Теодолит

Предназначение Теодолита. Принципы действия, история, использование в геодезии.

Теодолит – это прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов, используемый для триангуляции. Он является основным инструментом в геодезических и инженерных измерениях. Также он был адаптирован для некоторых других целей, например – его используют в метеорологии и при запуске ракет. Современный теодолит представляет собой оптическую трубу, движущуюся по двум перпендикулярным осям, горизонтальной и вертикальной. Когда оптическая труба направлена на желаемый объект, угол каждой из этих осей может быть измерен с высокой точностью, обычно по шкале, градуированной в угловых секундах.

В начале 19-го столетия был разработан особый вид теодолита. Его оптическая труба могла "перекидываться", что позволяло быстро провести обратное визирование и уменьшить возможные ошибки. Некоторые из этих теодолитов способны считать углы прямо до 30 угловых секунд. В середине 20-го века этот вид теодолитов стал считаться уже самой простейшей формой теодолитов, из-за его маленькой точности и нехватки функциональности, например, увеличения шкалы и механических счетчиков. Некоторые из них не измеряют вертикальные углы. Постепенно эти теодолиты уступили место компактным точным электронным теодолитам, но иногда их еще используют на стройплощадках.

Нивелиры часто ошибочно считают теодолитами, хотя на самом деле это разновидность инклинометра. Он не измеряет ни горизонтальных, ни вертикальных углов. В нем просто объединены уровень с воздушным пузырьком и оптическая труба, позволяющие пользователю визуально оценить уровень плоскости.

Принцип действия

Оси и круги теодолита. На обеих осях теодолита имеются градуированные круги, значения с которых можно считать с помощью увеличивающих линз. Когда ось поля зрения горизонтальна, на вертикальном круге (тот, что ассоциирован с горизонтальной осью) должны быть значения 90° или 100 град (или 270° или 300 град, когда прибор находится во вторичной позиции, "перевернут"). Если нет, эта половина разницы с 300 град называется индексной ошибкой.

Горизонтальная и вертикальная оси теодолита должны быть взаимно перпендикулярны. Состояние, при котором они отклоняются от перпендикуляра (и величина отклонения), относится к ошибке горизонтальной оси. Оптическая ось зрительной трубы, называемая визирной осью и находящаяся на линии оптического центра объектива и центра визира на его фокальной плоскости, должна быть также перпендикулярна горизонтальной оси. Если нет, это отклонение от перпендикулярности называется ошибка коллимации.

Ошибка горизонтальной оси, ошибка коллимации и индексная ошибка регулярно выявляются калибровкой и, в случае, если они стали чрезмерно большими, устраняются механической настройкой на заводе. Их наличие должно приниматься в расчет для удаления получаемой погрешности из результатов измерений.

Теодолит устанавливается на треноге или трегере, имеющих четыре винта (или в некоторых современных теодолитах – три винта) для его быстрого горизонтирования. Перед использованием теодолит должен быть установлен строго вертикально над измеряемой точкой (отцентрован), и его вертикальная ось должна быть выровнена с местной силой тяжести (выровнен). В ранних моделях теодолитов это делалось с помощью свинцового, лазерного или оптического отвеса, в поздних используется ватерпас. Для быстрого и точного центрования и выравнивания существуют специальные методы.

История

В старинных рукописях можно увидеть термин "диоптр", используемый как синоним слова "теодолит". Это произошло от названия старого инструмента – диоптра.

Инструменты, предшествующие теодолиту, такие как геометрический круг или различные градуированные круги (угломер или курвиметр) и полукруги (графометр) использовались для измерения либо вертикальных, либо горизонтальных углов. Объединение двух измерительных приборов в одном, способном измерить оба угла одновременно, было лишь вопросом времени. Грегориус Рейш показал такой инструмент в приложении к книге "Margarita Philosophica", опубликованной в 1512 году в Страсбурге. Прибор был описан в приложении Мартином Валдсеемюллером, топографом-картографом из Ринеланда, изготовившим его в том же году. Валдсеемюллер назвал его полиметром.

Первое упоминание слова "теодолит" или "теодолитус" встречается в руководстве по землемерию, геометрической практике "Pantometria" (1571 год), написанной Леонардом Диггесом. Она была опубликована посмертно его сыном, Томасом Диггесом. Диггес-старший предложил новое имя для инструмента, но происхождение этого имени неясно.

Существует некоторая неразбериха в том, какому инструменту было впервые дано название "теодолит". Некоторые считают ранние теодолиты всего лишь азимутальным инструментом, другие же определяют их как альтазимутальные. В книге Диггеса теодолитом назван прибор, измеряющий только горизонтальные углы. Диггес также описывает инструмент, измеряющий и высоту, и азимут, но называет его топографическим инструментом. Таким образом, название, данное сначала только азимутальному инструменту, позже становится названием альтазимутальных приборов. В энциклопедии 1728 года графометрсравнивается с полутеодолитом. Даже в конце 19-го столетия инструмент для измерения только горизонтальных углов назывался простым теодолитом, а альтазимутальный – плоским теодолитом.

Первым инструментом, похожим на настоящий теодолит, был, по всей видимости, прибор, созданный Джошуа Хабермелем (Эразм Хабермельский) в 1576 в Германии. Он был объединен с компасом и треногой.

Первые альтазимутальные инструменты состояли из основания с градуированной круговой шкалой и вертикальным приспособлением для измерения вертикальных углов, чаще всего полукругом. Для наблюдения объекта при измерении горизонтальных углов использовалась алидада, а вторая алидада монтировалась на вертикальном полукруге. Позже стали обходиться одной алидадой, на вертикальном полукруге. Весь полукруг был закреплен так, чтобы было можно прямо показывать и горизонтальные углы. Со временем простую алидаду грубой наводки начала заменять зрительная труба. Впервые это сделал Джонатан Сиссон в 1725 году.

Теодолит стал современным точным инструментом в 1787 году, когда Джесси Рамсден представил свой знаменитый теодолит. Он смастерил его сам, с помощью точного разделительного механизма, изготовленного собственноручно. По мере усовершенствования технологий вертикальный полукруг в 1840 году был заменен полным кругом. Оба круга, вертикальный и горизонтальный, были очень точно размечены. Это был тот самый вид теодолита, о котором говорилось в начале статьи. В дальнейшем, он эволюционировал в теодолит, который используется топографами сейчас.

Использование теодолита в геодезии

Американские геодезисты ведут землемерную съемку с помощью теодолита Wild T-3 с разрешением 0,2 угловых секунды. Фотография была сделана во время похода по Арктике (около 1950 года).

Триангуляция, изобретенная Гемма Фризиусом примерно в 1533 году, состоит из изготовления видов окружающего ландшафта с двух разных точек. После этого два графика накладываются один на другой, в результате чего получается масштабная модель ландшафта или объекта в нем. Истинный размер можно вычислить, измерив одно и то же расстояние на земле и на его графическом представлении.

Современная триангуляция, как, например, осуществляемая Снеллиусом, – это та же самая процедура, выполняемая числовыми методами. Добавление аэрофотографии привнесло в триангуляцию третье измерение.

В конце 1780 Джесси Рамсдену, жителю Галифакса, Йоркшир, и изобретателю разделительного механизма для разделения угловых шкал с точностью до секунд дуги, было поручено изготовить инструмент для Британского геодезического общества. Теодолит Рамсдена использовался несколько лет для изготовления с помощью триангуляции карты всей южной Британии.

В сетевых измерениях использование принудительного центрирования ускоряет процесс и обеспечивает высочайшую скорость. Теодолит или объект могут быть быстро удалены или вставлены в плоскость принудительного центрирования с точностью до миллиметра. В наше время GPS-антенны, применяемые для геопозиционирования, используют похожую систему сборки. Высота опорной точки – или визирной метки – над отметкой земли должна быть точно измерена.

Американские теодолиты завоевали популярность в 19-ом столетии, когда железные дороги Америки потянулись на запад. Теодолит заменил железнодорожный компас, секстант и октант и характеризовался более короткой, чем рукоятки основания, оптической трубой. Это позволяло повернуть оптическую трубу строго вниз. Этот вид теодолитов мог "перекидываться" через вертикальный круг и легко обозревать местность на все 180 градусов вокруг. Это значительно облегчило задачу геодезистов, как например, при топографии американского Дикого Запада. До этого топографу приходилось вращать смотровую трубу по горизонтальной плоскости на 180 градусов и тщательно выверять полученный угол.

Современные теодолиты

В современных теодолитах вычисление горизонтальных и вертикальных углов обычно проводится с помощью электроники. Считывание данных проводится вращающимся энкодером, который может быть абсолютным, например использующим коды Грея, или дифференциальным, использующим равноотстоящие друг от друга светлые и темные круговые полосы. В последнем случае кругибыстро вращаются, сводя угловые измерения к электронным вычислениям разницы во времени. Позже на фокусную плоскость оптической трубы были добавлены CCD-датчики, позволяющие осуществлять и автонацеливание на визирную метку и вычисление ее остаточного смещения. Возможности этих вычислений были внедрены в установленное программное обеспечение.

Также многие современные теодолиты оборудованы встроенным электрооптическим определителем расстояния, в основном, работающем в инфракрасном диапазоне. Он позволяет за один раз измерить трехмерные векторы – хотя и в определенных инструментом полярных координатах, – которые могут затем быть трансформированы в уже имеющуюся координатную систему местности методом достаточного количества контрольных точек. Эта техника называется методом засечек, или топографическим позиционированием свободных станций. Она широко используется в картографическом деле. Инструменты, "разумные" теодолиты, называемые самопишущие тахометры или "рабочие станции" проводят необходимые операции, сохраняют данные во внутренней памяти или на внешних носителях. Обычно для сохранения данных используется ноутбук или карманный компьютер повышенной защищенности. В нам магазине вы можете приобрести данную модель теодолита,

Гиротеодолит

Гиротеодолит используется, когда необходимо найти эталонное положение меридиана север-юг в отсутствие видимости звезд. Чаще всего подобная ситуация встречается при подземных горных работах и строительстве тоннелей. К примеру, когда трубопровод должен пройти под рекой, вертикальные шахты на каждой стороне реки могли бы соединяться горизонтальным тоннелем. Замеры гиротеодолитом проводятся на поверхности, а затем на дне шахт, для определения направления рытья тоннеля. В отличие от искусственного горизонта или инерционной навигационной системы, гиротеодолит нельзя перемещать во время проведения замеров. Его нужно перезапускать каждый раз при смене позиции.

Основное назначение

Гиротеодолит состоит из обычного теодолита и дополнительного приспособления с гироскопом, смонтированным так, чтобы улавливать вращение Земли и выравнивать свое положение относительно меридиана. Меридиан – это плоскость, на которой имеются две оси: вращения Земли и наблюдателя. На пересечении меридианной плоскости с горизонталью находится требуемое истинное эталонное положение север-юг. Гиротеодолит обычно используется для определения или нахождения истинного севера.

Устройство

Когда гироскоп не используется, он закрепляется внутри теодолита. Гироскоп с электрическим приводом начинает работать, будучи закрепленным, а затем высвобождается для дальнейших действий. Во время работы гироскоп удерживается внутри инструмента обычно на тонкой вертикальной ленте, удерживающей вращатель гироскопа в горизонтальном положении. При выравнивании оси вращения, однако, позволяется лишь небольшое вращение по оси азимута, требуемое во время работы. Необходима начальная приблизительная оценка меридиана. Его можно определить с помощью магнитного компаса, взять из прошлых топографических работ или получить при использовании гиротеодолита в продолжительном режиме трекинга.

Как он работает

Когда вращатель высвобождается, благодаря его оси вращения, практически параллельной меридиану, реакция вращения гироскопа и вращения Земли выражается в предварительном движении оси вращения в направлении выравнивания с плоскостью меридиана. Это происходит потому, что дневное вращение Земли постоянно наклоняет ось станции восток-запад. Вращатель ускоряется и проскакивает меридиан, затем замедляется до полной остановки в точке экстремума перед последующим возвращением в точку высвобождения. Это колебание вращателя по азимуту вокруг оси меридиана длится несколько минут. На практике амплитуда качения будет только постепенно снижаться из-за потери энергии от небольшого демпфирования. В гиротеодолитах используется недемпфированная колебательная система, потому что вычисления могут быть проведены менее чем за 20 минут, а асимптотическое выравнивание демпфированного гирокомпаса может занять намного больше времени, в течение которого нельзя будет провести приемлемое установление меридиана.

Управление

Приспособление с гироскопом смонтировано так, чтобы вращаться с теодолитом. Раздельная оптическая система внутри приспособления позволяет оператору вращать теодолит и таким образом совмещать нулевую отметку на приспособлении с осью вращения гироскопа. Отслеживая колебание оси вращения вокруг меридиана, серию точек экстремума этих колебаний можно определить с помощью теодолита. Центр этих колебаний позже может быть вычислен на основе этих наблюдений, что и будет чистой оценкой меридиана. Тщательная установка и повторы наблюдений могут дать оценку меридиана в пределах 10 угловых секунд от истинного меридиана. Эта оценка меридиана содержит некоторые ошибки из-за нулевого вращательного момента подвеса, который не был точно выровнен с истинным меридианом, и из-за ошибок измерения слегка демпфированных точек экстремума колебаний. Эти ошибки могут быть устранены путем улучшения начальной оценки меридиана до нескольких угловых минут и правильного выравнивания нулевого вращательного момента подвеса.

Ограничения

Гиротеодолит будет работать и на экваторе, и в обоих полушариях земного шара. Меридиан не определен на географических полюсах. Гиротеодолит нельзя использовать на полюсах, где ось Земли точно перпендикулярна горизонтальной оси вращателя. Кроме того, его нельзя нормально использовать в пределах 15 градусов от полюса, так как составляющей восток-запад вращения Земли недостаточно для получения приемлемых результатов. Когда возможно, по звездам можно определить меридиан в сотню раз точнее, чем гиротеодолитом. Если же большая точность не нужна, гиротеодолит может быстро выдать результат, и ночные наблюдения не нужны

Товар успешно добавлен в корзину

В корзине 0 товара(ов). В корзине 1 товар.

Теодолит