Геометрические элементы уровня

Курсовая работа

По дисциплине: «Маркшейдерские геодезические приборы»

Тема: «габаритные расчеты теодолита»

__________________

  (оценка)

                                                          Руководитель

                                                         Ожигина С Б.

«_____»_________________

                                                                    Студент гр. ГиК 05-2

                                                           Ангарбаева Д.Т..              

«_____»_________________

Караганда 2006 г.

Содержание

Введение

1. Исходные данные для габаритных расчетов теодолита

2. Габаритные расчеты прибора

2.1  Определение диаметра объектива

2.2  Определение расстояния между отрицательными и положительными компонентами объектива и эквивалентного фокусного расстояния

2.3  Расчет нитяного дальномера

2.4  Расчет отсчетного приспособления

2.5  Общая компоновка прибора

2.5.1 техническая характеристика. Назначение и области применения. Конструкция теодолита

2.5.2 зрительная труба, основные характеристики. Установка зрительной трубы

2.5.3 лимб

2.5.4 отсчетное устройство

2.5.5 уровни

2.5.6 вертикальный круг. Измерение вертикальных углов

2.5.7 подставка

2.5.8 уход и хранение

3 Поверки и исследование теодолита

3.1  Поверки теодолита и порядок их выполнения

4 Приложение

4.1  Вид теодолита

4.2  Вид поля зрения отсчетного микроскопа

Литература

Введение

Теодолит - геодезический инструмент для определения направлений и измерения горизонтальных и вертикальных углов при геодезических работах, топографических и маркшейдерских съемках, в строительстве. Основной рабочей мерой в теодолите служат горизонтальный и вертикальный круги с градусными и более мелкими делениями.

До середины XX века применяли теодолиты с металлическими кругами, отсчитываемые с помощью верньеров или микроскопов – микрометров.

В 20-х годах появились теодолиты с кругами из стекла, снабженные оптическими устройствами и получившие наименование оптических.

Теодолиты часто снабжают различными принадлежностями (ориентир – буссоль, визирные марки, оптическая дальномерная насадка и др.)

Существуют специализированные теодолиты:

Ø Астрономические (допускают визировать в зенит, имеют окулярный микрометр), автоматически дающие по отсчетам на рейке превышение точек,

Ø Маркшейдерские для работ в шахте,

Ø Гироскопические для определения направления меридиана, кодовые, автоматически записывающие результаты в банк данных и др.

Теодолитам свойствен ряд инструментальных погрешностей, влияние которых уменьшают целесообразность конструкций, тщательным изготовлением и выверкой, а также соответствующей методикой измерений.

По назначению теодолиты можно разделить на 4 группы:

1.теодолиты высокоточные оптические, предназначенные для триангуляции и полигонометрии 1 и 2-го классов, позволяющие вести измерение горизонтальных углов со средней квадратичной ошибкой и

2.теодолиты оптические, предназначенные для триангуляции и полигонометрии 3 и 4-го классов, позволяющие вести измерение горизонтальных углов со средней квадратичной ошибкой

3.теодолиты точные оптические, предназначенные для аналитических сетей и полигонометрии 1 и 2-го разрядов, позволяющие вести измерение горизонтальных углов со средней квадратичной ошибкой

4.теодолиты технической точности (оптические), предназначаются для теодолитных и тахеометрических ходов, маркшейдерских работ на поверхности и под землей, измерение горизонтальных углов со средней квадратичной ошибкой  и

1. Исходные данные для габаритных расчетов

Увеличение зрительной трубы	Тип учетного устройства				Точность отсчитывания
18x	верньер	125,5	- 49,8	144,4	10’’

2. Габаритные расчеты данных

Габаритными расчетами определяются основные размеры и характеристики прибора, расчитанные по данным технического задания. В курсовой работе габаритные расчеты ограничены вычислениями, перечень которых приводится выше. Компоновка прибора выполняется самостоятельно студентом с учетом размеров зрительной трубы, лимба и т.д.

2.1 Определение диаметра объектива

Размеры зрительной трубы определяются с целью получения расчетной разрешающей способности зрительной трубы. Разрешающая способность с одной стороны находится по увеличению

где Г – увеличение зрительной трубы.

С другой стороны, согласно теории дифракции, она равна

где Д – диаметр объектива, мм

Отсюда следует, что:

или

По известному увеличению зрительной трубы определяют внутренний диаметр объектива, т.е. диаметр входного зрачка.

2.2 Определение расстояния между отрицательными и положительными компонентами объектива и эквивалентного фокусного расстояния

Зрительная труба для теодолита принимается с внутренней фокусировкой.

Рис.№1: Ход лучей в зрительной трубе с внутренней фокусировкой.

Расстояние между компонентами объектива определяется по формуле:

Где

Расчеты  производятся для длин , 20, 10, 5, 1 метр. Значения , ,  индивидуально заданны. Принимая расстояние объектива в 1 метр за минимальное по разнице , определяется максимальное смещение фокусирующей линзы. Данные вычислений сводятся в таблице №1.

							di-
	122,5	- 45,6	146,7	0	99,7	245	0
20				123,3	100,24	239,3	0,54
10				124	101,25	229,3	1,55
5				125,5	103,35	211,1	3,65
1				139,6	124,8	116,5	25,11

Расстояние между объективом и фокусирующей линзой при фокусировании на . , где N – отношение фокусного расстояния первого компонента к фокусному расстоянию всего телеобъектива .

По фокусным расстояниям положительного и отрицательного компонентов объектива и вычисленным значениям  определяются эквивалентные фокусные расстояния  для принятых расстояний визирования:

2.3  Расчет нитяного дальномера

Расчет нитяного дальномера сводится к определению расстояния между дальномерными нитями на съемке нитей и определению изменений коэффициента дальномера при перефокусировании на цели. Расстояние между дальномерными нитями определяются по эквивалентному фокусному расстоянию при фокусировке на бесконечность и коэффициенту дальномера:

Определение величины m необходимо производить до микрон.

Изменение коэффициента дальномера при перефокусировании определяется в процентах к значению коэффициента и находится как:

,

Где  - эквивалентное фокусное расстояние при визировании на 1 метр.

Значения эквивалентных фокусных расстояний берется из таблицы №1.

2.4 Расчет отсчетного приспособления

Тип отсчетного приспособления и точность отсчитывания определяются из индивидуальных данных. В каждом конкретном случае необходимо в соответствии с заданием определить устройство отсчетного приспособления, размеры шкал, размеры делений и рассчитать увеличение лупы и микроскопа. В зависимости от типа отсчетного устройства расчеты выполняются различно. Расчет верньера:

В поле зрения верньера, как правило, одновременно даются изображения горизонтального и вертикального кругов. Отсчеты берутся с одинаковой точностью. Увеличение верньера определяется как произведение увеличений окуляра и объектива:

Увеличение объектива принимается студентом самостоятельно в пределах . Увеличение окуляра находится как:

Где  - видимое невооруженным глазом изображение деления лимба в поле

зрения окуляра, мм

 - цена деления лимба,

 - радиус лимба, мм.

Величина  для оценки по лимбу десятых долей деления должна быть не менее . Если точность позволяет брать отсчеты до половины или четвертой части деления, то величина  может быть уменьшена до . По результатам вычислений  определяется фокусное расстояние окуляра микроскопа:

Верньер применяется обычно с увеличением , но возможно использование верньера с  кратным увеличением. Подборы основных характеристик в курсовой работе необходимо обеспечить возможность получения нужного увеличения.

2.5 Общая компоновка прибора.

Общая компоновка предусматривает расположение основных деталей прибора, введение в конструкцию с указанием расположения различных вспомогательных устройств. В курсовой работе необходимо предусмотреть:

Ø Месторасположение отсчетного приспособления и соединение его со зрительной трубой;

Ø Устройство механизма для горизонтирования инструмента;

Ø Наличие оптического центрира и его расположение;

Ø Наличие уровня при алидаде вертикального круга или компенсатора.

2.5.1 Техническая характеристика. Назначение и области применения.

Конструкция теодолита.

При выполнении инженерно-геодезических работ применяются технические теодолиты типа ТГ5.

Теодолит ТГ5. Теодолит ТГ5 (рис.23) предназначен для измерения горизонтальных и вертикальных углов в теодолитных и тахеометрических ходах, для проведения геодезических измерений при изысканиях, строительстве и эксплуатации зданий и сооружений.

Подставка теодолита 17 с помощью пластинчатой пружины скреплена с основанием упаковочного футляра 8. Основание футляра устанавливается на головку штатива и закрепляется становым винтом 9. Такая конструкция позволяет закрывать теодолит футляром, не отсоединяя его от штатива, и переносить с точки на точку с закрытым футляром. Внутри станового винта имеется крючок для подвешивания нитяного отвеса, с помощью которого производится центрирование теодолита. Кроме того, у теодолита ТГ5 вертикальная ось полая, что позволяет центрировать теодолит над точкой местности с помощью зрительной трубы. Для этого зрительную трубу располагают вертикально объекти­вом вниз. Визируя через отверстие во втулке вертикальной оси, перемещением подставки теодолита по головке штатива доби­ваются совмещения перекрестия сетки нитей с точкой, обозна­чающей вершину измеряемого угла.

Рис.23 Теодолит ТГ5:

/. кремальера; 2. диоптрийное кольцо; 3. колпачок, под которым расположены ис­правительные винты сетки нитей; 4. оптический визир; 5. вертикальный круг; 6. колонка; 7. закрепительный винт лимба; 8. основание футляра;9.становой винт;10.  исправительные винты уровня;// закрепительный винт алидады; 12.уровень; 13. закрепительный винт зрительной трубы; 14.зрительная труба; 15.наводящий винт зрительной трубы; 16.  наводящий винт алидады; 17.  подставка;18. подъемные винты; 19. наводящий винт лимба; 20. окуляр микроскопа; 21 — зеркало

Вертикальную ось теодолита устанавливают в отвесное положение вращением трех подъемных винтов 18 подставки с фиксированием по цилиндрическому уровню 12, расположенному на корпусе алидады, параллельно коллимационной плоскости зрительной трубы, т. е. плоскости, образуемой визирной осью при вращении трубы вокруг ее оси вращения. Для юстировки, т. е. исправления положения оси уровня относительно вертикальной оси прибора, уровень снабжен исправительными винтами 10.

С помощью колонок 6 с корпусом алидады скрепляется зрительная труба 14, которая может вращаться вокруг горизонтальной оси на 360°. Со зрительной трубой связан вертикальный круг 5, располагающийся в плоскости одной из колонок. Фокусирование зрительной трубы по предмету осуществляется вращением кремальеры 1.

Установка резкости изображения.

Сетки нитей по глазу наблюдателя проводится вращением диоптрийного кольца 2. Под колпачком 3 находятся исправительные винты сетки нитей.

Для грубой наводки зрительной трубы на предмет служат два оптических визира 4, прикрепленных к зрительной трубе с обеих сторон.

Для закрепления вращающихся частей теодолита имеются закрепительные винты: закрепительный винт лимба 7, закрепительный винт алидады 11 и закрепительный винт зрительной трубы 13. Точное наведение зрительной трубы на предмет в горизонтальной плоскости осуществляется наводящим винтом алидады 16, в вертикальной плоскости — наводящим винтом зрительной трубы 15. Микрометренное вращение теодолита вместе с лимбом проводят наводящим винтом лимба 19. Все наводящие винты работают только при зажатом соответствующем закрепительном винте.

Изображение штрихов и оцифровки лимбов горизонтального и вертикального кругов передается в поле зрения микроскопа 20, расположенного сбоку от окуляра зрительной трубы. Для освещения поля зрения микроскопа в колонке имеется отверстие с зеркалом 21. Четкость изображения штрихов лимба получают вращением диоптрийного кольца окуляра микроскопа.

В комплекте теодолита имеется штатив, с помощью которого теодолит устанавливается над точкой местности.

Независимо от марки теодолита перед началом работы теодолит должен быть осмотрен с точки зрения его технического состояния. Необходимо проверить:

- чистоту поля зрения зрительной трубы и микроскопа;

- плавность движения зрительной трубы, алидады, угломерного круга;

- надежность закрепления частей прибора соответствующими за­крепительными винтами;

- работу всех наводящих винтов, диоптрийных колец окуляров зритель­ной трубы и микроскопа, подъемных винтов.

- работу фокусирующего устройства как на близлежащие, так и на удаленные точки.

В случае неисправности какого-либо устройства оно исправляется в ремонтной мастерской.

Также необходимо проверить устойчивость штатива. Для этого, укрепив теодолит на штативе и наведя зрительную трубу на хорошо видимую точку, прилагают к штативу крутящий момент в горизонтальной плоскости, смещая сетку нитей с точки в одну, а затем в другую сторону. Если после снятия усилия перекрестие сетки не возвратится на точку, укрепляют винты в шарнирах головки штатива.

2.5.2Зрительная труба. Установка зрительной трубы. Основные характеристики

Зрительная труба - предназначена для рассматривания удаленных предметов и визирования на них.

Зрительная труба состоит из следующих оптических частей:

Ø объектива, который строит действительное обратное изображение удаленного предмета в своей задней фокальной плоскости;

Ø окуляра, через который, как через лупу рассматривают изображение предмета, совмещенное с его передней фокальной плоскостью;

Ø сетки нитей - плоско-параллельной пластинки, на которой выгравированы пересекающиеся линии и которая расположена в передней фокальной плоскости окуляра.

Существуют зрительные трубы с внешней и внутренней фокусировкой.

Рис №2 Зрительная труба с внешней фокусировкой

Изображения с сеткой нитей (диафрагмой) осуществляется посредством перемещения диафрагмы с окуляром вдоль оптической оси зрительной трубы. Так как с изменением расстояния от предмета до объектива изменяется расстояние от объектива до изображения. Основные достоинства: простота и минимум оптических деталей. Недостатки: слабая герметичность зрительной трубы; большие размеры, наличие поперечных смещений визирной оси при перефокусировках трубы. Если в зрительной трубе заменить обычный объектив телеобъективом с перемещающимся вдоль оптической оси вторым (отрицательным) компонентом, то получим трубу с внутренней фокусировкой.

Рис №3. Зрительная труба с внутренней фокусировкой

Расстояние от объектива до изображения постоянно. При изменении R от предмета до объектива изменяется фокусное расстояние объектива посредством перемещения фокусирующей линзы вдоль оптической оси зрительной трубы. Таким образом, производится совмещение изображения с сеткой нитей, расположенной на расстоянии переднего фокуса окуляра.

Увеличение зрительной трубы

Увеличение зрительной трубы должно соответствовать разрешающей силе объектива, а в нивелирах, кроме того, соответствовать еще цене деления уровня. Для проверки этих соотношений возникает необходимость определение увеличение зрительной трубы

Рис №4. увеличение зрительной трубы

Видимое увеличение зрительной трубы

- отношение заднего расстояние объектива к заднему фокусному расстоянию окуляра.

Знак – показывает, что зрительная труба дает обратное изображение т.к. , а  и  подобны можно записать

, т.е. видимое увеличение трубы равно по отношению диаметров входного  и выходного  зрачков.

Поле зрения трубы

Рис №5. Поле зрения трубы

Поле зрения зрительной трубы определяется углом 2  между крайними главными лучами, входящими в объектив, когда труба отфокусирована на бесконечность. Поле зрения трубы со стороны объектива называется объективным. Угол 2 , под которым мы видим полевую диафрагму  через окуляр, называется окулярным.

Зрительные трубы характеризуются объективным полем зрения, которое определяется по формуле

, где - число минут, содержащихся в радиане .

Для угломерных приборов поле зрения трубы определяется следующим способом. Трубу наводят на удаленную точку дважды: первый раз - одним краем (верхним или правым) полевой диафрагмы, второй раз – противоположным (нижним или левым). После каждого наведения берут отсчеты  и  по вертикальному или горизонтальному лимбу. Угол поля зрения вычисляется по формуле .

Разрешающая способность зрительной трубы

Разрешающей способностью или разрешающей силой называется способность оптической системы изображать раздельно две близко расположенные точки. Разрешающая способность характеризуется наименьшим углом , под которым видны раздельно эти точки.

Разрешающая способность невооруженного глаза .

Разрешающая способность оптической системы

- нормальное увеличение

Разрешающая способность зрительной трубы определяется разрешающей способностью и ее объектива. Увеличение оптической системы, при котором разрешающая сила объектива этой системы полностью используется глазом, называется нормальным увеличением . Разрешающая способность зрительных труб определяют опытным путем при помощи штриховых мир. Штриховая мира представляет собой изображение групп по четыре семейства штрихов, ориентированных под углом  друг к другу. В пределах одной группы штрихи и промежутки между ними имеют одинаковую ширину, а в пределах каждого семейства штрихи параллельны между собой. Ширина штрихов от группы к группе изменяется в геометрической прогрессии. Каждая группа штрихов вместо номера обозначается значением разрешающей силы в секундах. Рассматривая миру через зрительную трубу, находят ту группу, штрихи которой еще отчетливо различаются. Угол, под которым видны штрихи этой группы, и есть разрешающая сила испытываемой зрительной трубы.

2.5.3 Лимб

Лимбы являются рабочим эталоном для измерения углов. Окружность лимба разделена на равные части. По форме поверхности несущей шкалы лимбы подразделяют на конические, цилиндрические и плоские. Форма этой поверхности определяется видом и расположением отсчетных устройств.

Лимбы бывают металлические и стеклянные. В современных инструментах они обычно делаются из оптического стекла. Металлические лимбы состоят из двух частей: основания (диска из оловянистой бронзы) и соединенного с ним пайкой или завальцовкой кольца из нейзильбера или из сплава серебра (94%) и меди (6%), на котором нанесены деления. Стеклянные лимбы представляют собой плоско – параллельную пластинку толщиной , непараллельность плоскостей которой не превышает . Толщина штрихов зависит от увеличения микроскопов и луп в отсчетных устройствах и равняется:

Где  - толщина штриха, выбранная для рассматривания вооруженным глазом;  - увеличение отсчетного устройства верньера.

Связь между точностью отсчитывания увеличением микроскопа , радиусом лимба и разрешающей способностью глаза определяется следующим образом:

,

где  - радиус лимба;  - точность отсчитывания в угловых единицах;

 - линейная величина на окружности соответствующая точности

отсчитывания;  - разрешающая сила отсчетного устройства;

 - расстояние наилучшего видения, ;

, увеличение отсчетного устройства

2.5.4 Отсчетное устройство

Верньер это отсчетное устройство, представляет собой шкалу, соприкасающаяся со шкалой лимба. Видимая величина делений лимбов обычно составляет 2мм. В современных теодолитах в поле зрения верньера строятся одновременно изображения шкал горизонтального и вертикального кругов так, что отсчитывание интервалов  производится по одному индексу – штриху на обоих кругах. Отсчеты берутся по одной стороне кругов, при этом точность отсчитывания обычно составляет .

Рассмотрим оптическую схему верньера:

В теодолите лучи света, отразившись от зеркала и пройдя защитное стекло, освещают штрихи вертикального круга. При помощи призмы, объектив, состоящий из двух компонентов, строит изображение шкалы вертикального круга в плоскости шкалы горизонтального круга. Диаметры колец шкал лимбов одинаковы, а увеличение объектива равно единице, поэтому размеры делений горизонтального и вертикального кругов равны.

При помощи призм объектив строит изображения шкал горизонтального и вертикального кругов в плоскости коллектива, на которой нанесен индекс – штрих. Полученные изображения после отражения в призме рассматриваются через микроскоп. Величина наименьшего деления лимба

Где  - радиус лимба;  - цена деления лимба;

Обозначим видимую величину деления лимба , тогда увеличение верньера

Рис №6. оптическая схема теодолита

Юстировка верньера включает в себя следующие этапы:

Ø установку компонентов объектива так, чтобы изображение делений вертикального круга в плоскости горизонтального круга было резким;

Ø установку объектива по высоте с таким расчетом, чтобы изображение штрихов кругов совместилось с плоскостью коллектива;

Ø такую установку коллектива, чтобы индекс – штрих был параллелен изображениям штрихов делений лимбов.

2.5.5 Уровни

Уровни служат для ориентирования осей и плоскостей инструмента относительно отвесной линии и для измерения малых отклонений от нее. Основными частями уровня являются: чувствительный элемент- стеклянная ампула с жидкостью и оправа для установки уровня на инструменты и защиты от внешних воздействий. Уровни по форме подразделяются на цилиндрические и круглые. Ампулы цилиндрических уровней представляют собой стеклянную трубку, внутренняя поверхность которой имеет форму поверхности вращения дуги окружности вокруг стягивающей ее хорды.

а) Рабочая часть внутренний поверхности круглого уровня имеет сферическую поверхность.

б)Ампула заполняются прозрачной маловязкой жидкостью с низкой температурой замерзание. Лучшим наполнителем является серный наркозный эфир. Для уровней малой точности применяют этиловый или метиловый спирт. Ампула заливается горячей жидкостью и запаивается. При остывании жидкости объем ее сокращается и образуется пространство, заполненное ее парами, которое называется пузырьком уровня.

Нормальная длина пузырька составляет 0,3-0,4 длины ампулы при температуре +20⁰С. Уменьшение длины пузырька приводит к снижению чувствительности уровня, длинный неудобен, т.к. его концы скрываются под оправой. Для того чтобы с изменением температуры воздуха резко не менялась длина пузырька из-за изменения объема наполнителя применяются компенсированные ампулы и ампула с запасными камерами компенсированной ампулы основана сокращении объема наполнителя, для чего в ампулу помещают стеклянную трубку с запаянными концами (рис.а).

Использование ампул с запасными камерами позволяет регулировать для пузырька. Запасная камера отделяется от рабочей стеклянной перегородкой с отверстием внизу. Наклоняя концы уровня, можно перемещать часть паров наполнителя из одной камеры в другую и тем самым регулировать длину пузырька.

1-основная камера

2-запасная камера

В некоторых инструментах применяются реверсионные (поворотные) уровни, которые имеют две рабочие поверхности, расположенные на противоположных сторонах внутренней поверхности ампулы.

На ампулах уровней нанесены шкалы:

на односторонних с одной стороны;

на реверсионных с двух сторон.

 Интервал между штрихами шкалы равен 2мм.

Штрихи могут быть пронумерованы через каждые 5 или 10 делений от среднего нулевого штриха в обе стороны (д) или от одного из крайних штрихов в одну сторону (е).

д)

На ампулах установочных уровней штрихи не нумеруются и в средних частях не наносятся.

На ампулах круглых уровней штрихи наносятся в виде концентрических окружностей, радиусы которых отличаются один от другого на 2мм.

Часть ампулы на которую нанесена шкала называется- рабочей. Ширина рабочей зоны должна быть больше ширины пузырька на 1,4мм (т.е. на 0,7мм в каждую сторону).

Геометрические элементы уровня

Средняя точка  дуги ав рабочей поверхности уровня называется серединой пузырька. Средняя точка О шкалы, нанесенной на ампуле, называется пульпунктом. Касательная  к дуге  в точке, соответствующей нульпункту, называется осью уровня.

Если середина пузырька совпадает с пульпунктом, то ось  уровня горизонтальна, если не совпадает- наклонна. Угол наклона  оси уровня при смещении пузырька на одно деление называется ценой деления уровня. Цена деления определяется по формуле:

,

-длина одного деление шкалы ампулы, мм ( мм);

-радиус дуги , мм;

-число секунд в радиане ( ); .

Цена деления: ампул малой точности- свыше ; ампул средней точности- от  до ; ампул высокой точности до .