RU2106600C1 - Autocollimation theodolite - Google Patents

Abstract

FIELD: high-accuracy geodesic measurements. SUBSTANCE: autocollimation theodolite has vertical and horizontal axial systems with reading devices and autocollimation visual tube including the objective, prism unit with grid and ocular. Autocollimation tube is made as reflecting autocollimator. It can tilt horizontal axis of vertical axial system. Autocollimation tube has two-sided mirror which is spaced at half the focal distance from objective. Grid is arranged at junction point of objective. Circular plane-parallel plate is positioned between objective and two-sided mirror. It is mounted for turning about two mutually perpendicular axes. Two-sided mirror is provided with inherent axis of rotation parallel to horizontal axis of vertical axial system. Two-sided mirror can turn and incline relative to the above-indicated axis. Mirror surface, for example of horizontal system of coordinates is used as indicator of theodolite operation coordinate system. It is open surface of liquid positioned in front of visual tube at right angles with vertical axis of rotation of theodolite horizontal axial system. EFFECT: rapid verification of main primary errors. 3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к точному оптико-механическому приборостроению и может быть использовано при конструировании приборов для высокоточных геодезических измерений, в частности теодолитов. The invention relates to precise optical-mechanical instrumentation and can be used in the design of instruments for high-precision geodetic measurements, in particular theodolites.

Актуальной проблемой применения теодолитов является получение достоверных результатов измерений вертикальных и горизонтальных углов, что может быть обеспечено путем выверки первичных погрешностей непосредственно перед использованием теодолита на месте его применения. К первичным погрешностям теодолита относятся следующие:
- наклон цапф - неперпендикулярность горизонтальной и вертикальной осей;
- наклон вертикальной оси - неперпендикулярность вертикальной оси базовой плоскости измерения горизонтальных углов;
- коллимационная погрешность - неперпендикулярность визирной линии теодолита горизонтальной оси;
- нестабильность относительного расположения оптических элементов зрительной трубы, определяющая положение визирной линии.The actual problem of using theodolites is to obtain reliable results of measurements of vertical and horizontal angles, which can be achieved by reconciling the primary errors immediately before using the theodolite at the place of its application. The primary errors of the theodolite include the following:
- the tilt of the pins - non-perpendicularity of the horizontal and vertical axes;
- the inclination of the vertical axis is the non-perpendicularity of the vertical axis of the base plane for measuring horizontal angles;
- collimation error - the non-perpendicularity of the line of sight of the theodolite of the horizontal axis;
- instability of the relative location of the optical elements of the telescope, which determines the position of the line of sight.

Известны различные конструкции автоколлимационных теодолитов, содержащие зрительную трубу, осевые системы - вертикальную и горизонтальную с отсчетными устройствами и индикатором истинного горизонта, в которых делались попытки свести к минимуму источники вышеуказанных первичных погрешностей за счет ужесточения кинематических погрешностей неперпендикулярности осевых систем, визирной оси и базовой плоскости [1 - 7]. Однако в процессе эксплуатации теодолитов, а также после транспортных и кинематических воздействий указанные первичные погрешности возникают вновь. Влияние этих источников погрешностей непостоянно, поскольку они зависят от температурных и иных деформаций деталей прибора. There are various designs of autocollimation theodolites containing a telescope, axial systems - vertical and horizontal with readout devices and an indicator of the true horizon, in which attempts were made to minimize the sources of the above primary errors by tightening the kinematic errors of the non-perpendicularity of the axial systems, the target axis and the base plane [ 1 - 7]. However, during the operation of theodolites, as well as after transport and kinematic influences, these primary errors arise again. The influence of these sources of errors is unstable, since they depend on temperature and other deformations of the parts of the device.

Недостатком известных аналогов является невозможность быстрого устранения первичных погрешностей на месте применения теодолита, так как все существующие методики выявления и устранения первичных погрешностей требуют большого числа измерений и их последующей математической обработки. A disadvantage of the known analogues is the impossibility of quickly eliminating primary errors at the place of application of the theodolite, since all existing methods for identifying and eliminating primary errors require a large number of measurements and their subsequent mathematical processing.

Наиболее близким к заявляемому по конструктивному выполнению является теодолит 2Т2А, выбранный в качестве прототипа [8]. Теодолит содержит вертикальную и горизонтальную осевые системы с отсчетными угловыми устройствами, автоколлимационную зрительную трубу, которая состоит из объектива и призменного блока из двух склеенных призм с сеткой и окуляром, находящихся в едином корпусе, который поворачивается вокруг горизонтальной оси для наведения и измерения вертикальных углов. Имеется индикатор искусственного горизонта. Closest to the claimed structural embodiment is theodolite 2T2A, selected as a prototype [8]. Theodolite contains vertical and horizontal axial systems with readout angular devices, an autocollimation telescope, which consists of a lens and a prism unit of two glued prisms with a grid and an eyepiece, located in a single housing that rotates around the horizontal axis to guide and measure vertical angles. There is an indicator of artificial horizon.

Выбранный в качестве прототипа теодолит также, как известные аналоги, не позволяет оперативно получить достоверные результаты измерений, в первую очередь, горизонтальных углов, так как существующие трудоемкие методы измерений требуют больших затрат времени, внимательности при математической обработке результатов и высокой квалификации обслуживающего персонала. Следствием этого является невысокая точность измерений. Theodolite selected as a prototype, as well as well-known analogues, does not allow to quickly obtain reliable measurement results, primarily horizontal angles, since existing labor-intensive measurement methods require a lot of time, attentiveness in the mathematical processing of the results and highly qualified staff. The consequence of this is the low measurement accuracy.

Задачей изобретения является повышение точностных и эксплуатационных характеристик измерения вертикальных и горизонтальных углов при одновременном расширении возможностей использования теодолита. The objective of the invention is to increase the accuracy and operational characteristics of the measurement of vertical and horizontal angles while expanding the possibilities of using theodolite.

Для решения поставленной задачи предлагается автоколлимационный теодолит, содержащий вертикальную и горизонтальную осевые системы с отсчетными угловыми устройствами, автоколлимационную зрительную трубу, состоящую из объектива, призменного блока с сеткой и окуляра, и индикатор системы координат. Предлагаемый теодолит отличается от прототипа тем, что автоколлимационная зрительная труба выполнена в виде отражательного автоколлиматора с возможностью наклона его горизонтальной оси и содержит двустороннее зеркало, установленное с возможностью поворота и наклона относительно оси вращения, параллельной горизонтальной оси вертикальной осевой системы, и кольцеобразную плоскопараллельную пластину, установленную с возможностью поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей. Пластина размещена между объективом и двусторонним зеркалом. Двустороннее зеркало установлено на половине фокусного расстояния от объектива, в узловой точке которого расположена сетка. Индикатор системы координат выполнен в виде зеркальной поверхности, расположенной перед автоколлимационной зрительной трубой перпендикулярно вертикальной оси вращения горизонтальной осевой системы. В предлагаемом устройстве могут использоваться два варианта выполнения индикатора системы координат - открытая поверхность жидкости, нормаль к которой совпадает с вектором земного притяжения, или плоское неподвижное зеркало, выставленное в системе координат, в которой необходимо работать. To solve this problem, we propose an autocollimation theodolite containing vertical and horizontal axial systems with reading angular devices, an autocollimation telescope consisting of a lens, a prism unit with a grid and an eyepiece, and an indicator of the coordinate system. The proposed theodolite differs from the prototype in that the autocollimation telescope is made in the form of a reflective autocollimator with the possibility of tilting its horizontal axis and contains a two-sided mirror mounted with the possibility of rotation and tilt relative to the axis of rotation parallel to the horizontal axis of the vertical axial system, and an annular plane-parallel plate mounted with the possibility of rotation around two mutually perpendicular axes. A plate is placed between the lens and the double-sided mirror. A two-sided mirror is mounted at half the focal length from the lens, at the nodal point of which the grid is located. The coordinate system indicator is made in the form of a mirror surface located in front of the autocollimation telescope perpendicular to the vertical axis of rotation of the horizontal axial system. In the proposed device, two versions of the coordinate system indicator can be used: an open liquid surface, the normal to which coincides with the vector of gravity, or a flat fixed mirror, set in the coordinate system in which it is necessary to work.

Сущность изобретения заключается в том, что предлагаемая конструкция автоколлимационного теодолита дает возможность получения достоверных результатов измерений вертикальных и горизонтальных углов, что обеспечивается за счет проведения выверки и быстрого устранения основных первичных погрешностей непосредственно перед использованием теодолита. The essence of the invention lies in the fact that the proposed design of the autocollimation theodolite makes it possible to obtain reliable results of measurements of vertical and horizontal angles, which is achieved by reconciling and quickly eliminating the main primary errors immediately before using the theodolite.

На фиг. 1 представлена оптико-кинематическая схема теодолита, работающего в горизонтальной системе координат; на фиг. 2 - вид прямой и автоколлимационной марок в поле зрения окуляра. In FIG. 1 shows an optical-kinematic diagram of a theodolite operating in a horizontal coordinate system; in FIG. 2 - view of the direct and autocollimation marks in the field of view of the eyepiece.

Двустороннее зеркало 1 имеет собственную горизонтальную ось 2 вращения, на которой расположен датчик 3 вертикального угла. Двустороннее зеркало 1 может поворачиваться вокруг оси 2 независимо от зрительной трубы 4. На оправе 5 двустороннего зеркала 1 расположен механизм 6 наклона зеркала 1 относительно горизонтальной оси 2. Двустороннее зеркало 1 располагается на половине фокусного расстояния от объектива 7 с приклеенным к нему призменным блоком 8, образуя отражательный автоколлиматор. На полупенту призменного блока 8 наклеена зеркальная измерительная марка 9, подсвечиваемая лампой 10. Между объективом 7 и двусторонним зеркалом 1 находится кольцеобразная плоскопараллельная пластина 11, размещенная в кардановом подвесе 12 и служащая для устранения погрешности, образуемой при несовмещении измерительной марки 9 с узловой точкой объектива 7. Объектив 7 со вспомогательной оптикой 13 - 15 и окуляром 16 - 19 вращается вокруг оси 2 с закрепленным на ней двусторонним зеркалом 1, то есть поворачивается вся зрительная труба 4. Кроме того, зрительная труба 4 имеет возможность наклона относительно горизонтальной оси 20 цапф вертикальной осевой системы при помощи механизма 21. На алидаде 22 теодолита, поворачивающейся вокруг вертикальной оси 23 с датчиком 24 угла, помещен сосуд 25 с открытой жидкостью 26. На основании теодолите установлены регулировочные винты 27. The two-sided mirror 1 has its own horizontal axis of rotation 2, on which the sensor 3 of the vertical angle is located. The two-sided mirror 1 can be rotated around axis 2 regardless of the telescope 4. On the frame 5 of the two-sided mirror 1 there is a mechanism 6 for tilting the mirror 1 relative to the horizontal axis 2. The two-sided mirror 1 is located at half the focal length from the lens 7 with the prism unit 8 glued to it, forming a reflective autocollimator. A mirror measuring mark 9, illuminated by a lamp 10, is pasted on the half-pent of the prism unit 8. Between the lens 7 and the double-sided mirror 1 there is an annular plane-parallel plate 11 located in the gimbal suspension 12 and serving to eliminate the error created when the measuring mark 9 is not aligned with the lens 7 point The lens 7 with auxiliary optics 13 - 15 and the eyepiece 16 - 19 rotates around axis 2 with a double-sided mirror 1 mounted on it, that is, the entire telescope is rotated 4. In addition, Yelnia tube 4 is tiltable about a horizontal axis 20 pivots the vertical centerline of the system by means of the mechanism 21. theodolite alidade 22, rotatable about a vertical axis 23 with the angle sensor 24, placed with an open vessel 25 liquid 26. On the basis theodolite mounted adjusting screws 27.

Работа предлагаемого устройства заключается в следующем. The operation of the proposed device is as follows.

Непосредственно перед измерениями вертикальных и горизонтальных углов необходимо сделать выверки первичных погрешностей теодолита - коллимационной погрешности, наклона оси цапф и наклона вертикальной оси. Immediately before measuring the vertical and horizontal angles, it is necessary to reconcile the primary errors of the theodolite - the collimation error, the tilt of the axis of the pins and the tilt of the vertical axis.

Выверка первичных погрешностей осуществляется следующим образом. Для устранения коллимационной погрешности необходимо повернуть зрительную трубу 4 в надир и совместить прямое и автоколлимационное от поверхности жидкости 26 изображения марок посредством наклона теодолита регулировочными винтами 27; оставляя наблюдательную систему - зрительную трубу 4 в надире, оператор переворачивает двустороннее зеркало 1 на 180^o; при наличии рассогласования прямого и автоколлимационного изображений (фиг. 2), характеризующего коллимационную погрешность K, оператор, наблюдая в окуляр 16 - 19, видит удвоенное ее значение 2K и заклоняет зеркало 1 относительно горизонтальной оси 2 предназначенными для этого механизмом 6 на половину величины рассогласования марок, а затем переворачивает двустороннее зеркало 1 на 180^o в исходное положение. При наличии рассогласования оператор повторяет все операции и делает это до тех пор, пока при поворачивании зеркала прямое и автоколлимационное изображения будут неподвижны и совмещены. Это означает, что коллимационная погрешность устранена.Reconciliation of primary errors is as follows. To eliminate the collimation error, it is necessary to turn the telescope 4 into a nadir and combine the direct and autocollimation marks of the marks from the surface of the liquid 26 by tilting the theodolite with adjusting screws 27; leaving the observing system - the telescope 4 in the nadir, the operator turns the double-sided mirror 1 180 ^o ; in the presence of a mismatch between the direct and autocollimation images (Fig. 2) characterizing the collimation error K, the operator, observing through the eyepiece 16-19, sees its doubled value 2K and tilts the mirror 1 relative to the horizontal axis 2 by the mechanism 6 intended for this to half the size of the mismatch between grades , and then flips the double-sided mirror 1 180 ^o to its original position. If there is a mismatch, the operator repeats all the operations and does this until the direct and autocollimation images are still and combined when the mirror is rotated. This means that the collimation error has been eliminated.

Затем оператор устраняет наклон оси 20 цапф. При повороте теодолита вокруг вертикальной оси 23 на угол φ и наблюдении в окуляр 16 - 19 прямое и автоколлимационное изображения "разбегутся" (при наличии погрешности - наклон оси цапф), при φ = 180^o их рассогласование в поле зрения составит 4l (l - отклонение от перпендикулярности горизонтальной и вертикальной осей). Оператор, заклоняя ось 20 цапф предусмотренным механизмом 21 на величину 2l, добивается в поле зрения картинки, на которой автоколлимационное изображение при повороте теодолита на угол φ описывает окружность вокруг прямого изображения, при этом погрешность наклона оси 20 цапф считается устраненной.Then the operator eliminates the inclination of the axis 20 pins. When the theodolite is rotated around the vertical axis 23 by an angle φ and observed through the eyepiece 16-19, the direct and autocollimation images will “scatter” (if there is an error, the axis axis axis tilts), at φ = 180 ^o their mismatch in the field of view will be 4l (l is the deviation from the perpendicularity of the horizontal and vertical axes). The operator, bending the axis of the 20 pins by the provided mechanism 21 by a value of 2l, achieves in the field of view a picture in which the autocollimation image when the theodolite is rotated through an angle φ describes a circle around the direct image, while the error in the tilt of the axis 20 of the pins is considered to be eliminated.

Погрешность из-за неперпендикулярности вертикальной оси 23 плоскости измерения горизонтальных углов (наклон вертикальной оси) устраняется заклоном всего теодолита с помощью регулировочных винтов 27. При этом совмещается прямое и автоколлимационное изображение марок. The error due to the non-perpendicularity of the vertical axis 23 of the plane for measuring horizontal angles (inclination of the vertical axis) is eliminated by tilting the entire theodolite with the help of adjusting screws 27. In this case, the direct and autocollimation images of the grades are combined.

Был рассмотрен вариант устранения первичных погрешностей теодолита перед измерениями при его работе в горизонтальной системе координат. Выставка теодолита (оптическая связь) производилась относительно открытой поверхности жидкости, нормаль к которой совпадает с вектором земного притяжения, а сама жидкость представляет собой плоское зеркало в пределах зрачка входа объектива зрительной автоколлимационной трубы. The option of eliminating the primary errors of the theodolite before measurements during its operation in a horizontal coordinate system was considered. The theodolite was shown (optical communication) with respect to the open surface of the liquid, the normal to which coincides with the vector of gravity, and the liquid itself is a flat mirror within the pupil of the entrance of the lens of the visual autocollimation tube.

При работе теодолита в другой системе координат жидкость должна быть заменена неподвижным плоским зеркалом, выставленным в системе координат, в которой необходимо работать. When the theodolite is working in a different coordinate system, the fluid must be replaced by a fixed flat mirror set in the coordinate system in which it is necessary to work.

Таким образом, заявленный теодолит по сравнению с прототипом позволяет повысить точностные и эксплуатационные характеристики прибора. Это обеспечивается выполнением автоколлимационной зрительной трубы в виде отражательного автоколлиматора, что позволяет оперативно, непосредственно перед использованием теодолита производить выверку основных первичных погрешностей: коллимационной, наклона оси цапф и наклона вертикальной оси. Thus, the claimed theodolite compared with the prototype can improve the accuracy and operational characteristics of the device. This is ensured by the implementation of the autocollimation telescope in the form of a reflective autocollimator, which allows you to quickly, immediately before using the theodolite, verify the primary errors: collimation, the axis of the trunnions, and the vertical axis.

Литература
1. Спиридонов А.И. Теодолиты., М.: Недра, 1985.Literature
1. Spiridonov A.I. Theodolites., M .: Nedra, 1985.

2. Аникс Д.А. Высокоточные теодолиты T1 и TO5. М.: Недра, 1978. 2. Anix D.A. High precision theodolites T1 and TO5. M .: Nedra, 1978.

3. Авторское свидетельство СССР N 1525458, кл. G 01 C 1/02, опублик. 30.11.89. 3. Copyright certificate of the USSR N 1525458, cl. G 01 C 1/02, published. 11/30/89.

4. Авторское свидетельство СССР N 1585681, кл. G 01 C 1/00, опублик. 15.08.90. 4. Copyright certificate of the USSR N 1585681, cl. G 01 C 1/00, published. 08/15/90.

5. Авторское свидетельство СССР N 1670414, кл. G 01 C 1/02, опублик. 15.08.91. 5. Copyright certificate of the USSR N 1670414, cl. G 01 C 1/02, published. 08/15/91.

6. Патент ФРГ N 3827458, кл. G 01 C 1/02. 6. The patent of Germany N 3827458, cl. G 01 C 1/02.

7. Патент Японии N 1-38241, кл. G 01 C 1/06. 7. Japanese Patent N 1-38241, cl. G 01 C 1/06.

8. Теодолит 2Т2А. Паспорт 2Т2А-сбОПС, 1979, с. 9, рис. 3 (прототип). 8. Theodolite 2T2A. Passport 2T2A-sbOPS, 1979, p. 9, fig. 3 (prototype).

Claims (3)

1. Автоколлимационный теодолит, содержащий вертикальную и горизонтальную осевые системы с отсчетными угловыми устройствами, автоколлимационную зрительную трубу, состоящую из объектива, призменного блока с сеткой и окуляра, и индикатор системы координат, отличающийся тем, что автоколлимационная зрительная труба выполнена в виде отражательного автоколлиматора с возможностью наклона его горизонтальной оси и содержит двустороннее зеркало, установленное с возможностью поворота и наклона относительно оси вращения, параллельной горизонтальной оси вертикальной осевой системы, и кольцеобразную плоскопараллельную пластину, установленную с возможностью поворота вокруг двух взаимно перпендикулярных осей и размещенную между объективом и двусторонним зеркалом, установленным на половине фокусного расстояния от объектива, в узловой точке которого расположена сетка, а индикатор системы координат выполнен в виде зеркальной поверхности, расположенной перед автоколлимационной зрительной трубой перпендикулярно вертикальной оси вращения горизонтальной осевой системы. 1. An autocollimation theodolite containing vertical and horizontal axial systems with readout angular devices, an autocollimation telescope, consisting of a lens, a prism unit with a grid and an eyepiece, and a coordinate system indicator, characterized in that the autocollimation telescope is made in the form of a reflective autocollimator with the possibility of tilting its horizontal axis and contains a two-way mirror mounted with the possibility of rotation and tilt relative to the axis of rotation parallel to the horizon axis of the vertical axis system, and an annular plane-parallel plate mounted with the possibility of rotation around two mutually perpendicular axes and placed between the lens and the two-sided mirror mounted at half the focal length from the lens at the nodal point of which the grid is located, and the coordinate system indicator is made in the form a mirror surface located in front of the autocollimation telescope perpendicular to the vertical axis of rotation of the horizontal axial system. 2. Теодолит по п.1, отличающийся тем, что в качестве индикатора системы координат используется открытая поверхность жидкости, нормаль к которой совпадает с вектором земного притяжения. 2. Theodolite according to claim 1, characterized in that as an indicator of the coordinate system uses an open surface of the liquid, the normal to which coincides with the vector of gravity. 3. Теодолит по п.1, отличающийся тем, что индикатор системы координат выполнен в виде плоского неподвижного зеркала, выставленного в системе координат, в которой необходимо работать. 3. Theodolite according to claim 1, characterized in that the coordinate system indicator is made in the form of a flat fixed mirror set in the coordinate system in which it is necessary to work.

Images