Х.К. Ямбаев, Н.Х. Голыгин

ГЕОДЕЗИЧЕСКОЕ

ИНСТРУМЕНТОВЕДЕНИЕ

Практикум

Рекомендовано УМО высших учебных заведений РФ по образованию в области геодезии и фотограмметрии в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки дипломированных специалистов 650300 - Геодезия

(специальности: 300100 - Прикладная геодезия, 300200 - Астрономогеодезия,

300500 - Космическая геодезия)

Москва

«ЮКИС»

2005

УДК 528.5 (075.8) ББК 26.1

Я 56

Книга выпускается при участии Российского общества геодезии, картографии и землеустройства.

Рецензенты:

Ямбаев Х.К., Голыгин Н.Х.

Я 56 Геодезическое инструментоведение. Практикум: Учеб. пособие для вузов. - М.: «ЮКИС», 2005. - 312 е.: ил.

ISBN 5-86030-010-7

Приведены основные положения физической и геометрической оптики, необходимые для понимания работы современных геодезических приборов.

Рассмотрены теория, устройство, методы поверок и исследований, а также ремонт геодезических приборов: нивелиров (уровенных, с компенсаторами и цифрового), теодолитов, светодальномеров, лазерных рулеток, электронных тахеометров и глобальных систем позиционирования (GPS). Даны методики работы на станции цифровыми нивелирами и электронными тахеометрами. Подробно рассмотрен порядок составления Технического задания на разработку геодезического прибора студентами геодезических специальностей, представлены основные схемы и конструкции специальных оптических и лазерных приборов и устройств. Все разделы иллюстрированы схемами и таблицами с примерами исследований. Учебное пособие составлено в соответствии с утвержденной программой курса «Геодезическое инструментоведение».

Для студентов геодезических специальностей при самостоятельной проработке ими курса геодезического инструментоведения как при выполнении исследований и лабораторных работ, так и во время геодезических работ и практик. Будет полезен специалистам, занятым в геодезическом производстве.

ПРЕДИСЛОВИЕ

«Геодезическое инструментоведение» - прикладная техническая дисциплина, изучающая теорию, устройство, методы исследований, поверок и юстировок геодезических приборов и их отдельных узлов, а также условия эксплуатации и ремонт геодезических приборов.

В Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) данный курс преподают с 1971/ 72 учебного года на втором курсе на всех геодезических специальностях. Отдельные вопросы курса изучают студенты факультета оптического приборостроения.

Как правило, перед изучением курса отдельные вопросы теории изучают на кафедрах прикладной оптики и физики (геометрическая и физическая оптика).

Данный курс изучают сегодня по учебнику «Геодезическое инструментоведение» авторов П.Н. Кузнецова, И.Ю. Васютинского, Х.К. Ямбаева (М.: Недра, 1984). Кроме того, трижды издавались методические указания по выполнению лабораторных работ проф. П.Н. Кузнецова, доц. Д.В. Окунева и др.

Необходимость написания данного учебного пособия связана с совершенствованием программы курса, а также с появлением новых геодезических приборов: нивелиров типа Н-ЗКЛ и 4Н-2КЛ, НИ-3, НИК-2 и НИК-2М, теодолитов серии ЗТ и 4Т, светодальномеров 2СТ10 и 4СТЗ, электронных нивелиров и тахеометров (как отечественных, так и иностранного производства), лазерных рулеток, спутниковых систем позиционирования (GPS-систем) и специальных геодезических приборов для выверки и контроля положения объектов.

В конструкциях практически всех геодезических приборов предусмотрена возможность поверок и юстировок геометрических условий, механических, оптических и других узлов прибора в полевых условиях, поэтому соответствующие знания по исследованию и ремонту приборов необходимы инже- неру-геодезисту.

Учебное пособие рассматривает основы геометрической оптики, правила построения изображений в зеркалах, призмах, плоскопараллельных пластинках, линзах, зрительных трубах

3

и отсчетных системах микроскопов, необходимые при изучении оптических схем приборов; порядок выполнения исследований и юстировок приборов, основные правила их ремонта; в конце каждого раздела (лабораторной работы) даны контрольные вопросы. Кроме того, в конце учебного пособия приведен пример составления Технического задания на разработку геодезического прибора, а также список литературы, которая может быть использована при написании Технического задания.

Учебное пособие написано в соответствии с программой курса «Геодезическое инструментоведение» и может быть полезно специалистам геодезического профиля.

Основная задача учебного пособия - привитие студентам навыков работы при исследованиях, поверках, юстировках, выявлении и устранении неисправностей, неполной разборке, сборке и ремонте приборов.

Для более глубокого усвоения пройденного материала после выполнения практической работы рекомендуется составлять отчет, содержащий следующие пункты: название работы, цель, краткий теоретический материал по данной теме, порядок выполнения работы с результатами исследований и схемами исследуемых узлов, необходимые расчеты с оценкой точности результатов измерений, вывод (при исследовании количественных характеристик приборов в выводе должны быть указаны полученные результаты и сравнены с допустимыми по нормативным документам значениями), ответы на контрольные вопросы.

Учебное пособие прошло апробацию на кафедре геодезии при выполнении курса лабораторных и практических работ в 2003 г., все замечания и предложения учтены.

Авторы выражают благодарность за оказание консуль-

4

1.КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ФИЗИЧЕСКОЙ

ИГЕОМЕТРИЧЕСКОЙ ОПТИКИ

Всовременных геодезических приборах используются разнообразные оптические и оптико-электронные системы, при этом во многих случаях при объяснении принципа их действия удобно и достаточно пользоваться законами и принципами геометрической оптики, рассматривающей формирование изображений с помощью отдельных, независимо распространяющихся, световых лучей. Однако широкое использование, например, лазерных источников излучения, растровых угловых измерительных систем, а также повышение требований к точности измерений требуют знания физической оптики (например, объяснения явлений муара и интерференции, поляризации света, потерь света при отражениях и др.).

1.1. Материалы оптических деталей

Материалами для деталей оптических приборов являются:

1) оптическое бесцветное стекло (крон или флинт - всего около 400 марок),

2)цветное оптическое неорганическое стекло (применяют для светофильтров),

3)кварцевое оптическое стекло (применяют, когда требуется более широкий по сравнению с обычным стеклом спектральный диапазон пропускания света (при А, от 200 до 4200 нм),

4)кристаллы (применяют при пропускании излучения с правильным расположением атомов, молекул и ионов),

5)молочные стекла (применяют как светорассеивающие стекла: пропускающие марки МС12 и МС13, отражающие марки МС14),

6)жидкости (применяют как оптические среды с особыми оптическими постоянными в микроскопах, уровнях и рефрактометрах).

5

Характеристики материалов оптических деталей

Оптические постоянные:

С

1. Показатель преломления: nD =— (если символ D отсутствует, значит показатель преломления указан для длины волны света X = 589,3 нм) - отношение скорости электромагнитного излучения (света) в вакууме (п = 1) к фазовой скорости распространения излучения (света) в данной среде. Фазовой скоростью волны называют скорость распространения поверхности колебаний равной фазы [17].

Показатель преломления указывают для нормальных условий эксплуатации (атмосферного давления 760 мм рт. ст. и температуры 20 ± 5° С), при этом для воздуха п = 1,000274.

Флинты по сравнению с кронами имеют больший показа-

пг-пс

Основными характеристиками среди выше перечисленных постоянных оптического стекла являются показатель преломления п и коэффициент дисперсии V.

Термооптические постоянные

Показатели преломления оптических стекол увеличиваются с увеличением температуры. Для расчета термооптических аберраций, изменения размеров оптических элементов и изменения увеличения оптических приборов, вызванных изменением температуры, в каталогах приводятся термооптические постоянные, например, температурный коэффициент:

6

ния стекла при повышении температуры на 1°С для длины волны X), или термооптическая постоянная:

Здесь: а, - коэффициент теплового линейного расширения

стекол.

Показатель преломления для данной температуры вычисляют по формуле [8]:

Здесь t - температура в °С.

Показатели качества оптического стекла

Оптическое стекло подразделяют на категории, классы и группы по показателям качества.

Отклонение основных оптических постоянных от установленных в каталогах значений. Например, допустимое отклонение показателя преломления для стекла первой категории Arid = ±2x10- 4 , а для стекла четвертой категории And = ±10x10-4. Коэффициент дисперсии для указанных категорий, соответственно, изменяется от 0,2 до 0,8%.

Коэффициент светопоглощения. Для стекла первой категории равен 0,1 см'\ для стекла четвертой категории равен

0,6 см\

Двойное лучепреломление. Двойное лучепреломление создается напряженным состоянием стекла, характеризуется

Бессвильность. Свилями называют стеклообразные прозрачные включения, отличающиеся по показателю преломления от окружающего их стекла.

В стекле допускают только отдельные тонкие свили, по бессвильности стекла выпускают двух классов.

Оптическая однородность. Под оптической однородностью, в общем смысле, понимают постоянство показателя преломления по объему стекла, характеризуется отношением значе-

7

ния угла разрешения коллиматора с введенной в поле зрения заготовкой к теоретическому углу разрешения коллиматора, для стекла первой категории равна единице, для стекла четвертой категории равна 1,2.

Спектральная характеристика коэффициента пропускания света

Спектральный коэффициент пропускания х^ с учетом потерь на граничных поверхностях стекла вычисляется как отношение прошедшего через стекло потока излучения (Ф^)Т к падающему потоку Фе

(феА

Между коэффициентом внутреннего пропускания (без учета потерь на граничных поверхностях) т ^ и т2 существует связь:

Коэффициент Rm характеризует потери света за счет отражения на двух граничных поверхностях, определяется показателем преломления, его значение как функция от п приводится в каталоге на оптическое стекло.

Значение Rm при однократном отражении вычисляется как:

Потери света при прохождении потока излучения через оптическую систему

При прохождении потока излучения через оптическую систему, состоящую из преломляющих и отражающих поверхностей, часть его теряется на отражение, поглощение и рассеяние.

Отражением потока излучения называют явление, при котором свет, падающий на границу двух сред с разными показателями преломления, частично или полностью возвращает-

8

ся обратно. Количество отраженного света зависит от качества поверхности, показателей преломления и от угла падения излучения. Отношение потока излучения Фр, отраженного от поверхности, к падающему потоку Ф называют коэффици-

ентом отражения: р = Фр — ( 7 )

Ф

Отражение от оптически гладкой поверхности (соответствует 14-му классу чистоты) называют зеркальным; отражение от шероховатой поверхности, полученной, например, шлифованием, называют диффузным или матовым.

Потери света на отражение могут быть снижены путем нанесения просветляющих покрытий - тонких пленок, толщина которых равняется одной четверти от длины волны падающего излучения. В тонких пленках происходит явление интерференции, поэтому, кроме снижения потерь на отражение, в них гасится вредный рассеянный свет. Толщину пленки вычисляют по формуле:

, (2к + 1)А

®

здесь: X - длина волны; пс = 4п - показатель преломления пленки; к = 0,1,2,3 и т.д.; п - показатель преломления стекла линзы.

В табл. 1 приведены примеры значений коэффициентов отражения.

9

Поглощением потока излучения называют его ослабление при прохождении через оптическую среду из-за превращения световой энергии в другие виды энергии [8]. Поглощение потока излучения характеризуется коэффициентом поглощения а , равным отношению потока излучения Ф а , поглощенного данным стеклом, к потоку излучения Ф, упавшему на это стек-

ло =

Ф

Количество потока излучения Фт, прошедшего через стек-

ло, характеризуют коэффициентом пропускания т = .

Ф

Кроме отражения и поглощения потери потока излучения в стекле вызываются светорассеянием. Коэффициентом рассеяния G называют отношение потока излучения Фа , рассеян-

Причинами светорассеяния являются: мелкие пузыри воздуха, неоднородные включения, флуктуации плотности в малых объемах, связанные с молекулярной структурой стекла. В каталогах на оптическое стекло приведены ориентировочные значения показателя светорассеяния EG[% см'1] для длины волны X = 546 нм. Например, для одного из распространенных стекол марки К8 показатель светорассеяния равен 0,8 -10'5см-1. Т.е. Еа - это десятичный показатель ослабления, вызываемого частичным отклонением потока излучения от своего первоначального направления, или - это величина, обратная длине пути потока излучения в стекле, выраженной в сантиметрах, на которой падающий поток излучения за счет светорассеяния уменьшается в десять раз.

Отражение, поглощение и светорассеяние рассматриваются как потери потока излучения (или ослабление потока излуче-

Сумма коэффициентов отражения, поглощения, рассеяния и пропускания равна: р + ос + о + т = 1. Иногда сумму (а + а)

10