборы подразделяют на одно- или двухкоординатные.
Однокоординатный зенит-прибор вертикального проектирования ПЗЛ фирмы «Карл-Цейсс» (рис. 9.7, а) — высокоточный прибор с самоустанавливающейся линией визирования. На корпусе 5 прибора закреплен круглый уровень 7, по которому прибор приводят в рабочее положение. Корпус размещается на подставке 9 и закрепляется винтами 8, 10. Окуляр зрительной трубы расположен под углом 90° к объективу 4.
Примером может служить применение однокоординатного зенит-прибора при монтаже конструкций зданий. Чтобы перенести оси вертикальным визированием, зенит-прибор центрируют над точкой 11 пересечения осей или линий, которые параллельны осям, располагаемым обычно внутри корпуса. На монтажном горизонте по отвесной линии над зенит-прибором закрепляют палетку 15 (рис. 9.7, б).
Палетка представляет собой кальку 16 с координатной сеткой, наклеенную на прозрачное оргстекло, вставленное в металлическую рамку. Во всех перекрытиях над переносимой точкой оставляют отверстия, минимальные размеры которых 100 мм при высоте зданий до 60 м и 150 мм при высоте до 100 м. В отверстие перекрытия монтажного горизонта над зенит-прибором устанавливают рамку с палеткой.
Визирование на палетку производят таким образом, чтобы горизонтальная нить сетки была параллельна одной из линий палетки. Отсчет (21,4) в делениях палетки делают по горизонтальной нити сетки и записывают в журнал (табл. 9.1). Далее прибор поворачивают на 180° и производят второй отсчет (22,2) по этой же шкале. Установив горизонтальную нить прибора параллельно другим линиям па летки и повернув его на 90°, делают отсчет (8,4), а повернув прибор на 180° — следующий отсчет (9,2). Средние значения из попарно выполненных отсчетов будут координатами точки на палетке. По грешность перенесения точек допускается в пределах 2...4 мм.
В МИИГАиК разработаны двухкоординатные приборы вертикального проектирования ПВП-Т и ПВП-В. Прибор ПВП-Т (рис. 9.8, а) имеет подставку 4 с горизонтальным кругом 3, зри тельную ломаную трубу с объективом 1, окуляром 2 и фокусирующей рукояткой 5. Прибор снабжен горизонтальным кругом и дополнительной насадкой, позволяющей повернуть визирную линию в горизонтальное положение. Это делает прибор универсальным для применения на строительной площадке.
Высокоточный прибор ПВП-В (рис. 9.8, б) представляет собой вертикальную зрительную трубу 6, на концах которой навинчены оправы с объективами. Внутри трубы размещается стакан с компенсатором. Стакан может перемещаться внутри трубы с помощью рукоятки 9. Там же снаружи размещается окуляр 7. Все это образует двойную зрительную трубу, которая крепится с возможностью вращения вокруг вертикальной оси на каретках 8. Каретки перемещаются в двух взаимно-перпендикулярных направлениях; величина их перемещения фиксируется микрометренными измерительными винтами. Нижняя каретка крепится к трегеру с подъемными винтами. Точность работы прибора характеризуется средней квадратической погрешностью передачи координат по вертикали
0,5 мм на 100 м длины визирования. Оптические приборы вертикального проектирования выпускаются рядом фирм Германии,
Японии, Швейцарии, Украины и других стран.