Теодолит

Теодолит с прямым считыванием показаний, изготовленный в Советском Союзе в 1958 году и использовавшийся для топографической съемки.

Студент, использующий теодолит в поле

Теодолитный / θ я ɒ д ə л aɪ т / представляет собой прецизионный оптический прибор для измерения углов между назначенной видимыми точками в горизонтальных и вертикальных плоскостях. Традиционно он использовался для топографической съемки , но он также широко используется для строительства зданий и инфраструктуры , а также для некоторых специализированных приложений, таких как метеорология и запуск ракет . ^[1]

Он состоит из подвижного телескопа, установленного так, чтобы он мог вращаться вокруг горизонтальной и вертикальной осей и обеспечивать считывание углов. Они указывают ориентацию телескопа и используются для соотнесения первой точки, увиденной через телескоп, с последующими наблюдениями других точек из того же положения теодолита. Эти углы могут быть измерены с точностью до микрорадианов или угловых секунд . По этим показаниям можно составить план или расположить объекты в соответствии с существующим планом. Современный теодолит превратился в так называемый тахеометр, где углы и расстояния измеряются электронным способом и считываются непосредственно в память компьютера.

В транзитном теодолите телескоп достаточно короткий, чтобы вращаться вокруг оси цапфы , поворачивая телескоп в вертикальной плоскости через зенит ; для нетранспортных инструментов вертикальное вращение ограничено ограниченной дугой.

Оптический уровень иногда ошибочно принимают за теодолит, но он не измеряет вертикальные углы и используется только для нивелирования на горизонтальной плоскости (хотя часто в сочетании с горизонтальными измерениями диапазона и направления средней точности).

Принцип работы

Оси и круги теодолита

Схема теодолита оптического считывания

Подготовка к наблюдению

Временные настройки - это набор операций, необходимых для того, чтобы подготовить теодолит для проведения наблюдений на станции. К ним относятся его настройка, центрирование, выравнивание и устранение параллакса, и они выполняются в четыре этапа:

• Установка: закрепление теодолита на штативе с примерным выравниванием и центрированием над отметкой станции.
• Центрирование: перемещение вертикальной оси теодолита непосредственно над отметкой станции с помощью центрирующей пластины, также известной как трегер .
• Выравнивание: выравнивание основания инструмента для вертикальной вертикальной оси, как правило, с помощью встроенного пузырькового уровня.
• Фокусировка: устранение ошибки параллакса путем правильной фокусировки объектива и окуляра. Окуляр требует регулировки только один раз на станции. Цель будет перефокусирована для каждого последующего наблюдения с этой станции из-за разного расстояния до цели.

Наблюдения

Наблюдения производятся геодезистом, который регулирует вертикальную и горизонтальную угловую ориентацию телескопа таким образом, чтобы перекрестие совпало с желаемой точкой визирования. Оба угла считываются и записываются либо с открытой, либо с внутренней шкалы. Затем происходит визирование и запись следующего объекта без изменения положения инструмента и штатива.

Самые ранние угловые показания были сделаны с открытой нониусной шкалы, непосредственно видимой глазом. Постепенно эти весы были закрыты для обеспечения физической защиты и, наконец, стали косвенными оптическими считывающими устройствами, с запутанными световыми путями, чтобы доставить их в удобное место на приборе для просмотра. Современные цифровые теодолиты имеют электронные дисплеи.

Ошибки измерения

Ошибка индекса

Углы в вертикальной оси должны читать 90 ° (100 град ) , когда ось Прицел по горизонтали, или 270 ° (300 град) , когда прибор транзитом. Половина разницы между двумя позициями называется ошибкой индекса. Это можно проверить только на транзитных инструментах.

Ошибка горизонтальной оси

Горизонтальная и вертикальная оси теодолита должны быть перпендикулярны; в противном случае существует ошибка горизонтальной оси. Это можно проверить, выровняв трубчатый пузырек спирта параллельно линии между двумя подъемными винтами и установив центральный пузырек. Ошибка горизонтальной оси присутствует, если пузырек выходит за пределы центра, когда трубчатый пузырек спирта переворачивается (поворачивается на 180 °). Для регулировки оператор с помощью регулировочного винта удаляет половину вытекшего пузырька, затем повторно выравнивает, проверяет и уточняет регулировку.

Ошибка коллимации

Оптическая ось телескопа также должна быть перпендикулярна горизонтальной оси. В противном случае существует коллимационная ошибка.

Погрешность индекса, погрешность горизонтальной оси (погрешность оси вращения ) и погрешность коллимации регулярно определяется калибровкой и устраняется механической регулировкой. Их наличие учитывается при выборе методики измерения, чтобы исключить их влияние на результаты измерения теодолита.

История

Историческая справка

До теодолита для измерения вертикального или горизонтального угла использовались такие инструменты, как ободок , геометрический квадрат и диоптрия , а также различные другие градуированные круги (см. Окружность ) и полукруга (см. Графометр ). Со временем их функции были объединены в один инструмент, который мог измерять оба угла одновременно.

Слово «теодолит» впервые встречается в учебнике геодезии «Геометрическая практика под названием Пантометрия» (1571 г.) Леонарда Диггеса . ^[2] происхождение слова неизвестно. Первую часть нового латинского тео-delitus может вытекать из греческого θεᾶσθαι , «узреть или внимательно посмотреть на» ^[3] Вторая часть часто связывают с unscholarly изменения греческого слова: δῆλος , что означает «очевидно» или "clear", ^{[4] [5]} Были предложены другие ново-латинские или греческие производные, а также английское происхождение от "алидада" ^[6]

Ранние предшественники теодолита иногда были азимутальными приборами для измерения горизонтальных углов, в то время как другие имели альтазимутальное крепление для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Грегориус Райш проиллюстрировал альтазимутальный инструмент в приложении к своей книге 1512 года Margarita Philosophica . ^[2] Мартин Вальдземюллер , топограф и картограф, создал устройство в том же году ^[7], назвав его полиметрумом . ^[8]В книге Диггеса 1571 года термин «теодолит» применялся к инструменту для измерения только горизонтальных углов, но он также описал инструмент, который измерял высоту и азимут, который он назвал топографическим инструментом [ sic ]. ^[9] Возможно, первый инструмент, приближенный к истинному теодолиту, был построен Джозуа Хабемелем в 1576 году в комплекте с компасом и штативом. ^[7] Циклопедия 1728 года сравнивает " графометр " с " полетеодолитом ". ^[10] Еще в 19 веке прибор для измерения только горизонтальных углов назывался простым теодолитом, а инструмент для измерения альтазимута -простой теодолит . ^[11]

Первый инструмент, сочетающий в себе основные черты современного теодолита, был построен в 1725 году Джонатаном Сиссоном . ^[11] Этот инструмент имел альтазимутальную монтировку с прицельным прицелом. На опорной плите были спиртовые уровни, компас и регулировочные винты. Кружки считывались по нониусной шкале .

• Большой теодолит Джесси Рамсдена 1787 года

• Теодолит 1851 года, показывающий открытую конструкцию, а также шкалы высоты и азимута, которые считываются напрямую.

• Теодолит транзитного типа с шестидюймовыми кругами, производство Британии c. 1910 г., компания Troughton & Simms

• Теодолит Wild T2, первоначально разработанный Генрихом Вильдом в 1919 году.

• Разделенный теодолит Wild, показывающий сложные световые пути для оптического считывания и закрытую конструкцию

Разработка теодолита

Теодолит стал современным точным инструментом в 1787 году с появлением знаменитого великого теодолита Джесси Рамсдена , который он создал с помощью очень точного делительного механизма собственной разработки. ^[11] Инструменты Рамсдена использовались для Главной триангуляции Великобритании . В то время инструменты высочайшей точности производились в Англии такими мастерами, как Эдвард Тротон . ^[12] Позже первые практические немецкие теодолиты были изготовлены Брайтхауптом вместе с Утцшнайдером , Райхенбахом и Фраунгофером . ^[13]

По мере развития технологий вертикальный частичный круг был заменен полным кругом, а вертикальные и горизонтальные круги были точно градуированы. Это был транзитный теодолит . Этот тип теодолита был разработан на основе астрономических транзитных инструментов 18 века, которые использовались для точного измерения положения звезд. Технология была перенесена на теодолиты в начале 19 века такими производителями инструментов, как Эдвард Тротон и Уильям Симмс ^[14], и стала стандартной конструкцией теодолита. Разработка теодолита была вызвана особыми потребностями. В 1820-х годах прогресс в национальных геодезических проектах, таких как Ordnance Surveyв Великобритании возникла потребность в теодолитах, способных обеспечить достаточную точность для крупномасштабной триангуляции и картирования. В то время Survey of India предъявляет требования к более прочным и стабильным приборам, таким как теодолит с узором Эверест с более низким центром тяжести.

Инженеры-железнодорожники, работавшие в 1830-х годах в Великобритании, обычно называли теодолит «транзитом». ^[15] 1840-е годы были началом периода быстрого строительства железных дорог во многих частях мира, что привело к высокому спросу на теодолиты везде, где строились железные дороги. ^[16] Он был также популярен среди американских инженеров-железнодорожников, продвигавшихся на запад, и заменил железнодорожный компас , секстант и октант . Позже теодолиты были адаптированы для более широкого круга применений. В 1870-х годах Эдвард Сэмюэл Ричи изобрел интересную водную версию теодолита (использующую маятниковое устройство для противодействия волновому движению) . ^[17]Он использовался ВМС США для первых точных съемок американских гаваней на побережье Атлантического океана и Персидского залива. ^[18]

В начале 1920-х годов в конструкции теодолита произошли скачкообразные изменения с появлением модели Wild T2 производства Wild Heerbrugg . Генрих Вильд сконструировал теодолит с разделенными стеклянными кругами, показания которых с обеих сторон были представлены в одном окуляре рядом с телескопом, поэтому наблюдателю не нужно было двигаться, чтобы их прочитать. Инструменты Wild были не только меньше по размеру, проще в использовании и точнее, чем у современных конкурентов, но и были защищены от дождя и пыли. Канадские геодезисты сообщили, что, хотя Wild T2 с кругами диаметром 3,75 дюйма не смог обеспечить точность для первичной триангуляции, он был равен по точности 12-дюймовой традиционной конструкции. ^[19] Инструменты Wild T2, T3 и A1 производились много лет.

В 1926 году в Тавистоке в Девоне , Великобритания, прошла конференция, на которой дикие теодолиты сравнивали с британскими. Продукт Wild превзошел британские теодолиты, поэтому такие производители, как Cooke, Troughton & Simms и Hilger & Watts, начали повышать точность своих продуктов, чтобы соответствовать требованиям своих конкурентов. Кук, Тротон и Симмс разработали теодолит с узором Тависток, а затем - Vickers V. 22. ^[20]

Wild продолжил разработку DK1, DKM1, DM2, DKM2 и DKM3 для компании Kern Aarau. С постоянным совершенствованием инструменты постепенно превратились в современный теодолит, используемый геодезистами сегодня. К 1977 году Wild, Kern и Hewlett-Packard предлагали «Тахеометры», которые объединяли угловые измерения, электронное измерение расстояния и функции микрочипа в одном устройстве.

Работа в геодезии

Триангуляция , изобретенная Джеммой Фризиус около 1533 года, состоит в построении таких графиков направления окружающего ландшафта с двух разных точек зрения. Два графических листа накладываются друг на друга, обеспечивая масштабную модель ландшафта или, скорее, целей в нем. Истинный масштаб может быть получен путем измерения одного расстояния как на реальной местности, так и в графическом представлении.

Современная триангуляция, как, например, практикуется Снеллиусом , представляет собой такую ​​же процедуру, выполняемую числовыми средствами. Фотограмметрическая блокировка стереопар аэрофотоснимков - это современный трехмерный вариант.

В конце 1780-х годов Джесси Рамсден , йоркширский житель из Галифакса , Англия, разработавший машину деления для деления угловой шкалы с точностью до секунды дуги (≈ 0,0048 мрад или 4,8 мрад), получил заказ на создание нового прибора для британцев. Обследование боеприпасов . Теодолит Рамсдны был использован в течение следующих нескольких лет , чтобы отобразить все южную Британию триангуляции.

В сетевых измерениях использование принудительного центрирования ускоряет операции при сохранении высочайшей точности. Теодолит или мишень могут быть быстро удалены или вставлены в пластину принудительного центрирования с точностью до миллиметра. В настоящее время антенны GPS, используемые для геодезического позиционирования, используют аналогичную систему крепления. Высота опорной точки теодолита-или целевой над землей эталон должна быть измерены точно.

• Исследование теодолита

• Техники Национальной геодезической службы США проводят наблюдения с разрешением 0,2 угловой секунды (≈ 0,001 мрад или 1 мкрад) Теодолит Wild T3, установленный на наблюдательной стойке. Фотография сделана во время полевой вечеринки в Арктике (около 1950 г.).

Транзитный теодолит

Термин транзитный теодолит или транзитныйдля краткости, относится к типу теодолита, в котором телескоп достаточно короткий, чтобы вращаться по полному кругу вокруг своей горизонтальной оси, а также вокруг своей вертикальной оси. Он имеет вертикальный круг, градуированный на полные 360 градусов, и телескоп, который может «переворачиваться» («проходить через прицел»). Путем поворота телескопа и одновременного поворота инструмента на 180 градусов вокруг вертикальной оси инструмент можно использовать в режимах «пластина-левая» или «пластина-правая» («пластина» относится к вертикальному кругу транспортира). Путем измерения одних и тех же горизонтальных и вертикальных углов в этих двух режимах и последующего усреднения результатов можно устранить ошибки центрирования и коллимации в приборе. Некоторые транзитные приборы способны считывать углы с точностью до тридцати угловых секунд (≈ 0.15 мрад). Современные теодолиты обычно имеют конструкцию транзитного теодолита, но гравированные пластины были заменены стеклянными пластинами, предназначенными для считывания с помощью светодиодов и компьютерных схем, что значительно повысило точность до уровней угловой секунды (≈ 0,005 мрад ).

Использование с метеозондом

Существует долгая история использования теодолита для измерения ветра на высоте с использованием специально изготовленных теодолитов для отслеживания горизонтальных и вертикальных углов специальных погодных шаров, называемых потолочными шарами или пилотными шарами ( pibal ). Ранние попытки сделать это были сделаны в первые годы девятнадцатого века, но инструменты и процедуры были полностью разработаны только сто лет спустя. Этот метод широко использовался во время Второй мировой войны и после нее, а с 1980-х годов постепенно был заменен системами измерения радио и GPS.

В теодолите pibal используется призма для изгиба оптического пути на 90 градусов, поэтому положение глаза оператора не меняется при изменении угла места на полные 180 градусов. Теодолит обычно устанавливают на прочную стальную стойку, устанавливают горизонтально и направляют на север, а шкала высоты и азимута показывает ноль градусов. Воздушный шар выпускается перед теодолитом, и его положение точно отслеживается, обычно раз в минуту. Воздушные шары тщательно сконструированы и наполнены, поэтому скорость их подъема может быть известна заранее. Математические расчеты времени, скорости подъема, азимута и угловой высоты могут дать хорошие оценки скорости и направления ветра на различных высотах. ^[21]

Современные электронные теодолиты

В современных электронных теодолитах считывание горизонтальных и вертикальных кругов обычно осуществляется с помощью энкодера . Они производят сигналы, указывающие высоту и азимут телескопа, которые передаются на микропроцессор. ПЗС - датчики , которые были добавлены к фокальной плоскости от телескопа , позволяющего как автоматическое нацеливание и автоматизированное измерение остаточного целевого смещения. Все это реализовано во встроенном программном обеспечении процессора.

Многие современные теодолиты оснащены интегрированными электрооптическими приборами для измерения расстояния, как правило, на основе инфракрасного излучения , что позволяет измерять за один шаг полные трехмерные векторы - хотя и в определенных прибором полярных координатах , которые затем могут быть преобразованы в уже существующие координаты. система на территории с помощью достаточного количества контрольных точек. Этот метод называется решением обратной засечки или съемкой свободного местоположения станции и широко используется при картографической съемке.

Такие инструменты представляют собой «интеллектуальные» теодолиты, называемые саморегистрирующимися тахеометрами или, в просторечии, « тахеометры », и выполняют все необходимые вычисления углов и расстояний, а результаты или необработанные данные могут быть загружены на внешние процессоры, такие как защищенные ноутбуки , КПК или программируемые устройства. калькуляторы ^[22]

Гиротеодолиты

Gyrotheodolite используется , когда север-юг опорный подшипник меридиана требуется в отсутствие астрономических звездных достопримечательностей. Это происходит в основном в подземной горнодобывающей промышленности и при строительстве туннелей. Например, если водовод должен проходить под рекой, вертикальный вал на каждой стороне реки может быть соединен горизонтальным туннелем. Гиротеодолит можно использовать на поверхности, а затем снова у основания валов, чтобы определить направления, необходимые для туннелирования между основанием двух валов. В отличие от искусственного горизонта или инерциальной навигационной системы, гиротеодолит нельзя перемещать во время работы. Его необходимо перезапустить снова на каждом сайте.

Гиротеодолит состоит из обычного теодолита с приставкой, которая содержит гирокомпас , устройство, которое определяет вращение Земли для определения истинного севера и, таким образом, в сочетании с направлением силы тяжести, плоскости меридиана. Меридиан - это плоскость, которая содержит как ось вращения Земли, так и наблюдателя. Пересечение меридиональной плоскости с горизонталью определяет истинное направление север-юг, найденное таким образом. В отличие от магнитных компасов , гирокомпасы могут определять истинный север, направление поверхности к северному полюсу.

Гиротеодолит будет функционировать на экваторе, а также в северном и южном полушариях. На географических полюсах меридиан не определен. Гиротеодолит нельзя использовать на полюсах, где ось Земли точно перпендикулярна горизонтальной оси спиннера, на самом деле он обычно не используется в пределах примерно 15 градусов от полюса, где угол между вращением Земли и направлением силы тяжести слишком велик. маленький, чтобы он работал надежно. Если возможно, астрономические прицелы могут определять пеленг меридиана с точностью более чем в сто раз выше, чем у гиротеодолита. Там, где эта дополнительная точность не требуется, гиротеодолит может быстро получить результат без необходимости ночных наблюдений.

Смотрите также

Производители

использованная литература

внешняя ссылка

• СМИ, связанные с теодолитами на Викискладе?