Общие сведения о методах определения параметров и характеристик геодезических и фотограмметрических приборов

Определение геометрических и механических характеристик

Геометрические размеры прибора (в том числе и габаритные размеры) определяют измерением линейкой или рулеткой с миллиметровыми делениями с погрешностью порядка 1 мм. В тех случаях, когда приложить линейку к измеряемой детали для непосредственных измерений затруднительно, пользуются нутромером, оптиметром, штангенциркулем или катетометром.

Расход наводящих устройств (винтов), например алидады или зрительной трубы, определяют по разности показаний отсчетных шкал (встроенных или дополнительных), соответствующих крайним точкам диапазона установки этих устройств.

Моменты трения покоя (моменты трогания) подвижных частей прибора определяют по формуле

М_т.п=F×1, (1)

где М_т.п. — момент трения покоя; F — сила трения покоя, измеряемая динамометром; плечо силы, измеряемое линейкой.

Цену деления уровней (цилиндрических, круглых) определяют на экзаменаторе. Для вычисления цены деления и используют формулу

t = (2bn)/r₀ (2)

где r₀ — среднее значение перемещения пузырька уровня в полуделениях шкалы ампулы; п — число делений, на которое переставляют винт экзаменатора; (b — цена деления шкалы измерительного винта экзаменатора.

Цену деления отсчетных шкал геодезических приборов определяют методом сличения измеренных значений проверяемой шкалы с образцовой шкалой (мерой). При этом значение цены деления проверяемой шкалы m: получают из выражения

m = l₀/l (3)

где l₀ — значение отсчета по образцовой шкале; l — значение отсчета по проверяемой шкале.

Значение m. можно получить по результатам прямых измерений проверяемой шкалы образцовым средством измерений (или мерой), т.е. методом компарирования.

В геодезической практике для этих же целей часто применяют метод самокалибровки (например, при исследовании погрешностей диаметров лимба, рена шкалы оптического микрометра или шкалового микроскопа, цены деления окулярного микрометра).

Массу прибора определяют взвешиванием его на весах любого известного типа, обеспечивающих точность измерений около 0,1 кг.

2. Определение оптических характеристик

Увеличение зрительной трубы Г определяют по результатам измерений диаметров входного D_ВX и выходного D_ВЫX зрачков оптической системы трубы (или соответственно отверстия диафрагмы D_д перед объективом и изображения отверстия D _л диафрагмы за окуляром трубы). Для получения значения Г используют формулу

Г = D_ВХ/D_ВЫХ=D_Д/D_И. (4)^

Диаметр выходного зрачка и диафрагмы изображения измеряют при помощи диаметра Рамсдена или диоптрийной трубки; значения D_ВХ и D_д измеряют; штангенциркулем или линейкой с точностью 0,1 мм.

Угол поля зрения трубы 2w можно определить при помощи шкалы широкоугольного коллиматора, располагаемого перед объективом проверяемой зрительной трубы, предварительно от фокусированной на бесконечность по удаленному предмету или длиннофокусному коллиматору. Отсчеты по шкале берут по краям поля зрения, а затем определяют разность отсчетов, которая и будет характеризовать значение 2w.

Для угломерных приборов угол поля зрения трубы получают по разности отсчетов по лимбу, соответствующих двум последовательным наведениям краев поля зрения трубы на одну и ту же точку местности.

Если известна линейная мера Е поля зрения трубы в пространстве предметов, удаленных от прибора на расстояние S, то угол поля зрения можно вычислить по формуле

2w = (Еr^/)/S, где r^/ = 3438. (5)

Предел разрешения зрительной трубы определяют на оптической скамье (ОСК-1, ОСК-2) по мире согласно ГОСТ 15114—78. Допустимое значение предела разрешения (ПР) в центре поля зрения трубы устанавливают по формуле

ПР = (120×k)/D_вх = (120×k)/Г-D_вых, (6)

где k = 1,2—1,5 — эмпирический коэффициент из нормативно-технической документации на прибор.

Коэффициенты светопропускания К_СП и светорассеяния К_СР оптической системы зрительной трубы определяют на шаровой фотометрической установки. Значение коэффициента светопропускания К_СП получают по формуле

К_СП = Ф₁/Ф (7)

где Ф₁ — световой поток, прошедший через трубу и принятый фотоэлектрическим индикатором; Ф — световой поток, излучаемый фотометрической установкой.

Значение коэффициента светорассеяния К_СР получают по формуле

К_СР = В₁/В₂ (8)

где В₁ — яркость создаваемого испытуемой трубой изображения абсолютно черного тела, расположенного на равномерном по освещению фоне внутренней части шарового фотометра; В₂ — яркость изображения фона.

Погрешность определения значений К_СП и К_СР не более 1—2 %.

Качество изображения, даваемого оптической системой, оценивают визуально на оптической скамье по мире и дифракционной картине точечной диафрагмы. При этом устанавливают степень окрашенное изображения, качество центрирования оптических компонентов, четкость и контрастность изображения.

Наименьшее расстояние визирования зрительной трубы характеризуют измеренным рулеткой отрезком между точкой стояния прибора и ближайшим к нему четко различаемым в трубу изображением предмета (или шкалой рейки) при крайнем положении фокусирующей линзы трубы.

Коэффициент К нитяного дальномера зрительной трубы определяют по формуле

К = (S₀ - dS_a - С)/ L, (9)

где С — постоянное слагаемое дальномера, выбираемое из паспорта прибора; dS_a — поправка за наклон измеряемой линии; S₀ — значение длины интервала контрольного базиса; L — разность отсчетов по рейке, полученных по дальномерным штрихам сетки зрительной трубы.

Для определения К обычно используют не менее 5-6 интервалов базиса. Допускается определять значение К. в лабораторных условиях коллиматорным методом. В этом случае измеряют вертикальным кругом образцового теодолита параллактический угол y, соответствующий угловому расстоянию между дальне-мерными штрихами сетки. Значение коэффициента К при этом вычисляют по формуле

К=ct y (10)

Следует отметить, что при измерении угла y зрительные трубы испытуемого и образцового приборов должны быть тщательно установлены на одной оптической оси, чтобы их выходные зрачки были совмещены с погрешностью не более 1 мм.

3. Определение электрических характеристик

Напряжение источника питания проверяют при помощи вольтметра, подключаемого к выходным клеммам блока питания (аккумулятора, батареи). Силу тока в электрической цепи прибора контролируют амперметром.

Потребляемую мощность P вычисляют по формуле

Р=IV, (11)

где V — напряжение источника питания в вольтах; I — сила тока в амперах. Значение P выражают в ваттах (Вт).

Важной характеристикой электромагнитного дальномера является стабильность масштабной частоты опорного генератора, которая характеризуется ее отклонением от номинального значения. Значение частоты определяют при помощи высокоточных частотомеров после их подключения к соответствующим выходам генерируемой частоты в конструкции проверяемого прибора. В относительной мере отклонение частоты вычисляют по формуле

Df/f=(f_и-f_о)/f_о, (12)

где f_о — номинальное значение частоты; f_и — фактическое (измеренное) значение частоты.

Если через промежуток времени tполучено значение частоты f^/_н, то разность D f=(f_и-f_о) будет характеризовать временную нестабильность частоты за промежуток времени t.

4. Определение основной метрологической характеристики

В качестве основной метрологической характеристики геодезического прибора принимают обычно среднюю квадратическую погрешность измерений (например, у теодолитов — угла, у нивелиров — превышения, у дальномеров — расстояния).

Известно несколько методов оценки основной метрологической характеристики:

по вероятнейшим ошибкам nряда независимых равноточных измерений

(13)

по отклонениям D измеренных значений величины от значений, получаемых образцовым (эталонным) средством измерений,

(14)

по невязкам wизмерений в геодезических построениях

(15)

по разностям dдвойных независимых измерений

(16)

где q — число измеряемых геодезических величин; п — число погрешностей.

Выбор метода оценки значения т диктуется наличием контрольно-измерительного оборудования, возможностями получения избыточной информации, назначением и условиями применения испытуемого прибора.

В обоснованных случаях допускается метод поэлементного контроля метрологической исправности прибора с учетом известных значений систематических т_s и случайных т_d составляющих:

(17)

Среднюю квадратическую погрешность среднего результата из п приемов с учетом уравнения (17) вычисляют по формуле

(18)

где m_q — среднее квадратическое влияние остаточных систематических погрешностей.

Переход от средних квадратических погрешностей к предельным осуществляют на основании известного закона распределения погрешностей и заданной доверительной вероятности.

В последнее время стали пользоваться оценкой измерений при помощи доверительной погрешности D_д, определяющей интервал, в котором действительное значение измеряемой величины находится с заданной вероятностью р. Иначе говоря, с вероятностью р выполняется условие |D| £ D_д.

В некоторых случаях теории и метрологической практики для оценки качества измерений применяют энтропийное значение погрешности

D_д, =km (19)

где k — энтропийный коэффициент, зависящий от вида закона распределения погрешностей измерений (для нормального закона k = 2,07, для равномерного k = 1,73).

Для некоторых видов приборов, например дальномеров, абсолютную погрешность измерений целесообразно выразить в виде уравнения

D = ± (а+bх), (20)

где а и b — параметры уравнения (постоянные); х — измеряемая величина (для дальномеров в качестве х выступает измеряемое расстояние S).

Параметры а и b уравнения (20) определяют по методу наименьших квадратов или статистическим путем на основе уравнения регрессии.

ГСИ допускает также применение приведенной погрешности, определяемой по формуле

g =±D/x_N, (21)

где х_N — значение величины, к которой относят абсолютную погрешность измерений при вычислении приведенной погрешности (нормирующее значение).

Например, погрешность дальномеров двойного изображения согласно ГОСТ 22549—77 примято относить к 100 м; погрешность измерения превышений нивелирами относят к 1 км двойного нивелирного хода (согласно ГОСТ 10528—76).

Методы определения основной метрологической погрешности геодезических приборов излагаются в стандартах и технических условиях на конкретные типы приборов.

5. Испытания на брызго- и пылезащищенность

Испытания прибора на пылезащищенность проводят в пылевой камере, объем которой в 1000 раз превышает объем пылевой смеси. В состав пылевой смеси входят частицы, размер которых не должен быть более 0,2 мм: 60—70 % песка, 15—20 % мела, 15—20 % каолина. Прибор в укладочном футляре помещают в камеру и обдувают потоком воздуха со скоростью около 15 м×с^-1. Продолжительность испытаний согласно ГОСТ 23543—79 выбирают из ряда 0,5; 2; 4 и 8 ч.

Испытания на брызгозащищенность проводят на дождевальной установке, на которой прибор размещают в укладочном футляре. При испытаниях прибор подвергается равномерному действию дождя сверху при угле падения брызг около 45°. Интенсивность дождя составляет (5 ± 2) мм в 1 мин, продолжительность воздействия 0,5-2 ч. Температура воды должна быть (15 ± 10)°С, а температура воздуха равна температуре воды или несколько выше ее.

После испытаний на брызго- и пылезащищенность производят внешний осмотр приборов, извлеченных из футляров. Прибор бракуется, если обнаруживается попадание пыли или влаги, которое затрудняет выполнение измерений или ухудшает качество его работы и надежность.

6. Испытания на влажность

Испытания геодезических приборов на воздействие повышенной влажности проводят в камере влаги, обеспечивающей режимы относительной влажности 95-100% при температуре (20 ± 3)°С. Приборки составные части комплекта помещают в камеру влаги и выдерживают в течение времени, установленного в НТД на прибор (обычно 6-8 ч).

До начала и после выдержки прибора в камере проверяют характеристики, указанные в документации. Пребывание прибора в камере не должно вызывать нарушения покрытий наружных поверхностей деталей, появления следов коррозии, налетов на оптических деталях, ухудшения плавности работы подвижных частей, приводить к отказам функционирования индикаторных и отсчетных устройств.

7. Испытания на воздействие пониженного атмосферного давления

Проверку работоспособности прибора при пониженном атмосферном давлении выполняют, помещая прибор в барокамеру. При нормальных условиях контролируют его характеристики, а затем, закрыв камеру, снижают давление в ней до 613,3 гПа (460 мм рт. ст.) и выдерживают в этих условиях прибор в течение 2-3 ч. После этого давление в барокамере поднимают до наружного атмосферного и вновь контролируют характеристики по установленной программе, после чего сравнивают их с исходными значениями.

8. Испытания на воздействие температуры

Испытания на воздействие повышенной (пониженной) температуры, соответствующей рабочим условиям применения прибора, проводят следующим образом.

Прибор помещают в камеру тепла (холода), приводят в рабочее состояние и контролируют характеристики, установленные в НТД для данного вида испытаний.

Температуру в камере изменяют до верхнего (нижнего) рабочего значения (для геодезических приборов верхним значением является температура +40 - +50 °С, а нижним -25 - -40°С); допускаемое отклонение от заданного режима — не более ±3°С. Испытуемый прибор выдерживают при заданной температуре не менее 2 ч. После выдержки, не изменяя температуры в камере, приводят прибор в рабочее состояние и вновь проверяют его характеристики по установленной программе. Кроме того, оценивают состояние внешнего вида и работоспособность органов управления и подвижных частей прибора.

Далее температуру в камере понижают (повышают) до нормального значения, выдерживают при этой температуре не менее 1ч, приводят прибор в рабочее состояние и вновь проверяют установленные программой характеристики.

Допускается прибор помещать в камеру с заранее установленным температурным режимом. В этом случае прибор необходимо вносить в камеру в футляре и выносить из камеры также в футляре. Извлечение его из футляра производить же ранее чем через 1 ч.

Испытания на воздействие повышенной (пониженной) температуры, соответствующей условиям транспортирования, также проводят в камере тепла (холода). Предельные значения повышенной (пониженной) температуры транспортирования могут достигать ±60 °С.

До испытаний проверяют соответствие характеристик прибора установленным для данного вида испытаний, после чего прибор и составные части комплекта в упаковке помещают в камеру тепла (холода) и повышают (понижают) температуру до заданного значения с отклонением не более ±3 °С. Далее выдержи­вают прибор в камере при заданной температуре в течение 2-3 ч. Температуру в камере понижают (повышают) до нормального значения, выдерживают не менее 1ч, после чего распаковывают, приводят в рабочее состояние, проводят внешний осмотр и опробование и измеряют характеристики, предусмотренные для данного вида испытаний.

Допускается помещать прибор в упаковке в камеру с заранее установленным режимом и извлекать из камеры без изменения ее режима, что должно быть оговорено в программе испытаний и НТД на прибор.

9. Испытания на вибропрочность

Испытания прибора на вибропрочность проводят на вибростенде, обеспечивающем режимы ускорений в пределах 1-5 м× с^-2 в диапазоне частот 1-80 Гц при продолжительности воздействия 1 ч.

До начала испытаний контролируют характеристики, предусмотренные программой и НТД для данного вида испытаний. Затем прибор помещают в укладочный футляр и закрепляют на вибростенде.

После испытаний прибор приводят в рабочее положение, проводят его внешний осмотр и опробование, измеряют характеристики, установленные для данного вида испытаний. Прибор считают выдержавшим испытания на вибростенде, если изменения контролируемых характеристик находятся в допустимых пределах, а внешние повреждения отсутствуют.

10. Испытания на ударную прочность

Испытания прибора на ударную прочность проводят на ударном стенде, обеспечивающем ускорения для многократных ударов 5-25 мс^-2 при частоте ударов 80-100 1/мин и длительности ударного импульса 2-10 мс и для одиночных ударов 20—50 мс^-2 при длительности ударного импульса 2-5 мс.

Методика проведения испытаний на ударную прочность аналогична описанной для испытаний приборов на вибропрочность.

Допускается отдельные виды сложных геодезических приборов испытывать на прочность при воздействии многократных ударов путем перевозки прибора в кузове грузовой автомашины по непрофилированным дорогам 2-й и 3-й категорий на расстояние не менее 150—200 км со средней скоростью 30 км×ч^-1.

11. Испытания на надежность

При этих испытаниях определяют установленные для данного вида приборов показатели безотказности.

Нижний предел вероятности безотказной работы вычисляют по формуле

(22)

где N _o — число отказов;q — число проверяемых элементов прибора; k — число испытуемых приборов; r₁ — статистический коэффициент.

Если отказы отсутствуют (N _o = 0), для оценки безотказности применяют формулу

где r_o — статистический коэффициент, выбираемый из таблицы при заданной доверительной вероятности р.

При N₀ ¹0 объем выборки определяют по формуле

qk³(5N₀)/r₁

Средняя интенсивность отказов l, может быть получена из выражения

(25) '

где Т — наработка на отказ.

С учетом l, средняя наработка на отказ будет

Т_CP = 1/l. (26)

Гамма-процентный ресурс (например, при g = 90%) можно найти по формуле

(27)

Для некоторых геодезических приборов целесообразно определять комплексный показатель надежности, например коэффициент готовности,

где åГ — суммарная наработка прибора за период эксплуатации T₀; åT_В— общее время, затраченное на восстановление работы.

Показатель К_Г (Т_О) характеризует не только безотказность прибора, но и его ремонтопригодность.

Объем выборки, критерии отказов, а также условия проведения испытаний на надежность должны устанавливаться в НТД на конкретные приборы. Контрольные испытания на надежность, как правило, совмещаются с периодическими испытаниями.

В обоснованных случаях показатели надежности рассчитывают по материалам активного опроса потребителей на основании данных эксплуатации приборов; при этом используют статистические методы оценки показателей надежности.