Розділ 4. Електронні вимірювання кутів

Електронні теодоліти

 

Електронні вимірювання кутових величин реалізуються в електронних теодолітах і електронних тахеометрах.

Електронний теодоліт є пристроєм, в якому проводиться автоматичне прочитування кутових величин з перетворенням їх в електричні сигнали. Ця операція здійснюється за допомогою аналого-цифрових перетворювачів (АЦП). В електронних теодолітах застосовуються два основні вигляд АЦП, які відрізняються методом

Рис.4.1. Приклад кодованого круга в електронному теодоліті

отримання інформації про кут у вигляді електричних сигналів. Ці два методи отримали назву кодового і інкрементального; останній часто називають просто цифровими.

Кодовий метод. При цьому методі лімб, з якого прочитується кутова величина, є скляним диском, на якому нанесена система концентричних кодових доріжок, що складаються з окремих елементів типу «так – ні» (наприклад, прозорих і непрозорих ділянок), забезпечуюючих можливість створення сигналів 1 і 0 в двійковій системі при прочитуванні. Розташування цих елементів таке, що вони в певному коді зашифровують підлягаючу вимірюванню кутову величину, причому кожна доріжка звичайно відповідає певному розряду в значенні кутової величини, що виміряється. Кількість доріжок і послідовність розташування елементів в них залежать від вибраного коду і бажаної точності отримання кута. Як код можуть використовуватися різні числові коди – двійковий, двійково-десятковий, циклічний і ін. На рис.4.1 показаний вид кодованого круга в електронному теодоліті, що є складовою частиною одного з електронних тахеометрів фірми «Х’юлетт-Паккард» (США).

Кодовий метод є абсолютним методом, тобто таким, при якому значенню кутового напряму (певному кутовому положенню кодового диска) однозначно відповідає певний кодований вихідний сигнал. Для прочитування інформації з кодових дисків використовується, як правило, оптичний (фотоелектричний) спосіб: кодовий диск просвічується світловим пучком, який потім поступає на фотоприймальний пристрій, наприклад, на матрицю фотодіодів, що дозволяєотримати на виході різні комбінації електричних сигналів при зміні кутового положення кодового диска. Таким чином, кожна комбінація відповідає певному значенню кутового напряму; далі електричні сигнали поступають в логічні схеми обробки, що здійснюють декодування і відтворення величини, що виміряється, в цифровому вигляді на табло.

Інкрементальний метод. Він заснований на використовуванні штрихового растру – системи радіальних штрихів, що наносяться звичайно на зовнішньому краю лімба або алідади через однакові інтервали. Густина растру може бути дуже високою (до сотень штрихів на 1мм) що забезпечує високу точність вимірювань. Непрозорі штрихи і прозорі інтервали між ними (звичайно рівні товщині штрихів) утворюють послідовність елементів «так – ні», які в цьому випадку називають інкрементами (від англ. increment – нескінченно малий приріст). Кут повороту такого растрового круга може бути оцінений по кількості інкрементів, що пройшли через фіксовану точку. Прочитування проводиться також оптичним методом і кількість пройдених інкрементів виражається числом імпульсів світла, що поступили на фотоприймач. При цьому для забезпечення реверсивного рахунку імпульсів, тобто відліку з урахуванням напряму обертання круга, застосовуються два фотоприймачі (фотодіода), що сприймають імпульсні сигнали, зсунуті по фазі на 90^о. Цього може бути досягнуто або відповідним розміщенням фотодіодів щодо растру, або застосуванням двох однакових растрових послідовностей, зсунутих на 1/4 інкремента. Принципи зчитування кутів по горизонтальному і вертикальному кругах ідентичні.

Одним з можливих варіантів є використання відображуючого растра, в якому інтервали між штрихами не пропускають, а відбивають світло Принцип системи відрахування в цьому випадку, використаний, наприклад, у високоточних теодолітах Теомат і тахеометрах Тахимат швейцарської фірми «Вільд», ілюструється на рис.4.2.

Рис.4.2. Принцип прочитування при використанні відбивного растру

В реальних системах має місце не імпульсне, а приблизно синусоїдальна зміна інтенсивності світла на фотоприймачах при обертанні растрового круга, і імпульси формуються з одержуваних на виході фотоприймачів сигналів відомими електронними способами.

Інкрементальний метод є відносним методом, при якому визначаються тільки зміни кутового положення круга, тобто вимірюються кути, тоді як при кодовому методі вимірюються напрями, а кути обчислюються як різниці напрямів.

Як при кодовому, так і при інкрементальному методі для підвищення точності прочитування кутів застосовуються інтерполятори – системи, що містять декілька, розташованих певним чиномпо відношенню до кутового круга пар фотодіодів, сигнали від яких зсунуті по фазі на певну величину; ці сигнали обробляються спільно, що дозволяє отримати високий кутовий дозвіл.

Прикладом інтерполятора може служити система, зображена на рис.4.2; тут аналізатор, на якому також нанесені штрихи, грає роль дифракційних решіток, що дозволяють отримати в площині зображення 4 пучки і використати 4 фотоприймачі, розташовані таким чином, що вони при обертанні круга створюють чотири електричні сигнали, зсунуті по фазі щодо один одного на 90^о . За допомогою їх складання і віднімання утворюються ще 4 сигнали, і всі ці сигнали обробляються спільно.

В сучасних електронних теодолітах точність вимірювання кутів може бути дуже високою, досягаючи 0,5".

ПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ

 

1. Що таке цифровий метод?

2. Якими являються кодовий та інкрементальний методи?

3. Для чого використовується штриховий растр?

4. Де використовується зчитування кутів за допомогою оптичного проміння?

5. Що використовують в електронних теодолітах для підвищення точності?

6. Що може використовуватись в електронних тахеометрах?

7. Які величини являються вимірюваними?

8. Які з величин являються обчисленими?

9. Що таке електронний польовий журнал?

 

Електронні тахеометри

Електронним тахеометром називають прилад, що дозволяє виконувати як кутові, так і лінійні вимірювання з можливістю сумісної їх обробки. Електронний тахеометр є об'єднанням теодоліта, світловіддалеміра з напівпровідниковим випромінювачем і мікропроцесора або мікрокомп'ютера в єдину нероз'ємну або модульну конструкцію. Крім того, прилад, що володіє функціями електронного тахеометра, може бути отриманий при установці малогабаритного автоматизованого топографічного світловіддалеміра на оптичний або електронний теодоліт. Саме так конструювалися електронні тахеометри першого покоління. В цьому випадку реєстрація результатів кутових і лінійних вимірювань проводиться роздільно і для їх сумісної обробки необхідний зовнішній обчислювальний пристрій, який у вигляді окремого блоку може, наприклад, закріплятись на штативі теодоліта. В електронних же тахеометрах нероз'ємної конструкції обчислювальний пристрій вбудований в сам прилад, а клавіатура управління виведена на передню панель приладу.

Електронні тахеометри можуть бути розділений на два типи:

· електронні тахеометри з візуальним відліком кутів (позначимо їх ЕТ/В);

· електронні тахеометри з електронним відліком кутів (позначимо їх ЕТ/Е).

В ЕТ/В кутомірна частина тахеометра є оптичним теодолітом з шкаловим мікроскопом або оптичним мікрометром; в ньому відліки, що знімаються візуально вводяться в процесор ручним набором на клавіатурі. В ЕТ/Е кутомірна частина є електронним теодолітом з цифровою індикацією кутових величин на табло. Лінійні величини (результат віддалемірних вимірювань) виводяться в цифровому вигляді на табло в обох типах тахеометрів.

Тахеометри типу ЕТ/Е в зарубіжній літературі називають «універсальними станціями» (Total Station).

Автоматизація в електронних тахеометрах і узагальнена схема їх будови.

Функції управління, контролю і обчислення здійснюються за допомогою мікропроцесора. На табло можуть видаватися похила відстань, горизонтальне прокладання, перевищення, горизонтальні і вертикальні кути або зенітні відстані по команді з пульта управління процесора. В сучасних електронних тахеометрах використовуються мікрокомп'ютери, що є поєднанням мікропроцесора з пам'яттю і пристроями введення і виведення даних. В цьому випадку дані можуть не тільки видаватися на табло, але також реєструватися в пристрої, що запам'ятовує, і можуть бути виведені на зовнішній накопичувач або зразу ж обробляються відповідно до постійно закладених в пам'ять («зашитих») програм, дозволяючи безпосередньо в польових умовах одержувати координати пунктів і проводити інші спеціальні і контрольні обчислення, пов'язані з вирішенням різних геодезичних задач. Результати цих обчислень також можуть видаватися на табло, записуватися в пам'ять і можуть бути передані на зовнішній накопичувач інформації, що підключається до приладу. Узагальнена структурна схема таких електронних тахеометрів показана на рис.4.3.

Рис.4.3. Узагальнена структурна схема електронного тахеометра

В сучасних електронних тахеометрах табло індикаторного блоку є багатофункціональним цифровим дисплеєм на декілька рядків, на якому може відображатися різна додаткова інформація.

Зовнішній польовий накопичувач інформації, що підключається до приладу, який називають також пристроєм збору і реєстрації даних (останнім часом увійшов до побуту термін «електронний польовий журнал») є хранителем отриманої в полі інформації, яка може бути передана для подальшої обробки в камеральний обчислювальний центр. Таким чином, електронні тахеометри дають можливість створювати системи повністю автоматизованого картографування, ланками якої є: електронний тахеометр – стаціонарний комп'ютер – графічний пристрій.

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ:

 

1. Що являє собою електронний тахеометр?

2. Які існують типи електронних тахеометрів?

3. Що представляє собою кутомірна частина тахеометру?

4. Які функції виконує мікропроцесор?

5. Що являє собою сучасні елекронні тахеометри?

6. Які дії можна виконувати за допомогою елекронних тахеометрів?