Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат технических наук Травкин, Сергей Владимирович

• Травкин, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2007

Оглавление диссертации кандидат технических наук Травкин, Сергей Владимирович

Введение.

Глава 1. Анализ существующих методов и средств исследования, поверки и калибровки приборов для измерения превышений.

1.1. Аналитический обзор современных методов и приборов для измерения превышений.

1.2. Классификация средств поверки геодезических приборов.

1.3.Методы и средства исследований и поверок нивелиров и реек.

1 АМетоды и средства исследования и поверок систем измерения вертикальных углов геодезических приборов.

Глава 2. Разработка методов и средств определения основных метрологических характеристик геодезических приборов для измерения превышений.

2.1. Метод и средства исследования короткопериодической погрешности измерения вертикальных углов геодезических приборов.

2.2. Метод поверки системы лазерного трекера для измерения превышений и вертикальных углов.

2.3. Метод поверки и калибровки системы «нивелир - рейка».

2.3.1. Метод исследования системы «нивелир - рейка» при помощи растрового измерительного преобразователя.

2.3.2. Метод исследования системы «нивелир - рейка» на компараторе.

2.3.3. Метод исследования системы «нивелир - рейка» с использованием концевых мер длины.

Глава 3. Разработка и исследование универсального метрологического комплекса УМК-М.

3.1. Стенд УМК-М для поверки и калибровки систем геодезических приборов для измерения вертикальных углов.

3.2. Стенд УМК-М для исследования короткопериодической погрешности систем геодезических приборов для измерения вертикальных углов.

3.3. Исследование систематической погрешности вертикального стенда УМК-М с помощью лазерного интерферометра.

3.4. Вертикальный стенд УМК-М для поверки и калибровки системы «нивелир - рейка».

3.5. Горизонтальный стенд УМК-М для поверки и калибровки системы «нивелир - рейка».

3.6. Исследование системы «нивелир - рейка» с использованием концевых мер длины.

3.7. Исследование разрешающей способности системы нивелир - рейка» с помощью индуктивного датчика.

3.8. Результаты поверки и калибровки системы лазерного трекера для измерения превышений.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений»

Развитие и совершенствование оптических и оптико-электронных приборов для измерения превышений, возрастающие требования к их точности и надежности, а также автоматизация процесса измерений, приводит к необходимости создания новых методов и средств испытаний с целью поверки и калибровки геодезических приборов. Наибольшие трудности возникают при создании эталонных средств поверки и калибровки высокоточных приборов, таких как, высокоточные теодолиты, тахеометры, астрономические универсалы, лазерные трекеры и высокоточные нивелиры (оптические и цифровые).

Поверка - определение погрешностей средств измерений и установление их пригодности к применению.

Калибровка средства измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и/или пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному контролю и надзору.

Разработка современных эталонных средств измерений (СИ) направлена на обеспечение единства измерений, сокращение времени испытаний, повышение их точности и надежности результатов, оперативную обработку полученных данных. Для оптико-электронных приборов важное значение имеет исследование короткопериодической (внутришаговой) составляющей суммарной погрешности.

Методология поверок и калибровок высокоточных приборов для измерения превышений тахеометрами и нивелирами регламентируется рядом специально разработанных стандартов [43, 44, 45 и 46], устанавливающих основные метрологические характеристики (МХ). Эта документация рассчитана в основном для оптических приборов, поверочные схемы оптико-электронных устройств детально не разработаны.

В этой связи актуальным является разработка новых методов и средств поверки и калибровки современных оптико-электронных и цифровых геодезических приборов.

Основными требованиями к техническим и метрологическим характеристикам стендов для поверки и калибровки современных геодезических приборов для измерения превышений являются:

- многофункциональность стендового оборудования;

- уменьшение времени поверки и калибровки геодезического прибора;

- автоматизация процесса измерений;

- оперативная обработка данных измерений с помощью специальных микропроцессоров;

- использование альтернативных эталонных мер - кодовых и растровых датчиков, лазерных интерферометров, эталонных жезлов и концевых мер длины; возможность исследования геодезических приборов в условиях приближенных к рабочим условиям;

- увеличение точности считывания с кодовых, растровых инкрементальных датчиков угла или длины.

Данная диссертационная работа посвящена повышению точности эталонного оборудования и разработке новых методов исследований.

Работа включает в себя теоретическую и экспериментальную части. Теоретические исследования включают: анализ и классификацию используемых методов и средств поверки и калибровки нивелиров и тахеометров, их достоинств и недостатков; разработку методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов, для измерения превышений и вертикальных углов; анализ и классификацию погрешностей методов испытаний и эталонных средств измерений. Экспериментальная часть работы включает:

- апробацию и верификацию разработанных стендов;

- исследование методик поверки и калибровки геодезических приборов.

На защиту выносятся:

- средства и методы проведения поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений;

- результаты исследований современных оптико-электронных и цифровых геодезических приборов на поверочной установке МИИГАиК УМК-М.

Основное содержание диссертационной работы изложено на 144 стр., включая 6 таблицы, 56 рисунков, 10 приложений.

По материалам диссертационной работы опубликовано 6 научных работ.

На «Универсальный метрологический комплекс МИИГАиК» (УМК-М), разработанный и созданный при участии автора, от ВНИИМС получен сертификат эталонного средства измерения {Приложение 9) и лицензия (Приложение 10), которые позволяют проводить поверки и калибровки геодезических приборов - нивелиров, теодолитов, тахеометров, а так же средств измерений в машиностроении.

Результаты разработок и исследований автора были представлены на выставках, форумах и конференциях:

- ОЕОР(ЖМ+, Зй Международный промышленный форум;

- ГЕО-СИБИРЬ 2006, Вторая международная специализированная выставка и научный конгресс;

- 1ЖЕ1ШЕО 2006, Мюнхен;

- МЕРА - 2006, Москва - Экспоцентр;

- Научные конференции студентов и аспирантов и молодых ученых МИИГАиК в марте 2005, в марте 2006, в апреле 2007.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Травкин, Сергей Владимирович

Выводы по главе 3

На основе разработанных в главе 2 методов поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений или вертикальных углов, разработаны специальные стенды и проведены соответствующие исследования.

Исследованы погрешности измерения вертикальных углов в диапазоне от -45° до +45°, различными высокоточными геодезическими приборами, в результате получены СКП определения эталонных углов не превышающие 3,2".

Исследованы короткопериодические (внутришаговые) погрешности, при помощи растрового измерительного преобразователя, у тахеометра фирмы «Leica» TPS 1100, погрешность измерения вертикального угла, при наведении на отражатель, составила 8";

Исследование на вертикальном стенде системы «нивелир - рейка», показало, что погрешность определения превышения по инварной штрих кодовой рейке цифровым нивелиром DiNilO равна 0,05 мм, a DiNil2 - 0,015 мм;

Исследования вертикального стенда с помощью интерферометра на наличие систематической погрешности по результатам многократных измерений выявили, систематическую погрешность растровой меры, не превышающую 50 мкм.

По результатам исследования на горизонтальном стенде системы «нивелир - рейка» получено, что инструментальная погрешность измерения метровых интервалов при помощи системы «цифровой нивелир DiNil2 -инварная 3-х метровая штрих-кодовая рейка» не превышает 0,06 мм. Погрешность метровых интервалов инварной 3-х метровой штрих-кодовой рейки не превышает 0,02 мм. И инструментальная погрешность самого цифрового нивелира DiNil2 при измерении метровых интервалов не превышает 0,04мм.

Исследованы методы поверки и калибровки приборов для измерения превышений, при помощи КМД. Исследования проводились как в лаборатории, так и в полевых условиях, при этом получены следующие результаты:

- в лабораторных условиях погрешности в измерениях превышений нивелиром Н-05 по инварной рейке с 5-ти миллиметровыми делениями, составили - порядка 0,2мм. Отклонения в превышениях определенные нивелиром DiNi 10 по инварной штрих-кодовой рейке составляют: 0,1мм. Отклонения, определенные нивелиром DiNi 12 по инварной штрих-кодовой рейке - 0,05 мм. Можно сделать вывод, что нивелир DiNi 12 определяет превышения с наибольшей точностью. - в полевых условиях с изменением расстояния от нивелира до рейки погрешность определения превышения носит не линейный характер. DiNi 10 на 3,5м имеет погрешность 0,2мм, на 13,5м - 0,2мм, на 29,0м -0,5мм, на 50м - 0,6мм и на 86,5м погрешность достигла 1,2мм. DNil2 на 3,5м имеет погрешность 0,15мм, на 13,5м - 0,25мм, на 29,0м -0,35мм, на 50м - 0,55мм и на 86,5м погрешность составила 1,2мм. Отсюда можно сделать вывод, что на расстояниях, превышающих 30м. погрешность измерения превышения, с увеличением расстояния, достигает больших значений; максимальное расстояние, на котором нивелир DiNi 12 снимал отсчет по рейке, составило 86,5м, а нивелир DiNi 10 снимал отсчеты по рейке на расстоянии превышающем 90м. Проведенные исследования метода калибровки систем «нивелир -рейка» с помощью концевых мер длины продемонстрировали возможность выявления инструментальной погрешности. В результате исследований получены инструментальные погрешности, которые в дальнейшем могут быть использованы для разработок методик нивелирования. Например, методики нивелирования I, И, III и IV классов для цифровых (электронных) нивелиров, которых на сегодняшний день ни одной не разработано.

Исследованы разрешающие способности системы «нивелир - рейка», она имеет сложную зависимость. Из частоты скачков видно, что разрешающая способность у нивелира DiNi 12 выше, чем у DiNi 10. Средняя разрешающая способность у нивелира DiNi 12 равна 200микрон, а у DiNi 10 порядка 250 микрон.

Исследована погрешность измерения превышения лазерным трекером, в результате которого получен график калибровочной характеристики трекера при измерении превышений, предельная погрешность измерения составила ЗОмкм.

Таким образом, результаты исследований убедительно показали работоспособность, надежность и достаточную точность разработанного «Универсального метрологического комплекса МИИГАиК» (УМК-М).

Полученные от ВНИИМС сертификат эталонного средства измерения и лицензия позволяют проводить поверки и калибровки геодезических приборов - нивелиров, теодолитов, тахеометров, а также средств измерений в машиностроении.

Заключение

В диссертационной работе разработаны методы и средства поверки и калибровки геодезических приборов, измеряющих вертикальные углы и превышения, позволяющие повысить точность измерений.

Основной акцент был сделан на анализ существующих методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов. По результатам анализа сделаны выводы о том, что для повышения точности поверки и калибровки геодезических приборов необходимо: использование автоколлиматоров для задания референтных направлений, точность наведения на которые составляет порядка 0,2"; применение линейных измерительных преобразователей с дискретностью отсчитывания порядка 0,5 мкм; использование эталонных инварных жезлов 2 разряда, погрешность которых составляет ~ 0,3мкм; применение лазерных интерферометров с погрешностью 1мкм + 1ррт; применение альтернативных эталонных средств измерений (инварные и композитные жезлы, автоколлиматоры, растровые датчики). Так же сделан вывод, что важной задачей при испытании оптико-электронных приборов является исследование короткопериодической составляющей суммарной погрешности измерений.

Разработанные методы и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений - нивелиров и тахеометров позволяют:

- исследовать короткопериодическую погрешность измерения вертикального угла геодезических приборов - теодолитов, тахеометров;

- исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир -рейка» при помощи растрового измерительного преобразователя;

- исследовать инструментальную погрешность системы «нивелир -рейка» на компараторе;

- провести калибровку координатных систем типа - лазерный трекер.

На основе разработанных методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений или вертикальных углов, разработаны специальные стенды и проведены соответствующие исследования.

Исследованы погрешности измерения вертикальных углов в диапазоне от -45° до +45°, различными высокоточными геодезическими приборами, в результате получены СКП определения эталонных углов не превышающие 3,2".

Исследованы короткопериодические (внутришаговые) погрешности, при помощи растрового измерительного преобразователя, у тахеометра фирмы «Leica» TPS 1100, погрешность измерения вертикального угла, при наведении на отражатель, составила 8";

Исследование на вертикальном стенде системы «нивелир - рейка», показало, что погрешность определения превышения по инварной штрих кодовой рейке цифровым нивелиром DiNilO равна 0,05 мм, a DiNil2 - 0,015 мм;

Исследования вертикального стенда с помощью интерферометра на наличие систематической погрешности по результатам многократных измерений выявили, систематическую погрешность растровой меры, не превышающую 50 мкм.

По результатам исследования на горизонтальном стенде системы «нивелир - рейка» получено, что инструментальная погрешность измерения метровых интервалов при помощи системы «цифровой нивелир DiNil2 -инварная 3-х метровая штрих-кодовая рейка» не превышает 0,06 мм. Погрешность метровых интервалов инварной 3-х метровой штрих-кодовой рейки не превышает 0,02 мм. И инструментальная погрешность самого цифрового нивелира DiNil2 при измерении метровых интервалов не превышает 0,04мм.

Исследованы методы поверки и калибровки приборов для измерения превышений, при помощи КМД. Исследования проводились как в лаборатории, так и в полевых условиях, при этом получены следующие результаты:

- в лабораторных условиях погрешности в измерениях превышений нивелиром Н-05 по инварной рейке с 5-ти миллиметровыми делениями, составили - порядка 0,2мм. Отклонения в превышениях определенные нивелиром DiNi 10 по инварной штрих-кодовой рейке составляют: 0,1мм. Отклонения, определенные нивелиром DiNi 12 по инварной штрих-кодовой рейке - 0,05 мм. Можно сделать вывод, что нивелир DiNi 12 определяет превышения с наибольшей точностью, в полевых условиях с изменением расстояния от нивелира до рейки погрешность определения превышения носит не линейный характер. DiNi 10 на 3,5м имеет погрешность 0,2мм, на 13,5м - 0,2мм, на 29,0м -0,5мм, на 50м - 0,6мм и на 86,5м погрешность достигла 1,2мм. DNil2 на 3,5м имеет погрешность 0,15мм, на 13,5м - 0,25мм, на 29,0м -0,35мм, на 50м - 0,55мм и на 86,5м погрешность составила 1,2мм. Отсюда можно сделать вывод, что на расстояниях, превышающих 30м. погрешность измерения превышения, с увеличением расстояния, достигает больших значений; максимальное расстояние, на котором нивелир DiNi 12 снимал отсчет по рейке, составило 86,5м, а нивелир DiNi 10 снимал отсчеты по рейке на расстоянии превышающем 90м. Проведенные исследования метода калибровки систем «нивелир -рейка» с помощью концевых мер длины продемонстрировали возможность выявления инструментальной погрешности. В результате исследований получены инструментальные погрешности, которые в дальнейшем могут быть использованы для разработок методик нивелирования. Например, методики нивелирования I, II, III и IV классов для цифровых (электронных) нивелиров, которых на сегодняшний день ни одной не разработано.

Исследованы разрешающие способности системы «нивелир - рейка», она имеет сложную зависимость. Из частоты скачков видно, что разрешающая способность у нивелира 12 выше, чем у Б1М1 10. Средняя разрешающая способность у нивелира 12 равна 200микрон, а у 10 порядка 250 микрон.

Исследована погрешность измерения превышения лазерным трекером, в результате которого получен график калибровочной характеристики трекера при измерении превышений, предельная погрешность измерения составила ЗОмкм.

Таким образом, результаты исследований убедительно показали работоспособность, надежность и достаточную точность разработанного «Универсального метрологического комплекса МИИГАиК» (УМК-М).

Полученные от ВНИИМС сертификат эталонного средства измерения и лицензия позволяют проводить поверки и калибровки геодезических приборов - нивелиров, теодолитов, тахеометров, а также средств измерений в машиностроении.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Травкин, Сергей Владимирович, 2007 год

1. ГОСТ 16263-70. Метрологическая аттестация средств измерений.

2. Артемьев Б.Г., Голубев С.М. Справочное пособие для работников метрологических служб. М.: Издательство стандартов, 1990. - 962 с.

3. Рубичев H.A., ФрумкинВ.Д. Методы и средства поверки и метрологической аттестации средств измерений. М.: Машиностроение 1986.

4. Генике A.A., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии. М.: Картгеоцентр-Геоиздат, 1999.

5. Макаренко H.JI. О переходе на автономные спутниковые методы определения координат // Геодезия и картография. 1996. -№5 -С.4 - 7

6. Машимов М.М. Всеобщий взгляд на геоспутниковую технологию // Геодезия и картография. 1994. -№12 -С.6 -11.

7. Красовский Ф.Н., Данилов В.В. Руководство по высшей геодезии. Часть I, вып. 1.-М.: Изд. Редбюро ГУГСК НКВД СССР, 1938.

8. Kukkamaki T.I. Vaisalainterference Comparator. Publications of the Finnish Geodetic Istitute.1978, № 87. P. 3 - 49.

9. Buschman E. Metrologische Grundlagender Geodäsie. //Vermessungstechnik. 1975. - №10. - S. 361 - 366.

10. Deumlich F. Instrumentenkunde der Vermessungstechnik. VEB Verlag für Bauwesen. Berlin, 1988.

11. Sledzinski J., Kalinowska-Sledzinski B. Metrological laboratories as an indispensable tool in the activities of the national geodetic services. Proceeding of the United nations. Regional cartographic conference, 1985.

12. Heister H. Zur Überprüfung von Prazisions-Nivellierlatten mit digitalem Code. Sriftenreihe Studiengang Vermessungswesen, Universität der Bundeswehr München, Heft 53,45-53 S.

13. Карсунская М.М. Геодезические приборы М.: Институт оценки природных ресурсов, 2002. - 186с.

14. Кочетов Ф.Г. Нивелиры с компенсаторами. М. Недра, 1985г., 148 с.

15. Кузнецов П.Н., Васютинский И.Ю., Ямбаев Х.К. Геодезическое инструментоведение. М., Недра, 1984г., 265 с.

16. Ямбаев Х.К., Голыгин Н.Х. Геодезическое инструментоведение. М.: «ЮКИС», 2005.-312с.: ил.

17. Ingensand Н., Maurer W., Schauerte W., Die Digitalnivellirfamilie WILD NA2002/NA3000 und ihre Anwendungen in der Ingenieurvermessung. Beitrage zum XI. Internationalen Kurs for Ingenieurvermessung, Zurich, 21. -25.9.1992, 14 S.

18. Елисеев С. В. Геодезические инструменты и приборы.-М.:Недра,1973.

19. Литвинов Б.А. Лобачев, Воронков. Геодезическое инструментоведение. М. Недра 1971, 328 с.

20. Климов О. Д. Применение принципа автоколлимации при исследовании астрономических инструментов. //Изв.вузов Геодезия и аэрофотосъемка, 1982, № 4.

21. Зимин В.Н. Стенд для исследования угломерных инструментов. М. Геодезия и картография, 1983, № 4.

22. Каяк Л. К., Мартынов В. Т. Поверка лимбов теодолитов и других угломерных приборов по образцовым многогранным призмам. -Измерительная техника №3 1968.

23. Мартынов В. Т. Аттестация высокоточных лимбов. Труды ВНИИ им. Менделеева, Вып. 199(259).-л. Энергия 1976

24. Высокоточные угловые измерения/ под ред. Ю. Г. Якушенкова М.: Машиностроение, 1987,480 с.

25. Петропавловский В.П., Сипицын Н.В. Фазовые цифровые преобразователи угла. М. Машиностроение 1984.186 с.

26. Научно-технический отчет по теме 6.30.011 раздел 05. № регистрации 01.86.0063 982. М. МИИГАиК 1989

27. Войцекян В.И. Лабораторное метрологическое оборудование для обеспечения разработки и испытаний высокоточных теодолитов.- Сб. науч.трудов ЦНИИГАиК, М. ЦНИИГАиК ГУКГ СССР, 1989 -136 с.

28. Научно-технический отчет по теме Стенд для контроля теодолитов. М. МИИГАиК, 1999.

29. Научно-технический отчет по теме Универсальный измерительный комплекс М. МИИГАиК, 2001.

30. Гончар Б.В. Разработка и исследование средств контроля пространственной стабильности стендов для аттестации оптических угломеров. Дисс. На соискание ученой степени канд. техн. наук М.: МИИГАиК, 2005г.

31. Голыгин Н.Х., Травкин С. В., Стенд для аттестации вертикальных угловых измерительных систем геодезических приборов. // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. 2006. - №2. - с. 128-131.

32. Голыгин Н.Х., Хиноева О.Б., Ямбаев Х.К. Возможности повышения точности геодезических измерений на основе искусственных нейросетей//Изв.вузов.Геодезия и аэрофотосъемка.-2005.-№4.-с.17-27.

33. Голыгин Н.Х., Травкин С. В. Стенд для аттестации вертикальных угловых измерительных систем геодезических приборов // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка-2006. -№2 -С. 128 131.

34. Травкин С. В. Метод определения погрешности измерения превышения высокоточными нивелирами с использованием концевых мер длины//Изв.вузов.Геодезия и аэрофотосъемка.-2006-№3-С.97-100.

35. Голыгин Н.Х. Степочкин A.A. Травкин C.B. Бахарев Е.С. Исследование оптико-электронных геодезических приборов и устройств для аттестации //Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. -2005,-№5.-С. 123- 135.38. http://www.ntpgorizont.ru/

36. Руководство пользователя TSP-System 1000.

37. РТМ 68-8. 3-76. Эталонирование инварных реек и контрольных линеек на компараторе МК-1, 1976.

38. Инструкция по проведению технологической поверки геодезических приборов. М.: ЦНИИГАиК, 1999.

39. ГОСТ23543-79. Приборы геодезические. Основные технические требования.

40. Методика института. Теодолиты. Методы средства поверки. МИ БГЕИ 08-90. Москва 1991, ЦНИИГАиК.

41. Методика института. Теодолиты. Методы средства поверки. МИ БГЕИ. Москва 1999, ЦНИИГАиК.

42. Дурнева П.И., Спиридонов А.И. Об исследовании эксцентриситетавертикального круга у теодолитов с односторонней системой отсчитывания //Геодезия и картография. 1966. - №9.

43. Селиханович В. Г., Геодезия: Учебник для вузов, Ч. II М. Недра, 1981.544с.

44. Деймлих Ф., Геодезическое инструментоведение. М., Недра, 1970. 584с.

45. Васютинский И.Ю. Гидростатическое нивелирование. М., Недра, 1976.