Современные методы и приборы измерения длины



В статье рассматриваются современные средства измерения длины: лазерный дальномер, нивелир и теодолит. Представлены сферы использования, технические характеристики, особенности работы приборов. Охарактеризован вопрос поверки и юстировки.

Ключевые слова: средства измерения, длина, лазерный дальномер, нивелир, теодолит.

The article discusses modern means of measuring length: laser rangefinder, level and theodolite. The fields of use, technical characteristics, and features of the devices are presented. The issue of verification and alignment is characterized.

Keywords: measuring instruments, length, laser rangefinder, level, theodolite.

Физической величиной, которая является числовой характеристикой протяжённости линий, является длина. В большинстве систем измерений единица длины одна из основных единиц измерения, через которые определяются другие, производные единицы. В международной системе единиц СИ за единицу длины принят метр. Метрическая система считается самой удобной из всех придуманных из-за своей простоты. В основе метрической системы лежит единица измерения метр.

Приборы для измерения длины используются в различных сферах жизни человека и в производстве: в строительстве, аграрном хозяйстве, персональном обустройстве, коммунальных и прочих отраслях. Одним из основных видов измерений считаются линейные измерения.

В период прохождения учебно-производственной практики на заводе Прогресс нами были изучены методы измерения длинны различными средствами измерения. Для измерения длины мы научились использовать такие приборы, как лазерные дальномеры, теодолиты, нивелиры.

Лазерный дальномер — это прибор для измерения расстояний с применением лазерного луча (рис. 1). Дальномеры широко применяются в астрономических исследованиях, в инженерной геодезии, при топографической съёмке, в военном деле, в навигации, на стройке, охоте, в быту.

Рис. 1. Лазерный дальномер

Преимуществом современных лазерных дальномеров является их компактность, и большая точность в короткие сроки определить расстояния до исследуемых объектов.

Лазерные дальномеры различаются по принципу действия на импульсные и фазовые [1].

Импульсный лазерный дальномеры состоят из импульсного лазера и детектора излучения. Измеряя время, которое затрачивает луч на путь до отражателя и обратно, и зная значение скорости света, можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом. Импульсные лазерные дальномеры обладают большой дальностью работы, поскольку импульс прибор может выдать с большой мощностью и повышенной скрытностью, включаясь только на время импульса. Поэтому импульсные лазерные дальномеры обычно применяются в военных прицелах.

Фазовые лазерные дальномеры на короткий промежуток времени включают подсветку объекта с разной модулированной частотой и по сдвигу фазы вычисляют расстояние до цели. Они не имеют таймера замера отражённого сигнала, поэтому дешевле, но имеют меньшую дальность до 1 км и поэтому обычно используются в бытовых целях или как прицелы стрелкового оружия.

Теодолиты изобрели несколько десятков лет назад. Его используют для измерения вертикальных, горизонтальных углов. На сегодняшний день он не теряет своей популярности и используется при монтаже конструкций. в прикладной геодезии, при строительстве промышленных зданий, а также при осуществлении изыскательных действий

Существует несколько видов теодолитов, например:

— электронный — с микропроцессором и дисплеем;

— механический — без оптических и электронных компонентов;

— оптический — оборудование, с встроенным отчетным устройством [2].

Более детальное устройство теодолита представлено на рис. 2.

Рис. 2. Устройство теодолита

Обозначения: 1 — головка штатива; 2 — основание; 3 — подъемный винт; 4 — наводящий винт алидады; 5 — закрепительный винт алидады; 6 — наводящий винт зрительной трубы; 7 — окуляр зрительной трубы; 8 — предохранительный колпачок сетки нитей зрительной трубы; 9 — кремальера; 10 — закрепительный винт зрительной трубы; 11 — объектив зрительной трубы; 12 — цилиндрический уровень; 13 — кнопочный винт для поворота лимба; 14 — закрепительный винт; 15 — окуляр отсчетного микроскопа с диоптрийным кольцом; 16 — зеркальце для подсветки штрихов отсчетного микроскопа; 17– колонка; 18 — ориентир-буссоль; 19 — вертикальный круг; 20 — визир; 21 — диоптрийное кольцо окуляра зрительной трубы; 22 — исправительные винты цилиндрического уровня; 23 — подставка

Основной принцип работы теодолита заключается в том, что при наведении зрительной трубы на исследуемую область можно измерить угол каждой из горизонтальной и вертикальной осей. При этом важно, чтобы центр визирной линии попадал на нужный объект. Измерения проводятся при помощи шкалы, градуированной в угловых секундах. Стороны угла, который необходимо измерить, проектируются на плоскость лимба подвижной вертикальной плоскостью. Эту плоскость также называют коллимационной, она образуется при вращении зрительной трубы вокруг своей оси, а отсчет производится по горизонтальному кругу.

Важно отметить, что работа с теодолитом требует соблюдения определенных правил или геометрических условий:

— ось цилиндрического уровня при алидаде горизонтального круга должна быть перпендикулярна к оси вращения алидады;

— ось вращения алидады должна находиться в строго вертикальном положении;

— визирная ось и ось вращения трубы должны располагаться перпендикулярно друг к другу; ось вращения алидады также должна быть перпендикулярна оси вращения трубы;

— одна из нитей сетки должна располагаться в вертикальной плоскости.

Регулировка теодолита для достижения перечисленных правил называется юстировкой

Важно отметить, что при работе с теодолитом можно пользоваться так называемым круговым приемом, он целесообразен в том случае, если необходимо произвести измерения из одной точки. Выполняется этот прием следующим образом:

— Теодолит устанавливается непосредственно над точкой. При этом лимба должна быть приближена к нулю.

— Алидаду вращают, соединяя нулевой штрих микроскопа со штрихом нулевого давления на лимбе, чуть ослабляют винт, закрепляют алидаду и навести трубу на точку и после закрепления стопорного винта проводятся расчеты.

— Для снятия отсчета со следующей точки необходимо, двигая трубу по часовой стрелке, направить ее на цель.

— Алидада переводится в исходное положение, зрительная труба переводится через зенит и снимаются отсчеты второго полуприема.

— Вычисляется среднее значение с учетом погрешности.

Для определения наклонной, вертикальной и горизонтальной плоскости используют еще один вид современный вид приборов — цифровые, лазерные и оптические нивелиры. Главное отличие лазерных приборов от оптических в том, что можно сразу увидеть выстроенную плоскость.

Основными сферами применения нивелиров является сверхточный монтаж различных агрегатов и технологических линий, разбивочные работы на строительных площадках, планирование участков. Нивелиры часто используют для определения разности высот, проверки ровности поверхности путем определения превышения одной точки над другой горизонтальным лучом [1].

Оптический нивелир является одним из самых простых в конструкции и эксплуатации измерительных приборов. В соответствии с его названием, он служит для нивелирования — определения разности высот между несколькими точками поверхности.

Основным элементом конструкции нивелира является оптический блок, то есть зрительная труба. Она состоит из линзы, объектива, фокусирующей трубки и окуляра с нанесенным на него крестом сетки нитей. Компенсатор является очень важным компонентом нивелира, его задача — исправить ход луча света, попадающего в объектив или, проще говоря, компенсатор удерживает визирную ось в горизонтальном положении.

Рис. 3. Нивелир

Большинство нивелиров имеют магнитный демпфер компенсатора. Это маятник, который движется между двумя магнитами. Также есть компенсаторы с воздушными демпфером. Воздушные компенсаторы, как правило используются на более дешевых приборах. Их основными недостатками являются длительное время стабилизации и деликатная конструкция, небольшая устойчивость к повреждениям, чем у магнитных компенсаторов. Компенсатор имеет ограниченный диапазон действия, обычно несколько градусов, поэтому перед началом измерений нивелир должен быть отгоризонтирован с помощью установочных винтов в трегере и круглого пузырькового уровня. Эта операция выполняется после установки прибора на геодезический штатив.

Перед началом юстировки нивелиров проверяют работоспособность его механических компонентов, внимательно осматривают винты трегера, горизонтальные винты, фокусирующий винт и окуляр, оценивают их на предмет плавной работы и наличия нестандартных зазоров. Стоит несколько раз повернуть инструмент, установленный на штативе и убедиться, что механизм главной оси механизма не поврежден. Только если все механические компоненты нивелира находятся в рабочем состоянии, можно приступить к проверке устройства.

Поверки нивелира проходит четыре основных этапа: поверка круглого уровня, проверка вертикальности сетки нитей, проверка работоспособности компенсатора, поверка горизонтальности визирной оси [3].

Проверка и исправление горизонтального выравнивания визирной оси является наиболее трудоемким этапом. Также необходимо иметь две нивелирных рейки и установить их друг от друга и вертикально на расстоянии не менее 30 метров. Поставить прибор посередине между рейками и вычислить превышение между точками.

Комплект оптического нивелира состоит из штатива, рейки с делениями в миллиметрах на одной стороне и сантиметрах с другой, а также самого нивелира.

До начала работы с лазерным нивелиром необходимо проверить функционирование прибора. Для этого нужно зарядить аккумулятор или вставить батареи, и включить нивелир. Если луч светит ярко и четко, то аппарат готов к работе.

Для достижения высокого качества разметки важно соблюдать следующие правила расположения прибора:

1. Проецирование линии или плоскости должно происходить беспрерывно, на пути луча не должно быть препятствий.
2. Расстояние от нивелира до объекта не должно превышать максимального допустимого для выбранной модели. С увеличением расстояния погрешность разметки увеличивается. Но использование специального приемника позволяет увеличить дальность использования прибора до 2-х раз.
3. Лазерный луч опасен для зрения животных и людей, поэтому перед проведением работ необходимо предупредить окружающих и, по возможности, изолировать животных с рабочей площадки.

Настройка лазерного нивелира зависит от выбранной модели, важно помнить, что отключение неиспользуемых функций позволяет экономить заряд батареи и увеличить время работы устройства.

При настройке лазерного нивелира важно соблюдать следующие параметры:

1. Для достижение точного результата работы прибор необходимо расположить на ровной поверхности с помощью штатива, при этом нивелир должен находиться в устойчивом положении. В некоторых моделях предусмотрено крепление к потолку или стене, в этом случае важно не допускать возможность смещения или тряски устройства.
2. До начала работ необходимо провести выравнивание прибора по горизонтали путем вращения винтов. Многие современные модели обладают функцией самовыравнивания. Такие приборы не допускают неправильного положения устройства и подают звуковой сигнал при ошибке.
3. В зависимости от задачи необходимо настроить видимость вертикальной и горизонтальной оси. В некоторых моделях также возможно выбрать режим «линии» или «точки» и отрегулировать их.
4. В ротационных нивелирах доступна настройка скорости вращения луча или величины угла для задания рабочего сектора.
5. При необходимости измерений на дальних расстояниях следует использовать приемник лазерного луча, который требуется закрепить на рейке и поместить ее на измеряемую точку.

Подводя итоги вышесказанному, следует отметить, что современные методы и приборы измерения длины очень разные и используются в разных отраслях промышленности.

В настоящее время в различных сферах нашей жизни и областях промышленности применяется широкий ассортимент способов и приборов для измерения длины. Ассортимент приборов и методов для измерения длины такой же широкий, как и задачи, на которые они предназначены. Поэтому тема статьи актуальной и найдет свое продолжение в дальнейшей моей производственной практике.

Литература:

1. Средства измерения [Электронный ресурс]: URL: https://grover-sk.ru. (дата обращения: 19.10.2022).
2. Приборы для строительства и промышленности. [Электронный ресурс]: URL: https://www.220-volt.ru/articles/teodolity-ustroistvo. (дата обращения: 22.10.2022).
3. Геодезия и строительство. [Электронный ресурс]: URL: https://gis2000.ru/articles/kak-polzovatsya-nivelirom.html. (дата обращения: 19.10.2022).