В настоящее время имеется достаточное количество метрологических исследований системы (цифровой нивелир – штрих-кодовая рейка):
1. Влияние оседания штатива.
2. Определение зависимости СКО измерения превышения от длины плеч.
3. Исследование влияния освещенности на отсчеты по рейке.
4. Влияние вибрации на результаты нивелирования.
5. Влияние перепадов температуры окружающей среды на главное условие цифрового нивелира и др.
Существуют комплекты высокоточных цифровых нивелиров, которые укомплектованы нивелиром и инварными рейками (1; 1,7; 3 м). Данные комплекты пригодны для выполнения измерений при создании государственной высотной сети и проведении геодезического мониторинга в стандартных условиях [1].
Цель исследования:
1. Влияние горизонтального и вертикального отклонения штрих-кодовой рейки на точность отсчета.
2. Влияние диапазона видимости штрих-кодовой рейки в поле зрения трубы, цифрового нивелира Trimble Dini 0.3.
Материалы и методы исследования
В целях достижения указанной цели было проведено три опыта с использованием приборного нивелирного комплекта «Нивелир Trimble Dini 0.3 и штрих-кодовая рейка».
Опыт № 1. Исследование влияния горизонтального поворота штрих-кодовой рейки на точность взятия отсчета.
В инженерно-техническом нивелировании наиболее важным показателем является средняя квадратическая ошибка на станции [2]. В данном исследовании требовалось определить СКО на станции для различных углов поворота рейки, на различных расстояниях.
Прибор был установлен на бетонном жёстком основании, исключающем оседание штатива, так как перемещения штатива во время выполнения измерений проявляются в виде выпирания или оседания в зависимости от типа грунта [3].
Нивелир и штатив первоначально опускаются на минимально возможную высоту с таким расчётом, чтобы можно было измерить превышение, используя нижние части реек. После приведения нивелира в рабочее положение по рейке производится по 15–20 отсчётов, на основании которых вычисляется величина «ошибки взгляда», а также превышение для данного горизонта инструмента [4].
Рейка устанавливается на дюбель, имеющий сферическую форму. Дюбеля забиты в бетон. Рейка крепится к специальному удерживающему кронштейну.
Порядок исследования на станции.
1. Разбит базис в виде створа с шагом 5 м (рис. 1, а).
а)
б)
Рис. 1. а) базис-створ; б) схема расположения нивелира и кодовой рейки
2. Рядом с дюбелями створа отмечены углы поворота 0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70 градусов (рис. 1, б).
3. Устанавливаем нивелир над точкой А, на дюбель точки 1. Плоскость рейки устанавливается перпендикулярно визирной линии (i = 0 °) (линии створа).
4. При i = 0 берем одиночный отсчет h.
5. Рейка с дюбеля снимается.
6. Нивелир наводится на заново установленную рейку при i = 0 °.
7. Берем одиночный отсчет h.
8. Ориентировка прибора сбивается, рейка с башмака снимается.
9. Нивелир наводится на заново установленную рейку при i = 0 °.
10. Отсчеты h’, h‘’, h‘” записать в таблицу и найти из них среднее h ср °.
11. Выполняем действия пунктов 4–11 при i = 10 °.
12. Выполняются действия пунктов 4–11 при i = 20 °.
13. Действия, аналогичные п. 12–13, выполняются до отказа прибора «взять отсчет».
14. Рейка переставляется на следующую точку (точка 2).
15. Выполняются действия, аналогичные п. 3–14, для каждой последующей точки.
В данном исследовании проведены исследования на 7 станциях, максимальное расстояние от нивелира до рейки составило 40 метров.
Изначально было получено hср ° при линии визирования i = 0 °.
Далее вычислялись абсолютные погрешности при каждом измерении, но уже с отличным от нуля углом линии визирования.
?1 = h D – h ср0
'2 = h D – h ср0
"3 = h D' – h ср0
Далее по формуле (1) вычислялась средняя квадратическая ошибка на станции при различном повороте рейки к линии визирования.
. (1)
Результаты исследований нивелира Dini-03 и штрих-кодовой рейки по данной методике для расстояния 5 м приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты исследований нивелира Dini-03 и штрих-кодовой рейки
|
Угол i – азимут разворота рейки (в град.) |
h' h" h '" (м) |
h ср0 (при i = 0 )(м) |
Δ1 = h' – h ср0 Δ2 = h" – h ср0 Δ3 = h '" – h ср0 мм |
Δ2 |
|
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
|
|
0 |
h' |
1,43098 |
1,43095 |
|||
|
h " |
1,43090 |
|||||
|
h'" |
1,43097 |
|||||
|
10 |
h' |
1,43098 |
Δ1 |
0,03 |
0,001 |
0,02 |
|
h " |
1,43096 |
Δ2 |
0,01 |
0,000 |
||
|
h'" |
1,43095 |
Δ3 |
0,00 |
0,000 |
||
|
20 |
h' |
1,43097 |
Δ1 |
0,02 |
0,000 |
0,02 |
|
h " |
1,43095 |
Δ2 |
0,00 |
0,000 |
||
|
h'" |
1,43098 |
Δ3 |
0,03 |
0,001 |
||
|
30 |
h' |
1,43097 |
Δ1 |
0,02 |
0,000 |
0,02 |
|
h " |
1,43097 |
Δ2 |
0,02 |
0,000 |
||
|
h'" |
1,43096 |
Δ3 |
0,01 |
0,000 |
||
|
40 |
h' |
1,43096 |
Δ1 |
0,01 |
0,000 |
0,01 |
|
h " |
1,43096 |
Δ2 |
0,01 |
0,000 |
||
|
h'" |
1,43095 |
Δ3 |
0,00 |
0,000 |
||
|
50 |
h' |
1,43099 |
Δ1 |
0,04 |
0,002 |
0,03 |
|
h " |
1,43096 |
Δ2 |
0,01 |
0,000 |
||
|
h'" |
1,43093 |
Δ3 |
-0,02 |
0,000 |
||
|
60 |
h' |
1,43094 |
Δ1 |
-0,01 |
0,000 |
0,01 |
|
h " |
1,43095 |
Δ2 |
0,00 |
0,000 |
||
|
h'" |
1,43094 |
Δ3 |
-0,01 |
0,000 |
||
|
70 |
h' |
1,43098 |
Δ1 |
0,03 |
0,001 |
0,02 |
|
h " |
1,43096 |
Δ2 |
0,01 |
0,000 |
||
|
h'" |
1,43096 |
Δ3 |
0,01 |
0,000 |
||
|
80 |
h' |
1,43094 |
Δ1 |
-0,01 |
0,000 |
0,01 |
|
h " |
1,43095 |
Δ2 |
0,00 |
0,000 |
||
|
h'" |
1,43094 |
Δ3 |
-0,01 |
0,000 |
||
Также хотелось сказать, что при каждом новом перемещении рейки проверялось изменение угла i нивелира.
В табл. 2 и на рис. 2 показаны конечные результаты СКО на станции при расстояниях 5–40 м.
Рис. 2. График СКО на станции
Таблица 2
Конечные результаты СКО на станции при расстояниях 5–40 м
|
Расстояние до рейки |
|||||||
|
Угол i-азим. рейки (гр.) |
5 м |
10 м |
15 м |
20 м |
25 м |
30 м |
40 м |
|
100 |
0.02 |
0.03 |
0.02 |
0.03 |
0.04 |
0.01 |
0.06 |
|
200 |
0.02 |
0.04 |
0.04 |
0.02 |
0.04 |
0.07 |
0.02 |
|
300 |
0.02 |
0.06 |
0.03 |
0.02 |
0.01 |
0.02 |
0.03 |
|
400 |
0.01 |
0.02 |
0.02 |
0.01 |
0.02 |
0.02 |
0.06 |
|
500 |
0.03 |
0.04 |
0.04 |
0.01 |
0.02 |
0.01 |
0.04 |
|
600 |
0.01 |
0.03 |
0.03 |
0.03 |
0.01 |
0.04 |
0.07 |
|
700 |
0.02 |
0.04 |
0.04 |
0.03 |
0.02 |
0.05 |
0.04 |
|
800 |
0.01 |
0.03 |
0.04 |
0.03 |
0.00 |
0.02 |
0.02 |
Результаты исследования и их обсуждение
1. СКО измерения нивелиром Dini-03 не превышает 0,07 мм (рис. 2).
2. Угол поворота рейки влияет на СКО на станции. Максимальные значения ошибки были получены на расстояниях 30 и 40 метров до рейки.
3. Значения СКО на станции соответствуют по точности программам нивелирования I и II классов точности по ГОСТ 24846–81 [5].
1.2 Исследование влияния вертикального угла наклона штрих-кодовой рейки на точность взятия отсчета.
В данном исследовании предлагается рассмотреть влияние вертикального поворота штрих-кодовой рейки на точность взятия отсчета. Определить, при каком угле наклона рейки измерение на рейку становится невозможным, а также определить, как меняется значение отсчета на станции при различных углах наклона рейки и расстояние до рейки.
Исследования проводились на ровной поверхности, покрытой бетоном. Перед началом измерений цифровой нивелир Dini-03 был вынесен из теплого помещения на улицу и установлен на штативе. Спустя 10–15 минут цифровой нивелир принимал температуру окружающего воздуха, после чего начинались производиться измерения [6]. Для установки рейки и выверки ее в вертикальное и нужное эксперименту положение, при выполнении измерений применяли отвес и угломерный строительный электронный транспортир, а также специальные подпорки.
Дан детальный порядок исследования на станции.
1. Разбит базис-створ с шагом (1.5 м – 20 м) (рис. 3, а).
а)
б)
Рис. 3 а) базис-створ; б) схема наблюдения
2. Устанавливаем нивелир над точкой А, на дюбель точки 1, рейка устанавливается перпендикулярно визирной линии (i = 0 °).
3. При i = 0 визируются на центр рейки и берут одиночный отсчет h и D.
4. Далее постепенно наклоняем рейку на 1 градус (рис. 3. б) в сторону наблюдателя, берем отсчет.
5. При каждом взятии отсчета фиксируется превышение и расстояние до штрих-кодовой рейки.
6. Действия, аналогичные п. 2–5, выполняются до отказа прибора «взять отсчет».
7. Выполняем действия пунктов 2–6 для расстояний (нивелир – штрих-кодовая рейка) 3.5–20 м. Действия также выполняются до отказа прибора «взять отсчет».
В данном исследовании выполнены наблюдения на рейку на 10 станциях, на расстоянии до 20 м.
На каждом пункте брались три измерения и вычислялось среднее значение как превышений, так и расстояний. Результаты измерений при расстоянии 1.5 м представлены в табл. 3. Значение отсчета в таблице в мм.
Таблица 3
Результаты измерений при расстоянии 1.5 м
|
Угол наклона, |
Отсчёт, |
Отсчёт (средн.), |
Расстояние D, |
|
|
град. |
мм |
мм |
мм |
|
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
0 |
63 |
746 |
746 |
1492 |
|
746 |
1492 |
|||
|
747 |
1492 |
|||
|
1 |
63 |
739 |
739 |
1491 |
|
740 |
1491 |
|||
|
738 |
1491 |
|||
|
2 |
63 |
729 |
729 |
1490 |
|
731 |
||||
|
728 |
||||
|
3 |
63 |
720 |
715 |
1489 |
|
715 |
||||
|
710 |
||||
|
4 |
63 |
697 |
697 |
1487 |
|
697 |
||||
|
697 |
||||
|
5 |
63 |
685 |
685 |
1485 |
|
685 |
||||
|
685 |
||||
|
6 |
63 |
673 |
674 |
1483 |
|
674 |
||||
|
674 |
||||
|
7 |
63 |
661 |
661 |
1480 |
|
661 |
||||
|
661 |
||||
|
8 |
63 |
643 |
644 |
1477 |
|
642 |
||||
|
646 |
||||
|
9 |
63 |
631 |
623 |
1473 |
|
619 |
||||
|
620 |
||||
|
10 |
63 |
605 |
601 |
1468 |
|
600 |
||||
|
599 |
||||
|
11 |
63 |
588 |
592 |
1464 |
|
593 |
||||
|
595 |
||||
|
Окончание табл. 3 |
||||
|
1 |
2 |
3 |
4 |
|
|
12 |
63 |
579 |
572 |
1458 |
|
566 |
||||
|
572 |
||||
|
13 |
63 |
559 |
561 |
1453 |
|
560 |
||||
|
563 |
||||
|
14 |
63 |
548 |
545 |
1447 |
|
545 |
||||
|
543 |
||||
|
15 |
63 |
527 |
530 |
1441 |
|
527 |
||||
|
536 |
||||
|
16 |
63 |
508 |
504 |
1433 |
|
501 |
||||
|
504 |
||||
|
17 |
63 |
491 |
494 |
1427 |
|
500 |
||||
|
490 |
||||
|
18 |
63 |
480 |
486 |
1419 |
|
489 |
||||
|
489 |
||||
|
19 |
63 |
477 |
474 |
1411 |
|
476 |
||||
|
469 |
||||
|
20 |
63 |
454 |
448 |
1402 |
|
446 |
||||
|
445 |
||||
|
21 |
63 |
412 |
408 |
1393 |
|
411 |
||||
|
400 |
||||
Рис. 4. Учет значений последних трех цифр в отсчете в мм
Рис. 5. Учет значений последних трех цифр в отсчете после запятой
На рис. 4 и 5 показаны результаты исследования при различных углах наклона штрих-кодовой рейки, а также зависимость изменения расстояний от наклона рейки.
Увеличение вертикального угла наклона рейки более существенно сказывается на отсчетах при близком положении рейки.
При угле наклона более 10 градусов и расстоянии более 6 метров от нивелира до рейки отсчеты не берутся, это, видимо, связано с тем, что штриховой код, записанный в память прибора, сравнивается с формируемым с помощью ПЗС–приемника сигналом. В данном случае сигнал из ПЗС-приемника очень искажен. Оптимизируются два параметра, а именно, высота и масштаб. Изменяется масштаб изображения штрихов кода как функция расстояния прибор–рейка.
Нивелир Dini-03 брал отсчет при угле наклона рейки в 21 градус и среднем расстоянии 9.3 метра.
Исследование диапазона видимости рейки в зависимости от расстояния до рейки, цифрового нивелира Dini-03
В данном исследовании предлагается исследовать диапазон использования рейки при взятии отсчета. Определить, какой диапазон рейки неприемлем для взятия отсчета. В руководстве пользователя [7] рекомендуется длина видимого участка 30 см. Данное исследование поможет нам при дальнейшем исследовании деформационных кодовых марок, а именно, выбор подходящей длины данной марки. Исследования проводились на ровной поверхности. Рейка устанавливалась на металлические дюбеля со сферической головкой, вбитые в бетонный пол на различном расстоянии от нивелира.
Разбит базис с шагом 1 м, куда устанавливалась рейка. На рейке брался минимальный диапазон видимости (рейка закрывалась двумя листами формата А4).
1. Мы разбили базис-створ с шагом 1 м на примере рис. 1.
2. Установлен нивелир над точкой А, на дюбель точка 1. Рейка устанавливается перпендикулярно визирной линии (i = 0 °).
3. При i = 0 визируем на центр рейки, закрываем плоскость рейки двумя листами, постепенно уменьшаем расстояние между ними до момента, когда прибор не может взять отсчет.
4. Далее выполняем те же действия, передвигая рейку дальше от нивелира.
Результаты исследования показаны в табл. 4.
Таблица 4
Результаты исследования
|
Расстояние в м |
Диапазон видимости рейки в см |
|
1 |
- |
|
2 |
12 |
|
3 |
12 |
|
4 |
14 |
|
5 |
18 |
|
6 |
22 |
|
7 |
22 |
|
8 |
22 |
|
9 |
22 |
|
10 |
22 |
|
11 |
24 |
|
12 |
24 |
|
13 |
24 |
|
14 |
24 |
|
15 |
24 |
|
16 |
24 |
|
17 |
24 |
|
18 |
24 |
|
19 |
24 |
|
20 |
24 |
|
21 |
24 |
|
22 |
24 |
|
23 |
24 |
|
24 |
24 |
|
25 |
24 |
Выводы
По результатам исследования можно сделать вывод, что минимально видимый диапазон штрих-кодовой рейки цифрового нивелира Dini-03 равен 12 см.
Однако наиболее предпочтительным является диапазон не менее 24 см.
Также были проведены исследования по части выбора наиболее благоприятного участка штрих-кодовой рейки, однако разницы именно в части уменьшения видимости диапазона замечено не было.