методы и приборы
высокоточных геодезических
измерений
в строительстве
Под общей редакцией
проф. В. Д. БОЛЬШАКОВА
Москва <Недра» 1976
УДК 528.02 (021)
Методы it приборы высокоточных
геодезических измерений в строитель-
стве. Под ред. В. Д. Большакова.
М., ♦Недра», 1976, 335 с. Авт.:
В. Д. Большаков, И. Ю. Васютинский,
Е. Б. Илюшин и др.
Книга содержит описание методов
и приборов, применяемых при строи-
тельстве н монтаже крупных инженер-
ных и научных уникальных сооруже-
ний, для обеспечения нормальной ра-
боты которых требуется высокая точ-
ность сопряжения технологических эле-
ментов п стабильность смонтированного
оборудования и строительных конструк-
ции. Освещены вопросы теории и прак-
тики применения дифракционного спо-
соба створных измерений, гидростати-
ческого нивелирования с дистанцнон-
пым съемом информации, закрепления
пунктов опорных сетей; указаны пер-
спективы расширения области приме-
нения лазерной техники и возможности
автоматизации отдельных видов изме-
рений; рассмотрены вопросы контроль-
ных наблюдений за положением техно-
логического оборудования в процессе
эксплуатации.
Книга представляет практический
интерес для широкого круга специали-
стов в области высокоточных инже-
нерно-геодезических работ, а также
для студентов, изучающих прикладную
геодезию.
Табл. 32, пл. 131, список лит. —
130 назв.
Авторы:	В. Д. Большаков,
И. Ю. Васютинский, Е. Б. Илюшин,
Н. Н. Лебедев, В. Е. Новак, М, Е. Пи-
скунов, Г. Е. Рязанцев, X. К. Ямбаев.
20701-151
М 043(01)—76 100 76
© Издательство «Недра», 1976
Предисловие
Строительство современных гидротехни-
ческих сооружений, высотных зданий, те-
левизионных башен, радиотелескопов, тру-
бопроводов и ряда других сооружений
требует значительного повышения точ-
ности геодезических работ. Точность ин-
женерно-геодезических измерений воз-
росла на порядок и имеет тенденцию к
дальнейшему повышению. Во многих
случаях разница между строительными
и машиностроительными допусками сти-
рается.
Особенно высокая точность геодези-
ческих измерений требуется для совре-
менных ускорителей заряженных частиц,
представляющих собой крупные инженер-
ные сооружения со сложным оборудова-
нием и аппаратурой. Для работы ускори-
теля с жесткой фокусировкой пучка
ускоряемых частиц в номинальном режиме
необходимо установить и сохранить взаим-
ное положение магнитных блоков и другого
физического оборудования, сопряженно
монтируемого на расстоянии в несколько
десятков, а иногда и сотен метров с точ-
ностью от 0,05 до 0,30 мм. Аналогич-
ные точности требуются при монтаже от-
дельных отражающих элементов крупных
радиотелескопов. В связи с этим перед ин-
женерно-геодезической практикой возник
ряд задач, в решении которых принимают
участие большие коллективы геодезистов
различных организаций.
Авторы рассматривают вопросы, кото-
рые недостаточно отражены в литературе.
Новизна, сложность и многогранность
вопросов, рассматриваемых в данной ра-
боте , обусловил и некоторые трудности
в изложении и компоновке материала.
Материал книги распределен между
авторами следующим образом:
предисловие, введение и главу I напи-
сали В. Д. Большаков и В. Е. Новак;
1*
4	Преднсловне
главу II — Н. Н. Лебедев (§ 4, 7, 8), Г. Е. Рязанцев (§ 5),
В. Е. Новак (§ 6), Е. Б. Илюшин (§ 9);
главу III — И. Ю. Васютинский и Е. Б. Илюшин (§ 10 и 11),
Г. Е. Рязанцев (§ 12), В. Д. Большаков и Е. Б. Клюшии (§ 13);
главу IV — Н. Н. Лебедев;
главу V — В. Д. Большаков;
главу VI — М. Е. Пискунов (§ 18); И. Ю. Васютинский (§19);
главу VII — X. И. Ямбаев;
главу VIII — В. Е. Новак (§ 25), Г. Е. Рязанцев (§ 26);
главу IX — И. Ю. Васютинский;
главу X — Г. Е. Рязанцев.
Введение
Индустриализация строительного производства, увеличение
габаритов сооружений и размеров строительных конструкций,
введение в строй производственных автоматических линий и мно-
гие другие инженерные решения требуют резкого увеличения
точности инженерно-геодезических работ. Кроме того, современ-
ное развитие ряда областей науки и народного хозяйства вызывает
необходимость создания различных уникальных объектов, нор-
мальная работа которых возможна лишь при соблюдении высокой
точности сопряжения отдельных строительных и технологических
элементов при высокой стабильности их положения во времени.
К указанным сооружениям относятся:
1)	телевизионные и другие башни высотой в несколько сот
метров;
2)	конвейеры шлифовки и полировки листового стекла, раз-
меры которых достигают 200 м и более, а разность отметок конце-
вых блоков не должна выходить за пределы 0,25 мм; сопряже-
ние смежных блоков в плане должно обеспечиваться с точностью,
не выходящей за пределы 0,3 мм;
3)	радиоантенные комплексы и крупные радиотелескопы, пред-
назначенные для слежения за космическими объектами; размеры
современных антенных измерительных систем и радиотелескопов
достигают десятков и даже сотен метров, а монтаж их технологи-
ческих элементов необходимо выполнять с точностью до десятых
долей миллиметра;
4)	крупные реакторы, монтаж которых осуществляется с ошиб-
кой порядка 0,3 мм.
В связи со строительством линейных и кольцевых ускорителей
с жесткой фокусировкой пучка заряженных частиц требуется особо
высокая точность строительно-монтажных работ и стабильность
основных строительных и технологических элементов на период
их эксплуатации. Так, например, для успешного монтажа и на-
ладки таких уникальных сооружений, как Серпуховский синхро-
фазотрон и Ереванский синхротрон, потребовалось выполнить
большинство измерений с относительной ошибкой 1-10’в. Такая
высокая точность измерений позволила установить многотонные,
крупногабаритные магнитные блоки кольцевых электромагнитов
этих ускорителей со средней квадратической ошибкой 0,1 мм.
С такой же точностью было смонтировано физическое оборудова-
ние линейных ускорителей и прямолинейных трасс транспорти-
ровки пучков, входящих в комплекс этих сооружений.
Для того чтобы достигнуть такой высокой точности измерений,
потребовались серьезные научно-исследовательские и опытно-
6
Введение
конструкторские разработки. Созданы конструкции специальных
геодезических знаков повышенной устойчивости, реперные
устройства для изучения горизонтальных и вертикальных микро-
смещений отдельных слоев горных пород и фундаментов, стенные
шкаловые марки для наблюдений осадок и деформаций строи-
тельных конструкций. Разработаны принципиальные положения
о построении специальных опорных плановых и высотных се-
тей, методы их уравнивания и оценки точности. Введен метод
испытания схем опорных сетей методом математического модели-
рования. Решены вопросы анализа точности определения поло-
жения пунктов сети в зависимости от ее геометрии. Разработала
методика линейных измерений при помощи подвесных приборов,
мерных жезлов и шаблонов, во многих случаях оказавшихся
весьма удобными и целесообразными, способствовавшими уве-
личению точности измерений и повышению производительности
труда.
При измерении длин линий инварными проволоками разра-
ботаны бесштативные и стационарные блочные станки, стеклян-
ные и инварные шкалы с ценой деления 0,2 мм и другие приспосо-
бления, способствующие повышению точности измерений и росту
производительности работ. Проведены значительные работы по
высокоточному измерению линий косвенными методами и оптп-
ко-электропнымн приборами.
В области угловых измерений проведена большая работа по
уточнению методов определения углов; впервые рассмотрена
возможность использования при этом муарового эффекта.
Проделаны значительные работы по повышению точности
геометрического и гидростатического нивелирования для инже-
нерных целей. Созданы гидростатические приборы, обеспечива-
ющие дистанционный съем информации о высотном положении
точек, значительно удаленных одна от другой. Детально ис-
следованы источники ошибок при гидростатическом нивелирова-
нии. Созданы различные конструкции микронивелиров.
Для установки оборудования по прямой липни разработаны
новые и значительно усовершенствованы известные способы створ-
ных работ, что способствовало применению в практике высоко-
точных измерений струнных, струнно-оптических и оптических
методов п приборов. Нашли применение методы и приборы ди-
фракционного способа створных измерений и способы с исполь-
зованием оптических квантовых генераторов (ОКГ). Как показала
практика, лазерные способы створения весьма перспективны,
так как обеспечивают высокую точность измерений и производи-
тельность работ. Кроме того, они позволяют автоматизировать
отдельные измерительные операции.
В настоящее время большое внимание уделяется созданию
центрировочных приборов для перенесения координат на раз-
Введение
7
личные горизонты. Созданы методы и приборы высокоточного
механического, оптико-механического и оптического проектиро-
вания.
Кроме того, систематизированы и обобщены методы и приборы,
используемые как при непосредственной сборке отдельных тех-
нологических элементов, так п при монтаже п эксплуатационном
контроле оборудования крупных технологических комплексов.
В книге рассмотрены также приборы машиностроительной
измерительной техники и их применение при высокоточных
инженерно-геодезических работах. Специфика эксплуатации та-
ких объектов атомной техники, как ускорители заряженных ча-
стиц, требует высокой организации и проведения контрольных
и юстировочных геодезических измерений. Эти требования вы-
званы тем, что при работе ускорителя возникает радиация, опасная
для здоровья человека. Даже при контрольных измерениях (ис-
полнительных съемках) на отдельном участке сооружения по-
является необходимость выключения всей установки, что, не-
сомненно, не только резко удорожает стоимость исполнительных
съемок, но и снижает эффективность использования ускорителя.
Поэтому основная задача геодезических работ при эксплуатации
ускорителей — создание оперативных методов измерений при
кратковременных остановках ускорителя, а также приборов,
предназначенных для измерения с дистанционной передачей ин-
формации на стрелочные или цифропечатающие приборы, а в от-
дельных случаях — непосредственно на ЭВМ для определения
необходимых параметров фактического положения оборудования.
В связи с этим в книге рассматриваются вопросы автоматизации
высокоточных геодезических измерений и перспективы дальней-
шего ее развития.
В нашей стране постоянно осуществляется строительство
крупных научных центров, различных промышленных и ис-
следовательских сооружений, монтаж которых требует высокой
точности геодезических измерений. Так, например, в настоящее
время в СССР выполняются проектные разработки кольцевых
ускорителей, радиусы которых исчисляются километрами. По-
добные разработки ведутся и за рубежом. Например, ускори-
тель па 200/400 ГэВ, проектируемый Национальной ускоритель-
ной лабораторией США, состоит из трех ступеней: протонного
линейного ускорителя на 200 МэВ длиной около 150 м, бустер-
ного синхротрона на энергию 10 ГэВ с радиусом орбиты 75 м
и основного синхротрона с радиусом орбиты 1000 м. Частицы
высокой энергии выводятся в одной точке кольца. Длина
выводного тракта составляет 3 км; вдоль всего пути частиц рас-
полагаются поворотные магниты, направляющие пучок частиц
на мишенные станции, предназначенные для экспериментальных
исследований [66]. Кибернетический ускоритель, проектируемый
b
Введение
и СССР на 1000 ГэВ [75], также состоит из трех ступеней и кана-
лов вывода пучков, но при этом радиус его основного кольца ра-
вен 2080 м, а радиус промежуточного кольцевого ускорителя
(бустера) — 170 м. Требуемая точность сопряжения основных
элементов указанных ускорителей лежит в диапазоне 0,05 -г
4- 0,20 мм.
Для решения новых задач в области радиоастрономии и радио-
локационной астрономии в настоящее время проектируются широ-
кодиапазонные радиотелескопы с весьма большими площадями
и высокой разрешающей силой для слежения за источником из-
лучения и для работы на прием и передачу. Размеры таких про-
ектируемых радиотелескопов выражены километрами [73]. При
этом сборка отражающих элементов радиотелескопов должна
выполняться с относительной ошибкой 1-10"6.
В связи со строительством грандиозных сооружений геодезисты
должны не только обеспечивать высокую точность монтажа, но
максимально увеличивать оперативность геодезических измере-
ний с тем, чтобы не задерживать строительные п монтажно-нала-
дочные работы. Это необходимо и в процессе эксплуатации объекта.
Глава I
Общие сведения о некоторых
современных прецизионных
сооружениях
§ 1.	Краткая инженерно-строительная
характеристика ускорителей
В развитии физики высоких энергий за последнее десятилетие
весьма отчетливо проявляется тенденция к росту максимально
достижимых энергий и к увеличению интенсивности пучков уско-
ренных частиц. Это не только усложняет и увеличивает размеры
ускорителей, но и обусловливает новые требования к различным
инженерным паукам, в том числе и к прикладной геодезии.
По форме траектории частиц большие ускорители делятся на
линейные и циклические. В линейных ускорителях траектория
частиц близка к прямой линии; в циклических ускорителях траек-
тория имеет форму, близкую к развертывающейся спирали (цик-
лотроны, синхроциклотроны) или к замкнутой кругообразной
кривой (кольцевые ускорители). По роду ускоряемых частиц ус-
корители делятся на электронные, протонные и многозарядно-
ионные.
В крупных ускорителях за время ускорения частицы делают
миого оборотов, совершая путь в сотни тысяч километров. Пройти
такой путь они могут лишь в том случае, если нет каких-либо
возмущающих явлений, например, абсолютного вакуума в ка-
мере ускорителя, неоднородности материалов, из которых сделаны
электромагниты, неточности в их сборке, деформации основания,
фундаментов и т. п.
Колебания частиц, движущихся в идеальном магнитном поле,
не вызывающем никаких возмущений, при строго постоянном
спаде магнитного поля, называют свободными или бета-
тронными колебаниями. Частицы, амплитуды колебаний
которых равны нулю и движение совпадает с перемещением точки
равновесия, называются равновесными.
Для удержания частиц на расчетных орбитах в существующих
ускорителях применяется принцип слабой и сильной (жесткой)
фокусировки. В ускорителях со слабой фокусировкой частиц
10
Общие сведения о современных прецизионных сооружениях
с увеличением радиуса Н орбиты фокусирующие силы очень быстро
уменьшаются, и амплитуда бетатронных колебаний растет про-
порционально длине радиуса. В результате для предотвращения
потерь частиц в процессе ускорения необходимо увеличивать
размеры вакуумной камеры. При этом масса электромагнита растет
также пропорционально длине радиуса Я.
В ускорителях с жесткой фокусировкой каждый блок магнита
сильно фокусирует частицы только в одной плоскости. При атом,
если одни блок фокусирует частицы в горизонтальной плоскости,
то следующий блок фокусирует их в вертикальной плоскости. В та-
ких ускорителях поперечные размеры пучка к концу ускорения
составляют несколько миллиметров. Реализация принципа жест-
кой фокусировки позволяет резко уменьшить массу магнита. Так,
например, Серпуховский ускоритель с энергией в 70 ГэВ имеет
магнит массой 20 000 т, в то время как масса магнита на уско-
рителе со слабой фокусировкой с энергией 10 ГэВ в г. Дубне
равна 36 000 т [19]. Однако при уменьшении массы магнита умень-
шаются размеры вакуумной камеры, что способствует резкому
ловышепию точности сборки, так как в этом случае даже малые
отклонепия в положении отдельных блоков магнита от проектиого
могут вызвать оседание частиц на стенках камеры.
Протонные ускорители на большие энергии представляют
собой единственное в своем роде сочетание монументальности
и прецизионности [75]. Это высказывание акад. А. Л. Минца
полностью относится и к электронным ускорителям. В качестве
типичных примеров приведем основиые инженерно-строительные
характеристики протонного ускорителя на 70 ГэВ (г. Серпухов)
и электронного ускорителя на 6 ГэВ (г. Ереван).
Оба ускорителя состоят из линейного ускорителя, кольцевого
электромагнита и экспериментального комплекса. Инжектор про-
тонного ускорителя размещен в здании шириной 11,4 м, высотой
8,5 м и длиной 88 м. Фундаменты представляют собой бетонные
основания, не связанпые с фундаментом здания и расположенные
в скальных породах вдоль ускорителя с шагом 6 м. На фундамент-
ных основаниях покоятся стальные балки коробчатого сечения
длиной 6 м. На балках располагается технологическое оборудова-
ние инжектора.
Инжектор примыкает к кольцевому залу, в котором размещен
электромагнит. Кольцевой зал расположен в тоннеле, имеющем
средний радиус 236 м. В поперечном сечении тоннель прямоуголь-
ный, высота внутри 13 м, ширина 11,5 м. На уровне верха фунда-
мента магнитов находится перекрытие, ииже которого проходят
все виды коммуникаций. Здание оборудовано несколькими мосто-
выми кранами грузоподъемностью 50 т каждый. Фундаменты
выполнены в виде отдельных железобетонных опор и соединены
между собой металлическими мостовыми балками размером в пла-
Общие сведения о современных прецизионных сооружениях
И
не 10,5 X 2,2 м, установлен-
ными на регулировочные уст-
ройства. На каждой мостовой
балке располагается блок эле-
ктромагнита массой 200 т. Маг-
нит состоит из 120 блоков.
Длина каждого блока 10,5 м,
длина орбиты ускорителя
1483,64 м. При помощи специ-
ального оборудования осуще-
ствляется вывод пучков в экспе-
риментальный зал и галерею.
Размеры экспериментального
зала: ширина 90 м, длина 156 м,
высота 21 м; размеры галереи
в плане 360 х 24 м. На рис.
1,ви б соответственно пред-
ставлены схема ускорителя и
поперечный разрез кольцевого
тоннеля, где 1 — геодезиче-
ские знаки опорной сети; 2 —
галерея; 3 — трасса пучка;
4 — инжектор; 5 — магнитный
кольцевой зал; 6 — экспери-
ментальный зал; 7 — блок
кольцевого электромагнита;.
3 — подорбптный геодезический Р*1С- Схема Серпуховского уско-
’	ригеля и поперечный разрез коль-
„	цевого тоннеля
В основании ускорителя
лежат известняки Средне-
Русской платформы. Известняки средней крепости, блочного
строения, неравноцеппы по своим несущим свойствам на раз-
ных участках основания: наряду со слабо трещиноватыми,
горизонтально залегающими имеются сильно трещиноватые, рас-
карстованные известняки с наклонным залеганием пластов
(5—15 градусов).
По результатам испытания штампами модуль деформации
известняков при нагрузке до 3 кг/см2 меняется от 700 до 5000 кг/см2
в зависимости от их трещиноватости, закарстованностп, состава
п свойств заполнителя трещин. Расчетное давление на известняки
около 10 кг/см2. Трещины в известняках в основном (54%) имеют
ширину 2 см. Трещины, как правило, заполнены щебеннсто-глп-
нистым материалом. Ниже рабочего слоя известняков расположен
метровый слой более сжимаемого пласта мергелей. Из-за наклона
пластов известняка при установке фундаментов в местах поднятия
пластов срезали известняк до проектных отметок, в результате
12
Общие сведения о современных прецизионных сооружениях
чего в этих местах существенно уменьшилась мощность известняка
над пластом мергелей (с 3,5 до 0,5 м). Переменная величина мощ-
ности известняка над пластом мергелей, трещиноватость и наклон
пластов, как показали специальные исследования, являются
причинами возникновения осадок фундаментов.
Подземные воды на площадке ускорителя являются водами
основного водоносного горизонта, меженный уровень которого-
залегает на 8 м ниже подошвы фундаментов. За счет подъема
уровня реки в период паводка создается подпор основного водо-
носного горизонта водами реки, высота которого достигает 3—
4 м. Этот подпор вызывает подъем уровня основного водоносного
горизонта на 2—3 м. Изменения уровня грунтовых вод и термиче-
ского режима горных пород являются причинами ощутимых
(до 1,5 мм) деформаций основания ускорителя.
Ереванский синхротрон на 6 ГэВ — один из крупнейших
в мире электронных ускорителей [31]. Он имеет более «скромные*
размеры, чем ускоритель в Серпухове. Радиус кольцевого зала
34,5 м; инжектор размещен в специальном здании. В отличие
от Серпуховского ускорителя блоки кольцевого электромагнита
не имеют мостовых балок, а установлены каждый на отдельном
железобетонном фундаменте. Всего блоков 48 по 16 т каждый.
Отдельный блок имеет микрометренные регулировочные устрой-
ства. Длина кольцевой орбиты 216 м. Гамма-пучки и пучки элек-
тронов выводятся в экспериментальный зал, имеющий размеры
в плане 40 х 28 м. Физическое оборудование экспериментального-
зала размещено не только на полу, но и на поворотных платфор-
мах, что значительно усложняет его геодезическое обслуживание.
Максимальная длина пучков 75 м.
Основанием Ереванского ускорителя служат базальты брек-
чиевидиого потока. Во многих местах базальты сильно выветрены.
Трещины в нем в основном вертикальные, заполнены суглинками
и супесями, известными под названием белоземов. Несколько ниже
трещины заполнены карбонатным материалом. Рабочий слой
базальтов в некоторых местах имеет прослои так называемых ба-
зальтовых шлаков, мощность которых достигает 2—5 м.
Характерны для данного района низкая влажность пород
и отсутствие грунтовых вод до глубины примерно 90 м. В некото-
рых местах в основании сооружения были обнаружены пустоты.
Поэтому для его укрепления была произведена цементация пу-
стот. Как показали исследования, осадки фундаментов были
незначительны и быстро затухли. Остались периодические де-
формации основания (до 0,3—0,4 мм) за счет изменения его тем-
пературного режима.
Ереванский ускоритель, как и Серпуховский, имеет онтико-ме-
ханический компаратор типа компаратора МИИГАиК.
Общие сведения о современных прецизионных сооружениях
13
§ 2.	Конструктивно-технологические
особенности и требования к точности
сборки основных элементов
современных ускорителей
Физическое оборудование как протонных, так и электронных
ускорителей необходимо устанавливать либо по прямой, либо
но окружности, но и в том и в другом случае оборудование должно
находиться в одной плоскости.
Рассмотрим требования к точности сборки оборудования ли-
нейных ускорителей. В протонных линейных ускорителях заря-
женные частицы ускоряются и фокусируются в специальных
устройствах, называемых трубками дрейфа; размещаются они в ва-
куумных резонаторах. Трубки и резонаторы герметично закрыты
форвакуумным кожухом. Трубки дрейфа опорными штангами
закрепляются на металлических балках, устанавливаемых на
железобетонных фундаментах. Кожух и резонаторы опираются
на эти же фундаменты. Все три элемента имеют юстировочные при-
способления для установки оборудования в проектное положение.
Наиболее значительный из действующих протонных линейных
ускорителей — инжектор И-100 на энергию 100 МэВ Серпухов-
ского ускорителя.
Длина линейного ускорителя 85 м. В резонаторах его разме-
щаются 160 полных трубок дрейфа и 6 полутрубок. Длина трубок
дрейфа колеблется от 60 до 620 мм. Диаметр ускоряющего канала
также изменяется от 260 до 100 мм.
Требования к точности сборки перечисленного оборудования
инжектора И-100 характеризуются величинами, приведенными
в табл. 1.
В электронных линейных ускорителях заряженные час-
тицы ускоряются в специальных ускорительных секциях,
Таблица 1
Оборудование	Допуски на положение в мм	
	в алане	по высоте
Вакуумный кожух		2	2
Резонатор 		1,5	1.5
Опорная балка	 Трубки дрейфа:	1.5	1.5
поперек створа		0,05	* 0,05
вдоль створа 		0,05-г-0,300	—-
li Общие сведения о современных прецизионных сооружениях
Таблица 2
Оборудование	Допуски на положение п мм		
	вдоль створа	поперек створа	по высоте
Ускорительные секции: а) взаимное положение		10	0.2	0,1
б) отклонение от прямолинейности . . .	—	0.4	—
Крайние секции бункера 		—	—	0,3
Линзы и магниты 		10	0.2	0,2
устанавливаемых на металлических рамах, закрепленных на спе-
циальных подставках или кронштейнах. Подставки устанавли-
ваются на бетонную армированную плиту.
Наиболее значительный из действующих отечественных элек-
тронных линейных ускорителей — ускоритель Физико-техниче-
ского института АН СССР (г. Харьков) на энергию частиц 2 ГэВ
1521.
Длина этого ускорителя без трассы вывода пучка на мишени
составляет 250 м. По всей длине установлено 50 ускорительных
секций. Длина каждой секции 4,7 м. Наружный диаметр с учетом
кожуха — 40 см. Поток ускоряемых частиц движется по каналу
диаметром 20 “ 40 мм. Для транспортировки пучка по трассе
канала устаиавливают различные поворотные магниты и линзы.
Требования к точности сборки и контролю положения указанных
элементов ускорителя приведены в табл. 2.
Как пример кольцевых ускорителей с жесткой фокусировкой
рассмотрим структуру кольцевого электромагнита Серпуховского
ускорителя. Этот электромагнит состоит из 120 фокусирующих
и дефокусирующих блоков, разделенных промежутками, в кото-
рых расположены ускоряющие секции, элементы системы ввода
н вывода частиц, аппаратура системы наблюдения за пучком
и другие устройства.
Электромагнит имеет периодическую структуру (рис. 2), раз-
битую на 12 суперпериодов, по 10 блоков в каждом (6 нормальных
и 4 укороченных). В каждом блоке 5 пакетов массой по 40 т,
набранных нз листов кремнистой стали толщиной 2 мм. Пакеты
каждого блока охвачены общей обмоткой. Между нолюсами элек-
тромагнита смонтирована вакуумная камера овального сечения
со Степками толщиной 0,4 мм, изготовленная из нержавеющей
стали. Камера состоит из секций, длина которых равна длине
соответствующего магнитного блока. Для увеличения жесткости
камера гофрируется по всей длине.
Общие сведения о современных прецизионных сооружениях 15
Сопряженная работа всех магнитных блоков может быть обес-
печена лишь при определенных условиях, когда отклонение фак-
тической равновесной орбиты от идеальной не превосходит по-
перечных размеров рабочей области магнитного поля. Отклонения
основного технологического оборудования от расчетного положе-
ния — это причины возмущений, искажающих траекторию дви-
жения частиц или приводящих к резонансной раскачке амплитуд
бетатронных колебаний. В отдельных случаях даже малые возму-
щения при условии появления резонанса могут нарушить устой-
чивое движение частиц. Для нормальной работы ускорителя нужно
ограничить отклонения заданных параметров до таких значений,
при которых движение заряженных частиц происходит внутри
допускаемой области пространства в течение всего цикла ускоре-
ния. В этом случае обеспечивается минимальная потеря частиц
пучка на стенках вакуумной камеры.
В табл. 3 приведены требования к точности установки магнит-
ных блоков в проектное положение для наиболее крупных кольце-
вых ускорителей мира.
Таблица 3
Ускоритель	Требования к взаимному положению в мм			Радиус ускори- теля в м
	по ра- диусу	по высоте	по ази- муту	
Серпуховский (СССР)	 Брукхейнвенской национальной ла-	0,2	0,2	3.0	236
боратории (США)	 Европейского исследовательского	0,1	0.1	—	128
центра CERN (Швейцария) . . .	0.25	0,25			100
Гамбургский (ФРГ)		0,1	0,1			50
ИТЭФ (СССР)		0,15	0,2	1.8	40
Ереванский (СССР)		0,2	0,2	0.5	34
Кембриджский (США)		0,5	0,15	1.5	36
16
Общие сведения о современных прецизионных сооружениях
Из табл. 2—3 следует, что для современных ускорителей тре-
буется высокая точность геодезических работ как при монтаже,
так и при наблюдении за стабильностью основных технологиче-
ских и строительных элементов.
Дальнейшее развитие техники, ведущее к созданию гигант-
ских ускорителей на сверхвысокие энергия — в 1000 ГэВ и более,
повысит требования к точности геодезических работ при монтаже
и эксплуатации ускорителей.
§ 3.	Конструктивно-технологические
особенности и требования к точности
сборки отражающих элементов
радиотелескопов
В настоящее время строятся радиотелескопы с большой пло-
щадью антенны. Это позволяет обеспечить высокую чувствитель-
ность, необходимую для приема радиоизлучения слабых источни-
ков. Высокая разрешающая способность позволяет точно опре-
делить координаты источника, его размер и распределение
яркости. Слежение антенны за источником дает возможность увели-
чить чувствительность приемника за счет увеличения времени
накопления сигнала, а при радиолокационных наблюдениях
позволяет получать информацию непрерывно. Чем шире диапазон
волн радиотелескопа, тем больше задач может быть решено.
Наиболее благоприятен для радиоастрономических и радио-
локационных наблюдений диапазон дециметровых и сантиметро-
вых волн. Наличие высокочувствительных приемников, низкий
уровень фона радиоизлучения Галактики и малое поглощение
в тропосфере создают благоприятные условия для наблюдения
•слабых источников [94]. Антенны большой площади позволяют
ставить задачи радиолокации Луны и других планет. Указанным
требованиям удовлетворяют радиотелескопы типа рефлектора,
как, например, известные рефлекторные радиотелескопы австра-
лийский и американский, имеющие соответственно диаметр 65
и 92 м, с массой чаши 300 и 550 т. Увеличение площади рефлектора
ограничивается точностью поверхности, которая может быть до-
стигнута. Отклонение формы рефлектора от требуемой ведет к рас-
сеянию волн, вследствие чего понижается коэффициент исполь-
зования площади рефлектора и расширяется его диаграмма на-
правленности. Потери в эффективной площади рефлектора быстро
растут в зависимости от отношения величины случайной ошибки
поверхности е к длине волны X. Относительная точность отража-
ющей поверхности симметричного параболического рефлектора,
Общие сведения о современных прецизионных сооружениях
17
т. е. отношение е к диаметру, у лучших из построенных радиоте-
лескопов этого типа приближается к величине 1— 2*10"\ Такая
высокая точность достигнута в 15-метровом радиотелескопе мор-
ской исследовательской лаборатории в Вашингтоне. Большой
радиотелескоп в Джодрелл-Бэнк диаметром 76 м имеет относи-
тельную точность порядка 10"’. Только в одном из существу-
ющих — 22-метровом радиотелескопе ФИАНа достигнута отно-
сительная точность около 5-Ю-5. Относительная точность огра-
ничивается не только точностью изготовления, но и деформаци-
ями, обусловленными массой конструкции, ветром, неоднородным
нагревом, и поэтому для радиотелескопов данного типа едва лп
может быть значительно улучшена. Наибольший из радиотелеско-
пов с рефлектором в форме параболоида вращения имеет диаметр
180 м (США). Площадь этого радиотелескопа порядка 25 000 м1
и близка к предельной для радиотелескопов этого типа
[111].
Дальнейший существенный прогресс в направлении увеличе-
ния площади антенн л их разрешающей способности возможен
только при условии применения новых принципов. С. 3. Хай кин
и Н. Л. Кайдановский предложили принцип, заключающийся
в том, что отражатель расчленяется на большое число отдельных,
механически ие связанных между собой отражающих элементов,
которые устанавливаются так, что они вместе воспроизводят
нужную форму отражающей поверхности. Тогда с увеличением
размеров отражателя за счет увеличения числа отражающих эле-
ментов возрастают требования к относительной точности не каж-
дого отдельного элемента, а лишь их взаимного расположения.
Эту задачу решают геодезическими методами. Сборку отражающих
элементов необходимо выполнять с относительной ошибкой
1-10"в. В Пулковской обсерватории построен радиотелескоп
на таком принципе [111]. Его отражающая поверхность состоит
из 90 одинаковых по конструкции плоских отражающих элемен-
тов (щитов). Каждый щит выполнен в виде прямоугольной литой
чугунной рамы размером 3 х 1,5 м; на раме при помощи винтов
крепится тонкий алюминиевый лист, служащий отражающей по-
верхностью. Каждый щит установлен на специальном механизме,
обеспечивающем возможность его поступательного перемещения
и поворотов вокруг двух осей. Механизмы закреплены на железо-
бетонной эстакаде, установленной на бетонных фундаментах.
Эстакада возвышается па 3 м над уровнем земли и расположена
вдоль дуги окружности радиусом 100 м. Длина эстакады около
140 м. Щиты расположены симметрично относительно истинного
меридиана, проходящего через цептр дуги. На горизонтальной
площадке, на которой установлена эстакада антенны, вдоль мс-
ридиапа расположена бетонная дорожка длиной около 50 м, по
которой перемещается облучатель. Дорожка начинается недалеко
1 4,'<7
18
Общие сведения о современных прецизионных сооружениях
от центра антенны. Облучатель представляет собой параболиче-
ский цилиндр, ось которого горизонтальна; он выполнен в виде
жесткой металлической конструкции, установленной на подвиж-
ной платформе. Подвижная платформа позволяет устанавливать
параболический цилиндр в фокусе отражателя переменного про-
филя. Горизонтальная ось облучателя находится на уровне сере-
дины щитов. Установка облучателя производится вручную. Для
измерения угла наклона щита на нем установлен угломер с уров-
нем. Таким путем можно установить антенну с любым наклоном
от 0 до 80°. Азимут наблюдения может изменяться в пределах
±40° от направления на юг.
В настоящее время сооружается радиотелескоп Академии
наук («РАТАН-600») [112], который также относится к радиотеле-
скопам рефлекторного типа, имеющим в качестве главного зер-
кала антенну переменного профиля. Отражающая поверхность
главного зеркала (кругового отражателя) радиотелескопа
«РАТАН-600» формируется из отражающих поверхностей отдель-
ных элементов радиотелескопа (секций кругового отражателя),
расположенных по окружности со средним радиусом 288 м.
Отражающая поверхность каждого элемента представляет собой
прямоугольную вырезку размером 7,4 х 2,0 м из кругового
цилиндра радиусом 360 м и обращена к центру окружности,
па которой расположены секции кругового отражателя. Щели
между отражающими поверхностями соседних элементов — по-
рядка 40 мм. Формирование отражающей поверхности главного
зеркала осуществляется путем перемещения отражающих эле-
ментов по радиусу, поворота их по азимуту и наклона по углу
места.
Таким образом, круговой отражатель радиотелескопа «РА-
ТАН-600» представляет собой почти замкнутое кольцеобразное
сооружение (имеется лишь один разрыв шириной в 10 и для въезда
на площадку радиотелескопа).
Принцип антенны переменного профиля широко используется.
В настоящее время создаются и разрабатываются радиотелескопы,
длина окружности которых определяется километрами [110].
При этом относительная ошибка геодезических измерений для
их монтажа и эксплуатации не должна быть ниже
Глава II
Геодезическая основа сооружений
§ 4.	Принципиальные положения
построения опорных геодезических сетей
Для установки отдельных элементов технологического обору-
дования, размещенных на больших по размеру площадях и свя-
занных единым технологическим процессом работы всей уста-
новки в целом, строят сети геодезического обоснования.
Назначение опорных геодезических сетей заключается в том,
чтобы на всей территории строительных или монтажных работ
получить необходимое количество опорных точек, математически
увязанных между собой в единой системе координат или высот
с требуемой точностью, которые должны дать возможность осу-
ществлять одновременную установку в проектное положение
отдельных элементов технологического оборудования или блоков,
расположенных в разных частях монтируемой установки и зна-
чительно удаленных друг от друга.
Основной принцип построенйя как плановых, так и высотных
геодезических сетей — обеспечение заданной точности установки
в проектное положение элементов оборудования и отдельных бло-
ков машины с учетом режима работы всей монтируемой установки
в целом.
Характерная особенность построения опорных геодезических
сетей для строительства и монтажа уникальных сооружений в том,
что ошибка определения положения пункта опорной сети в слабом
месте построения не всегда является решающим параметром для
расчета точности угловых и линейных измерений. В кольцевых
ускорителях точность установки магнитов в радиальном напра-
влении — решающий фактор, обеспечивающий нормальный ре-
жим ускоряющего процесса, в то время как смещения блоков
от проектного положения в направлениях, перпендикулярных
к радиусам, имеют меньшее значение.
В линейных ускорителях на нормальную работу в основном
влияют поперечные сдвиги магнитов, тогда как продольные сме-
щения от проектного положения имеют незначительное влияние.
При наблюдениях за смещениями строительных элементов высо-
конапорных плотин измеренпя в перпендикулярном к оси пло-
тины направлении имеют большее значение, чем п продольном
направлении.
2*
20
Геодезическая основа сооруженнй
Указанные обстоятельства следует учитывать при составлении
проектов опорных геодезических сетей. Это вызывает необходи-
мость применения особых принципов и подходов в оценке проектов
опорных геодезических сетей и к расчетам требуемой точности
измерений.
Если опорные геодезические сети строят для крупномасштаб-
ных съемок, то выполнение требований общеобязательных
инструкций в отношении плотности пунктов, разрядности их по-
строений, длин сторон триангуляций и трилатераций, длин поли-
гонометрических и теодолитных ходов, а также соблюдение точ-
ностных характеристик и допусков при измерениях углов и линий
обеспечивает требуемую точность построения геодезического обо-
снования в целом.
Планово-высотная геодезическая основа сооружения, как пра-
вило, предназначается для двух основных целей: для установки
в проектное положение строительных и технологических элемен-
тов сооружения и для исполнительных съемок положения обору-
дования и наблюдения за смещениями и деформациями сооруже-
ния в период его эксплуатации.
В зависимости от периода: строительного, строительно-мон-
тажного, пусконаладочного и периода эксплуатации геодезическая
основа может меняться как по форме построения, типу закрепле-
ния пунктов, так и по точности и, следовательно, по методам
и способам выполнения геодезических работ. Чем ближе пусковой
период, тем выше требования к точности определения координат
пунктов геодезической основы и их долговременной стабильности.
В строительный и строительно-монтажный периоды относительно
геодезической основы производятся различные разбивочные ра-
боты, например основных строительно-монтажных осей сооруже-
ния и пунктов основной опорной геодезической сети на период
эксплуатации. В эти периоды геодезическая основа сооружения
может закрепляться временными знаками.
В период эксплуатации относительно опорной геодезической
сети производятся работы по замене ремонтируемого технологи-
ческого оборудования и по наблюдению за стабильностью относи-
тельного положения технологических элементов. От геометриче-
ской формы опорной геодезической сети и ее способа закрепления
зависят объем измерительных операций и периодичность повтор-
ных измерений. Положение пунктов планово-высотной опорной
геодезической сети в основном обусловливается компоновкой
строительных и технологических элементов сооружения. Для
создания наивыгоднейших условий прохождения визирных лучей
выделяют специальные зоны видимости для геодезических изме-
рений, которые намечаются в период проектирования сооружения.
Вот почему в настоящее время проектирование планово-высотных
опорных геодезических сетей начинается до строительства и идет
Геодезическая основа сооружений
21
совместно с проектированием всего комплекса сооружения. Это
позволяет заблаговременно предусмотреть капитальные затраты
на строительство и монтаж геодезической опорной сетп, обеспе-
чить проектной документацией основные узлы и элементы сети
и увязать размещение пунктов сетп с общим строительным ком-
плексом сооружения.
При проектировании опорной геодезической сети сооружения
важно предусмотреть, чтобы:
1.	Конструкция знаков, точность определения координат и
оперативность измерений обеспечивали решение всего комплекса
геодезических задач, возникающих на данном сооружении.
2.	Пункты опорной сетп сохраняли значения координат в те-
чение значительного промежутка времени.
3.	Места расположения пунктов опорной сети были удобными
для геодезических измерений п располагались как можно ближе
к устанавливаемому оборудованию и предотвращали необходи-
мость последующих дополнительных построений. Пункты опор-
ной сети целесообразно располагать симметрично относительно
устанавливаемых технологических элементов сооружения. Это
позволяет разбить геодезические измерения на ряд идентичных
операций, значительно сократить и унифицировать нестандартное
измерительное оборудование в увеличить производительность
труда.
4.	Стоимость создания опорной геодезической сети не была
высокой.
5.	Схема построения сети была выбрана так, чтобы минимум
времени затрачивалось на математическую обработку измерений.
Выполнение перечисленных требований зависит от выбора
формы сети, методики измерений, инженерно-геологических усло-
вий закладки и конструкции знаков, от конструкции фундамен-
тов, габаритов сооружения и компоновки оборудования.
При составлении проектов специальных сетей геодезического
обоснования встает задача выбора наиболее рациональных мето-
дов н технических средств для выполнения угловых и линейных
измерений. Решающее значение для обеспечения заданной точ-
ности — учет внешних условий. Важно также обеспечить соот-
ветствие точности угловых и линейных измерений. При построе-
нии специальных сетей геодезического обоснования вредное влия-
ние оказывают температурные факторы, вызывающие боковую
рефракцию, которую трудно предотвратить, когда визирный луч
проходит в среде с быстропеременными температурными полями
прп наличии существенных боковых к направлению оптического
луча температурных градиентов. Учитывая это, при составлении
проектов специального геодезического обоснования и последующих
разбивочных работах следует по возможности отказываться от
измерения углов оптическими угломерными инструментами.
22
Геодезическая основа сооружений
Особенно опасна боковая рефракция при построении специаль-
ных сетей геодезического обоснования при строительстве уникаль-
ных сооружений» расположенных около водных пространств. Как
днем, так и ночью температура воздуха иад водной поверхностью
резко отличается от температуры воздуха прибрежных террито-
рий. Поэтому непрерывно появляются боковые температурные
градиенты» которые сильно искривляют оптические лучи, напра-
вленные вдоль границы водного пространства с сушей.
Для предотвращения влияния боковой рефракции при построе-
нии специальных опорных сетей следует применять трилатера-
цию. Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков,
которые ограничивают возможность его применения.
Существенные недостатки трилатерации:
1.	Слабая информация о качестве выполняемых работ. Так.
измеренные три стороны в отдельно взятом треугольнике являются
бесконтрольными, тогда как при измерении всех трех углов в тре-
угольнике возникает условие фигур. В геодезическом четырех-
угольнике при триангуляционном методе возникают четыре усло-
вия, а при измерении всех сторон в геодезическом четырехуголь-
нике, включая п диагонали, появляется только одно условие.
2.	Микроклимат района строительства с часто переменнымп
полями не позволяет с требуемой точностью определять среднее
значение показателя преломления вдоль пути светового луча,
что может вызвать значительные ошибки в измерении сторон
светодальномерамп.
Такое же положение проявляется при измерении длин линий
светодальпомером через водные пространства. Разница температур
воздуха в прибрежной зоне и над водной поверхностью может
достигать значительных размеров.
3.	Значения углов в треугольниках, полученные по измерен-
ным сторонам, являются разноточными, что может вызывать не-
желательные искажения при разбивочных работах.
Учитывая изложенное, в некоторых случаях следует приме-
нять линейно-угловой метод построения специальных опорных
геодезических сетей, при котором наряду с измерением всех
углов измеряют все или часть линий.
Как правило, на современных сооружениях, в зависимости от
их формы, опорные планово-высотные геодезические сети строят
в виде прямолинейных створов, радиально-кольцевых и кольце-
вых систем. Хотя плановые и высотные сети, как правило, проек-
тируют отдельно и закрепляют знаками разной конструкции,
схемы размещения пунктов в общих чертах повторяются и опре-
деляются в основном формой сооружения.
Перед осуществлением в натуре проекты сетей геодезического
обоснования должны быть оценены в отношении ожидаемой точ-
ности получения координат пунктов. В наиболее ответственных
Геодезическая основа сооружений
23
t л у ч аях рекомендуется производить испытание геометрических
свойств запроектированных построений методом математического
моделирования.
§ 5. Основные схемы построения
планово-высотных опорных сетей
сооружения
1. Геодезические опорные сети вытянутой формы
Вытянутые сети создаются обычно для сооружений линейного
типа; они могут представлять собой самостоятельные сооружения
(например, линейный ускоритель в Харькове длиной 250 м, на-
правляющие шлифовальных линий в г. Гусь-Хрустальный) и со-
оружения, органически входящие в более сложный комплекс
(например, инжекторы синхротронов и синхрофазотронов, вывод-
ные гамма-пучки и пучки элементарных частиц). При создании
вытянутых сетей в линейных сооружениях второго рода должно
соблюдаться условие сопряжения с кольцевыми сетями магнитных
залов. Во всех сооружениях линейного типа точность расположе-
ния технологического оборудования в поперечном направлении
(?ппоп — 0»02 4- 0,5 мм) обычно во много раз превышает точ-
ность в продольном направлении — 0,5 4- 10 мм). Выбор
конструкции знаков, а также схема построения вытянутых сетей
во многом зависит не только от точности измерений, но и от разме-
ров линейного сооружения. Так, к сооружениям длиной 50 и
500 м нередко предъявляют одинаковые требования к точности
расположения технологического оборудования в поперечном на-
правлении. Рассмотрим некоторые схемы создания вытянутых
геодезических опорных сетей на примере отечественных и зарубеж-
ных линейных ускорителей.
1.	Линейный ускоритель Ереванского
синхротрона. Это сооружение небольших размеров (—35м)
схема построения сети достаточно простая и представляет собой
две базовые линии или два створа (основной и смещенный), рас-
положенных на расстоянии 270 мм. Смещенный створ закреплен
планово-высотными знаками в полу. С основного створа произво-
дят первоначальную установку технологического оборудования
по его геометрическим осям; со смещенного створа — все контроль-
ные измерения в процессе эксплуатации ускорителя. Расстоя-
ние между двумя створами контролируют жезлом и выбирают
не только с учетом сквозного визирования и точности, но и
радиационной безопасности. Обычно здесь возникают два
24
Геодезическая основа сооружений
Рис. 3. Расположение оборудования
п знаков геодезических опорных се-
тей инжектора Серпуховского син-
хрофазотрона
противоречивых фактора: чем
дальше один створ от другого,
тем меиьше точность контроль-
ных измерений, но безопаснее
работа и наоборот.
Планово-высотное положе-
ние знаков и технологическое
оборудование Ереванского уско-
рителя измеряют при помощи
оптического створения высоко-
точными створными приборами
ППС-11, зрительной трубы
«Цейсс — Иена» или «Тейлор —
Гобсон» и геометрического ни-
велирования с применением
нивелира «Koni 007».
2.	Инжектор Сер-
пуховского ускори-
теля И-100. Для установки
технологического оборудования
инжектора длиной 100 м и по-
следующего контроля его по-
ложения создана опорная гео-
дезическая сеть, расположен-
ная на двух горизонтах с отмет-
ками —3,65 (рис. 3) и —1,41 м
на базовой линии, параллель-
ной оси инжектора и смещен-
ной от нее в сторону кольцевого
ускорителя на 450 мм. Знаки
геодезической сети 4 (5 штук) на
отметке —3,65 м служат для
связи опорных геодезических се-
тей кольцевого ускорителя и инжектора, для наблюдений за ста-
бильностью фундаментных опор Зи впаков 1 на балках 2. Конструк-
тивно знаки представляют собой металлическую трубу, закреплен-
ную в теле фундаментной опоры 5, с расположенной на ней в верх-
ней части головкой геодезического знака и посадочной втулкой
диаметром 25,4 мм. Посадочная втулка может перемещаться в двух
взаимно перпендикулярных направлениях в пределах ±5 мм;
она имеет клиновидное приспособление для выведения оси втулки
в вертикальное положение. Знаки геодезической сети па отм.
—1,41 м в количестве 30 штук расположены па балках и служат
для установки их в проектное положение. Эти знаки оформ-
лены аналогично конструкции верха знаков на отметке
—3,65 м.
Геодезическая основа сооружений
25
Рис. 4. Поперечный разрез геодезического канала галереи
Таким образом, основная наилучшим образом закрепленная
и, следовательно, более стабильная сеть расположена в теле фун-
дамента ускорителя. Для обслуживания основной геодезической
сети предусмотрен геодезический коридор. Створные измерения
по опорной сети инжектора на отметке —3,65 м производят в ос-
новном струнно-оптическим н дифракционным способами, а на
отметке —1,41 м — оптическим способом. Установка инжектора
по высоте и наблюдения за стабильностью технологического
оборудования н строительных конструкций осуществляются от-
носительно высотных реперов.
3.	Галерея научно-экспериментальной
базы Серпуховского ускорителя. Геодезиче-
ская опорная плановая сеть галереи [91] состоит из 28 знаков
и представляет собой опорный геодезический створ (ОГС) длиной
336 м, от которого через 24 м отходят поперечные каналы. В них
стационарно установлены специальные длинномеры для переноса
координат створа методом перпендикуляров в район установки
оборудования. Основное назначение опорного геодезического
створа — построение прямой линии длиной 336 м с отклонениями
не более 0,15 мм. Опорный геодезический створ представляет
собой два ряда геодезических знаков, расположенных один от
другого на расстоянии 1,1 м, образующих основной и вспомога-
тельный створы (рис. 4). Основной створ закреплен постоянными
знаками типа деформационного I, представляющими собой две
концентрически расположенные трубы — внешнюю (обсадную)
и внутреннюю. Внутренняя труба, хранящая координаты, забето-
нирована в коренные скальные породы на глубину 30 м. Она имеет
координатную марку. На верхнем фланце обсадной трубы устана-
вливают головку геодезического знака. Центрирование втулки
головки над координатной маркой знака осуществляется опти-
26
Геодезическая основа сооружений
чески. Геодезический знак 2 вспомогательного створа имеет съемную
верхнюю часть, легко разбираемую, и состоит из одной обсад-
ной трубы, на фланце которой крепится головка геодезического
знака. Створные измерения как на основном, так и на вспомога-
тельном створах производятся оптическим или струнным спосо-
бом. применяется также лазерное створение. Контрольная связь
двух створов осуществляется при помощи инварного жезла. Та-
ким образом, схема опорной геодезической сети имеет избыточные
связи и позволяет проводить уравнивание измеренных уклонений
от створов.
Опорный геодезический створ отделен от технологического
оборудования блоками защиты 3\ непосредственной видимости
нет. Поперечные геодезические каналы (ПГК) проходят под бло-
ками защиты перпендикулярно к опорному геодезическому створу,
что позволяет перенести базовую прямую ОГС в любой канал
галереи. Использование длинномеров в виде инварной проволоки
с цилиндрическими шкалами дает возможность не только устано-
вить оборудование 5 на проектное расстояние от ОГС, но и изме-
рить при необходимости смещения оси канала в период эксплуа-
тации и вновь установить оборудование с заданной точностью.
Поперечный геодезический канал представляет собой штрабу
размером 200 х 300 мм в несущей плите галереи и заканчивается
колодцем, в котором устанавливаются переносный геознак 4
и устройство для натяжения длинномера 6. В помещении галереи
предусмотрено 15 таких ПГК на расстоянии 24 м один от другого.
По оси каждого из них через 3 м установлены регулируемые опоры,
на которых покоится длинномер 6. Вдоль каждого ПГК на расстоя-
нии 250 н 500 мм от его оси на одном уровне с полом забетониро-
ван швеллер для установки над длинномером переносных геоде-
зических знаков.
Нулевой штрих длинномера устанавливают под центром гео-
дезического знака основного створа, промежуточные штрихи фик-
сируют положение монтажных створов.
Установку штрихов промежуточных подвижных цилиндриче-
ских шкал 7 на расчетные расстояния производят на стационарном
оптико-механическом компараторе. Для этого заранее вычисляют
расстояние от базовой прямой ОГС до монтажных створов, учи-
тывая ширину каналов, расположение монтажного створа и га-
бариты оборудования на данном участке канала транспортировки
пучков. При компарировании и производственных измерениях
используют одни и те же натяжные устройства. Организация
монтажного створа заключается в установке переносных геозна-
ков 4 над штрихами цилиндрических шкалок при помощи оптиче-
ского центрировочного прибора. Оборудование размещается вдоль
оптической оси каналов внутри каждого прямолинейного участка
линейными промерами компарированпой стальной рулеткой.
Геодезическая основа сооружений
27
Высотная опорная сеть галереи состоит из стенных реперов,
расположенных на несущих арочных колоннах, и биметаллических
глубинных реперов, расположенных равномерно по всей длине
галереи.
4.	Стенфордский линейный ускоритель
(США). Линейный ускоритель длиной 3050 м состоит из 273 трубча-
тых элементов, каждый из которых установлен на несущей балке
в виде алюминиевой трубы диаметром 600 мм. При юстировке
опоры несущей балки передвигаются вертикальными и боковыми
винтовыми домкратами.
По техническим требованиям оборудование ускорителя должно
располагаться на прямой при допустимом от нее отклонении
в плане п по высоте не более 0,5 мм; контроль положения элемен-
тов ускорителя должен осуществляться дистанционно; способ
контроля должен быть оперативным, чтобы для проверки поло-
жения оборудования не требовалось длительных остановок ус-
корителя. В основу установки и контроля был положен лазерный
метод створения.
Цели установлены в алюминиевой трубе, являющейся несущей
балкой для камеры ускорителя. Установочными целями служат
плоские зонные пластины с прямоугольными зонами Френеля.
Для исключения влияния рефракции у одного из концов ускори-
теля была помещена насосная станция, которая за 16 ч создает
вакуум до 0,01 мм рт. ст. в трубе, где проходит световой луч.
Рассмотренная методика установки оборудования Стенфорд-
ского линейного ускорителя позволила решить эту задачу с тре-
буемой точностью и является примером дистанционного контроля
стабильности оборудования ускорителя при его эксплуатации.
2. Геодезические опорные сети
радиально-кольцевой и кольцевой формы
Опорная геодезическая основа в виде радиально-кольцевых
и кольцевых сетей строится для разбивки кривых, соответству-
ющих расположению технологического оборудования сооруже-
ний круговой формы. Вид сети — геометрическая форма ее по-
строения — для подобных сооружений в основном определяется
точностными требованиями к взаимному положению отдельных
элементов технологического оборудования, размерами сооруже-
ния и тем, где возводится сооружение: под землей или на поверх-
ности. Для ускорителей заряженных частиц важно соблюдение
взаимного положения технологических элементов по радиусу.
К радиотелескопам и антеннам переменного профиля предъявля-
ются также требования к азимутальному положению технологи-
ческого оборудования.
28
Геодезическая основа сооружений
В практике геодезического обеспечения крупных сооружений
в основном встречаются радиально-кольцевые сетп следующих
типов:
1)	центральная система, в которой положение каждого пункта
опорной геодезической сети определяется радиальными проме-
рами из центра. Такая сеть не требует дальнейшего сгущения.
Центральные системы нашли распространение в сооружениях
больших размеров, расположенных на поверхности, и в малых
подземных сооружениях;
2)	центральная радиально-кольцевая система, где положение
пунктов опорной геодезической сетп определяется в два этапа:
измерениями из центрального пункта до пунктов, расположенных
по кольцу сооружения; дальнейшим сгущением при помощи
хордовых или диагональных построений или полигонометрических
ходов по периметру сооружения;
3)	кольцевая система в виде полигонометрического хода по
периметру сооружения.
Из исследования различных схем построения таких сетей уста-
новлено, что увеличение числа дополнительно измеренных сторон
(диагоналей) в сети не приводит в результате уравнивания к су-
щественному уточнению радиальных сторон, в направлении ко-
торых требуется установить блоки ускорителя с наибольшей точ-
ностью [71].
Наличие диагональных направлений увеличивает вес опреде-
ления длины малой стороны радиально-кольцевой сети хордового
направления после уравнивания на 30—48%, и размер ожидаемой
средней квадратической ошибки получается меньше ошибки не-
посредственного измерения на 12—18%.
Последние два типа радиально-кольцевых сетей встречаются
в подземных сооружениях как наиболее экономичные, так как
в них или сокращены, или отсутствуют радиальные измерения,
требующие для осуществления проходки специальных тоннелей,
которые значительно удорожают строительство. Целесообразно,
чтобы в таких сетях было минимальное количество тоннелей
и пунктов опорной сети. Наименьшее число пунктов опорной
основы (для центральной системы — наименьшее число непо-
средственно измеряемых радиусов) зависит от размеров соору-
жения, ширины тоннеля или кольца, от величины наименьшего
расстояния визирного луча Д от стен сооружения и определяется
экспериментальной формулой
7V — 71	4~ А)
m|n “ У(2Я—Ь)(6—2Д)*
где л — 3,14; R — внутренний радиус тоннеля или кольца; b —
ширина тоннеля или кольца; Д — величина смещения геодезиче-
Геодезическая основа сооружений
29
ского знака от внешней стены, равная величине наименьшего
расстояния визирного луча от габаритов сооружения.
Для радиальной сети в виде центральной системы количество
измеряемых радиусов п зависит также от точности определения
радиуса окружности mRi радиальных промеров Количество
измеряемых радиусов
4m®
п =——
mR
(1)
Формула (1) получена на основании изучения зависимости
между вероятнейшим радиусом Яеер н измеряемыми радиусами
для радиальной кольцевой сети, пункты которой симметрично
расположены по окружности через угол а =	[100].
В кольцевых ускорителях наибольшее распространение полу-
чили кольцевые схемы построения опорных сетей. Известно, что
на точность положения пунктов по радиусу при построении коль-
цевых сетей больше влияют ошибки угловых измерений, чем ошиб-
ки линейных измерений. Точность угловых измерений в кольце-
вых сетях повышается за счет применения косвенных методов,
результаты которых значительно меньше зависят от внешней
среды. К этим методам относится применение в схемах построения
вытянутых треугольников, в которых непосредственно измерены
высоты, опущенные из вершины тупого угла на длинную сторону,
и малые стороны [25].
Если в вытянутом треугольнике измерить стороны и дополни-
тельно высоту, то по результатам линейных измерений можно
определить значения острых углов с довольно высокой точностью,
которая будет в основном зависеть от точности измерения высоты
треугольника [59].
Как показали исследования, значения углов по измеренным
с определенной точностью высоте и сторонам треугольника опре-
деляются тем точнее, чем меньше высота. Поэтому следует стре-
миться к тому, чтобы сеть была построена из хорошо вытянутых
треугольников.
В основе расчета точности монтажа и сборки кольцевых элек-
тромагнитов ускорителей лежит теория резонансов [7]. Так, для
нормальной работы Серпуховского электромагнита ставится усло-
вие, чтобы «суммарное комплексное влияние ошибок геодезиче-
ских работ на амплитуду десятой гармоники рядов Фурье было
порядка 20—25 мк». Анализ показывает, что оно выполняется
при соблюдении очень высокого требования к среднему квадрати-
ческому разбросу взаимного положения блоков, равному 0,2 мм,
и не очень высокого требования к взаимному радиальному
положению двух диаметрально противоположных блоков. Так,
30
Геодезическая основа сооружений
для уникальных по точности современных сооружений, например
Серпуховского и Ереванского ускорителей, этот допуск огра-
ничен величинами 5 и 1,5 мм при радиусах сооружений соответ-
ственно 236 и 35,5 м.
От точности положения пунктов опорной сети зависит точность
положения электромагнитов по кольцу. Соблюдение допуска
на взаимное положение магнитов не исключает возможность опас-
ных искажений орбиты частиц, но делает такие отклонения мало-
вероятными.
Сети радиально-кольцевой формы. Ра-
диально-кольцевые сети создаются на относительно небольших
кольцевых ускорителях заряженных частиц и радиотелескопах
типа антенн переменного профиля, например опорные сети элек-
тронного ускорителя в Гамбурге и Ереване, протонного кольце-
вого ускорителя ИТЭФ в Москве, ускорителя CERN, радиотеле-
скопа «РАТАН-600э и Большой Пулковский радиотелескоп (БПР).
1.	Геодезические сети электронного ус-
корителя в Гамбурге. Геодезическая опорная сеть
представлена центральной системой в виде правильного восьми-
угольника, центр которого совпадает с центром кольцевого уско-
рителя [117]. Стороны восьмиугольника равны 36,7 м. Расстоя-
ние от центрального знака до любого пункта восьмиугольника
составляет 48 м. Железобетонные знаки опорного восьмиуголь-
ника заглублены на 6 м ниже уровня пола н закреплены в породах,
деформации в которых значительно ослаблены. На верхней части
знака закреплен диск с устройством для установки теодолита,
визирных и отсчетных марок. В створе каждой стороны восьми-
угольника располагается по два дополнительных знака. Таким
образом, наименьшее расстояние между пунктами составляет
12,2 м. Для определения координат пунктов опорной сети изме-
ряют все 8 радиальных сторон четырьмя инварными 48-метровыми
лентами. Хордовые стороны восьмиугольника измеряют тремя
инварными лентами между промежуточными пунктами в прямом
и обратном направлениях. Углы центральной системы определяют
из непосредственных угловых измерений теодолитом.
2.	Сеть Ереванского синхротрона (рис. 5).
Аналогичная описанной выше схема опорного восьмиуголь-
ника 2 (без дополнительных знаков) с центральным знаком 1
предусмотрена на Ереванском синхротроне и опорная сеть из 24
пунктов, расположенных в подвальном помещении магнитного
кольцевого вала. Пункты сети закреплены биметаллическими
планово-высотными знаками 5, заглубленными на 3 м ниже уровня
пола в толще базальта и развязанными с вышележащими поро-
дами. Пункты опорной сети 3 образуют систему перекрывающихся
треугольников. Такая радиально-кольцевая сеть дает возможность
с большей надежностью производить наблюдения за радиальными
Геодезическая основа сооружений
31
»	2
э
Рис. 5. Геодезическая опорная сеть Ереванского синхротрона
деформациями основания сооружения. Измерения по знакам
опорного восьмиугольника проводятся инварными проволоками;
измерения сторон опорной сети — специальными инварными жез-
лами (2 уложения); измерения высот треугольников — оптико-ме-
ханическим способом при помощи инварного жезла длиной 1,1 и.
Последние необходимы для вычисления углов поворота сети.
На каждую сторону опорной сети опирается полигон разбивочной
сети, знаки 4 которой располагаются на фундаментных опорах
блоков электромагнита. Над этими знаками непосредственно
центрируются блоки электромагнитов. Таким образом, общее
число знаков опорной и разбивочной сетей составляет 96, равное
числу знаков на блоках кольцевого электромагнита.
Высотная сеть подвального помещения магнитного зала пред-
ставлена не только планово-высотными геодезическими знаками,
но и 6 биметаллическими реперами, расположенными равномерно
32
Геодезическая основа сооружений
Рис. 6. Размещение знаков геодезической опорной сети ускорителя ИТЭФ
по периметру кольцевого зала. Кроме того, в магнитном зале соз-
дана рабочая высотная сеть на уровне орбиты пучка, закреплен-
ная 24 шкаловыми стенными реперами. Все высотные определения
по реперам выполняются методом геометрического нивелирования.
3.	Сеть протонного ускорителя ИТЭФ
(СССР). Геодезическая опорная плановая сеть ускорителя пред-
ставлена в виде центральной системы из 14 треугольников [82]
и состоит из 56 постоянных планово-высотных знаков 1 (рис. 6),
расположенных попарно на двух концентрических окружностях
с радиусами 38,0 н 42,6 м и закрепленных непосредственно на
фундаменте ускорителя. Центральный пункт сети закреплен пла-
ново-высотным знаком 2 трубчатого типа, установленным па глу-
бину 60 м; остальные знаки — трубами диаметром 325 мм, за-
щищенными кожухами. Центром знака является пересечение
штрихов на верхней поверхности стального хромированного ша-
рика диаметром 16,695 мм. Измерение расстояний между пунктами
Геодезическая основа сооружений
33
сети выполняется инварными проволоками со стеклянными шка-
лами. Отсчитывание производится по микроскопам.
Высотная опорная сеть представлена системой ходов по гео-
дезическим знакам на фундаменте. Измерения производятся гео-
метрическим нивелированием.
4.	Сеть ускорителя CERN. Плановая опорная гео-
дезическая сеть ускорителя представлена так же, как в Гамбург-
ском и Ереванском, центральной системой в виде восьмиуголь-
ника со сторонами 80,0 м. Расстояние от центра до любой точки
восьмиугольника составляет 105,8 м.
Центральная система закреплена геодезическими знаками труб-
чатой конструкции, заложенными в моренные глинистые отложе-
ния и изолированными от фундамента магнита. К верхней части
трубы крепятся фланцы со втулками. Стороны центральной си-
стемы измерены одним уложением инварных проволок со шкалами,
компарируемых на специальном компараторе. Углы опорной
сети измерены 8 приемами теодолитом Вильд-ТЗ, оборудованным
приспособлением для «принудительного» центрирования. Визир-
ные марки также имели центрировочные устройства.
5.	Сеть радиотелескопа «РАТАН-600». Антенна
переменного профиля — это многоэлементная антенна рефлектор-
ного типа, поверхность которой состоит из 895 отражающих
элементов. Каящый элемент имеет три степени свободы: радиаль-
ное (поступательное) перемещение и поворот вокруг горизон-
тальной н вертикальной осей. Диаграмма направленности антенны
формируется не за счет поворота всей отражающей поверхности
в целом, а за счет изменения взаимного положения отражающих
элементов, т. е. изменения формы отражателя.
Ввиду больших размеров радиотелескопа «РАТАН-660», а
также высокой относительной точности поверхности отражающих
элементов (10-4) и их взаимной установки (10~*) проблема юсти-
ровки радиотелескопа приобретает исключительно важное значе-
ние; она включает:
1)	первоначальную установку механизмов отражающих эле-
ментов на фундаментах;
2)	определение мест нулей и ошибок всех шкал на механиз-
мах отражающих элементов.
Первоначальная установка механизмов, а также высокоточ-
ная установка нульпунктов шкал отражающих элементов выпол-
няются геодезическим методом от опорной геодезической сети.
Опорная геодезическая сеть «РАТАН-600» состоит из плановых,
планово-высотных 1 п высотных геодезических знаков 4 (рис. 7).
Знаки 3 (1—12 и 1а—12а) расположены равномерно по окруж-
ности радиусом 288 м через 30°, начиная от радиуса с азимутом 0°,
что соответствует направлению рельсовых путей для облучателей;
они являются плановыми геодезическими знаками, в частности,
3	Заказ 487
34
Геодезическая основа сооружений
по пим определяют нуль-
пункты шкал радиальных
отсчетных устройств опор-
ных щитов.
Положение этих зна-
ков в радиальном направ-
лении контролируется по
знакам 1а—12at доста-
точно удаленным от фун-
даментов круговых отра-
жателей и не подвержен-
ным влиянию деформации
грунта. Знаки 1а—12а
расположены равномерно
по окружности с радиусом
240 м через 30°, начиная
от радиуса с азимутом 0°.
Эти знаки планово-высот-
ные.
В середине радиотелескопа находится плановый знак 2 —
центр исходной окружности радиотелескопа и начало полярной
системы координат. Положение знака 2 контролируется по шести
плановым знакам 13—18, расположенным равномерно по окруж-
ности с радиусом 96 м через 60°, начиная от радиуса с азимутом
15°. Плановые знаки 19—22, расположенные на прямой по напра-
влению восток — запад на расстоянии примерно 100 м к югу от
центра радиотелескопа, предназначены для юстировки элементов
плоского отражателя. Наконец, знаки 23—34 — высотные, они
расположены равномерно по окружности с радиусом 264 м через
30°, начиная от радиуса с азимутом 15°. Плановые и планово-вы-
сотные знаки представляют собой железобетонные сваи квадрат-
ного сечения, устанавливаемые в скважины, обсаженные трубами
диаметром 325 мм. Планово-высотный знак отличается от плано-
вого тем, что внутри сваи проходит инварная проволока, защищен-
ная металлической трубой диаметром 50 мм. Нижний конец про-
волоки крепится к нижнему обрезу сваи, а через верхний конец,
к которому крепится шкалка, натягивается проволока. Высотные
знаки представляют собой обсадные трубы диаметром 75 мм и дли-
ной 3,5 м с бетонпым якорем в виде шара диаметром 40—60 см.
На верхнем обрезе обсадной трубы устанавливают высотную марку.
Закладку высотных знаков производят посредством бурения.
Бетон для якоря заливают через трубу после взрыва ,на дне
скважины, в результате которого образуется шаровидная полость.
Расстояния от центра радиотелескопа до плановых и планово-
высотных знаков измеряют 24-метровымн инварными проволоками
по программе измерения базисов I класса. Положение знаков та-
Геодезическая основа сооружений
35
ново, что в измеряемой линия укладывают целое число проволок.
Углы между радиусами измеряют во всех комбинациях.
Превышения между пунктами опорной сети определяют по
специальной программе с точностью не пиже нивелирования
I класса.
Для ориентирования опорной геодезической сети на площадке
«РАТАН-600» определяют астрономический азимут по программе
I класса; одновременно определяют шпроты и долготы. Азимут,
широту и долготу приводят к центру радиотелескопа.
6.	Сеть Большого Пулковского радио-
телескопа (БПР). Геодезическая опорная сеть БПР состоит
из 13 планово-высотных пунктов, расположенных равномерно
по дуге окружности радиусом 90 м примерно через 7° 12'. Центр
этой окружности совпадает с центром БПР, который закреплен
па верхней площадке кирпичного столба маркой, совмещенной
с механизмом для одностороннего натяжения мерной проволоки
типа уровенного динамостата. При помощи этого устройства от-
носительно центра устанавливают отражающие элементы радио-
телескопа на проект. Основная задача геодезической опорной
сети — определение смещений центра путем измерения расстоя-
ний от центра до каждого знака при помощи 90-метровой инварной
проволоки и указанного механизма для натяжения. По результа-
там измерений и разностям относительно начального положения
по способу наименьших квадратов вычисляют величины смещения.
Марка центра вместе с натяжным устройством может переме-
щаться в определенных пределах, поэтому, зная величину смеще-
ния, марку можно совместить с геометрическим центром окруж-
ности, проходящей через плановые знаки. Положение центра опре-
деляют, по возможности, перед каждой юстировкой; после обра-
ботки результатов измерений центральная марка совмещается
с центром окружности плановых знаков. Наблюдения показали,
что наибольшие смещения центра происходят в зимнее и весеннее
время, примерно с января по апрель. Так, в 1967 г. за указанный
промежуток времени центр сместился на 11,8 мм в юго-западном
направлении, а в течение лета и осени, вплоть до начала декабря,
в пределах точности измерений оставался на месте.
Сети кольцевой формы. Геодезические опорные
сети кольцевой формы создаются обычно на кольцевых ускорите-
лях больших размеров, заключенных в тоннель, где строительство
радиальных каналов требует значительных капитальных затрат.
Такие сети созданы, например, на ускорителе Брукхейнвенской
национальной лаборатории (США) и на Серпуховском синхрофа-
зотроне. Предусмотрено построение подобной сети на ускорителе
200-400 ГэВ (США).
7.	Сеть ускорителя Брукхейнвенскойна-
Ц и о н а л ь н о й лаборатории (США). Геодезическая
3*
36
Геодезическая основа сооружений
плановая опорная сеть ускорителя имеет 24 пункта, равномерно
расположенных по окружности радиусом 128 м. С каждого пункта
имеется видимость на четыре ближайших (два слева и два справа),
так что можно построить замкнутую систему вытянутых перекры-
вающихся треугольников. Короткая сторона каждого треуголь-
ника имеет длину —33,8 м, длинная —67 м. Пункты опорной сети
закреплены трубчатыми знаками. Центр знака фиксируется осью
цилиндрической втулки. Расстояния между соседними пунктами
измеряют компарированными стальными лептами с отсчитыва-
нием по микроскопам. Угловые измерения производят теодоли-
том, снабженным приспособлением для центрирования во втулке
знака. На первой стадии монтажа все измерения производились
через трубы из прессованного картопа (диаметром 300 мм), а после
включения в тоннеле установки для кондиционирования воздуха —
без труб.
8.	Сеть Серпуховского сипхрофазотро-
н а (СССР). Геодезическая плановая опорная сеть основного
электромагнита 17] расположена в подвале кольцевого зала
и представляет собой цепочку вытянутых перекрывающихся тре-
угольников с длиной основания 48,8 м и сторонами 24,4 м.
Пункты опорной геодезической сети в количестве 60 рав-
номерно расположены по окружности радиусом 233,45 м и обра-
зуют правильный шестидесятпугольник. Кроме того, для изме-
рения высот треугольников в подвальном помещении размещено
60 створных пунктов, расположенных па одном радиусе с опор-
ными пунктами по окружности радиусом 232,17 м. Опорные и
створные пункты находятся на одном горизонте и возвышаются
над полом на 1,1 м. По конструкции эти пункты одинаковы лишь
в верхней части, где установлена геодезическая головка с коорди-
натным устройством. Створный пункт в нижней части предста-
вляет собой трубу диаметром 273 мм, установленную па глубине
1,9 м.
Стороны треугольников в опорной сети измеряют инварным и
проволоками, а высоты — при помощи жезлов и створных изме-
рений струнно-оптическим пли дифракционным способом.
Высотная опорная сеть для удобства и оперативности работ
располагается на нижнем и верхнем горизонтах. На нижнем го-
ризонте опа представляет систему глубинных биструпных реперов
в количестве 8 штук, равномерно расположенных по периметру
кольцевого сооружения, и настенных реперов в количестве 120
штук. Струны глубинных реперов закреплены в скальных породах
на глубине 4—6 м ниже уровня пола подвального помещения.
Настенный репер представляет собой небольшой кронштейн со сфе-
рической опорной поверхностью, на которую подвешивается само-
устанавл и вающаяся в вертикальном положении шкалка-ре-
ечка.
Геодезическая основа сооружении
37
Высотная сеть верхнего горизонта расположена в районе ор-
биты ускорителя и состоит из 120 настенных реперов. Высотные
определения на обоих горизонтах производят методом геометри-
ческого нивелирования.
9.	Сеть ускорителя протонов на 200—
400 ГэВ (проект США). Проектируемая схема построения опорной
сети имеет ряд особенностей, обусловленных нс только большими
размерами сооружения, по и тем, что уровень радиоактивности
в рабочем помещении на целый порядок выше допускаемого.
Геодезическая опорная (первичная) сеть состоит из 96 пунктов,
равномерно расположенных по кольцу сооружения на дневной
поверхности; таким образом, к ней обеспечен непрерывный до-
ступ даже во время работы ускорителя. Геодезическая сеть пред-
ставляет собой систему перекрывающихся треугольников, сто-
роны которых предполагают измерять светодальпомером типа
«мекометр». Между знаками первичной сети через один натянуты
струны. Высоты треугольников от знаков до струны проектируют
измерять при помощи постоянно установленных жезлов с опти-
ческим или электроиндуктивиым устройством отсчитывания. Под
пунктами первичной сети на дневной поверхности в магнитном
зале ускорителя располагается вторичная сеть, состоящая из
96 пунктов, положение которых относительно пунктов первичной
опорной сети определяется современными методами высокоточного
центрирования. Знак опорной сети представляет собой трубу
(диаметром 360 мм), которая проходит через толщу землйной
защиты и опирается на конструкцию тоннеля магнитного зала.
На верху трубы (па дневной поверхности) находится головка гео-
дезического знака, снабженного нижней и верхней защитными
пробками, которые закрываются во время работы ускорителя,
оставляя небольшие отверстия для системы отвеса.
Высотная сеть на дневной поверхности не создается. В магнит-
ном зале сооружена стационарная гидростатическая Система ни-
велирования. Датчики гидростатического нивелирования распо-
ложены равномерно по периметру через 15 м, так что каждый
третий находится на знаке вторичной плановой сети. Система
заполнена ртутью и работает по электрокоптактпому принципу
определения положения уровня жидкости.
Из приведенных примеров следует, что чем крупнее сооруже-
ние, тем сложнее форма сетп, совершеннее методика п техника
измерений, больше времени требуется на геодезические работы.
Вместе с тем, чем крупнее сооружение, тем надежнее опорная сеть
должна сохранять координаты своих пунктов при существующих
в настоящее время методах измерений. Поэтому вопросам закре-
пления пунктов сети, конструкции знаков уделяется большое
внимание.
38	Геодезическая основа сооружении
§ 6.	Закрепление пунктов опорной
геодезической основы
При высокоточных геодезических работах используют различ-
ные типы знаков. По назначению эти знаки подразделяются на пла-
новые, высотные и планово-высотные. Их основное назначение
закрепление точек соответствующих опорных сетей. Кроме того,
их можно использовать совместно с другими реперными устрой-
ствами для наблюдений за осадками фундамента, несущих строи-
тельных конструкций и деформациями основания сооружения.
1.	Выбор глубины заложения знаков
Для оснований прецизионных сооружений, как правило,
стремятся выбирать .малоосадочные, устойчивые горные породы.
Как показывает опыт эксплуатации геодезических знаков, зало-
женных в таких горных породах, они имеют тенденцию с течением
времени менять свое планово-высотное положение. Исследования
показали, что основные факторы, которые определяют нестабиль-
ность геодезических знаков, — это изменения нагрузок на основа-
ние; колебания температуры горных пород, вариации уровня
подземных вод. Поэтому при определении глубины заложения
геодезических знаков эти факторы необходимо тщательно учи-
тывать.
Для обеспечения устойчивости геодезических знаков, располо-
женных в зоне действия переменных нагрузок, необходимо, чтобы
глубина заложения их была ниже границы сжимаемой толщи
грунтов основания. За эту границу принимается глубина, где
дополнительное давление строящегося здания и монтируемого
оборудования составляет 20% природного давления [10], т. е.
Рд = 0,2Ря.
Для ориентировочного предрасчета возможной осадки знака
можно рекомендовать формулу [45]
л	л
i-1	t-f
где Д/ — осадка отдельного слоя грунта; £/ — модуль дефор-
мации данного слоя грунта; рх —- среднее дополнительное давление
в пределах слоя; — переходный коэффициент, зависящий от
Геодезическая основа сооружений
39
коэффициента Пуассона; п — число слоев, на которые разбита
сжимаемая толща.
Указанные формулы предназначены для расчета только вер-
тикальных смещений. Существующие методы предрасчета гори-
зонтальных смещений весьма приближенны. Так, например, при
использовании в расчетах довольно распространенной теоретиче-
ской схемы решения Ю. А. Соболевского фактические смещения
могут быть меньше расчетных по крайней мере на один порядок.
Вертикальные смещения рассчитывают более точно, но полу-
чаются приближенные результаты. Поэтому пользоваться этими
формулами следует осторожно. Так, например, на Серпухов-
ском ускорителе дополнительное сжимающее давление от влияния
соседних фундаментов, рассчитанное по методу узловых точек
[114], равно 1,1 кг/см2, давление от веса знака равно 0,5 кг/см2,
однако суммарное их влияние, как показали расчеты, в связи
со значительным заглублением сооружения (10—12 м) оказалось
меньше воздействия природного давления. Это позволило сделать
предположение о быстром затухании неравномерных осадок фун-
даментов после 100%-ной загрузки основания. Учитывая это
и принимая во внимание, что основанием фундаментов был вы-
бран наиболее монолитный и крепкий слой известняков, глубина
заложения высотных знаков была определена в 4—5 м от подошвы
котлована. Предполагалось, что такое заглубление предохранит
их от влияния внешних динамических воздействий и временных
нагрузок. Однако последующими наблюдениями установлено,
что глубина заложения знаков оказалась недостаточной, особенно
на участках трещиноватых известняков с различными заполни-
телями, где уже после загрузки основания была зафиксирована
их дополнительная осадка на 2—3 мм от воздействия временной
нагрузки.
Такое расхождение между расчетными величинами и полу-
ченными результатами объясняется несоответствием принятых
обобщенных характеристик деформативных свойств грунта фак-
тическим.
Другой причиной, нарушающей стабильность знаков, являются
колебания температуры горных пород.
Термический режим горных пород, как правило, имеет законо-
мерности, сформулированные Фурье [981:
1)	период колебания температуры остается неизменным па всех
глубинах (в течение суток, года и т. д.);
2)	амплитуда колебаний температуры уменьшается с глубиной:
при возрастании глубины в арифметической прогрессии амплитуда
убывает в геометрической прогрессии и на определенной глубине
затухает;
3)	время наступления максимумов п минимумов происходит
с запаздыванием пропорционально глубине;
40
Геодезическая основа сооружений
4)	глубины постоянной годовой температуры Zr и суточной
Zc относятся как корни квадратные из периодов Т колебании, т. е.
2г __ УТГ __ 1^366 .q .
2с “	’
Таким образом, зная Zc, можно приближенно определить зону
постоянных температур. За зону постоянных температур следует
принимать слой, где сезонные изменения температуры не превы-
шают 0,2-0,3° С.
Если Zc неизвестно, то зону постоянных температур можно
найти из формулы [98]
• г
а — Ае 1
где а — амплитуда колебаний температуры па глубине Z; Л —
амплитуда годичных колебаний температуры воздуха в градусах;
Т — период колебаний температуры в секундах (для годичных
колебаний Т — 31,6-10® с); К — коэффициент теплопроводности
грунта (для базальтов К = 0,01 см2/с).
Приведенная формула позволяет рассчитывать глубину зале-
гания зон постоянных температур для грунтов, находящихся
в естественных условиях. Строительство инженерного сооружения
и его эксплуатация могут существенно пзмепить температурный
режим горных пород основания. Возможный характер этих изме-
нений должен учитываться при решении вопроса о глубине зало-
жения якорей геознаков. Например, на Серпуховском ускоритело
к моменту сдачи в эксплуатацию системы отопления зона постоян-
ных температур располагалась на глубине 8—9 м от пола подвала.
В дальнейшем отмечалось постепенное повышение температуры
горных пород; через два года зона постоянных температур под-
нялась до 6—7 м.
Вариации температурного режима горных пород могут в зна-
чительной мере влиять на стабильность геодезических знаков.
По результатам наблюдений на площадке Ереванского ускорителя
были зафиксированы общие подъемы знаков, заложенных на глу-
.6ину 1 и 5—6 м, относительно зоны постоянных температур соот-
ветственно па 0,6 и 0,2 мм.
Один из основных факторов, нарушающих стабильность зна-
ков, — колебание уровня подземных вод, которое пзменяет со-
стояние грунта, уплотняет его при понижении и разуплотняет при
повышении. Приближенную величину вертикального смещения
геодезического знака при изменении уровня водоносного гори-
зонта можно подсчитать по формуле [18]
ль Д/’-й
ДА
2Е
Геодезическая основа сооружений

где h — величина изменения уровня водоносного горизонта в сан-
тиметрах; Е — модуль деформации; ДР — дополнительное давле-
ние за счет изменения уровня (0,1 кг/см2 ври h — 1 м).
Рассмотрев основные факторы, можно сделать следующие вы-
воды относительно глубины заложения якорей высокоточных
знаков:
1.	Якоря плановых и высотных знаков должны быть располо-
жены ниже границы сжимаемой толщи грунтов и близко к зоне
постоянных температур.
2.	Если зона постоянных температур расположена ниже гра-
ницы сжимаемой толщи, то для высотных знаков (реперов) глу-
бина заложения якоря определяется зоной постоянных температур,
а для плановых знаков — границей сжимаемой толщи грунтов.
3.	При выборе глубины заложения якоря необходимо учиты-
вать уровень грунтовых вод и его сезонные колебания с тем, чтобы
якорь знака был расположен вне золы его колебаний.
2. Конструкции глубинных геодезических знаков
Из опыта строительства и эксплуатации прецизионных соору-
жений следует, что пункты геодезической основы целесообразно
закреплять глубинными знаками, якоря которых закладывают
в стабильные породы, а само тело изолировано от строительных
конструкций и верхнего слоя пород основания. Поэтому остано-
вимся главным образом на описании глубинных знаков.
Конструкция знака должна быть экономичной, простой для
изготовления и монтажа и удобной при эксплуатации.
Приведенные ниже описания знаков и реперных устройств
специального назначения находят применение при строительстве
ускорителей заряженных частиц, радиотелескопов, реакторов
11 других сооружений, в зависимости от тех или ипых конкретных
инженерных условий и требований.
Для строительства и обслуживания современных прецизион-
ных сооружений создаются отдельно плановые и высотные опор-
ные сети, иногда представляется возможность построить единую
планово-высотпую сеть. В связи с этим рассмотрим отдельно
конструкции плановых, высотных и планово-высотных знаков.
Плановые знаки. В каждом плановом знаке, устана-
вливаемом в буровой скважине, наиболее стабилен якорь, отно-
сительно которого и должны выполняться соответствующие изме-
рения. В связи с этим возникает задача строгого вертикального
переноса и точного фиксирования центра якоря на оголовке знака.
Оголовок знака для удобства работ и повышения точности
измерений лучше располагать в плоскости намечаемых измерений.
Эта плоскость обычно находится в пределах 0,8 4- 1,3 и над полом.
42
Геодезическая осн< >ва сооружении
Рис. 8. Конструкция обратного
отвеса
Задача высокоточного переноса центра якоря па рабочий го-
ризонт весьма сложна. В настоящее время она решается механи-
ческим, оптико-механическим и оптическим способами. Все три
способа находят широкое применение. Рассмотрим различные кон-
струкции знаков, в которых используется тот или иной способ.
При строительстве Женевского ускорителя на 28 ГэВ использо-
вались жидкостные, так называемые «обратные отвесы» [18]
как с механической, так и с оптико-механической системой пере-
носа центра якоря на оголовок знака. Эта конструкция обратного
отвеса (рис. 8) состоит из якоря 2, заложенного в стабильные слои
грунта, центр которого переносят наверх при помощи струны 2
и шарового поплавка 3. Жидкость (воду) заливают прямо в над-
земный бачок 5 и в скважину 6, Поплавок имеет шток с перекре-
стием 4, соосным с центром. Наблюдения па перекрестие выпол-
няют при помощи микроскопа или другого оптического прибора.
Недостаток такой конструкции обратного отвеса в том, что при
значительном заглубления якоря возникают большие давления
Геодезическая основа сооружении	43
столба жидкости в трубах, а это может вызвать течь в стыкующих
частях.
Для устранения этого недостатка М. С. Муравьевым [831
в 1958 г. была разработана конструкция «сухого обратного отвеса»
(рис. 9), отличающегося от описанного наличием торообразного
поплавка 2, плавающего вместо шара в кольцевом бассейне 2.
Основной недостаток сухого обратного отвеса в сложности его
монтажа, юстировки и эксплуатации, так как он весьма чув-
ствителен к изменениям внешних условий.
Известны и другие схемы крепления поплавка, например
Г-образные, рамочные и т. д.
Примером механической фиксации центра знака может служить
плановый знак конструкции М. С. Муравьева [84], рабочий сто-
лик которого выводится в горизонтальное положение при помощи
карданного подвеса. Фиксируется центр знака либо конусной
центрировочной втулкой, либо цеятрировочным калиброванным
шариком с перекрестием. Столик с карданным устройством кре-
пится к массивной трубе, закрепляемой в грунте или бетонном
полу. Основной недостаток знака — его восприимчивость к боко-
вым воздействиям верхнего слоя пород или бетонного покрытия,
с которыми он конструктивно связан.
Н. Н. Лебедев предложил конструкцию знака, в котором центр
в виде световой марки закреплен в бетонном кубе 2, устанавлива-
емом в специальном шурфе. Эта конструкция знака нашла приме-
нение на крупнейшем ускорителе мира — Серпуховском синхро-
фазотроне. Знак (рис. 10) представляет собой трубу 3 диаметром
273 мм, закрепленную при помощи анкерных болтов в специаль-
ном фундаменте. На трубу навинчена опорная гайка 5, предста-
вляющая вместе с прикрепленными к ней дисками головку знака
в виде координатного столика. Опорная гайка может переме-
щаться по высоте в пределах 50 мм. Для удержания опорной гайки
на проектной отметке на трубу навернуто упорное кольцо 4
с обратной резьбой. После установки на проектную отметку упор-
ное кольцо штифтуется. На опорной гайке крепится фланец 6
с двумя клиновидными дисками 7 и 9. Фланец вместе с дисками
перемещается в пределах ±5 мм.
Соприкасающиеся плоскости двух верхних дисков обработаны
по отношению к наружным плоскостям под углом 40°, в результате
чего диски приобретают форму одностороннего клина. В верхний
диск впрессована втулка диаметром 25,4 мм. Клинообразные диски
предназначены для приведения оси втулки в вертикальное поло-
жение при наличии наклона трубы знака. При угле одного клина
в 40° ось втулки знака можно привести в вертикальное положе-
ние при наклоне трубы знака до 80°.
Бетонный куб 1 имеет размеры 30 х 30 х 30 см. Марка 2
имеет перекрестие на стеклянной пластине. Перед началом работ
44
Геодезическая основа сооружений
Рис. 10. Плановый знак конструкции
Н. Н- Лебедева
Рис. И. Плановый знак с «же-
сткой» консолью
ось втулки головки знака центрируется при помощи оптического
отвеса с точностью 0,05 4- 0,10 мм пад нижней маркой.
Для доступа к нижнему центру в фундаменте имеется свобод-
ный проем с размерами 720 х 900 мм, который над кубом перехо-
дит в нишу. Верхняя часть знака, выступающая над полом на
1,10 м, предохраняется от случайных ударов защитным кожухом 8.
Пространство между защитным кожухом знака заполняется стекло-
ватой для образования термической защиты знака от резких коле-
баний температуры. Головка знака закрывается защитным кол-
паком.
Инструменты и приборы устанавливают па упомянутый выше
координатный столик. Установка нижней марки на бетонном кубе
вызывает значительные организационные трудности, особенно
при увеличении глубины ее закладки, которая практически не мо-
жет быть более 2—3 м.
^^Кроме отмеченных выше знаков, находят применение и другие.
Рассмотрим так называемые консольные знаки. Такое
название они получили в связи с тем, что представляют собой
свободно стоящую консоль, нижний конец которой закреплен
в забое обсаженной скважины. Таким образом, знак полностью
изолирован от нежелательных воздействий грунтов, находящихся
Геодезическая основа сооружений
45
выше якоря. Знак с «жесткой» консолью изображен па рис. 11;
он представляет собой трубу 3 с регулировочными винтами 1
для выведения головки 7 знака па рабочий горизонт. Труба 3
закрепляется в нижних устойчивых породах при помощи бетон-
ного якоря 2 и имеет защитный кожух 5 в виде обсадной трубы
диаметром 145—168 мм. Для предотвращения попадания грязи
в межтрубное пространство установлен специальный мягкий
сальник 4. На верху знака имеется матерчатый предохранитель 6.
Геодезическая головка покрывается колпаком S. В знаках с «же-
сткой» консолью высота якоря значительная, что обусловливает
их малую чувствительность к боковым воздействиям. Все инстру-
менты устанавливают непосредственно на головку геодезического
знака.
При необходимости увеличения глубины заложения якоря
устанавливают знаки с так называемой «гибкой» консолью. В этом
случае консоль (труба) знака может иметь длину до 15 м при диа-
метре 168 мм. Такая консоль весьма чувствительна к боковым
воздействиям, поэтому
боры нельзя.
Если необходимо
угловые и створные
применяют оголовок знака, изо-
браженный на рис. 12. На верхнюю
торцовую часть защитной трубы 4
крепится координатный столик '3
с центрировочной втулкой 2. Пе-
ред работой центрировочная втул-
ка выводится в вертикальное поло-
жение по уровню и центрируется
на нее устанавливать измерительные при-
проводить
измерения,
Рис. 12. Оголовок знака с «гибкой»
консолью
Рис. 13. Световой плановый ввак
46
Геодезическая основа сооружения
над целиком 1 при помощи микроскопа МИР-2. Точность центри-
рования 0,01 м.м. Координатный столик переносный. В необхо-
димых случаях он может крепиться к защитной трубе постоянно.
В процессе работы с такими знаками необходимо избегать толчков
консоли, так как это может легко вывести их из равновесного
положения.
Подсчитаем допустимую величину горизонтальной силы Р,
приложенной непосредственно к оголовку консольного знака,
воспользовавшись известной формулой прогиба / консоли,
/ 1 Р13
' = 3 * EI 9
откуда
P = -3fEI±,
где /< — модуль упругости стали; I — момент инерции попереч-
ного сечения реперной трубы (копсоли) относительно нейтральной
оси; в нашем случае
где Я и г — соответственно наружный и внутренний радиусы
консоли; I — длина знака от оголовка до его якоря.
За допустимое значение f примем 0,020 мм, тогда при I =
15 000 мм, R — 136,5 мм, г — 127,5 мм и Е — 2,2-10® кг/см2
горизонтальная сила Р будет равна 0,025 кг.
При принудительном выводе консоли из положения равновесия,
как показали исследования, остаточных деформаций (при зазорах
между знаком и обсадной трубой в 2—3 см) консоль не имеет.
Точность регистрации возвращения консоли в исходное положе-
ние при исследовании была равна 0,01 мм.
Строго вертикальное бурение скважин глубиной 10—15 м
практически осуществить очень трудно. Как показывает опыт
буровых работ, отвесность скважип указанной глубины можно
выдержать с точностью 1 : 200. Такой наклон скважины вызывает
прогиб знака при указанных выше расчетных величинах на
0.4 мм.
Консольные знаки нашли широкое применение при закрепле-
нии пунктов опорной сети на Ереванском синхротроне и на ряде
других отечественных ускорителей, а также при изучении плано-
вых движений грунтов земной поверхности площадок различных
прецизионных сооружений.
Детальные производственные исследования таких знаков по-
казали, что их ошибки не превышают 0,02 мм.
Выше рассмотрены механические и оптико-механические спо-
собы передачи координат от стабильного якоря на рабочий го-
ризонт. Кроме рассмотренных знаков, можно использовать пл а-
Геодезическая основа сооружений
47
новый знак, основанный только на оптическом способе передачи
координат. Этот знак (рис. 13), названный световым, состоит из
нижнего опорного якоря 7, в котором укренлены две уголковые
призмы 2 и самоустанавливающийся интерференционный колли-
матор 3 на карданной подвеске 4. В верхней части знака находятся
источник когерентного света 6 и регистрирующий прибор 5.
Интерференционный коллиматор образован центрировочной и фор-
мирующей щелями.
Перемещением источника света, установленного вертикально
подуровню, добиваются появления симметричной интерферен-
ционной картины в поле зрения регистрирующего прибора. Вид
интерференционной картины зависит от конфигурации формиру-
ющем щели. Подвижная втулка, в которую вставляется регистри-
рующий прибор 5, является верхним центром знака. Этот знак
целесообразно использовать при необходимости глубокого за-
глубления якоря.
Высотные знаки. Известно, что изменение высоты
реперной головки за счет колебаний температуры тела репера за-
висит от величины этих колебаний и длины репера. Поэтому кон-
струкция его должна обладать минимальной чувствительностью
к колебаниям температуры или позволять учитывать ее темпера-
турные удлинения. Это достигается применением материалов
с низким температурным коэффициентом линейного расширения,
например, инвара, кварца или ситалла, или определением темпе-
ратурного удлинения тела репера по результатам непосредствен-
ного измерения температуры пли основанные па принципе биме-
талла.
Первый способ применяется в отдельных случаях, так как
в настоящее время материал с малым линейным расширением,
за исключением инварной проволоки, неэкономичен. Кроме того,
такие материалы, как кварц и ситалл, хрупки и требуют извест-
ной осторожности при их обработке и эксплуатации. Поэтому при
высокоточных нивелирных работах в инженерных целях часто
применяют реперы, позволяющие учитывать их температурные
удлинения.
На гидротехнических сооружениях используется так называ-
емый горизонтальный репер НО], закладываемый
в торец горизонтальной горной выработки, пройденной на глу-
бине, близкой к зоне постоянных температур. Репер такой кон-
струкции не нуждается во введении температурных поправок, но
в связи со значительной сложностью и спецификой его закладки
11 трудностью эксплуатации при строительстве ускорителей, радио-
телескопов и других прецизионных сооружений он не используется.
Наибольшее применение в высокоточной инженерной геодезии
имеют струнные реперы с инварной струной и реперы, основанные
на принципе биметалла-.
48
Геодезическая основа сооружений
Ренер с инварной струной [95] состоит из железобетонного
якоря 1 (рис. 14), реперной штанги 3 с укрепленной на ее верхнем
торце инварной проволокой 5, снабженной шкалкой 8. Во избе-
жание заиления рабочей части репера штанга 3 проходит через
сальник 2. Проволока помещена в защитном кожухе 4 и натяги-
вается в верхней части репера через рычаг 9 грузом 10. Труба-люк
7 со смотровым окном для визирования па шкалку крепится к бе-
тонной подушке 6 анкерными болтами.
Для повышения точности репера следует измерять температуру
воздуха в его скважине при помощи гирлянды «за лен ив ленных»
(инерционных) термометров или термодатчиков. Среднюю темпе-
ратуру проволоки в этом случае подсчитывают по формуле
1   014-*г) ^14~ • • - + 0л-1 + *п) ^п-1
Ср	2 (Z1+ t-i-J- . - . -f-irt-1)	*
где /п . . tn — температуры, зарегистрированные термомет-
рами;	— расстояния между 1-м и 2-м, 2-м и 3-м, . . .,
(п — 1)-м и n-м термометрами гирлянды.
Основными источниками ошибок, вызываемых конструкцией
струпного репера, являются изменения массы груза из-за по-
падания на него ныли, влаги и т. д. и изменения длины струны,
вызываемые колебаниями ее температуры.
Влияние случайного изменения массы груза из-за пыли, влаги
можно подсчитать по формуле
Д/ “ ЕЕ *
где Р — изменение массы груза; L — длина струны; Е — модуль
унругости инвара, F — поперечное сечение струны.
При Р — 10 г, L — 10 м, Е — 1,5-10® кг/см3 и F = 0,0226 см3
Д/ = 3 мкм. Данный подсчет показывает, что за состоянием
груза необходимо тщательно следить.
Второй источник ошибок возникает не только от температур-
ного расширения струны (Д£а), но и от температурного изменения
модуля упругости инвара (Д£в). Следовательно, общее темпера-
турное удлинение струны будет
Д£ = (Д£«4-Д1«).
Температуру струнного репера обычно измеряют с точностью
3°. Тогда ошибка Д£а за счет температурного расширения инвар-
ной струны длиной 10 м при коэффициенте линейного расширения
инвара а = 1 -10"® будет равна 30 мкм. Та же ошибка в измерении
температуры репера вызовет изменение модуля упругости инвара,
а это в свою очередь приведет к ошибке которую можно
вычислить по формуле
рт a»*Af
л ГЕ—	.____£______,
EF 1— а» А/
Геодезическая ленива сооружений
49
где Р — масса груза; а£ — коэффициент модуля упругости инвара,
равный 500-10"® на 1°С.
Если Р = 7 кг, L = 10 м, F == 0,026 см2, Е — 1,5-10® кг/см2,
то АЛЕ = 3 мкм.
Таким образом, на точность в основном влияет ошибка в опре-
делении температуры инварной струны.
На Серпуховском ускорителе был применен биструппый репер.
По конструкции биструнный репер (рис. 15) состоит из железо-
бетонного якоря 7, закрепленного в коренных породах, двух про-
волок — основной 2 и вспомогательной 3, обсадной металличе-
ской трубы 4, защитной трубы 7, прикрепленной к полу 0, предо-
храняющей проволоки от механических повреждений и несущей
натяжное устройство. Труба 7 имеет вырез 8 для просмотра ниве-
Рпс. 14. Репер с инварной струной
лирной шкалы 5. Между об-
садной трубой и стенками
скважины заливают битум,
который предохраняет трубу
от воздействия горного давления
Рпс. 15. Конструкция бпетрун-
ного репера
4 Заказ 437
50
Геодезическая основа сооружений
и заиливания. Основная реперная проволока — инварная
диаметром 1,7 мм; вспомогательная — стальная диаметром
1,5 мм. Обе проволоки покрыты противокоррозийным пер-
хлорвиниловым лаком. Верхние концы проволок натянуты
раздельно через равнонлечные рычаги при помощи грузов массой
10 кг. К инварной проволоке на высоте визирования прикреплена
нивелирная шкала. Под крышкой репера на специальном штоке
укреплен индикатор 6 часового типа с ценой деления 0,1 мм для
измерения разности температурных расширений основной и до-
полнительной проволок.
Использование двух струн с разными коэффициентами темпе-
ратурного расширения позволяет найти температурную поправку
в отметку репера но известной формуле
А 1X1 .	(2)
где <хх и а2 — соответственно коэффициенты температурного
расширения инварной и стальной проволок; А — разность тем-
пературных удлинений инварной и стальной проволок (изменение
отсчета по индикатору).
Для биструнпых реперов, установленных на Серпуховском
ускорителе, были применены инварная проволока с коэффициен-
том температурного расширения 4-0,167-Ю-® и стальная про-
волока с коэффициентом -J-14,75-10"в.
Поправка в отметку репера для такой комбинации проволок
равна
AZ = 0,01А.
Применение инвара со столь малым коэффициентом темпера-
турного расширения привело к тому, что поправка в отметку ре-
пера за изменение температуры до 15° практически равна нулю.
Таким образом, для данного случая отпала необходимость в учете
температурного удлинения реперной струны.
Кроме струнных реперов, большое распространение в при-
кладной геодезии получили биметаллические реперы с жест-
кими штангами. В настоящее время используются два вида
биметаллических реперов: с параллельным и концентрическим
расположением труб.
Биметаллический репер с параллельным расположением труб
предложен П. И. Брайтом. Этот репер состоит из двух парал-
лельно расположенных и свободно скользящих стержней [9]
или труб [10] диаметром 30 мм. Стержни или трубы выбирают
в сочетании стали с медью, латунью или алюминием. В последнее
время, как правило, используют алюминиевые трубы, имеющие
значительный коэффициент линейного расширения. В связи
с тем что трубы имеют различные коэффициенты линейного рас-
Геодезическая основа сооружений
51
ширения, они, приняв температуру на данный момент времени,
удлиняются по-разному. Измерив эту разность, находят по фор-
муле (2) удлинение основной реперной штанги.
С учетом формулы (2) найдем величину ожидаемой ошибки
в определении удлинения реперной штаиги.
Запишем формулу (2) в виде
Д2С = Я.Д,	(3)
где
Дифференцируя формулу (3) и переходя к средним квадрати-
ческим ошибкам, получаем
т*. = №лга-|-Датп* .	(5)
Примем ад = 24*10“®, ас 12*10-в, тогда К = 1.
Из формулы (4) получим
= 5лгх —7— при аа = 2ас.
А	(Хм*	* м
“с
Так как не превосходит величины 1 ЛО-7 ед/градус, то тк =
- - 0,018. Значение Д определяется как разность двух отсчетов
по индикаторам часового типа; обозначив среднюю квадратиче-
скую ошибку одного отсчета через т0, получим для выражение
отд = то
Приняв Д/ — 20°, I — 10 м, (Хд = 24*10'®, ас — 12*10"®,
т0 — 0,010 мм, получим
Д = / Д? (ад—ас) = 2,4 мм,
т^ — 0,014 мм.
Подставив полученные величины в формулу (5), получим
тдгс = 0,045 мм.
Обе трубы 5 (стальная и дюралюминиевая) биметаллического
репера (рис. 16, а) крепятся к одному якорю 1 и располагаются
в защитной трубе 3. Во избежание заиления межтрубного про-
странства имеется сальник 2, Межтрубное пространство выше саль-
ника заливается битумом 4. Реперная головка 6 снабжена измери-
тельными скобами или специальными шкалами.
Для повышения точности определения разности удлинений
труб вместо шкал с лупой и измерительных скоб со штангенцир-
кулем можно рекомендовать использовать индикатор часового
4*
52
I еодезпческая основа сооружении
типа с ценой деления 0,01 мм. Схема такого отсчетного устройства
показана на рис. 16, б.
Для повышения жесткости биметаллического репера, что очень
важно при закладке его на большие глубины, а также для сниже-
ния стоимости его за счет уменьшения диаметра скважины и массы
металла В. Е. Новак предложил незаиляемый биметаллический
репер с концентрическим расположением штанг (рис. 17). Основ-
ное отличие этого репера от биметаллического репера П. И. Брай-
та состоит в том, что вспомогательная дюралюминиевая труба 3
помещена в основную реперную трубу 4. Обе трубы крепятся
к общему башмаку 61 который до бетонирования в скважине по-
средством резинового шланга 1 соединяется с защитной трубой 2.
F Изменения длины стальной трубы вследствие температурных
колебаний учитываются при помощи индикатора часового типа
Геодезическая основа сооружений
53
Рис. 17. Биметаллический репер
с концентрическим расположением
штанг
Рис. ^18. Биметаллический репер,
заложенный в зоне постоянных тем-
ператур
или микрометра. Для контрольных промеров температуры в меж-
трубном пространстве между реперной и защитной трубами уста-
навливают топкостенную перфорированную трубу, в которую
в дальнейшем, по мере надобности, опускается гирлянда «зале-
нивлепных» термометров пли термодатчиков.
Описываемый репер значительно легче репера с параллельным
расположением штанг. Например масса 10-метрового репера
с концентрическим расположением штанг на 160 кг меньше та-
кой же массы репера с параллельным расположением штапг.
Кроме того, диаметр буровой скважины для репера с концентри-
ческими штангами значительно меньше, чем для репера с парал-
лельными штангами.
Если репер с концентрическим расположением штанг закла-
дывают в грунты, находящиеся в зоне с постоянной температурой
(рис. 18), то внутренняя дюралюминиевая штанга 2 крепится в ре-
перной штанге 3 па уровне слоя грунта с постоянной температурой.
Для этой цели в стальной трубе предусматривается специальная
перемычка 7.
54
Геодезическая основа сооружений
Рис. 19. Планово-высотный
знак с «гибкой» консолью
который предназначен
В отдельных случаях, особенно в
скальных н полускальных породах,
когда не требуется глубокого заложе-
ния якоря, находят применение реперы
в виде глубинных марок [891. Передача
отметки с марки производится при
помощи нивелирной рейки или спе-
циального инварного жезла. Длину
жезла выбирают не более 4,5 м. Точность
передачи отметки с головки марки при
помощи такого жезла характеризуется
средней квадратической ошибкой
0,025 мм.
Планово-высотные зпа-
к и. Во многих случаях практики
инженерно-геодезических работ целесо-
образно совмещать плановые н высот-
ные знаки в единой конструкции.
С этой целью при высокоточных геоде-
зических работах иногда используется
обратный отвес с инварной проволокой
и нивелирной шкал кой. Широкое при-
менение нашли в тех или иных конкрет-
ных условиях строительных и монтаж-
ных работ конструкции планово-высот-
ных знаков, указанные ниже.
Знаки с концентрическим распо-
ложением реперных штанг. На основе
консольных плановых знаков и репера
с концентрическим расположением
штанг создано два вида планово-вы-
сотных знаков.
На рис. 19 изображен планово-
высотный знак с «гибкой» консолью,
для высотных и линейных измерений;
он состоит из двух концентрически расположенных металличе-
ских труб. Внутренняя труба 4 — дюралюминиевая, внеш-
няя 5 — стальная, представляющая свободно стоящую консоль.
Дюралюминиевая труба удерживается в центре стальной при
помощи резиновых диафрагм. К нижним концам труб крепится
общий металлический башмак 6 с тремя подвижными штырями 7,
при помощи которых длина планово-высотного злака может
несколько изменяться. Башмак, показанный на рис. 19, предна-
значен для скальных и полускальных пород. Нижняя часть знака
бетонируется.
На верхний конец стальной трубы навинчивают крышку 1
Геодезическая основа сооружении
55
с целиками для линейных и нивелирных измерений. Изменения
длины стальной трубы относительно дюралюминиевой, вызыва-
емые колебаниями температуры, измеряют по специальным штиф-
там микрометром или индикатором часового типа. Знак снабжен
перфорированной трубкой 2 для измерений температуры не только
с целью исследования поведения знака, но и для наблюдений за
термическим режимом горных пород.
Для удобства линейных измерений и высокоточного нивелиро-
вания знак устанавливают так, чтобы его верхняя часть возвы-
шалась над поверхностью земли (пола) па 1,0—1,2 м. Наружная
часть знака должна быть защищена от случайных внешних воздей-
ствий и прямого попадания солнечных лучей асбоцементной тру-
бой 3 диаметром 350—400 мм, торец которой закрывается
крышкой.
Для измерений по разным направлениям целик для линейных
измерений, имеющий коническую притертую ось, может повора-
чиваться так, что его перекрестие всегда ориентировано относи-
тельно шкалы мерной проволоки.
В случае необходимости проведения по знакам данного типа
угловых измерений на асбоцементную трубу устанавливают ко-
ординатный столик со втулкой, ось которой центрируют при по-
мощи микроскопа над перекрестием целика и приводят при по-
мощи уровня в вертикальное положение. Таким координатным
столиком может служить геодезическая головка, схема работы
которой предложена Н. Н. Лебедевым и освещена в работе [7].
При помощи указанного координатного столика и микроскопа
типа МИР-2 можно центрировать ось втулки над перекрестием
целика с точностью 10 — 15 мкм. Затем на координатный столик
могут устанавливаться угломерный инструмент с калиброванным
шариком, визирные цели и другие устройства, необходимые для
угловых, линейных и створных измерений.
Когда планово-высотные знаки закладывают па небольшую
глубину (4—5 м), они приобретают достаточную сопротивляемость
случайным боковым усилиям; в связи с этим появляется возмож-
ность установить геодезическую головку непосредственно на ре-
перную трубу. Такая конструкция планово-высотного знака
с «жесткой» консолью показана на рис. 20. В этом знаке изменения
длины стальной трубы относительно дюралюминиевой измеряют
индикатором 1 часового типа. Геодезическая головка 3 смонти-
рована непосредственно па торце стальной трубы, на котором
также закреплен контрольный целик с перекрестием 2. Положе-
ние головки 3 проверяют при помощи микроскопа, вставляемого
во втулку 4. Высотным репером служит шарик 5.
Знак с инварной струной или инварным стержнем. Консоль-
ные плановые знаки можно легко переоборудовать в планово-вы-
сотные, совместив их со струнным или биструнным репером.
56
Геодезическая основа сооружений
Рис. 2и. IIлапово-высотный знак с «жесткой» консолью
В этом случае струны помещают внутри стальной трубы. При
этом нижний конец струны крепят непосредственно к якорю знака,
а верхний — к натяжному устройству, которое расположено в трубе
несколько ниже головки знака. Отметка со струнного репера
па головку знака передается при помощи индикатора часового
типа или специальной шкалы. В отдельных случаях, когда знак
выступает над землей достаточно высоко, в стальной трубе делают
специальное окно, через которое можно наблюдать шкалу, при-
крепленную непосредственно к струне. При небольшом заглубле-
нии знака до 5—6 м удобно вместо струп устанавливать внутрь
стальной трубы инварный стержень с резиновыми диафрагмами
для удержания его по оси трубы.
Свайный знак с инварным стержнем. Иногда целесообразно
в качестве планово-высотного знака использовать железобетонную
сваю (рис. 21). Свая 1 в поперечном сечении должна иметь размеры
не менее 180 х 180 мм и не более 250x250 мм при длине 10—15 м.
По продольной оси сваи вставлена стальная трубка диаметром
—35 мм, в которую устанавливают инварный стержень 2. Высот-
Геодезическая основа сооружений
57
Рис. 21. Свайный знак с нн-
варпым стержнем
Рис. 22. Групповой репер
ные измерения производят относительно верхнего торца инварного
стержня, на котором закреплен стальной шар. Для измерений,
выполняемых в горизонтальной плоскости, служит плановая
головка знака, изображенная на рис. 20 или выполненная в виде
отрезка трубы диаметром 219 мм с двумя фланцами 3 — верхним
и нижним. Нижний фланец монтируется на анкерных болтах;
при этом предусматривается регулировка головки в плане и по
высоте в пределах 30 мм. Цептрировочпая втулка крепится при
помощи диска к верхнему фланцу. Привязки к реперу (стальному
шару) производят посредством специальной нивелирной шкалы
через центрировочиую втулку.
Закладка знака и его внешнее оформление аналогичны за-
кладке и внешнему оформлению планово-высотных знаков с кон-
центрическим расположением труб.
Специальные реперные устройства.
Кроме закрепления пунктов опорных геодезических сетей, в инже-
нерной практике возникает необходимость в специальных репер-
ных устройствах для наблюдений за послойными осадками
58
Геодезическая основа сооружений
и деформациями горных пород, слагающих основание сооруже-
ния. Указанные наблюдения определяют не только когда вы-
являются закономерности осадок фундаментов, по и в период
его эксплуатации. Для этих целей разработаны и используются
следующие реперные устройства.
Групповой репер. Для определения взаимных пла-
ново-высотных смещений различных по глубппе залегания слоев
горных пород, слагающих основание сооружения, можно реко-
мендовать реперное устройство, названное групповым ре-
перо м [87].
Групповой репер состоит из нескольких планово-высотных би-
металлических знаков, один из которых (основной) закладывают
в коренную, наиболее стабильную породу, другие, вспомогатель-
ные, — в верхние исследуемые слои. Основной знак связывается
посредством специальных измерительных приспособлений со вспо-
могательными. что позволяет определять нх планово-высотные
перемещения относительно основного знака.
Рассмотрим групповой репер, состоящий из двух планово-вы-
сотных знаков (рис. 22). Планово-высотное перемещение вспомо-
гательного знака Б относительно основного знака А фиксируется
индикаторами часового типа 4, которые установлены на специаль-
ной биметаллической консоли 6, скрепленной со знаком А. Знаки
расположены на расстоянии 30—40 см один от другого. Обе сква-
жины обсаживаются таким образом, чтобы их нижние части оста-
лись открытыми. В скважине знака А обсадная труба 2 не опу-
скается до забоя на 2,5 -у 3,0 м, а в скважине знака Б — на 1,5 -У
~ 2,0 м при их соответствующих глубинах 12 у- 15 и 5 -у 8 м.
Знаки в скважинах крепятся при помощи бетонных якорей I.
На оголовке знака А имеется полусфера 5 с перекрестием, пред-
назначенная для нивелирных и линейных измерений с целью
выявления наклонов знаков. К их оголовкам крепятся уровни 7.
Верхняя часть группового репера закрывается коробом 5.
Вертикальное смещение (ДЛ/) знака Б относительно знака А
определяется по формуле
где Д'1 и ДВ — соответствующие изменения длины стальных труб
знаков А и Б относительно дюралюминиевых; Да( — превышение
между знаками А и Б.
Для определения горизонтальных смещении знака Б относи-
тельно знака А совместим начало системы условных прямоуголь-
ных координат с центром знака А. а ось У — с продольной осью
консоли. Тогда приращения ДХ и ДУ горизонтальных подвижек
знака Б можно подсчитать по формулам
ДХ, = Х(-Хв, ДУ = У,-УО+Д£*,
Геодезическая основа сооружений
59
где Х01 У о — начальные отсчеты по горизонтальным индикаторам;
Xt, У° — последующие отсчеты по горизонтальным индикаторам;
Д/Л — изменение длины стальной трубы консоли относительно
начального измерения, которое вызывается колебаниями темпе-
ратуры и определяется по формуле
Д*ас
ДД* =
*	Яд — Яс
здесь Д* — изменение длины стальной трубы консоли относительно
ее дюралюминиевой трубы, вызываемое колебаниями температуры.
Полную величину горизонтального смещения находят из вы-
ражения	_________
Г^|/ДХ? + ДУ/.
Смещение знака Б относительно знака А в пространстве на
любой цикл измерений вычисляют по формуле
определения только
слоев горных пород,
использовать так па-
П( = ]/ДХ? + ДУ» + Д^.
Тангенс условного азимута и дирекционного угла горизон-
тального смещения знака Б определяется по формуле
Полиструнный репер. Для
высотных взаимных смещений различных
слагающих основание сооружения, можно
зываемый полиструнный репер (901; он позволяет проводить
наблюдения (в отличие от группового репера) непосредственно
в одной скважине, что значительно сокращает объем буровых
работ, облегчает процесс наблюдений и повышает точность из-
мерений.
Полиструнный репер (рис. 23) состоит из нескольких инварных
или суперинварных струн 7, помещенных в защитные трубы 2.
Струны крепятся к якорям 5, расположенным на различных го-
ризонтах скважины и имеющим защитные патрубки 3 с резино-
выми диафрагмами 4. Для натяжения струн на стойках 8 устано-
влены коромысла 11 с грузом 13. В верхней части струп на оди-
наковой высоте крепятся шкалы 12, по которым при помощи микро-
скопа 7 производятся соответствующие отсчеты, позволяющие
определять вертикальные смещения промежуточных якорей отно-
сительно якоря, закрепленного в забое скважины. Кроме того,
в полиструином репере можно определять вертикальные смещения
якорей индикаторами часового типа 10, Для измерения темпера-
туры устройства предусматривается установка термодатчиков
6U
Геодезическая основа сооружений
Рис. 23. Иолиструннын репер
в специально предназначенную для этого дюралевую перфориро-
ванную трубку 6*. Верхняя часть репера предохраняется колпаком
У со шторкой 15. Применение инварных или суперинварных струн
обусловлено малым коэффициентом линейного расширения этих
сплавов.
Полиструнный репер устанавливается в скважине перемен-
ного диаметра. При проходке такой скважины смена диаметра
бурового снаряда производится в соответствии с послойным зало-
жением изучаемых пород. После смены бурового снаряда про-
ходка скважины продолжается по первоначальной оси бурения.
Бурение скважины должно проводиться таким образом, чтобы
конечный ее диаметр был не менее 190 мм, а разность диаметров
составляла не менее 80 мм. Если репер устанавливается в твердых
Геодезическая основа сооружений	61
породах, то скважина может буриться одного сечения. В этом слу-
чае промежуточные якоря 14 заливаются цементным раствором
пли бетоном с заполнителем мелкой фракции. Защитные трубы
струн состоят из отдельных секций, соединенных между собой
муфтами. Около устья скважины при помощи анкерных болтов
устанавливается опорная труба, которая защищает верхнюю
часть репера и служит опорой для отсчетного микроскопа и рычаж-
ной системы.
К верхнему фланцу защитной трубы крепится диск, имеющий
втулку для установки подставки микроскопа. Ось микроскопа
приводится в горизонтальное положение по уровню, прикреплен-
ному к хомуту микроскопа. При визировании на шкалы микро-
скоп вместе со стойкой поворачивается во втулке. После отсчетов
микроскоп и стойка снимаются.
Струны репера натягиваются при помощи грузов через рычаж-
ную систему, которая состоит из коромысла (длиной 80 мм) с тремя
опорными призмами. Одной призмой коромысло ставится на опору,
две другие служат опорами для специальных подвесок. К одной
подвеске крепится верхний конец инварной струны, к другой —
груз. Грузы для натяжения струн размещаются внутри защитной
трубы непосредственно под диском. В защитной трубе крепятся
специальные разгрузочные устройства, состоящие из кронштейна
и подъемного винта с опорной площадкой. Такое устройство путем
принятия на себя массы груза рычажной системы позволяет части-
чно разгрузить струну и уменьшить влияние на нее различных
сотрясений земной поверхности в то время, когда репер находится
в нерабочем положении. Для доступа к разгрузочным устрой-
ствам в защитной трубе имеются окна. Рычажная система и шкалы
защищаются колпаком, прикрепленным к диску.
Вертикальные смещения отдельных слоев пород по полиструн-
ному реперу определяются либо относительно наиболее глубокого
слоя, либо относительно глубинных реперов, принятых за ис-
ходные.
В случае применения полиструнпого репера при менее точных
работах, где результаты измерений допускаются с ошибкой более
1,0—1.5 мм, инварные струны можно заменить стальными. В этом
случае температуру струн необходимо знать с точностью 5—6°,
для чего достаточно измерять температуру воздуха в скважине
репера обычными «залепивлепными» ртутными термометрами.
Деформационный знак. Для определения взаим-
ных горизонтальных и вертикальных смещений двух различных
по глубине слоев грунта разработан знак 1881, изображенный
на рис. 24.
Знак состоит из стальной трубы 7, внутри которой укреплена
труба 2, состоящая из двух отрезков: нижний — дюралюмини-
евый. верхний -стальной. Нижняя часть трубы 7 бетонируется.
62
Геодезическая основа сооружений
Рис. 24. Деформационный знак
Выше бетонного якоря устанавли-
вается обсадная труба, предохраня-
ющая от давления грунта трубу 1.
В верхней части скважины, пробу-
ренной с большим диаметром, чем
нижняя ее часть, устанавливается
труба 5, диаметр которой несколько
меньше диаметра скважины, но
больше диаметра трубы 1, Нижняя
часть трубы 3 бетонируется. При
этом высота бетонного якоря этой
трубы должна равняться толщине
изучаемого слоя грунта А. Верхний
торец трубы 3 оборудован специаль-
ным оголовком 5, имеющим центри-
ровочную втулку и стальной шар.
Вся верхняя часть знака тепло-
изолируется от резких колебаний
температуры и прикрывается крыш-
кой. Таким образом, вся труба 3 и
верхняя часть труб 1 и 2 находятся
в одинаковых температурных усло-
виях, а так как их длины практи-
чески равны, то и их температурные
удлинения будут одинаковы. По-
этому, введя поправку за счет температурного удлинения ниж-
ней части трубы 7, определяемую индикатором 4, можно, исполь-
зуя индикатор измерить вертикальное смещение слоя А относи-
тельно слоя Б.
Изложенное выражается формулой
bht=ht-ha+-^-,
где 6ht — вертикальное смещение слоя А относительно слоя Б;
hor — соответственно начальный и последующий отсчеты по
индикатору 6, выражающие расстояния между базовыми точками
труб 3 и 7; А/ — изменение длины трубы 1 относительно трубы 2,
вызываемое колебаниями температуры.
Плановые смещения слоя А относительно слоя Б могут опре-
деляться одним из двух способов: оптическим или механическим.
При первом способе используется специальный лотапнарат
с центрировочным горообразным приспособлением для принуди-
тельного его центрирования во втулке оголовка знака или длин-
нофокусный микроскоп, снабженные оптическим микрометром.
Визирование производится на специальный целик, прикреплен-
ный к верхней части трубы 7.
Геодезическая основа сооружений
63
При втором способе применяются индикаторы часового типа 7,
связывающие трубы 1 и 3 в двух взаимно перпендикулярных по-
ложениях.
Бурение под знак осуществляется двумя ступенями: верхняя
ступень большим диаметром, чем нижняя.
§ 7. Соотношение точности угловых
и линейных измерений
При построении сетей геодезического обоснования для спе-
циальных инженерно-геодезических разбивок важное значение
имеет равноточность определения длин сторон и углов, включа-
емых в уравнивание. Несогласованность по точности определяемых
длин сторон и измеренных углов усложняет организацию и про-
изводство разбивочных работ.
Для примера рассмотрим сеть в виде ряда равносторонних
треугольников, опирающегося на измеренные базисы АВ и CD
(рис. 25). Ошибки геометрической связи треугольников в таком
построении не позволяют получить одинаковую точность опре-
деления длин сторон, а углы во всех частях сети измеряются
обычно с одинаковой точностью, поэтому соотношение в точности
определения длин сторон и углов в различных частях построения
различная.
Отнесем наши рассуждения к середине построения. С учетом
ошибок измерения базисов и геометрической связи треугольников
относительная ошибка определения стороны 2—3 определится
формулой
.Gy-iim’+im’x
х 2 (CtS2 + CtS2 Si + ct& Ct& 5/)} ’	(6)
где n — количество треугольников в половине ряда, и примени-
тельно к рис. 25 п = 3.
Рис. 25. Ряд равносторонних
треугольников
64
Геодезическая основа сооружений
Предполагается, что оба базиса измерены с одинаковой точ-
ностью.
В равностороннем треугольнике etg2 А + etg2 В + etg А х
X etg В — 1. Следовательно, формула (6) примет вид
(ач(т)ми'- р>
И> (7>
ИЧ'-ВЧЧ’
Если поставлено условие получить точность определения сред-
ней стороны ряда с относительной ошибкой 10“6, то при относи-
тельной ошибке измерения базисов, равной 1 : 200 000, получим
1/ ( тя X» 1	_	1
V \ Л’2,3 /	2 \ b J 1U7 0UU *
Тогда при п - 3 получим туг = 1,9", а при п = 5 туГ —
= 1,5*.
Если не учитывать ошибки измерения базисов, то на основании
(8) можно написать
В этом случае при п — 3 туг — 2,0", а при п — 5 myr — 1,6".
Как показали расчеты, в данном построении учет ошибок изме-
рений базисов не внес существенных изменений.
В сетях в виде цепочки четырехугольников наличие диагона-
лей повышает вес определения длины сторон ряда. Коэффициент
уменьшения ошибок определяется формулой
где N — количество измеренных углов или направлений на рас-
сматриваемом участке ряда; S — количество измерении в цепочке
треугольников, полученной после исключения диагоналей.
В отдельно взятом геодезическом четырехугольнике N — 8,
5 — 6, следовательно, К — 0,75. Этот коэффициент распространяется
и иа цепочку, состоящую из геодезических четырехугольников.
Геодезическая основа сооружений
G5
На основании (7) для цепочки четырехугольников, проложен-
ной между двумя базисами, для средней стороны S можно на-
писать
пли при К --= 0,75
<*»>
Аналогично (8) напишем
«>
Как и раньше, примем
1 У - 1
г V 6' /	2 \ b J 107 000 ’
При п — 4, ?луг — 2,3*, а для шести четырехугольников п -- 6,
туг - 1,8*.
С широким внедрением в производство светодальномеров три-
ангуляцию начали заменять трилатерацией или линейно-угло-
выми построениями. В треугольнике, где измерены три стороны,
ошибку определения угла подсчитывают по формуле [55]
тА = р	V 2 У ctg2 В + ctg2 С + ctg В ctg С.	(12)
Здесь имеется в виду, что все стороны измерены с одинаковой
относительной ошибкой.
Для равностороннего треугольника равенство (12) примет
вид
myr = p-^-/2.	(13)
Если стороны будем измерять с относительной ошибкой
1 : 100 000, то для соответствия точности угловых и линейных
измерений углы надо измерять с точностью, характеризуемой
средней квадратической ошибкой 3*. Если в треугольнике стороны
измерены с относительной ошибкой 1 200 000, то в линейно-угло-
вом построении точность измерения углов должна характеризо-
ваться средней квадратической ошибкой порядка 1,5*.
Если треугольник с разными длинами сторон и все стороны
измерены с одинаковой относительной ошибкой, то для соответ-
ствия точности угловых и линейных измерений углы в треуголь-
нике должны быть измерены с различной точностью.
5 Заказ 437
66
Геодезическая основа сооружений
Рассмотрим треугольник с углами А = 90°, В = 60° и С =
= 30°. На основании (12) можно подсчитать
тА = 2,9р —
Л , m о
mB = 2,4p —
тс = 0,8р
*3
(14>
Если принять $ = 1 : 100 000, то получим тА 6,0";
тв = 5*; тс - 1,6*.
Таким образом, в линейно-угловом построении, рассматривая
отдельно взятый треугольник с углами А - 90°, В = 60° и
С = 30°, принимая вес угла А равным единице, для согласования
точности определения длин других сторон треугольников по-
линейным и угловым измерениям угол В надо измерять с весом
1,4, а угол С — с весом 14.
Такое неравноточное измерение углов, вызванное согласова-
нием линейных и угловых измерений, практически нельзя при-
знать оправданным.
Если все углы в треугольнике линейно-углового построения
измерить с одинаковой точностью, характеризуемой средней квад-
ратической ошибкой 2,0*, то для согласования точности опреде-
ления каждой стороны треугольника по угловым и линейным эле-
ментам точность линейных измерений должна характеризоваться
относительными ошибками
300 000 *
mb __	1
.6 ~ 250 000 ’
тс __	1
~ ~~ 82 ООО '
Такое неравпоточпое измерение сторон рекомендовать к при-
менению в производство нет оснований. Неравпоточность опре-
деления углов в треугольнике с разными длинами сторон по ре-
зультатам линейных измерений можно было бы учесть при помощи
весов при уравнивании, но результаты измерений всех трех сто-
рон не дают свободного члена и тем самым являются непредстави-
тельными для надежного получения весов, а следовательно,
и поправок в измеренные углы. В этих условиях совместное урав-
нивание угловых и линейных измерений, даже с учетом весов,
может внести заметные искажения при уравнивании, что в спе-
циальных сетях планового геодезического обоснования следует
избегать.
Геодезическая основа сооружений	67
Изложенные соображения приводят к выводу о нецелесооб-
разности при линейно-угловом построении измерять все три сто-
роны в неравносторонних треугольниках.
В неравностороннем треугольнике экономически обоснованно
измерять только одну сторону, лежащую против наиболее тупого
угла; при этом точность измерения стороны должна быть согласо-
вана с точностью измерения углов в треугольнике на основе при-
веденных выше формул.
В равносторонних треугольниках для повышения точности
определения координат пунктов и для более полного ослабления
вредного влияния боковой рефракции целесообразно измерять
все три угла и все три стороны треугольника; при этом точность
угловых и линейных измерений должна быть согласована.
Ошибку уравненного значения стороны равностороннего тре-
угольника, в котором измерены все три угла и три стороны, прн
согласованной точности линейных и угловых измерений можно
подсчитать по приближенной формуле
№-)	— •	(15)
\ 3 / урав КЗ р
В ряду треугольников стороны, общие для двух смежных тре-
угольников, будут несколько точнее.
Ожидаемую ошибку определения общих сторон двух смежных
треугольников приближенно можно подсчитать по формуле
ALL.“Trkp- ,1й
Если принять, что ШуГ = 2*, то ожидаемая ошибка определе-
ния длины общей стороны двух смежных треугольников ряда бу-
дет
(ms \	=	1
\ 5 /общ 250 000 ’
а для всех остальных сторон
2*	1
S’ — /з р “ 180 000 ’
Следует еще раз подчеркнуть, что эти расчеты справедливы
только для тех случаев, когда точность угловых и линейных изме-
рений согласована, например, прн средней квадратической ошибке
измерения угла в равностороннем треугольнике пгуг = 2,0* сто-
роны измерены с относительной ошибкой
5 “ U0 000 *
5*
68
Геодезическая основа сооружений
В равностороннем треугольнике трилатерации, входящем в че-
тырехугольник с измеренными диагоналями, ошибка вычислен-
ного угла по уравненным сторонам определяется формулой
тс о
(17)
Из (17)
т8 ___ 1 тУГ
5	2 р ’	v '
При измерении всех трех углов в каждом треугольнике, т. е.
восьми углов в четырехугольнике, для относительной средней
квадратической ошибки определения стороны, с учетом измерения
всех сторон, можно написать
tnS _ ШУГ ^ 8	f 19>
•s’ Р 2 /2 *	v 7
Для общих сторон двух смежных треугольников получим
ЛЦ5Л = J_£L>r.	(20)
\ 5 / общ	2,3 р
При 7пуг = 2,(Г для общих сторон смежных четырехугольни-
ков получим
= 1
\ *5 /общ 2О4 01Ю
Для всех остальных сторон равносторонних треугольников
по формуле (19) получим
ms _	1
5 ” 170 000 ’
Формулы (14) получены для случая, когда стороны трилатера-
ции измерены с одинаковыми относительными ошибками. Однако
в специальных сетях геодезического обоснования длины сторон
сравнительно короткие, поэтому можно считать, что все стороны
измерены с одинаковой средней квадратической абсолютной
ошибкой, независимо от их длины.
В этом случае ожидаемые ошибки вычисления углов тре-
угольника определяются формулами
тл = pms bc s.an л 1/1 + cos2 В + cos2 С
тБ -= pms —Д—-]/' 1 cos2 А -|- cos2 С
т<; = pni s -, п (Y1 -J- cos2 А + cos2 В
(21)
Геодезическая основа сооружений
Рассматривая треугольник с углами А — 90°, В = 60° и С =
30°, получаем
771 Q
тА — 3,3р ——
Tfl а
тБ^- 2,6р ——
тс = 0,6р ——
(22)
Как видно из приведенных расчетов, и в том случае, когда
длины сторон измерены с одинаковой абсолютной ошибкой, углы,
вычисленные по линейным измерениям в треугольнике, неравпо-
точны.
Точность определения координат пунктов в полигонометриче-
ских ходах зависит не только от формы хода, по и от его длины,
числа углов поворота и соотношения точности угловых и линейных
измерений.
При рассмотрении вопросов соотношения точности угловых
и линейных измерений и предвычисления требуемой точности
измерения углов и линий будем исходить из предположения, что
ошибки исходных данных пренебрегаемо малы, а заметное влия-
ние систематических ошибок отсутствует. Влияние систематиче-
ских ошибок угловых измерений исключается при распределении
угловых невязок в ходах с равными сторонами, а влияние систе-
матических ошибок линейных измерений заметно ослабляется при
уравнивании ходов между пунктами с твердыми исходными коор-
динатами.
Влияние ошибок исходных данных можно считать пренебре-
гаемо малым, если отношение относительной суммарной ошибки
измерения по полигонометрическому ходу к относительной ошибке
стороны между исходными пунктами, на которые опирается по-
лигонометрический ход, больше 2,2.
Рассмотрим вытянутый ход. Соотношение угловых и линей-
ных измерений в вытянутом полигонометрическом ходе не имеет
принципиального и определяющего значения, так как влияние
ошибок угловых и линейных измерений пе имеет корреляционной
зависимости. Ошибки линейных измерений действуют на смеще-
ние пунктов в продольном к ходу направлении, а ошибки угло-
вых измерений — в поперечном. Следовательно, влияние этих
источников ошибок можно рассматривать обособленно.
Средняя квадратическая ошибка /П/ (продольный сдвиг) конеч-
ной точки хода, если его рассматривать как висячий, т. е. опираю-
щийся только на один исходный пункт, определяется формулой

(23).
70
Геодезическая основа сооружений
где тп8 — средняя квадратическая ошибка измерения одной
линии.
Имеется в виду, что вытянутый ход имеет одинаковые длины
сторон и все п сторон измерены с одинаковой точностью.
После уравнивания вытянутого хода, опирающегося на два
твердых пункта, продольное смещение средней точки определяется
формулой
пгср = ^-.	(24)
ИЛИ
(25)
Формула (25) может быть использована для расчета точности
линейных измерений в вытянутом ходе с равными сторонами.
Предположим, что продольное смещение средней точки хода
задано величиной Mt. Тогда
.^ = ^„ = ^1.	(26)
Из (26)
При Mt — 5 мм и п — 8 получим т8 = 3,5 мм. При S = 200 м
ms 1
S	57 000 *
Требуемую точность линейных измерений в полигонометриче-
ских сетях следует рассчитывать для хода с наименьшим числом
сторон или для хода со средним числом сторон.
Рассмотрим расчет требуемой точности угловых измерений
в вытянутом ходе с примерно равными сторонами.
Поперечный сдвиг конечной точки хода, подсчитанный от одной
стороны с исходным днрекционным углом, после распределения
угловой невязки поровну на все углы хода определяется формулой
[1161	____
^ = ^-[51 /^3.	(27)
Поперечный сдвиг средней точки вытянутого хода, уравненного
между двумя твердыми пунктами и двумя твердыми дирекцион-
нымн углами, можно принять в 4 раза меньшим ти. Тогда
= Т =	(28)
Из (28)
=	(29)
Геодезическая основа сооружений
71
Как и прежде, примем Ми — 5 мм, п = 8, S = 200 м, тогда
[S] - 1600 м, а
щ3 = 2,7\
При Ми “ 5 мм, п — 16, S = 100 м л [5]	1600 м
шр = 2,0".
Общее смещение пункта можно подсчитать по формуле
2	/	\ 2
+	=	(30>
Если величина М задана, а предельно возможная точность из-
мерения углов определена влиянием внешних условий, то можно
подсчитать требуемую точность измерения сторон хода по формуле-
т| = ±1Л/2 ‘ (^уГф+з1
s И 16 Ч р / L J 12 J
откуда	______________________
(31>
При — 2*, М = 5 мм. п = 8, S = 200 м получим
ms = 2,3 мм или = 87*00 .
Можно решить эту задачу и в отношении определения точности
измерения углов. Так, если известно, например, что линии изме-
рены со средней квадратической относительной ошибкой 1 100000,
при S = 200 м и т8 -- 2 мм
2 УЛ 1 / “12“ 1 / 4М2 а ГТ"
га₽=-рГР V Т+Т V —-ms = 2,r.
Для общего случая поставим условие, чтобы продольное и по-
перечное смещения средней точки вытянутого полигонометриче-
ского хода были одинаковы. В этом случае эллипс ошибок в опре-
делении положения средней точки хода превращается в окруж-
ность.
На основании (26) и (28) напишем
откуда
ms Vn _ 1	1/^ + 3"
2	~ 4 р I*5’1 V ~12~’
ms
/пр [5] Уп-± 3
(32>
2 /12 р Уп
72
Геодезическая осниьа сооружений
или
4 У 3 У п ms	7 Уп ms
т& = [51 /гр Р = [S’] Г^+3Р'
(33)
При 77?р = 2,0*, л - 8 и [5] = 1600 м получим
О *7	mS	1
ms = 2,7 мм или — =	.
При ms — 5 мм, п — 8 и 15] - 1600 м получим
т$ = 3,8*.
Рассмотрим ломаный ход. Влияние ошибок угловых измерений
на смещение конечной точки хода определяется формулой
(34)
где £>ц. t — диагональ, соединяющая центр тяжести хода с i-й
точкой хода.
Рассмотрим аналогичный ход по длине и количеству сторон
как вытянутый и подсчитаем сдвиг конечной точки хода по фор-
муле (27), не принимая во внимание изломанпость хода,
4 = ^1(35)
Величина т'ц окажется всегда болыпе
Возьмем отношение этих величин
х = -S. = 151	(36)
Вычислим коэффициент К для полигона кольцевой формы
(рис. 26). Все точки хода расположены на окружности радиусом 7?,
а л конечная точка В расположена в непосредственной близости
к начальной точке А хода. В точках Л и В имеются направле-
ния с известными дирекционнымн углами аисх. Рассмотрим ход
с максимально допустимым количеством сторон 15 п средней
длиной стороны 5ср — 300 м.
Центр тяжести ЦТ такого хода будет совпадать с центром
окружности, следовательно,
2^.1=16Д!;
Длину хода можно приближенно выразить формулой
[S| = 2nR = 6.28/?.
Геодезическая оснона сооружений
по (36)
К = 1,9.
Отсюда можно сделать вывод, что максимальное смещение
точек хода, вызываемое ошибками угловых измерений в вытяну-
том ходе, в 1,9 раза больше, чем в ходе кольцевой формы такой же
длины и с таким же количеством сторон.
Рассмотрим такой же ход, но с количеством сторон 8 при длине
каждой стороны 300 м. Будем иметь
J/S Ри.< = 3й; 77=400 м= KS^b”1200 ">
[5] = 2400 и;	- 0,96.
Получаем то же значение Л", т. е.
К = 1,9.
Рассмотрим ход в виде полуокружности с 16 сторонами длиной
по 300 м, как изображено на рис. 27.
В таком ходе
” = 5020 м,
[51 = 4800 м,-
/S3 - 1.25.
Следовательно,
К = 1,2.
74
Геодезическая основа сооружений
Рис. 29. Ход из трех прямолиней-
ных частей с двумя изломами ио 90°
Рис. 28. Ход из двух прямолиней-
ных ветвей, образующих угол 90е
Если в ходе, показанном на рис. 27, количество сторон длиной
по 300 м равно 8, то
/2^. =1980 “•
[S] = 2400 м,
У= 0,96.
И снова получим значение К, свойственное ходу в виде полу-
окружности, т. е.
£ = 1,2.
Рассмотрим ход из двух прямолинейных ветвей, образующих
угол в 90° (рис. 28)чКоличество сторон в ходе 16, длиной по 300 м.
В этом ходе
V /)£ , = 4750 м,
[SJ = 4800 и,
1,25,
Х = 1,25.
Рассмотрим такой же ход, но длиной 2400 м и с 8 линиями.
Тогда
/2 pi.< = 1900 “
[SJ = 2400 м,
= 0,96,
г	1м
£ = 1,2.
Геодезическая основа сооружений
75
Наконец, рассмотрим ход, состоящий из трех прямолинейных
частей с двумя изломами по 90° (рис. 29). Длина хода 4500 м.
количество сторон 15. Имеем
/V7^^345O м.
[S] = 4500 м,
!LJ.= 1,23,
К = 1,6.
Как показали исследования, во всех случаях ошибки угловых
измерений в вытянутых ходах влияют больше, чем в ломаных,
если сравнивать ходы одинаковой длины и с одинаковым коли-
чеством сторон.
Выше рассмотрен вопрос без учета корреляционной связи
угловых и линейных ошибок, которая в ломаных ходах имеет су-
щественное значение. Для исследования этого вопроса рассмотрим
отношение ожидаемого поперечного смещения средней точки вытя-
нутого хода к продольному смещению этой же точки. Это отно-
шение обозначим через Q, тогда па основании (26) и (28) после
несложных преобразований можно написать
m [5]
(37)
При ?пр = 2,0*, [5] = 4500 м, п = 15 и та — 6 мм получим
<2 = 1.
Как видно из выражения (37), величина Q в вытянутом ходе,
зависит от соотношения точности угловых и линейных измерений,
количества сторон и длины хода.
В вытянутом полигонометрическом ходе, уравненном между
двумя пунктами с исходными твердыми координатами и двумя
сторонами с твердыми дирекционными углами на концах хода,
максимальный сдвиг имеет точка, расположенная в середине хода
при любом значении величины Q. Иначе говоря, середина вытяну-
того полигонометрического хода — наиболее слабое определяемое
место.
В вытянутом полигонометрическом ходе с равными сторо-
нами ошибку определения дирекциопных углов сторон хода,
уравненного за условие дирекционных углов и координат, для
всех сторон можно считать одинаковой; она в зависимости от ко-
личества сторон хода определяется формулой
/п? —-Ini
-iifery	<38>
76
Геодезическая основа сооружений
	Таблица 4	Т а блица 5
Число углов	М	Число углов	Л/ В ММ
К ходе nt	а	в ходе п,	ц
11)	0,78«<р	11	2.7
12	O,85mp	13	3.4
11	О,93'«0	15	4.2 тр
Hi	0.99/нр	17	5,1
Здесь п! — число измеренных углов в ходе (число сторон
Л	71 j — 1).
Средняя квадратическая ошибка Л/а, подсчитанная по формуле
(38), представлена в табл. 4.
Поперечный сдвиг средней точки вытянутого хода с равными
сторонами, уравненного за условие дирекционных углов и коор-
динат, определяется формулой
Если среднюю длину линии принять 206 м, то формула (39)
примет вид
Величины поперечного сдвига средней точки хода, вычислен-
ные по формуле (40), приведены в табл. 5.
В ломаном ходе точкп с наиболее слабо определяемым поло-
жением находятся не в середине. Их положение зависит от формы
хода и соотношения точности угловых и линейных измерений.
Коэффициент отражающий отношение суммарного влияния
ошибок угловых измерений па сдвиги пунктов к влиянию ошибок
линейных измерений, определится формулой
2pms V п
Если не требуется особой строгости предвычпсления, то вели-
чину ]/ 2 можно заменить выражением
(42)
Геодезическая основа сооружений
77
Тогда
'"ejfl	(43)
2 V I2pms VпК
Как показали исследования, величину К приближенно можно
принять:
а)	для замкнутых полигонов кольцевой формы К = 2,0;
б)	для ходов в форме полуокружности К = 1,2;
в)	для ходов с одним изломом в 90° К - 1,2;
г)	для ходов с двумя изломами в 90° К = 1,0.
§ 8. Испытание проектов построений
специальных сетей геодезического
обоснования методом математического
моделирования
Монтаж крупногабаритных машин и установок, состоящих
из многих эломентов п связанных единым технологическим про-
цессом, обычно начинается с установки в проектное положение
отдельных элементов, расположенных в разных частях установки
и разнесенных па значительные расстояния.
В этих условиях для обеспечения проектного режима работы
всей установки или машины предварительное испытание проектов
построения сетей геодезического обоснования приобретает особо
важное значение. В процессе испытаний проектов геодезических
сетей ставится задача получить ожидаемые ошибки в координатах
пунктов во всех частях построения и особенно в местах, наиболее
слабо определяемых.
Достаточно полно выявить возможные искажения при заданных
точностных характеристиках измеряемых элементов сети позво-
ляют математико-статистические методы оценки проектов по-
строения. Эти методы называют методами математического моде-
лирования или методами искажения математических моделей. Ма-
тематико-статистические методы испытания связаны с выполне-
нием большого объема вычислительных работ. В настоящее время
в особо ответственных заданиях математико-статистические ме-
тоды используются не только для испытания проектов сетей гео-
дезического обоснования, по и всего технологического процесса
ипженерпо-геодезических измерений, выполняемых при высоко-
точных монтажных работах. Они применяются и при определении
фактического положения элементов установленного оборудования
в период пусконаладочных работ.
78
Геодезическая основа сооружений
При испытаниях, т. е. при оценке точности проектов построе-
ния геодезических сетей, или при испытаниях проекта техноло-
гического процесса высокоточных инженерно-геодезических изме-
рений, для установки оборудования в проектное положение при-
нимается, что ошибки геодезических измерений подчиняются
закону нормального распределения Гаусса.
Принцип испытания геодезических построений методом иска-
женных математических моделей заключается в следующем. По со-
ставленному проекту сети графически определяют величины всех
подлежащих измерениям элементов: базисы, выходные стороны,
углы, стороны, дирекционные углы. Проект сети должен возможно
близко приближаться по геометрической форме к построению,
которое будет закреплено в натуре.
Измеренные графически элементы должны удовлетворять всем
условиям, возникающим в сети, т. е. условиям фигур, сторон
(синусные условия), базисов, дирекционпых углов и координат.
Последние два условия в специальных сетях геодезического обо-
снования не возникают, так как с целью избежания неоправдан-
ных искажений измеренных элементов при уравнивании сети
строят свободными с одним исходным пунктом и одним исходным
дирекционным углом. Для увеличения жесткости построения
предусматривают измерение двух или нескольких базисов или
применяют линейно-угловой метод построения.
Измеренные графически элементы сети, строго удовлетворя-
ющие всем возникающим условиям, принимаются в качестве ис-
тинных значений.
В сложных сетях на основе графических измерений элементы
сети (углы и длины сторон), удовлетворяющие всем условиям,
возникающим в сети, получить трудно. Поэтому графически опре-
деляют только координаты пунктов. Далее, принимая эти коорди-
наты за истинные, вычисляют величины всех элементов сети, под-
лежащих измерению в натуре.
При этих вычислениях количество удерживаемых цифр должно
соответствовать точности предполагаемых измерений. Так, при
средней квадратической ошибке измерения углов 1,0* значения
углов и дирекционпых углов надо вычислить с удержанием не ме-
нее чем десятых долей секунд, а в длинах линий следует удержи-
вать миллиметры или десятые доли их.
Проект построения с истинными значениями всех элементов,
которые будут измеряться в натуре, рассматривается как исход-
ная математическая модель для испытания ее геометрических
свойств и подсчета ожидаемых искажений при заданных точност-
ных характеристиках измерений. Свободные члены всех условных
уравнений в такой сети равны нулю. Затем все элементы, которые
будут измеряться в натуре, искажаются путем внесения случай-
ных ошибок измерений. Эти искажения можно произвести лоте-
Геодезическая основа сооружений
79
рейным способом или путем получения случайных величин
на ЭВМ.
При получении случайных ошибок для искажения истинных
значений элементов сети лотерейным способом используются
специальные таблицы, составленные по интегралу вероятностей.
ф(')=ткУе'~ах’
о
где 2л = 6,283 1853; е = 2,718 282; t — Д — случайная
ошибка, для которой подсчитывают число появления в интервале
от 0 до t* т — принятая средняя квадратическая ошибка; х —
„	„	к—пр
биноминальное распределение переменной величины; х -~у==-\
к — количество раз появления событий при п испытаниях; р —
вероятность события; q — вероятность противоположного со-
бытия.
Изменение шага t при наборе случайных ошибок для лотереи
можно принять величиной в 0,1 т. Так, если предполагается из-
мерение углов с точностью, характеризуемой средней квадрати-
ческой ошибкой 1,0*, то можно принять интервалы от нуля до 3
через 0,1.
При многократных измерениях элементов сети и установлен-
ных допусках на расхождения результатов измерений трудно
предполагать, что среднее значенпе из всех приемов измерений
будет иметь ошибку, превышающую величину 3m, поэтому ошибки
для интервала i, большего 3, в лотерею включать не следует. Чем
больше ряд измерений, тем большая вероятность появления
ошибки, большей по величине. Так, в ряду из 1000 измерений
три ошибки могут выйти за предел 3 т. Поэтому количество оши-
бок, включаемых в лотерею, можно ограничить числом 400.
Все элементы построения, которые предусмотрены проектом
к измерению в натуре, следует пронумеровать последовательной
нумерацией; затем значения этих элементов, принятые за истин-
ные, исказить ошибками.
С целью повышения надежности эксперимента полезно парал-
лельно иметь вторую лотерею, в которую будет включен ряд но-
меров, предназначенных к измерению в натуре элементов сети.
В этом случае сначала из лотереи выбирают номер элемента, а за-
тем из другой лотереи — величину случайной ошибки, которую
следует отнести к этому номеру элемента сети.
В настоящее время в геодезическое производство широко внед-
рены электронные вычислительные машины. Набор случайных
чисел, подчиняющихся закону нормального распределения, при
80
Геодезическая основа сооружений
помощи ЭВМ значительно проще, чем лотерейным способом. Для
многих марок ЭВМ имеются специальные программы получения
случайных величин, которые позволяют эту операцию выполнить
с затратой времени меньше 1 мин, с получением ряда случайных
величин в виде печатной цифровой записи. В данном случае более
обоснованно говорить не о средних квадратических ошибках т,
которые являются приближенной величиной стандарта а, а о са-
мой величине стандарта.
Параметры получаемых чисел обычно устанавливают М (х) —
— 0, о = 1, т. е. х £ N (ОД), где М (х) — математическое ожи-
дание.
Для многих машин имеются программы получения рядов
равномерно распределенных чисел. В этих случаях нормальные
ряды распределенных чисел можно получить следующим образом.
Пусть имеется ряд последовательностей равномерно распре-
деленных чисел в интервале (ОД) с параметрами — 0,5, стх =-- 1.
Для того чтобы получить х £ N (ОД), надо пронумеровать
последовательности равномерно распределенных чисел Н/
п
1'1
Практически достаточно взять п = 12, М (£) = Мхд ==
Возьмем
" t п
тогда
М (х) = 0, ст (х) = у "|Л у = 1,
т. е. х £ N (ОД).
Если требуется получить у £ N (0,2), то достаточно взять у =
= кх. Параметр к находится из условия ст (у) = кв (х), т. е.
в данном случае к — 2 и у - 2х.
Машина выдает случайные числа, подчиняющиеся закону
нормального распределения, из бесконечного ряда чисел, поэтому
возможно появление случайных ошибок величиной, значительно
превышающей тройную величину стандарта ст.
Поэтому в программу получения случайных величин, подчи-
няющихся закону нормального распределения, необходимо на-
ложить ограничение
| х | < Зст.
После внесения искажений в истинные значения элементов
сети появятся невязки, после чего, принимая искаженные вели-
Геодезическая основа сооружении
81
чины элементов как измеренные значения, производят строгое
уравнивание, из которого получают поправки к искаженным
значениям.
Эти поправки не соответствуют ни по величине, пи по знаку
внесенным искажениям, но геометрические условия в сети будут
удовлетворены. При определенном сочетании внесенных искаже-
ний в истинные значения полученные поправки могут оказаться
по величине значительно больше и даже знаки поправок могут
совпадать со знаком внесенных искажений.
Сумму внесенного искажения А/ и полученной из уравни-
вания поправки vt с учетом знаков принято называть остаточ-
ной ошибкой е,
Ei = Af-h ut.
Полное суждение об искажениях во всех элемептах сети дает
сравнение истинных значений элементов сети с полученными зна-
чениями тех же элементов после уравнивания.
Из этих сравнений можно выявить искажения в значениях уг-
лов, дирекционных углов, длинах сторон и координатах. Конечно,
сочетания случайных ошибок измерений как по величине, так и по
знакам могут быть разнообразными и в зависимости от геометри-
ческой формы построения будут вносить различные по величине
искажения. Для полного изучения возможных искажении в по-
строении после уравнивания всех измерений необходимо произ-
вести несколько серий искажений. Это вызывает необходимость
повторного уравнивания сети после внесения каждой серии иска-
жений.
§ 9. Оценка точности радиусов
кольцевых сетей
Как отмечалось, на практике при высокоточных инженерно-
геодезических работах часто возникает необходимость построения
кольцевых сетей без измерения радиальных сторон. При этом
основное внимание обращается на точность определения положе-
ния пунктов вдоль радиуса.
Рассмотрим оценку точности одного из возможных решений
такой задачи. Пусть точки 4, В, С, D и Е — пункты кольцевой
сети, по форме близкой к окружности. Длину радиуса можно
вычислить по формуле (рис. 30)
К ( =	.	(44)
2 cos	2 cos а2	' '
6 заказ 437
82
Геодезическая основа сооружений
Рис. 30. График сдвигов пунктов после уравно-
вешивания
Обычно известны только длины линий и сумма углов cq и а2
0^4- сс2 — cpi arc cos	—J-arc cos t,»1 «	(45)
(	2/1 i
Из равенства (45) нетрудно получить
1/ 1 —-----L—. 1/1-------Цг- = cos (f г
----V 4Я* V
(46)
В данном случае 4Я f поэтому равенство (46) можно
упростить
±2LJ_ — 14 ' I	' ':1
4/?; Г 8/?;2 "Г 8Я?	64Л?
(47)
Пренебрегая no малости последним членом левой части ра-
венства (47), после несложных преобразований получаем
7Л
4 cos До-
(48)
определим зависимость ошибки
от ошибок измеренных величин
dHt г-. —££<--1- dS‘"
4 cos —	4 cos 4 cos-
м
полагаем, что	S/+1	S, (р,	ф/+1	q .
вычисления длины радиуса
S sin
4-------5-d<Pf,	(49)
Геодезическая основа сооружений
83
Для упрощения дальнейших выкладок введем обозначения
----Чг = я*:
4 cos -гр
А
5 sin
Я (D г-
, ,ф Т*8^- = А2.
4 cos- -у
С учетом коэффициентов и К2 уравнение (49) примет вид
I dR{ —	dSt 4” К J	+ Кdtyt*	(60)
В связи с тем что для каждого пункта можно вычислить три
значения радиуса (см. рис. 32), найдем ошибку его среднего
значения
ОЛф. -----------3---------f “y	-Tj—СЮ/+1 -|-3-CW/+2 "Г
<51>
Ошибка вероятнейшего значения радиуса, определенного как
среднее арифметическое всех значений радиусов, равна
2 dfiep.;
где п 5 — число пунктов сети.
Легко убедиться в том, что
--^-2^;- £2^-	(52)
i=i	io
Ошибка определения уклонения радиуса от его вероятнейшего
значения равна
p=/-i
d (Mi,",) = dH" t-dRMV = -^- ^dSp + K.	dSt 4-
P-0
+	-H Kl dSM+Kx ^±dSM -
P=n	p<“i~l	p~i+2
P-t -»	p-о	p-i
p-n
- v" 2dvp’	(>3)
P-b3
84
Геодезическая основа сооружений
причем
dS0 — d<po = 0.
Ошибку разности двух соседних радиусов найдем из выраже-
ния
(6Я) — dR ср, {— dRср ;+1 =	(dSi ~ dS(+1 ^/+3 — ^/+4) 4*
+	<(<Р<+з)-	(54)
Как нетрудно убедиться из формул (49)—(54), систематические
ошибки сторон изменяют величины радиуса и его вероятнейшего
значения на величину 2К, AS (AS — систематическая ошибка сто-
роны) и не влияют на уклонение радиуса относительно вероятней-
шего радиуса (от вероятнейшей окружности) и на разность двух
соседних радиусов. Систематические ошибки углов легко выяв-
ляются при определении невязки многоугольника и учитываются,
поэтому их влияние не рассматривается.
Действие случайных ошибок измерений на рассмотренные ве-
личины соответственно равно
ткср“ g Kims+ 3 тч>
о *2
Чвер = —	+ —
Г; (Юн-36)	п_3 л
tnbR “ 9м mS + 3n %2 тУ
4К?	„	2К%	,
m5fi = -Г ms + — тч
(55)
Если правые и левые части приведенных равенств разделить
на Я’, то после несложных преобразований получим относитель-
ные средние квадратические ошибки
— 2	2 tg2 —
тяср _ 10 ms |_ g 2	2
“ 9 ' £2 "*	12 m<p
т/< вер 4 ms , lg2^"	2
-r5--V~+ 4n	(56)
"is lOn-36	ms	,	(n-3)lg2‘2'	m2
Rt	~ 9n	S3	‘	12» ф
miR _ 4 ms , tg2~2~ a
R- ~ 9 ’ S' + 1»	ф
Геодезическая основа сооружений	85
Нетрудно убедиться в том, что в тех случаях, когда изме-
ряются не углы поворота, а высоты треугольников Л, коэффициен-
ты Klfl и K2ft имеют вид
5 cos	-Ь ft	.
Л-,а---------£- =—Ф:
4S cos2 -i-	2 cos2 -i-
£
=	1 ф»
4 cos2 -i-
a равенства (55) соответственно изменяются
m2 10 JT т»2 1 ^2A
—4-------------------g-Wft,
2	_	2 , ^2h	2.
mR вер------— ms H—-— mh,
К?л(10п-36)	2 г.
R =-------+ 3n Л 2Л mh »
2 4K*h 2 t 2A*a t
ms + -<r- mt
где mh — средняя квадратическая ошибка измерения высоты
треугольника.
Анализ приведенных формул показывает, что точность опре-
деления радиуса окружности во многом зависит от формы сети,
причем чем больше пунктов поворота, тем точнее необходимо
мерить углы поворота или высоты треугольников.
Для более точного определения длины радиуса при заданной
точности измерений число пунктов в кольцевой сети, близкой
к окружности, должно быть минимальным, но, очевидно, не менее 3.
Глава III
Линейные измерения
§ 10. Измерение линий мерными
жезлами
В прикладной геодезии находят применение три метода вы-
сокоточного измерения линий.
Первый метод основан на использовании мерных жезлов,
второй — мерных проволок и лент и третий — оптико-электрон-
ных приборов.
Мерные жезлы используются, как правило, при измерении
сторон опорных сетей длиной до 8—12 м и при измерении отдель-
ных отрезков линий для привязок базовых точек физического
и технологического оборудования к пунктам опорных сетей. Наи-
большая производительность работ получается, когда линия из-
мерена не более чем тремя уложениями. Линин большей длины
измеряют мерными проволоками и лентами. Проволоки приме-
няют главным образом при измерении сторон опорных сетей.
При этом для повышения точности измерений стремятся, чтобы
длина проволок была равна длине измеряемой линии. Однако
проволоками длиной более 50 м пользоваться неудобно, поэтому
возникает необходимость в последовательном уложении мерной
проволоки, что приводит к дополнительным ошибкам. В последнее
время с появлением оптико-электронных методов измерения рас-
стояний стало возможным измерять линии длиной до нескольких
сотен метров. Эти методы особенно пригодны при необходимости
выполнения дистанционных измерений. Кроме того, они позволяют
осуществить автоматизацию линейных измерений.
В практике геодезических работ при измерении коротких от-
резков длин (до 3—4 м) иногда непроизводительно использовать
наиболее распространенные при линейных измерениях мерные
проволоки, применение которых связано с наличием большой
бригады исполнителей, громоздких устройств для натяжения
и отсчитывания. В таких случаях с успехом можно использовать
различные мерные жезлы. Разработанные и применяемые в на-
стоящее время мерные жезлы подразделяются по конструкции
на жезлы с жестким и гибким мерным телом. По системе отсчиты-
вания их делят на концевые, штриховые и штрихоконцевые.
Линейные измерения
87
1. Жезлы с жестким мерным телом
Как показал опыт работы, для коротких расстояний до 0,5 м
возможно применение жезлов, где мерное тело одновременно
является несущей конструкцией. При использовании таких жез-
лов для более длинных расстояний (до 2 м) возникают недопусти-
мые ошибки из-за деформации (прогиба) мерного тела в случае
изменения положения точки опоры. В этом случае находят при-
менение жезлы, в которых жесткое мерное тело выполняет лишь
измерительные функции. Рассмотрим наиболее характерные кон-
струкции жезлов с жестким мерным телом.
К о и ц е в ы е м о р н ы е ж е з л ы. Конструкции конце-
вых мерных жезлов зависят от целей и условий их использования
и отличаются в основном системами отсчитывания. Для измерения
коротких линий, закрепленных на концах геодезическими зна-
ками с посадочными втулками, можно с успехом использовать
концевой жезл с индикаторными отсчетными насадками (рис. 31).
Жесткое мерное тело в виде инварного стержня 4 со сфериче-
скими концами помещено в защитный кожух 5 с заглушками на
концах. В средней части трубы установлена центральная диа-
фрагма 6*, которая жестко связывает инварный стержень с защит-
ным кожухом в этой точке. Между заглушками и центральной диа-
фрагмой располагаются поддерживающие диафрагмы 7. Свободное
расположение тела инварного стержня относительно центральной
диафрагмы исключает влияние удлинения кожуха на его длину
при температурных вариациях окружающей среды. На концах
защитного кожуха прикреплены опорные диски 2 с центральными
отверстиями, снабженные с нижней стороны постоянно закреплен-
ными сферическими упорами для устойчивого положения прибора
па знаках. Для обеспечения соосности жезла и ножек индикатор-
ных насадок па опорных дисках имеются лагеры, выполняющие
роль направляющих. Индикаторная насади а представляет собой
индикатор часового типа 3 с диапазоном работы 0 -4“ 10 мм с пло-
ской ножкой, жестко смонтированной на специальном фигурном
(’пс. 31. Концевой жезл с индикаторными отсчетными насадками
88
Линейные измерения
вкладыше. Регулировка индикаторной насадки по высоте осуще-
ствляется при помощи гайки 1.
При изготовлении индикаторных насадок особое внимание уде-
ляется сведению до минимума возможных люфтов вкладышей
во втулках геодезических знаков. Доведение диаметров вклады-
шей до номинальных размеров (с точностью 3—5 мкм) на токарных
станках — процесс длительный и трудоемкий, так как связан
с периодическим охлаждением обрабатываемой детали для конт-
рольных замеров. Поэтому в настоящее время применяется метод
хромирования вкладышей для доведения их диаметров до номи-
нальных размеров. Этот метод довольно эффективен тем, что обыч-
но в гальванических ваннах слой хрома толщиной в 20 мкм на-
носится на обрабатываемую деталь в течение 1 ч. Таким образом,
точность изготовления детали заданного размера в ванне зависит
лишь от времени ее обработки в ванне и нс зависит от качества
обрабатывающих станков. Для ликвидации коиусообразности
вкладыша применяют поясковое хромирование с различной толщи-
ной покрытия.
Компарирование жезла производят либо на измерительных
машинах типа ИЗМ, либо на оптико-механическом компараторе.
Компарирование индикаторной насадки удобно производить на
универсальном микроскопе УИМ-21. Для этого вместо центров
в бабки УИМ-21 вставляют стержни со сферическими головками.
Посередине направляющей бабки закрепляют втулку так, чтобы
ее центр проходил через линию, соединяющую центры сфериче-
ских головок, что проверяют по главному микроскопу путем
перемещения продольной каретки. Затем вставляют во втулку ин-
дикаторный вкладыш, упирают его пожку поочередно в сфериче-
ские головки и, поворачивая вкладыш на 180°, снижают отсчет
по индикатору. Искомую величину индикаторного вкладыша (рас-
стояние от оси вкладыша до конца ножки индикатора) вычисляют
по формуле
___ s -I- -4- b?
и 2	’
где е — расстояние между сферическими головками стержней,
определяемое непосредственно на УИМ-21; Ьг и 6S — отсчеты по
индикатору при касании его ножкой сферических головок.
Ошибка такого компарирования индикаторного вкладыша
обычно составляет 3—5 мкм. Прн измерении расстояний между
геодезическими знаками установка жезла в рабочее положение
может осуществляться по цилиндрическому уровню, расположен-
ному на кожухе.
Расстояния обычно измеряют в прямом и обратном направле-
ниях; снимают отсчеты по шкалам индикаторов при нескольких
сдвигах жезла вдоль измеряемой линии в пределах диапазона
Линейные намерения
89
работы обоих индикаторов. Для предотвращения влияния возмож-
Hbix люфтов между втулками знаков и индикаторными насадками
применяют метод качания насадок. Отсчеты производят при от-
.катни и прижатии насадки к жезлу.
Формула вычисления длины линии при этом будет
£ — -^ж + (и1 + **#) ~~ (а1ер + ^Эср) + (^и — k) -^ж«»
где Лж — компарированная величина жезла; ии ut — компари-
рованные величины индикаторных насадок; а1ср, а2ср — средние
величины отсчетов по индикаторам при прижатии и отжатии
индикаторных насадок; а — коэффициент линейного расширения
инварного жезла; tn — температура жезла при измерении; —
температура жезла при компарировании.
Как показал опыт измерения подобными жезлами на Ереван-
ском ускорителе, средняя квадратическая ошибка определения
линий длиной 8 м (два уложения четырехметрового жезла) со-
ставила 30 мкм. За трехлетний период длина жезла опорной сети
изменилась лишь на 20 мкм.
Имеется опыт измерения линий жезлами подобной конструк-
ции длиной 8 м. Недостаток такого жезла — громоздкость (масса
жезла превышает 30 кг). Такой жезл нельзя непосредственно
устанавливать на геодезические знаки консольной конструкции,
так как это вызывает наклон знаков и, следовательно, ошибки
в измерениях. В этом случае жезлы необходимо укладывать на
специальные штативы, не связанные со знаком.
Для определения расстояний между какими-либо базовыми
поверхностями применяются концевые жезлы с микрометренными
отсчетными устройствами. Конструкция таких жезлов аналогична
конструкции штихмассов. Иногда находят применение жезлы,
конструкция которых аналогична конструкции нутромеров, ши-
роко используемых в машиностроении. Разница состоит лишь
в том, что жесткое мерное тело в них выполнено из инварного
прутка.
Штрихоконцевые мерные жезлы. Штрихо-
концевые мерные жезлы находят применение в основном при из-
мерении в опорных сетях высот вытянутых треугольников. На
рис. 32 показана конструкция жезла, который применяется для
измерения высот треугольников в опорной сети Ереванского
синхротрона. Прибор состоит из инварного стержня 7, на одном
конце которого установлена сфера S, а на другом — стеклянная
ш калка 1 с миллиметровыми делениями. Над шкал кой в специаль-
ном кронштейне 4 установлен микроскоп 3, имеющий вертикальное
и азимутальное перемещения. Ось стержня приводится в горизон-
тальное положение по уровню 6 подъемными винтами 5, Р. Жезл
имеет индикаторную насадку 10, вставляемую во втулку геодези-
ческого знака. Измерения производят при нескольких сдвигах
90
Линейные измерения
Рис. 32. Штрихоконцевой мерный жезл с индикаторной насадкой
прибора со снятием отсчетов по индикатору и но микроскопу
на штрих шкалки и края струны 2. Как показал опыт, ошибка
таких измерений составляет 15 мкм при длине жезла 1 м.
Очень часто для измерения небольших по величине высот или
ординат применяется штрихоконцевой жезл, отличающийся от
предыдущего жесткой шариковой посадкой на одном из концов
(рис. 33). В жезле посадочный шарик 1 жестко связан с инварным
стержнем. Над шариком установлена стеклянная пластина 3
с визирной целью. Инварный стержень заключен в защитный
кожух 4. Ориентировка жезла осуществляется по хвостовику 2
относительно риски на геодезическом знаке.
При компарировании жезла определяется эксцентриситет Е
визирной цели пластины 3 относительно оси шарика, а также рас-
стояние между этой целью и нулевым штрихом шкалы 5 с милли-
метровыми делениями, располагающимися ближе к шаровой
посадке.
При измерениях жезл выводится в горизонтальное положение
по цилиндрическому уровню, установленному на кожухе.
Для вычисления измеренного расстояния от оси втулки до оси
струны применяется формула
L = Ьж + л, -f- (Ош+ Ос) 4- 4 + Е 4- (<н - <к) Ежа,
Рис. 33. Штрихоконцевой жезл с шариковой посадкой
Линейные намерения
91
где L* — компарированная величина между визирной целью
н 0 шкалы в миллиметрах; л( — расстояние от 0 шкалы до наблю-
даемого младшего штриха; Ош — отсчет по микроскопу на млад-
ший штрих; Ос — отсчет на край струны, ближний к младшему
штриху; d — диаметр струны; Е — эксцентриситет визирной
цели относительно оси шарика; tB — температура жезла при из-
мерении; — температура жезла при компарировании.
Штриховые мерные жезлы. В инженерной гео-
дезии штриховые мерные жезлы находят широкое применение
ис только для измерения расстоянии, но и как метры-эталоны при
компарировании. На Ереванском и Серпуховском ускорителях
при компарировании применяются метры-эталоны, выполненные
из плавленого кварца. Метр-эталон изготовлен в виде прямоуголь-
ного параллелепипеда сечением 20 х 20 мм с хромовым покры-
тием на рабочей полированной поверхности. Хромовый слой
толщиной 0,1—0,3 мкм наносится методом вакуумного напыления.
Алмазным резцом на хромовой поверхности нанесены осевые линии,
штрихи и оцифровка. Торцовые части жезла шлифованы и поли-
рованы, что позволяет использовать его и в качестве концевого
эталона. Для предохранения от случайных толчков и ударов квар-
цевый жезл помещается в футляр, выстланный внутри поролоном
или другим упругим материалом. Жезл такой конструкции по-
казал высокие эксплуатационные качества как эталон.
На Ереванском синхротроне изготовлен трехметровый компа-
раторный жезл, выполненный .из сваренных между собой трех от-
резков кварцевых труб, заключенных в общий кожух. Через
каждый метр жезл имеет стеклянные шкалы с делениями, при-
клеенные к кварцу. Жезл применяется для измерения трехметро-
ных пролетов между микроскопами компаратора. Его длина
сравнивается с длиной метра-эталона.
Кварцевые жезлы обладают весьма малым коэффициентом ли-
нейного расширения (до 5-10"’ градус'1), стабильностью во вре-
мени. Недостаток их — хрупкость.
Для измерения коротких линий между геодезическими знаками
в производственных условиях применяются штриховые жезлы
с твердым телом в виде инварного стержня. Конструкция такого
жеэла представлена на рис. 34. Инварный стержень 3 имеет
на концах стеклянные шкалы 5 с миллиметровыми делениями.
Стержень заключен в защитный кожух 4 и с одной стороны жестко
с ним скреплен. Отсчитывание производят при помощи компара-
торного микроскопа 2, установленного на подставке, имеющей
регулировочные устройства. Если фланцы всех геодезических
знаков выставлены горизонтально, то вертикальность микроско-
пов обеспечивается такой подставкой автоматически при условии
предварительной выверки их. Отсчеты производят на одни из штри-
Хов шкалы и на визирную цель марки-вкладыша I, вставляемой
И2
Линейные измерения
Рис. 34. Штриховой жезл с твердым телом
во втулку геодезического знака. Измеряемое расстояние вычис-
ляют по формуле
*£== (ах— bi)— (<ц—	4" SK Д$ + АЛ,
где S — искомое расстояние; alt bt — соответственно отсчеты
по микроскопу на крест марки и штрих шкалки переднего
знака; as, bt — соответственно отсчеты по микроскопу на крест
марки и штрих шкалки заднего знака; SK — расстояние между
штрихами жезла по результатам компарирования; АЛ — поправка
за превышение между знаками; At — поправка за температуру
жезла.
Как показал опыт работ, ошибка измерения линий описанным
жезлом длиной 1 ~ 3,5 м составляет т = 0,02 мм.
2. Жезлы с гибким мерным телом
Жезлы с гибким мерным телом применяют преимущественно
для измерений линий длиной от 2 до 4 м. В качестве мерных тел
в таких жезлах применяют инварные ленты и проволоки, заклю-
ченные в легкий кожух. С одной стороны гибкое мерное тело жест-
ко скреплено с кожухом, с другой — через пружину [7]. Жезлы
могут быть штрихоконцевые и штриховые. Основные отсчетные
узлы и их компоновка в различных конструкциях таких жезлов
мало отличаются от подобных узлов в жезлах с жестким мерным
телом и здесь не рассматриваются. Несмотря на явный выигрыш
в массе при применении гибких мерных тел, длина жезла этой
конструкции также ограничена. Известно, что оптимальное на-
тяжение для инварной проволоки диаметром 1,67 мм — 10 кг.
Пружина, создающая такое натяжение, имеет эластичность 0,1 4~
—- 0,3 мм/кг. Таким образом, при изменении длины пружины
на 0,1 4- 0,3 мм (например, вследствие температурной или меха-
нической деформации кожуха) натяжение мерного тела изменится
Линейные измерения
93
Рис. 35. Жезл^с гибким мерным телом и натяжным устройством
на 1 кг. Это вызовет, в свою очередь, изменение длины мерного
тела. Например, инварная проволока диаметром 1,67 мм и длиной
1 м при изменении нагрузки в 1 кг изменяет свою длину на 30 мкм.
Для создания постоянного натяжения инварной проволоки в жез-
лах с гибким мерным телом применяется рычажное устройство,
компенсирующее деформации кожуха, с отсчетным приспособле-
нием, контролирующим его работу (конструкция такого жезла
предложена инж. В. В. Штормом). Один конец проволоки 1
жестко скреплен с кожухом 2, а другой прикреплен к малому
плечу рычага 7, расположенному вертикально (рис. 35). Крутя-
щий момент, сообщающий натяжение мерному телу, создается
большим плечом рычага, расположенным горизонтально. Движе-
ние рычага н груза, прикрепленного к нему, ограничено двумя
фиксаторами. На большом плече рычага установлен цилиндри-
ческий уровень 4 с ценой деления 30*. Шарнирная опора рычага
может перемещаться вдоль оси жезла при помощи микрометрен-
иого винта 8, К проволоке крепятся с обоих концов стеклянные
шкалы 6 с делениями для жезла штрихового типа или с одного
конца для жезла штрихоконцевого типа (см. рис. 35). В качестве
отсчетного приспособления применяется микроскоп 5, устано-
вленный на кожухе прибора. Приведение всего прибора в рабочее
горизонтальное положение осуществляется по цилиндрическому
уровню 3, установленному на кожухе. Мерный жезл компари-
руется путем измерения им заранее известного расстояния. При
компарировании подвижная шарнирная опора устанавливается
так, чтобы уровень на горизонтальном плече рычага был на се-
редине. В этом положении снимается отсчет по микрометренному
винту (лк) и по микроскопу на ближайший штрих (&j. При работе
жезл устанавливается горизонтально по уровню на кожухе.
Вращением микрометреиного винта уровень на горизонтальном
плече рычага приводится на середину. При этом должно удо-
влетворяться равенство, характеризующее правильность работы
прибора.
5/ — Ьк = Л/ — О*,
94
Линейные измерения
где bt, at — соответственно текущие отсчеты по микроскопу
п микрометру.
Далее измерения выполняют как обычной штриховой мерой.
Использование мерных жезлов значительно увеличивает про-
изводительность труда и уменьшает численность бригады, не тре-
буется высококвалифицированных специалистов. Кроме того,
мерные жезлы не требуют частого эталонирования, особенно
жезлы с жестким мерным телом.
Все конструкции жезлов нашли применение в практике гео-
дезических работ на отечественных ускорителях, а также на дру-
гих строительствах. Жезлы просты в изготовлении, удобны и
надежны в работе.
§ И. Измерение линий мерными
проволоками
Несмотря на быстрое развитие дальномерных методов измере-
ний расстояний, измерения мерными проволоками и лентами
во многих случаях остаются наиболее надежными и точными.
К тому же стоимость мерных проволок и лент несравненно меньше
стоимости современных свето- и радиодальномеров.
Подвесные мерные проволоки очень широко используются
при построении плановых опорных геодезических сетей уникаль-
ных сооружений. За рубежом были попытки применения на уско-
рителях стальных проволок и лент с определением их темпера-
туры путем измерения электросопротивления. Однако при высо-
кой точности измерительных работ процесс измерений такими
проволоками оказался весьма громоздким. В Советском Союзе
используются в основном инварные проволоки, несмотря на не-
которую их молекулярную неустойчивость по сравнению со сталь-
ными.
Процесс измерения мерными проволоками известен, поэтому
рассмотрим только некоторые особенности этого вида работ на
прецизионных сооружениях. В практике прикладной геодезии
используют два метода измерения проволоками: с подвеской гирь
с двух концов проволоки и с подвеской гирь с одной стороны.
Измерения производят с использованием специальных шкал,
блочных станков, луп или микроскопов. Шкалы проволок приме-
няют инварпые и стеклянные (рис. 36) с ценой деления 0,2 мм.
Конструкция этих шкал разработана в МИИГАиК. Шкалы ком-
парпруют на компараторе ИЗА-2 или на измерительном микроскопе
УИМ-21 для определения точности нанесения делений. Фик-
сация центров знаков осуществляется цилиндрическими вкла-
дышами (рис. 37) с визирной целью в виде перекрестия на стекляп-
Линейные измерения
95
Рис. 36. Стеклянная шкала мерной проволоки
ной пластине 1. Толщина штрихов перекрестия 15—20 мкм. Ре-
гулировка визирной цели по высоте осуществляется при помощи
накидной гайки 2. Для повышения точности отсчитывания при-
меняются лупы с увеличением не менее 5х одного из двух типов:
1) телескопические лупы ЛПШ-474, приспособленные для кре-
пления их в трегере;
2) монокулярные лупы ЯМ с подставками.
Применяется также бинокулярный микроскоп типа БМ-2,
дающий стереоскопическое изображение с увеличением 9х. От-
считывание на глаз через такой микроскоп выполняется со средней
квадратической ошибкой 15 мкм.
В особых случаях используются компараторные микроскопы
с ломаным тубусом — МЛ1 для измерения малых линейных раз-
меров в пределах ±2 мм с ошибкой 1 — 2 мкм.
У каждого микроскопа необходимо определять цену деления
барабана при помощи эталонной шкалы с миллиметровыми деле-
ниями или объект-микрометра. 'После определения цены деления
составляют таблицу, по которой вводят поправки в среднее зна-
чение измеренной величины.
Точность линейных измерений в значительной степени зависит
от применяемых блоков. Стандартные блоки из-за трения могут
вносить ошибки в измерения до нескольких сотых долей милли-
метра. Для уменьшения этой ошибки применяются специальные
прецизионные блоки на двухрядных шарико-
подшипниках БП-2 или блок на качающихся
ножах БПН. Их чувствительность достигает
2—5 г, что уменьшает ошибку за трение в бло-
ках для длины линии в 24 м до 0,005 мм.
Для крепления рам блочных станков на
геодезических знаках применяются нестандарт-
ные навесные кронштейны. Кронштейн можно
перемещать по высоте, в плане и по азимуту;
кроме того, он позволяет осуществлять микро-
метренную подвижку шкалок проволок между
отсчетами.
Вся система подвески инварной проволоки
крайне неустойчива при двустороннем натя-
жении ввиду высокой чувствительности
Рис. 37. Цилин-
дрический вкла-
ДЫШ
96
Линейные измерения
ножевых блоков. Точность измерений резко снижается, поэтому
при прецизионных измерениях большее распространение получил
метод одностороннего натяжения мерных приборов с жестким за-
креплением с одного конца. В этом случае обеспечивается наиболее
стабильное положение отсчетных шкал относительно целиков
знака.
На тех объектах, где требуются циклические линейные изме-
рения по опорной плановой сети, необходимо выполнить следу-
ющие дополнительные условия:
1.	Во всех циклах линейных измерений следует применять
одно и то же оборудование и инструменты и соблюдать полную
идентичность их установки.
2.	На каждом объекте нужно применять один эталон, относи-
тельно которого осуществляют компарирование мерных приборов.
3.	Измерения нужно выполнять двумя мерными приборами.
Для уменьшения ошибок из-за вариаций температуры внешней
среды мерные приборы, входящие в комплект, необходимо под-
бирать с минимальными и разными по знаку термическими коэффи-
циентами а, р, у. В процессе эксплуатации приборов в условиях
термостатированного помещения это требование необязательно.
4.	При линейных измерениях необходимо изготовлять мерные
приборы, равные длине измеряемых линий.
Как показал опыт измерения 24-метровых пролетов па Сер-
пуховском синхрофазотроне, средняя квадратическая ошибка
определения стороны подвесными мерными приборами составила
40 мкм. Однако измерение проволоками — малопроизводитель-
ный и трудоемкий процесс.
Для повышения производительности труда в несколько раз
без заметного снижения точности применяется последняя моди-
фикация мерных проволок [211 — высокоточный уровенный ди-
памостат (ВУД).
Отсчетное устройство прибора (рис. 38) основано.на принципе
кругового математического маятника, положение которого в вер-
тикальной плоскости фиксируется пузырьковым жидкостным
уровнем 4. Основные узлы прибора: измерительный блок 7,
инварная проволока 77, фиксатор 777.
Измерительный блок имеет направляющие, жестко связанные
с посадочной цилиндрической баксой 1, в которых перемещается
ползун 6 со стойкой, связанной посредством подшипника и ноже-
вой опоры с балансиром 3. К балансиру посредством подшипника
крепится инварная проволока. Величина перемещения ползуна
в направляющих измеряется микрометренным винтом 5. Другой
конец проволоки связан с фиксатором, который также снабжен
посадочной цилиндрической баксой. Посадочные цилиндрические
баксы прибора и втулки геодезических знаков являются сопря-
женными деталями и выполняются по второму классу точности,
Линейные измерения
97
Рас. 38. Высокоточный уровенный дпвамостат
т. е. максимальный возможный зазор между ними не должен
превышать 15 мкм. Положение балансира в вертикальной пло-
скости определяется цилиндрическим уровнем 4 с ценой деления
3(Г на 2 мм. Противовес 2 подбирают так, чтобы проволока в ра-
бочем положении имела натяжение, близкое к 10 кг, постоянство
которого с точностью 0,5 г фиксируется по уровню.
Измерение линии осуществляется следующим образом. Во
втулки двух соседних геодезических знаков вставляют посадочные
баксы измерительного блока и фиксатора и ориентируют по на-
правлению измеряемой линии. .После подвешивания проволоки
ползун при помощи микрометренного винта перемещается до тех
пор, пока пузырек уровня не установится в нульпункте. Отсчет
производят по микрометренному винту.
Длину линии вычисляют по формуле
L = Lo + (л—Оо) Ди® Ц—W + АР 0* — Ф + A? 0s—
где А — расстояние между осями цилиндрических бакс при ком-
парировании; Од — отсчет по микрометренному винту при компа-
рировании; а — отсчет по микрометренному винту во время
измерений; а, р, у — температурные коэффициенты инварной
проволоки; — температура проволоки при компарировании;
t — температура проволоки во время измерения линии.
С применением уровенного динамостата требуются устой-
чивые промежуточные знаки, что ограничивает распространение
прибора.
Ошибка учета температуры мерной проволоки — один из
главных источников погрешностей при высокоточных линейных
измерениях. Обычно за температуру проволоки принимают тем-
пературу воздуха, измеренную термометром-пращом. Однако мер-
ные проволоки, обладающие коэффициентом поглощения энергии,
отличным от коэффициента поглощения окружающей ее среды,
7 Заказ 437
98
Линейные измерения
имеют температуру, отличающуюся от температуры воздуха. Это
отличие меняется с изменением условий измерений.
Исследования показали [101], что температура проволоки всег-
да выше температуры окружающего воздуха, измеренной термо-
метром-пращом. Расхождения между температурой воздуха и
температурой проволоки в среднем +3,5° С при солнце и 4-1,5° С
в пасмурную погоду. Соответственно максимальные расхождения
составляют 4-6,5 и 4-2° С.
Проволока обладает малой температурной инерцией и быстро
(скачками) воспринимает изменение температурного режима. Так,
порыв ветра изменяет ее температуру на 1—2° С, а набежавшее
на солнце облако — до 3° С, хотя при этом температура воздуха
по измерениям термометром-пращом остается без изменения.
В отличие от измерений термометром-пращом результаты из-
мерения температуры воздуха ртутным термометром, установлен-
ным неподвижно на уровне проволоки, оказываются ближе к тем-
пературе проволоки. Заметного различия между показаниями
неподвижного термометра и температурой проволоки не наблю-
дается.
Например: ошибку определения температуры проволоки в диа-
пазоне 10—30° С можно выразить следующими эмпирическими
величинами:
Неподвижным термометром
-г0,2±1,1° С—для облачной погоды;
4-0,6±1,5° С—для солнечной погоды.
Термометром-п ращом
4“1,5±0,7° С,
4-3,5± 1,6° С.
В приведенных величинах левые части — средние системати-
ческие отклонения показаний термометров от температуры про-
волоки, правые — средние квадратические ошибки измерения
температуры, примерно равные при обоих способах измерения
температуры.
Для измерения температуры мерных проволок можно реко-
мендовать термопары и термисторы; применяется также способ,
где в качестве термометра сопротивления служит сама мерная
проволока. Недостаток первых двух способов — измерение тем-
пературы только в той точке, в которой установлен датчик. Спо-
соб измерения электросопротивления мерной проволоки из-за
малого температурного коэффициента электросопротивления ин-
вара не обеспечивает необходимой точности.
Можно рекомендовать применение инварных проволок, обо-
рудованных медными датчиками и термоизоляцией в сочетании
с измерительной аппаратурой М-54-11. Медный датчик (проволока)
диаметром 0,08 мм и длиной 65 м с электрическим сопротивлением
Л пленные намерения
99
235 ± 0,2 Ом равномерно наматывают на инварную проволоку
по всему периметру. Затем проволоку и датчик обматывают про-
зрачной изоляционной полпхлорвиниловой лентой, что увеличи-
вает инерционность температурного датчика и повышает его ме-
ханическую прочность при наматывании проволоки на барабан.
Контрольное эталонирование установленного на проволоке
датчика производят в закрытом помещении, температура в кото-
ром мало изменяется с течением времени.
Особенно эффективно использование таких датчиков темпера-
туры при стационарно установленных инварных проволоках
на объектах, наблюдение за стабильностью положения элементов
которых производится в течение длительного времени.
§ 12. Методы эталонирования мерных
приборов
При измерениях инварными проволоками наиболее значи-
тельны ошибки, вызванные неточным знанием длины проволок
на момент измерения. В настоящее время для эталонирования
мерных приборов применяют оптико-механические и интерферен-
ционные компараторы [2, 53].
Длину оптико-механических компараторов определяют 3-
или 4-метровым инварным или платиновым жезлом, как исходной
мерой компаратора. Так, длину компаратора МИИГАиК, по-
строенного в 1925—1926 гг. по инициативе и под руководством
Ф. Н. Красовского, измеряют нормальной мерой — 3-метровыми
инварными жезлами № 541 и 615. Длину 3-метровых инварных
жезлов определяют сравнением с 3-метровым платиновым жезлом
№ 15, являющимся исходной мерой всех образцовых геодезиче-
ских жезлов [38].
Длину интерференционных компараторов определяют оптиче-
ским методом — сравнением с многократно умноженной длиной
кварцевого жезла, являющегося исходной мерой длины компа-
раторов этого типа. Для 24-метрового интерференционного ком-
паратора МИИГАиК [86] образцовыми мерами являются кварце-
вые жезлы длиной 1,2 м, для 30-метрового интерференционного
компаратора ВНИИМ — кварцевый жезл длиной 1 м [39].
Основные части интерференционного компаратора — колли-
матор и зрительная труба, исходная концевая мера длины —
трубчатый кварцевый жезл с притертыми к нему зеркалами, два
зеркала (ближнее и дальнее) и отсчетные микроскопы.
Метод измерения на компараторе основан на принципе опти-
ческого умножения длины исходной меры по дифференциальной
схеме У. О. Шварца. В этом методе оптически умножают два
100
Линейные намерения
разных расстояния, кратность умножения которых отличается на
единицу. Для определения длины компаратора необходимо знать
лишь разность исходных расстояний.
В интерференционном компараторе параллельный световой
пучок из коллиматора 2 направляется вдоль компаратора под
некоторым углом к его оси (рис. 39). Средняя часть светового пучка
проходит мимо ближнего зеркала 3 компаратора и через левый
вырез заднего зеркала 5 жезла 4 падает на дальнее зеркало 6
компаратора, отражаясь от него, проходит через правый вырез
зеркала 5 жезла 4 н направляется в среднее отверстие насадки
объектива зрительной трубы 1. Зрительная труба установлена
на бесконечность, и световой пучок, отраженный от дальнего
зеркала б, пройдя через объектив трубы, дает в ее фокальной пло-
скости изображение источника света.
В фокальной плоскости объектива трубы образуются три изо-
бражения источника света, налагающихся друг на друга. При
равенстве оптических длин ходов световых пучков в фокальной
плоскости зрительной трубы можно наблюдать интерференцион-
ные полосы. Выделяя соответственные пары световых пучков,
наблюдают как верхнюю, так и нижнюю интерференционные кар-
тины.
Если обозначить общую длину компаратора (расстояние между
отражающими поверхностями его крайних зеркал) через Z, рас-
стояние между ближним зеркалом компаратора и передним зерка-
лом жезла — через Zx, расстояние между ближним зеркалом ком-
паратора и задним зеркалом жезла — через l9i то при условии,
что длины Zx и 19 кратны длине Z, можно написать
Z = m1/, = msZ„
где и — кратности умножения длин Zx и Z3, причем тг —
—mt = 1; L — l3 —	— расстояние между отражающими по-
верхностями зеркал жезла.
Линейные намерения	10f
Дальнейший переход от расстояния между зеркалами к длине
проволоки осуществляется через микроскопы. Опыт показывает,
что ошибка определения длины проволок на интерференционном
компараторе равна 5 мкм (из шести приемов) и ниже, чем на оп-
тико-механическом компараторе, где средняя квадратическая
ошибка определения длины проволоки равна 12 мкм [55, 86].
Эталонирование мерных проволок на стационарных оптико-ме-
ханических или интерференционных компараторах хотя и обеспе-
чивает высокую точность, но часто организационно сложно, осо-
бенно если объект работ находится далеко или мерная длина более
24 м. В этом случае на месте проведения работ организуется
полевой оптико-механический компаратор. Оборудование, про-
грамма наблюдений и методика работ на полевом компараторе
обычно полностью соответствуют эталонированию на стационар-
ном компараторе, но в качестве эталонных длин принимаются
специально изготовленные проволоки-эталоны, которые эталони-
руются на стационарном компараторе.
Этот способ не лишен также организационных недостатков*
но позволяет значительно сократить переезды. Чем больше вре-
мени прошло между двумя эталонными компарированиями, тем
больше и величина поправки рабочих проволок, которая вычи-
сляется выражением
дг =	а?.
где Д<, i-н — расхождение в длине проволоки I и I + 1 циклов
эталонирования; t — время между I и i -|- 1 циклами эталони-
рования; — время между i эталонированием и полевым ком-
парпрованием рабочих проволок.
Кроме этого, последующий переход от эталонных проволок
к рабочим на полевом оптико-механическом компараторе может
привести к значительному снижению точности определения длины
последних.
Для повышения точности линейных измерений компарирова-
ние рабочих проволок целесообразно производить непосредственно
в полевых условиях на полевом интерференционном компараторе
ПИК-2, разработанном Г. Г. Гордоном и В. М. Назаровым [55).
Результаты экспериментальных исследований ПИК-2 подтвер-
дили, что применение полевого интерференционного компаратора
позволяет производить ежедневное компарирование инварных
проволок с высокой точностью mt = 0,012 мм при малых сравни-
тельно затратах на организационные работы (постройку шести
бетонных столбов и павильона по всей длине компаратора). При
этом можно не только увеличить точность измерений, но и контро-
лировать длину мерных проволок в длинах световых волн.
102
Линейные измерения
Рис. 40. Схема радиоинтерферометра
метров, применяемых для этих це;
В последнее время в
связи с дальнейшим про-
грессом науки и техники
наметились новые пути со-
вершенствования контроля
мерных длин, основанные на
последних достижениях ра-
диотехники и лазерной тех-
ники. Рассмотрим основные
из них.
Известно, что максималь-
ная точность измерения
длин получена при непо-
средственном сравнении их
с длиной волны света. Однако
предел измерения интерферо-
1, ограничен малой когерент-
ностью излучения имеющихся источников и трудностями опреде-
ления порядка интерференции при измерении больших длин *.
Успехи современной радиотехники сверхвысоких частот по-
зволили применить для измерения больших длин интерференцию
электромагнитных волн радиодиапазона, преимущества которых
заключаются в том, что в радиодиапаэоне сравнительно просто
получить излучение с узкой полосой частот. Кроме того, доста-
точно большая длина волны излучения позволяет легко определить
порядок интерференции.
В Харьковском государственном научно-исследовательском
институте метрологии создан радпоинтерферометр [105], постро-
енный по двухлучевой схеме, аналогичной схеме оптического
интерферометра Майкельсона.
В радиоинтерферометре электромагнитные волны, генериру-
емые источником 4 (рис. 40), поступают в делитель 5, аналогом
которого в интерферометре Майкельсона является полупрозрач-
ное разделяющее зеркало. Часть энергии из делителя поступает
по волноводу в рупорную антенну 2 и излучается в открытое
пространство. Другая часть энергии поступает в закрытое плечо
радиоинтерферометра и отражается интерференционным аттеню-
атором 7 (в интерферометре Майкельсона для этой цели служит
референтное зеркало). Энергия, излучаемая антенной, отражается
зеркалом 7, установленным на каретке, которая может переме-
щаться по направляющим вдоль оси рупорной антенны.
Электромагнитные волны, отраженные зеркалом и в закрытом
плече, вновь поступают в делитель, где и происходит интерферен-
* В этой связи представляются перспективными лазеры, имеющие
большую когерентность излучения.
Линейные измерения
105
цпя. Суперпозиция интерферирующих волн в делителе предста-
вляет собой электромагнитные колебания, амплитуда которых
описывается соотношением
A =2aqcos^-,	(58}
где Ло — амплитуда интерферирующих электромагнитных волн;
I — разность хода интерферирующих пучков; X — длина волны.
Как видно из соотношения (58), амплитуда суммарного коле-
бания меняется по гармоническому закону и при постоянстве дли-
ны волны зависит от разности хода Z, которая, в свою очередь,
при неизменной длине закрытого плеча определяется как удвоен-
ное расстояние от отражающего зеркала до антенны.
При перемещении отражающего зеркала вдоль оси антенны
в делителе возникают интерференционные минимумы и максимумы,
которые наблюдаются при помощи системы индикации 5. Расстоя-
ние между двумя соседними минимумами или максимумами будет
X
соответствовать перемещению зеркала на длину, равную
Длина волны излучения источника определяется соотношением
где С — скорость распространения электромагнитных волн в ва-
кууме (скорость света); л — показатель преломления радиоволн;
/ — частота колебания.
Отсюда длина волны излучения радиоинтерферометра зависит
от частоты источника. Известной величиной в этом случае является
константа С, через значение которой и определяется длина волны
Z. Частоту излучения источника измеряют сличением ее с частотой
образцового 100 кГц высокостабнльного кварцевого генератора б,
умноженной до рабочей частоты радиоинтерферометра измеритель-
ной системы 5.
Показатель преломления воздуха определяется на рабочей
частоте специальным объемным резонатором и находится из со-
отношения
п__д __ /пак /нозд
/ иозд
где /позд— собственная частота объемного резонатора, запол-
ненного окружающим воздухом; /как — собственная частота эва-
куированного резонатора.
Па радиоинтерферометре можно производить измерения как
штриховых, так и концевых мер длины. Штриховые меры (рулетки,
ленты, мерные проволоки) натягивают при помощи груза между
направляющими; установку каретки в этом случае производят
путем визирования на меру при помощи микроскопа, укреплен-
104
Лицепные измерения
ного на каретке. Концевые меры измеряют так же, как на измери-
тельной машине. Меру устанавливают на люнетах, в качестве от-
счетного устройства применяют также оптиметровую трубку.
Fla радиоинтерферометре длину измеряют следующим образом.
После установки каретки в одно из крайних положений произво-
дят компенсацию отраженного от зеркала сигнала, т. е. устана-
вливают интерференционный минимум. Затем каретку перемещают
в другое крайнее положение, где закрепляют ее на направляющих.
Максимальная чувствительность радиоинтерферометра до-
стигается в моменты полной компенсации сигнала, зеркало пере-
мещается к ближайшему минимуму (для этой цели зеркало уста-
новлено на подвижном столике); величину этого перемещения
измеряют при помощи стеклянной шкалы и отсчетного микро-
скопа, установленных соответственно на подвижном столике
и основании каретки. Измеряемую длину определяют из соот-
ношения
где Ln — измеряемая длина; к — число минимумов интерферен-
ции; А — смещение зеркала, отсчитанное по шкале.
Число интерференционных минимумов можно определить при
помощи счетчика, одиако в этом пет необходимости вследствие
того, что измеряемая длина обычно предварительно известна с точ-
%
КОСТЬЮ до -тр
• Исследования показали, что радпоинтерферометром можно
измерять 50—60-метровую длину, причем верхний предел измере-
ния ограничивается лишь мощностью применяемого источника
излучения. Кроме значительного увеличения компарируемой дли-
ны, радиоинтерференционным компаратором, в отличие от оптико-
механнческого, можно компарировать как концевые, так и штри-
ховые меры; он не обладает определенной дискретностью интер-
ференционного компаратора. Так, нет необходимости, чтобы
компарируемая длина была кратна 24 м или эталону Фабри — Перо.
Переход от одной длины компарированпя к другой прост и не-
трудоемок. Исследования показали, что средняя квадратическая
ошибка измерения составляет 1,6 4- 2,0 ЛО-*.
Все перечисленные методы компарирования разработаны или
разрабатываются для контроля подвесных мерных проволок с вы-
сокой точностью. Однако при создании монтажного обоснования
для выноса в натуру крупногабаритного оборудования, при де-
тальных разбивочных и всевозможных маркшейдерских работах
для линейных измерений используются стальные и инварные
рулетки.
Обычно эти измерения ведутся на весу или на плоскости от-
резками, не превышающими длины рулетки. В процессе вксплу-
Линейные измерения
105
Рнс. 41. Рамка-фиксатор
атации рулетка изменяет свою длину. Поэтому в производствен-
ных условиях необходимо регулярно компарировать рулетки
не только на всю длину, но и частями, чтобы знать истинное поло-
жение любого штриха относительно нулевого. Для этих целей
можно применить высокоточный уровенный дмнамостат [85].
Для компарирования рулеток прибор дооборудован двумя
рамками-фиксаторами для зажима рулеток и струбциной, а изме-
рительный блок — трегером со струбциной.
Процесс компарирования высокоточным уровенным динамоста-
том следующий.
На требуемом расстоянии закрепляют струбцинами фиксатор
и измерительный блок. Последний нивелируют. Нулевой и тре-
буемый штрихи эталонной рулежки при помощи лупы 1 вводят
в биссектор 2 рамки-фиксатора (рис. 41) и зажимают. После под-
вески рулетки 3 и ориентирования рычага измерительного блока 4
по направлению измеряемой линии создают натяжение рулетки
Р = 10 кг. Для этого, регулируя винтом микрометра, измеритель-
ный блок перемещают относительно основания до тех пор, пока
пузырек уровня не установится в нульпункте. В этом положении
берут отсчет по барабану микрометра Qt. Затем натяжение сни-
мают и производят повторное натяжение и повторную установку
пузырька уровня в нульпункт, которой соответствует отсчет по
микрометру Q*. Все предыдущие действия повторяют для рабочей
рулетки; записывают соответствующие им отсчеты и Ь2.
Сравнение Д/р отрезка’рабочей рулетки вычисляют по формуле
»А/р==А/э + «?ср—Ьср),
где Д/э — длина эталонного отрезка между штрихами рамок-фик-
саторов; @ср, 6ср — средние отсчеты по микрометру для эталонной
и рабочей рулеток.
Таким образом, имея одну эталонную рулетку, можно не только
компарировать рабочие рулетки на всю их длину, но и определять
номинальную длину каждого отрезка и следить за ее деформа-
циями во времени.
106
Линейные измерения
Точность компарпрованпя при помощи высокоточного уровен-
ного динамостата зависит от инструментальной точности прибора
и точности совмещения штрихов рулетки и рамки-фиксатора.
Средняя квадратическая ошибка компарпрованпя составляет
0,12 мм. Причем основной вклад вносит погрешность установки
штриха в биссектор рамки-фиксатора.
Компарировапие этим прибором просто и оперативно (операцию
могут выполнять два человека). Используя одни эталон с урав-
нениями длины как па весу, так и па плоскости, можно компа-
рировать этим прибором любые отрезки рабочей рулетки и опре-
делять их уравнения в зависимости от условий измерений.
§ 13. Автоматизация линейных измерений
Из всех средств автоматизации линейных измерений рассмотрим
лишь те приборы, которые недостаточно освещены в отечественной
литературе.
При измерении длин линий более 50 м или при необходимости
дистанционных измерений на любых длинах, встречающихся
при строительстве и эксплуатации инженерных сооружений,
целесообразно использовать оптико-электронные средства измере-
ния расстояний.
В настоящее время имеются три основных метода оптико-элек-
тронных измерений расстояний: импульсный, частотный, фазовый.
Известны также комбинации названных методов, такие как им-
пульсно-фазовые и частотно-импульсные.
Во всех известных методах измерения расстояний используется
прямолинейное распространение электромагнитных волн в одно-
родной среде с постоянной скоростью.
Обычно передатчик и приемник электромагнитных волн сов-
мещены, а расстояние измеряется до отражающей цели (пассивного
или активного отражателя). В этом случае время запаздывания
отраженного сигнала относительно опорного равно
2D 2Dn
т =---—----
V с
где D — расстояние между дальномером и отражателем; г —
скорость света в вакууме; п — показатель преломления воздуха.
Как известно, реальная среда не является строго однородной,
поэтому скорость распространения электромагнитных волн не бу-
дет постоянной на всем пути распространения, а траектория
не будет строго прямолинейной. Однако приведенные соотноше-
ния справедливы и для реальной среды, если под v понимать сред-
нее значение скорости распространения электромагнитных волн.
(59)
Линейные измерения
107
Колебания температуры воздуха, атмосферного давления и да-
вления водяных паров вызывают изменения показателя преломле-
ния порядка 1-Ю"4. Такова предельная точность измерения рас-
стояний. если не учитывать изменения состояния атмосферы.
Исследования показывают [17], что тщательно поставленные
измерения могут довести ошибку определения показателя прело-
мления воздуха до
Ошибка определения интервала времени в основном зависит
от технического совершенства дальномера и отношения сигнал/шум.
Из выражения (59) следует, что даже при идеальном совершенстве
дальномера и отсутствии помех, когда Ат - 0, дальномерная
ошибка равна
= — Дс—— Дп
с п
или, перейдя к средним квадратическим ошибкам,
г» t / mF
Ъ ° 4--------2,
У С2 1 п
где mD— средняя квадратическая ошибка измерения расстоя-
ния; тс — средняя квадратическая ошибка определения скорости
распространения электромагнитных волн в вакууме; тп — сред-
няя квадратическая ошибка определения среднего показателя
преломления.
Скорость распространения света в вакууме к настоящему вре-
мени известна с относительной ошибкой, не превышающей 1-10-7,
следовательно, ошибка измерения расстояния будет в основном
зависеть от точности определения среднего значения показателя
преломления и технического совершенства дальномера.
С учетом ранее указанных ошибок можно ожидать, что
mD==(li5-r 2)Р.10’в.
В любом дальномере, исключая интерференционные, исполь-
зуются несущая и масштабная частоты (частота модуляции).
В качестве несущей частоты может быть использована радиоча-
стота СВЧ диапазона или частота светового диапазона.
Для высокоточного измерения расстояний использование элек-
тромагнитных колебаний светового диапазона в качестве несущей
предпочтительнее по следующим причинам:
1.	На точность измерения расстояний с использованием радио-
частоты как несущей значительно влияет отражение радиоволн
°т земной поверхности и предметов, находящихся в зоне
108
«'! инейные измерения
Рнс. 42. Блок-схема импульсного
•светодальномера с обратной связью
направления радиоизлучения;
свет же рассеивается и погло-
щается земной поверхностью
настолько, что это практически
не влияет на точность изме-
рения.
2.	Учет изменения показа-
теля преломления с измене-
нием влажности воздуха для
радиоволн производится в 100
раз грубее, чем для света, при
равной точности измерения
давления водяных паров.
3.	Коллимация луча света производится значительно лучше,
чем радиолуча.
Эти три основные причины ограничивают применение СВЧ
колебаний в качестве несущей, несмотря на то, что высокочастот-
ная модуляция света осуществляется значительно сложнее, чем
модуляция радиоволн.
При импульсном методе измерений о расстоянии судят по
времени запаздывания отраженного импульса относительно из-
лученного.
В момент генерации модулирующего импульса из передатчика
выходит импульс света, одновременно с этим подается импульс
на индикаторное устройство, которое фиксирует интервал времени
между моментом выхода импульса из передатчика и возвращения
«его в приемник после отражения от удаленного отражателя.
Индикаторное устройство состоит из генератора временной
развертки и индикатора. В качестве индикатора применяется
электроннолучевая трубка, но возможно применение и других
приборов, в частности стрелочных. Наибольшее распространение
получили линейная и кольцевая развертки. Кольцевая развертка
позволяет несколько снизить ошибку отсчета по сравнению с ли-
нейной разверткой, но и ей присущи такие характерные ошибки,
как эксцентриситет шкалы относительно окружности развертки,
эллиптичность развертки, параллакс шкалы и др. [44].
Основной недостаток импульсного метода — необходимость
крайне точного фиксирования малых интервалов времени, так
как при расстоянии 3 км т= 1-10-8, а для обеспечения точ-
ности измерения расстояния порядка 1-10“® ошибка фиксации
времени распространения не должна превышать 1 • 10й*10 с.
Известен способ измерения расстояний импульсным методом,
который позволяет значительно повысить точность фиксации
интервала времени [8]. Упрощенная блок-схема такого дальноме-
ра изображена на рис. 42.
Принцип действия дальномера заключается в следующем.
Линейные измерения
109
Рис. 44. Блок-схема фазового
тодальиомера
4
Рис. 43. Блок-схема светодальио-
мера университета Кейо
сое-
без
по-
Свет от источника света 1 проходит через модулятор 2
каких-либо изменений и после отражения от отражателя 3
падает на фотоэлектронный преобразователь 4. После усиления
усилителем 5 этот сигнал подается на модулятор, который закры-
вает выход света, пока на фотоэлектронный преобразователь
попадает свет. Прекращение излучения влечет за собой ликвида-
цию запирающего сигнала и из передающей системы вновь выходит
излучение; в дальнейшем весь процесс периодически повторяется
с частотой
(60)
F=e —
40 *
Кварцевыми часами 6 измеряется интервал времени Д£, за
который проходят двойное измеряемое расстояние п импульсов.
Необходимый интервал времени прохождения одним импульсом
измеряемого расстояния определяется как
А/
т — —
п
Из равенства (60) следует, что чем больше л, т. е. чем длитель-
нее измерения, тем грубее можно определять интервал времени.
Прн таком способе измерения расстояний высокоточное измере-
ние интервала времени т не представляет особого труда; кроме
того, происходит значительное осреднение разбросов в фото-
электронном преобразователе, блоках усиления и модуляторе.
Светодальномер, основанный на указанном принципе, изготовлен
в Японии в 1969 г. и обеспечивает точность измерения 1*10"5
на длине линии до 150 м [92, 128].
Блок-схема светодальномера, разработанного сотрудниками
университета Кейо, показана на рис. 43. Для избежания работы
модулятора 6 на частоте, близкой к собственной резонансной
частоте кристалла КДР, была использована частотная модуляция
вспомогательной поднесущей частоты 24 МГц в пределах ±3 МГц.
Частотпо-модулированный сигнал подается на модулятор излуче-
ния лазера 5, и световой поток на выходе из модулятора становится
no
Линейные измерения
модулированным по частоте поднесущей. Отраженный сигнал
регистрируется светоприемником 7, фиксируется частотным де-
тектором 8 и после соответствующего усиления в блоке 2 подается
вместе с сигналом генератора 4 на частотный модулятор поднесу-
щей 5, обеспечивая таким образом обратную связь. Частота сиг-
налов, несущих информацию о величине расстояния, регистри-
руется частотомером 1. Конструкторы прибора высказали пред-
положение. что точность такого прибора может быть доведена
до 1 • 1О‘в при измерении коротких расстояний, что делает такой
прибор с использованием обратной связи перспективным для
строительства.
В связи с тем что частотная модуляция света в настоящее время
представляет большую техническую трудность и в геодезических
светодальномерах не применяется, этот метод не рассматриваем.
Упрощенная блок-схема фазового светодалыюмера показана
на рис. 44. Принцип действия его сводится к следующему (54,
97, 99].
Свет от источника света 7 поступает на модулятор 2, куда
подается масштабная частота от генератора 3. Модулированный
световой поток проходит измеряемое расстояние от приемо-пере-
датчика до отражателя 4 и возвращается обратно. Приемником 5
световой сигнал преобразуется в электрический, усиливается и по-
ступает на фазометр 6 одновременно с напряжением от генератора
масштабной частоты. Напряжение от генератора масштабной ча-
стоты выражается формулой
= Vl sin ((Jit + (pi),
где i?! — масштабная частота, cpj — начальная фаза.
Напряжение с выхода приемника можно выразить формулой
= v2sin [cd (t—т0)-|- <Pi — ФгЬ
где т0 — время, необходимое световому сигналу для прохождения
двойного измеряемого расстояния; <р2 — запаздывание фазы мас-
штабного колебания в ценях светодалыюмера.
Разность фаз напряжений и v2 равна
фр = О)Т0 + ф2.
Запаздывание фазы в цепях светодалыюмера может быть уч-
тено достаточно точно или сведено к пренебрегаемо малой вели-
чине. Таким образом, измерив разность фаз напряжений и и2,
можно определить измеряемое расстояние как
Линейные измерения
111
Известно, что точность измерения расстояний зависит от ста-
бильности масштабной частоты и от ошибки измерения разности
фаз	АД __ Д® 	 Д/
где	о) = 2л/ ,п	л 	(61) М) = Д® 4л. т
Здесь	1	 с X- s .
Стабильность масштабной частоты, как правило, не вызывает
больших трудностей и в полевом приборе может быть обеспечена
не хуже чем 1 -10“®, а при необходимости и несколько лучше. Фа-
зовая ошибка A(pD зависит как от совершенства фазометра, так
и от отношения сигнал/шум. Даже при идеальном фазометре сред-
няя квадратическая ошибка измерения разности фаз равна
-- р	,
где Рш — мощность шума; Pz — мощность сигнала.
В результате трудно свести фазовую ошибку к величине,
меньшей 0,1—0,5°. Для того чтобы линейное значение этой ошибки
не превышало требуемого значения, необходимо выбирать соот-
ветствующую длину волны, которая определяется из равенства (61),
X = 4л.АО .	(62)
Дф	' *
Если частота стабилизирована с ошибкой 1-10"6 и учет сред-
него показателя преломления производится с такой же ошибкой,
можно потребовать, чтобы на интересующем нас расстоянии ли-
нейная величина ошибки измерения разности фаз была примерно
того же порядка. При D = 300 м ошибка в 0,3 мм составляет
в относительной величине 1*10"8. Из равенства (G2) имеем при
Д2) — 0,3 мм, Дф = 0,1	0,5°, X = 0,4 4- 2,2 м, что соответ-
ствует частоте непрерывной модуляции / = 700 -Н 150 МГц.
Если непрерывная модуляция светового потока невозможна
и модулирующее напряжение подается короткими импульсами
в связи с ухудшением отношения сигнал/шум и, следовательно,
с увеличением фазовой ошибки, частота модуляции должна быть
соответственно выше. Следует учесть, что разность фаз может
быть измерена только в пределах 2л. Если 2D то возникает
неоднозначность измерения. Для того чтобы узнать целое число
периодов, производят измерения на несколько близких частотах.
112
/(инейные измерения
Фазовые светодальномеры нашли широкое применение в геодезии.
В последние годы появился ряд отечественных фазовых светодаль-
номеров ЭОД-1, СДД-1, «Кристалл», «Кварц», ГД-314, ГД-316,
ТД-1, светодальномеры серии СТ и ряд других, которые создава-
лись с учетом последних достижений науки и техники.
За рубежом наибольшей популярностью пользовались свето-
дальномеры шведской фирмы AGA, например, NASM-A, NASM-4B,
NASM-4D, NASM-6. Перечисленные светодальномеры созданы
для решения основных геодезических задач, поэтому их ошибка
не меньше 1 см при измерении коротких расстояний. Даже такой
светодальномер, как NASM-4B, считавшийся длительное время
наиболее точным, не может обеспечить точность, необходимую
при решении специальных геодезических задач.
В Национальной физической лаборатории (NPL) Великобри-
тании созданы макеты светодальномеров под названием мекометр
(mecometer), при помощи которых можно решать наиболее высо-
коточные инженерные задачи. По принципу действия светодаль-
померы мекометр несколько напоминают отечественные приборы
СВ В-1 и СДД-1 с применением современных кристаллических
модуляторов СВЧ диапазона.
Впервые высокоточные измерения коротких расстояний в ла-
бораторных условиях были проведены Национальной физической
лабораторией Великобритании (NPL) мекометром, сконструиро-
ванным Фрумом и Б родсе л ом [127]. Для модуляции света был
использован кристалл АДР. С целью устранения диэлектрического
нагрева кристалла, вызывающего искажения двойного лучепре-
ломления, длительность импульсов СВЧ установки составляла
около 1,5 мкс при частоте их повторения 50 Гц. Мощность им-
пульса равна 5 кВт при частоте модулирующего поля 9400 МГц,
что соответствует длине волны 3,2 см. Источником колебаний
СВЧ служит магнетрон типа 2/. В качестве источника света при-
менена ксеноновая импульсная лампа, управляемая импульсами
магнетрона.
Свет источника 5 фокусируется в узкий луч и после поляри-
затора 4 (линейно поляризованный) попадает на кристалл 7
первичного кислого фосфата аммония (рис. 45). Кристалл вырезан
вдоль оси Z и установлен в объемном резонаторе 3 так, что напра-
вление электрического поля резонатора параллельно падающему
свету. Отверстия в стенках резонатора выполнены таким образом,
что свет попадает на пучность СВЧ поля, т. е. на максимум стоя-
чей электрической волны. СВЧ колебания поступают в резонатор
по волноводу 6 от магнетрона 8. Частота модуляции измеряется
частотомером 9.
Свет по выходе из кристалла становится эллиптически поляри-
зованным. После отражения от отражателя 10 через оптическую
линию задержки 11 он вновь попадает в кристалл и проходит
Линейные измерения
ИЗ
Рис. 45. Схема светодальпомера мекометр
по смежной пучности электрического поля. В результате вторич-
ного прохождения светового потока через кристалл эллиптиче-
ская модуляция его либо возрастает, либо уменьшается в зависи-
мости от фазы отраженного сигнала. После кристалла отраженный
свет поступает на анализатор 2 и в глаз наблюдателя 7.
Фаза отраженного сигнала зависит от длины пути, пройденного
светом. Фазовый домер отсчитывается по микрометру 12 в момент
минимума светового потока. Кроме визуального наблюдения, ин-
тенсивность светового потока может определяться и фотоэлектри-
ческим путем. Точность фиксации расстояния длиной в 50 м равна
0,05—0,1 мм. Ошибка определения частоты магнетрона соста-
вляет 3-10‘в. Так как прибор не имеет устройства для разрешения
неоднозначности, расстояние должно быть известно с ошибкой
до четверти длины волны.
Мекометр II — дальнейшее усовершенствование опытного при-
бора— мекометра. Для увеличения дальности действия прибора
до 1,5 км частота модуляции была снижена до 500 МГц; при этом
чувствительность прибора снизилась до 1 мм [126]. Упрощенная
схема прибора приведена на рис. 46. Световой поток от ксеноно-
вой лампы-вспышки 20 (длительность вспышки 1 мкс, энергия
0,04 Дж, частота повторения 100 вспышек в секунду) проходит
через линзу 27, которая формирует параллельный пучок лучей,
поступает па поляризатор 25, после чего линейно поляризованный
8 з&ка* 437
114
Линейные измерения
Рис. 46. Схема светодальномера мекометр II
пучок попадает на расщепитель 6 с отверстием посередине. Рас-
щепитель формирует кольцевой пучок и направляет его на кри-
сталл АДР 7, служащий модулятором. При прохождении луча
сквозь кристалл происходит модуляция луча электромагнитным
полем по степени эллиптичности. Световой поток формируется
объективом 14 и после отражений от двух неподвижных зеркал
15 попадает на оптическую линию задержки 17, позволяющую из-
менять общую длину пути луча между модулятором прибора
и удаленным отражателем 16.
Отраженный от цели световой луч проходит по тому же пути
и вновь попадает на кристалл 7. С выхода модулятора луч прохо-
дит сквозь отверстие в расщепителе и попадает на второй поля-
ризатор 4, плоскость поляризации которого перпендикулярна
к плоскости поляризации поляризатора 23. В результате интен-
сивность принятого светового потока будет зависеть от степени
его эллиптичности. Этот поток поступает на фотоумножитель 5,
регистрирующий его интенсивность. Электрический сигнал с вы-
хода фотоумножителя поступает на блок усиления и детектиро-
вания 2 и далее на индикатор 1 и счетчик 19.
Работа лампы-вспышки 20 и импульсного триода 8 синхрони-
зирована по времени общим генератором импульсов 5. При по-
даче импульса относительно низкий импеданс анодной цепи
оказывается согласованным с анодом, подключенным к внутрен-
Линейные измерения
115
ней линии резонатора вблизи его короткозамкнутого конца. Петля
обратной связи с малой добротностью помещена в пучность маг-
нитного поля внутри резонатора и подает высокочастотные коле-
бания на катод лампы в такой фазе, что колебания усиливаются
приблизительно в течение 25 мкс. Максимальная мощность ко-
лебаний достигает 100 Вт, что обеспечивает напряжение в несколь-
ко киловольт на кристалле оптического модулятора, помещенного
в основании резонатора 22.
Частота повторения импульсов СВЧ колебаний равна 50 имп/с,
т. е. половине частоты вспышек, что позволяет применять син-
хронное детектирование и тем самым отделить полезный световой
сигнал от отраженного от оптических элементов самого прибора
и возможной деполяризации, вносимой зеркалами и отражате-
лем.
Объемный резонатор 22 имеет подстроечное кольцо 78, допу-
скающее изменение резонансной частоты резонатора па 5 %.
Длина волны колебаний, возбуждаемых в модуляторе света,
определяется двумя герметизированными «стандартными» коакси-
альными резонаторами 11. Резонаторы возбуждаются на длинах
волн, точно равных 61 и 61*20/19 см. Так как измеряемое расстоя-
ние определяется отношением длин резонаторов, то применение
четвертьволновых коаксиальных резонаторов оказывается очень
удобным. Длина волны определяется в основном длиной внутрен-
него цилиндрического проводника * резонатора. Внутренние про-
водники обоих резонаторов изготовлены из омедненного инвара,
а внешние части — из меди. Такая система полностью термоком-
пенсирована, т. е. с изменением температуры величина емкости
резонатора не изменяется.
Энергия от модулятора вводится в резонаторы при помощи
небольших петель связи. При резонансе индуктивное поле сме-
щено по фазе на 180° относительно возбуждающего поля. Это по-
зволяет очень точно определять момент резонанса по минимуму
показаний индикатора резонанса 13, подключаемого через пере-
ключатель к специальным петлям связи.
Воздух в резонаторах должен иметь такие же параметры, как
и окружающая атмосфера, за исключением влажности. Для
устранения влажности воздуха в резонаторах к ним подключен
контейнер 10 с осушающим агентом (силикагелем). Внешнее ат-
мосферное давление передается в резонаторы при помощи эластич-
ного гофрированного пластмассового резервуара 9, объем которого
изменяется с изменением внешнего давления. Резонаторы вместе
с резервуаром и контейнером заключены в экран 12, предохраня-
ющий их от непосредственного солнечного облучения.
При изменении температуры и давления воздуха в точке стоя-
ния приемо-передатчика изменяется резонансная частота резона-
торов. В соответствии с этим изменяется длина волны модуляции
8*
116
Линейные измерения
таким образом, что результат измерения относится к условиям
вакуума. Такое устройство объемных резонаторов удобно при
измерении коротких расстояний, где градиенты температуры
и давления воздуха незначительны. При измерении в условиях,
где значения температуры и давления воздуха в точке стояния
приемо-передатчика отличаются от средних значений температуры
и давления вдоль измеряемой линии, необходимо вводить допол-
нительные поправки.
За исключением модулятора на триодах и фотоэлектронного
умножителя, вся электронная часть светодальномера выполнена
на полупроводниковых приборах. Светодальномер питается от
серебряно-цинковых аккумуляторов емкостью 15 А/ч при напря-
жении 12 В. В блоке питания имеется два преобразователя на
транзисторах один из них работает на частоте 400 Гц и формирует
необходимые напряжения на все элементы схемы, кроме фотоум-
ножителя; второй преобразователь подает высокое напряжение
на фотоумножитель. Общая мощность, потребляемая прибором,
составляет 12 Вт, аккумуляторная батарея обеспечивает 100 из-
мерений без перезарядки.
Светодальномер мекометр III — усовершенствованный меко-
метр II, поэтому указываем только их различия. Частота модуля-
ции 500 МГц подается импульсами 40 мкс, что позволяет изме-
рять расстояния до 3 км. В приборе применяются два кристалла
КДР, помещенные в четвертьволновой коаксиальный объемный
резонатор.
Показатель преломления воздуха учитывается так же, как
и в мекометре II. Длина волны модуляции определяется резонан-
сом объемного резонатора, заполненного сухим воздухом, давле-
нием и температурой, соответствующими окружающей среде.
Для этой цели используется небольшой резонатор, настроенный
на частоту, в 9 раз более высокую, чем основная (4,4 ГГц). Это
коаксиально-линейный резонатор, полностью изготовленный из
пластины плавленого кварца. Чувствительность прибора при хо-
роших условиях ожидается порядка 0,1 мм на расстоянии до 1 км.
Масса блока приемо-передатчика и блока питания по 5,5 кг каждый.
На основе макетных исследований мекометра II и мекометра III
разработан светодальномер мекометр Кет ME 3000, который
серийно выпускается с 1973 г. (рис. 47). Светодальномер позволяет
измерять короткие расстояния от 20 до 100 м со средней квадра-
тической ошибкой 0,1 -г- 0,2 мм, а от 100 до 3000 м — с относи-
тельной ошибкой 1'10~в. Время измерения одного расстояния
2—3 мин. Для разрешения неоднозначности используются пять
частот, которые отличаются от основной частоты, равной
499,5104МГц, на 10, 1, 0,1 и 0,01%.
Фирмой AGA выпущен геодиметр модель 76 с лазерным источ-
ником света в видимом диапазоне (рис. 43). Дальность действия
Линейные измерения
117
Рис. 47* Мекометр ME 3000
прибора не менее 3 км, средняя квадратическая ошибка измерения
(1 + ОД D, где D в км) см в диапазоне температур от—20до+50°С.
Процесс измерений полностью автоматизирован, время измерения
0,5—1 мин. Величина измеряемого расстояния снимается с цифро-
вого табло в метрах или в футах.
Поправка за состояние атмосферы в точке стояния приемо-пе-
редатчика вычисляется автоматически. Размеры приемо-передат-
чика 143 х 191 х 283 мм, масса 8,2 кг, напряжение питания
12 В.
Эта же фирма выпускает комбинированные приборы, объеди-
няющие кодовый теодолит, светодальномер и вычислительный блок,
позволяющие по результатам измерений вычислять горизон-
тальные проложения и превышения (геодиметр 700 и 710, рис. 49).
Дальность действия прибора 5 км, средняя квадратическая ошиб-
ка измерения угла 1*, средняя квадратическая ошибка измере-
ния расстояния 5 мм -j- 1 мм/км.
Геодиметр модели 12 небольшой по размерам (87 х 190 X
X 220 мм), масса прибора 2,8 кг, приспособлен для установки
в верхней части практически любого теодолита (рис. 50). Свето-
дальномер измеряет расстояния автоматически в течение 10—
15 с со средней квадратической ошибкой 5 мм -г -О*10"6, в диа-
пазоне расстояний 0,2 м — 1,7 км. Результат измерений считы-
118
Лняейные измерения
Рис. 48. Геодиметр модель 7*>
вается с цифрового табло, причем возможно измерение как в мет-
рах, так и в футах.
В качестве источника инфракрасного света используется свето-
диод арсенида галлия, длина волны 0,91 мкм, приемник — фото-
диод. Частота модуляции светового потока 14,98553 МГц при
измерении в метрах и 16,38838 МГц при измерении в футах. Све-
тодальномер работает в диапазоне температур от —20 до +50° С,
потребляет мощность 17 Вт от батареи с напряжением 6 В. При
емкости батареи 15 А/ч возможно измерение 500 линий. Свето-
дальномер может измерять расстояния до подвижных целей;
при этом средняя квадратическая ошибка увеличивается примерно
в четыре раза, а потребляемая мощность составляет 24 Вт.
Геодиметр модели 6BL (рис. 51) предназначен для измерения
расстояний 15 м — 25 км; источник света — гелий-неоновый лазер
мощностью 1 мВт; потребляет 26 Вт, питается от аккумуляторов
Линейные измерения
119
Рис. 49. Геодиметр модель 700
Рис. 50. Геодиметр модель 12
120
Линейные измерения
Риг. 51. Геодпметр модель 6BL
напряжением 12 В. Масса приемо-передатчика 15 кг. Средняя
квадратическая ошибка единичного измерения 10 мм + 1 мм/км,
по стандартной программе 5 мм 4- 1 мм/км, по специальной про-
грамме 1 мм + 1 мм/км. Время единичного измерения 1 мин, по
стандартной программе 3 мин, а по специальной 20—30 мин.
Геодиметр модели 8 позволяет измерять расстояния от 15^м7до
60 км за счет использования более мощного лазера — 5 МВт.
Средняя квадратическая ошибка измерения расстояния 5 мм 4~
4- 1 мм/км. Масса приемо-передатчика 23 кг.
Английская фирма «Теллурометр» выпускает светодальпомер-
ную насадку па теодолит теллурометр CD6 (рис. 52). Дальность
действия прибора 2 км, средняя квадратическая ошибка 5 мм 4-
4- 5 мм/км; в качестве источника света используется светодиод
инфракрасного диапазона (0,93 мкм); измерение автоматическое,
отсчет цифровой. Масса насадки 2,5 кг, потребляемая мощность
12 Вт.
В ФРГ разработан малогабаритный светодальномер ELDJ2.
размеры которого составляют 120 X 135 х 155 мм при массе
3,5 кг, включая батареи (рис. 53). В светодальномере использована
коаксиальная приемо-передающая оптическая система. Преду-
Линейные измерения
121
смотрено использование двух
объективов с апертурой 60 и
120 мм. При использовании
объектива с апертурой 60 мм
дальность действия прибора
составляет 0—2 км при сред-
ней квадратической ошибке
измерения 5 мм на первом диа-
пазоне и 0—3 км с ошибкой
2 см на втором диапазоне. При
апертуре объектива 120 мм
дальность действия прибора
увеличивается до 3 км на пер-
вом диапазоне и до 5 км на
втором диапазоне, а средние
квадратические ошибки измере-
ния соответственно равиы 5 мм
и 2 см. В качестве псточиика
света использован инфракрас-
ный светодиод арсенида галлия
с длиной волпы 0,91 мкм, а в
качестве светоприемника — фо-
тодиод. Светодальномер снаб-
Рпс. 52. Теллурометр CD6
жен цифровым табло, процесс
измерений полностью автоматизирован и занимает менее 5 с
времени. В процессе измерения автоматически учитывается
поправка за состояние атмосферы в точке стояния приемо-пе-
редатчика. Потребляемая мощность светодалыюмера 4 Вт, емкости
батарей достаточно для 500 ~ 1000 измерений.
Оптико-электронный блок может устанавливаться как на са-
мостоятельной подставке, так и на подставке трубы теодолита.
В ФРГ выпускается электронный тахеометр SM11, который
объединяет оптический теодолит и светодальномер (рис. 54).
Труба теодолита, а также приемо-передающие оптические системы
дальномера объединены и позволяют одновременно измерять
расстояния и углы. Радиус действия дальномера 2 км, средняя
квадратическая ошибка измерения 1 см. Источник света — свето-
диод арсенида галлия, длина волны 0,91 мкм. Время автомати-
ческого измерения расстояния 5 с, отсчет — цифровой. По-
правка за состояние атмосферы также учитывается автоматиче-
ски. Средняя квадратическая ошибка измерения горизонтального
угла 3*, а вертикального угла 5". Для измерения вертикальных
углов используется компенсатор. Мощность, потребляемая при-
бором, 14 Вт.
Для автоматической записи результатов измерений горизон-
тальных и вертикальных углов, а также наклонных расстояний
122
Линейные измерения
Ряс. 53. Светодальномер
ELDJ2:
а) на подставке,
б) па теодолите
б
выпускается элек i ройный тахеометр Reg Elta 14 (рпс. 55). Точно-
стные характеристики этого тахеометра аналогичны SM11. Соче-
тание светодально.мера с кодовым теодолитом позволяет произ-
водить автоматическую запись в полевых условиях. Потребляемая
мощность тахеометра Reg Elta 14 20 Вт.
Швейцарская фирма «Бильд» выпустила насадку на теодолит
DJ10 массой 2 кг. которая легко крепится к теодолиту (рис. 56).
Дальность действия прибора 2 км, средняя квадратическая ошибка
измерения расстояния 1 см, время автоматического измерения
15 с, отсчет цифровой. Потребляемая мощность прибора 15 Вт,
длина несущей волны 0,875 мкм, частота модуляции 15 МГц
(две частоты). Расстояния можно измерять в диапазоне углов на-
клона ±40°.
Фирмой «Керн» (Швейцария) выпускается насадка на тео-
долит массой 1,6 кг для измерения расстояний до 500 м со средней
.Чиненные измерения
123
Рис. 55. Тахеометр Reg Elta 14
Рис. 54. Тахеометр SM 11
квадратической ошибкой 6 мм за 15 с (рис. 57); источник света—
светодиод; измерения автоматизированы; отсчет цифровой.
Таким образом, наивысшую точность измерений коротких
расстояний на современном этапе можно получить при фазовом
или интерферометрическом методе измерения расстояний. При
этом точность измерения во многом определяется величиной ча-
стоты модуляции.
В нашей стране разработан и изготовлен дифференциальный
высокоточный светодальномер ДВСД-1. В связи с тем что даль-
номером невозможно однозначно измерить расстояния, а можно
лишь следить за изменением расстояний в пределах длины полу-
волны модуляции (16 мм) или производить уточнение расстояний,
124
Линейные измерения
Рис. 56. Дпстамат DJ1U
Рис. 57. Насадка на теодолит DM50
предварительно измеренных с ошибкой 5 мм, светодальномер
назван дифференциальным.
Конструктивно ДВСД-1 выполнен в виде четырех отдельных
блоков преобразователя напряжения, приемо-передатчика, блока
модулятора магнетрона и блока модулятора импульсной лампы.
Для уменьшения массы и габаритов блока .модулятора магнетрона
и блока модулятора импульсной лампы изготовлен блок преоб-
разователя напряжения, который состоит из трансформатора,
понижающего напряжения с 220 до 27 В, 50 Гц, диодного выпря-
мителя и умформера, обеспечивающего напряжение 115 В, 400 Гц,
блока светодалыюмера [80, 81].
Схема приемо-передатчика показана на рис. 58. Свет импульс-
ной лампы 5 через коллимирующее устройство и поляризатор
падает на полупрозрачное зеркало 6 и после отражения от него
направляется в СВЧ резонатор 9 с кристаллом К ДР 8. К СВЧ
резонатору через ферритовый вентиль 11 и аттенюатор 10 по гиб-
кому волноводу подводится мощность от магнетронного генера-
Линейные измерения
125
Рис. 58. Схема приемопередатчика светодальпомера ДВСД-1
тора 13. Под действием поля в СВЧ резонаторе производится моду-
ляция линейно поляризованного света по степени эллиптичности.
Модулированный световой поток через трубу направляется на
удаленный отражатель I, до которого измеряется расстояние,
и после отражения вновь проходит через кристалл, где и произ-
водится демодуляция светового потока. Пройдя через полупро-
зрачное зеркало и анализатор 6, изображение отражателя рас-
сматривается наблюдателем через окуляр 7. Ферритовый вентиль
предназначен для предохранения магнетрона от пробоя при не-
достаточном согласовании СВЧ • трактов. Аттенюатор служит
для регулирования подачи энергии в СВЧ резонатор. Часть
энергии магнетрона направленным ответвителем 12 поступает
в частотомер 3, которым измеряется генерируемая частота.
Светодальномер не имеет оптической линии задержки, так как
зеркала или призмы приводят к значительной деполяризации
света и ухудшают точность фиксации минимума. Для обеспечения
возможности изменения длины измеряемой линии СВЧ резонатор
с кристаллом КДР жестко соединен с микрометром 4, которым
и осуществляется перемещение резонатора вдоль измеряемой ли-
нии. Гибкий гофрированный волновод, соединяющий аттенюатор
с СВЧ резонатором, позволяет производить перемещение резона-
тора на 40 мм. Отсчеты фиксации минимума снимаются с микро-
метра.
Небольшая часть энергии направленным осветителем напра-
вляется в частотомер, представляющий собой объемный резона-
тор. Изменяя объем при помощи поршня, резонатор настраивают
в резонанс с частотой магнетрона. Момент резонанса фиксируется
по чувствительному микроампермилливольтметру 2, который через
высокочастотный диод подсоединен к петле связи, находящейся
в частотомере. Частотомер настраивается в резонанс по максимуму
тока. Поршень частотомера перемещается при помощи микрометра,
шкала которого предварительно градуируется.
126
Линейные измерения
В светодальномер© ДВСД применен модулятор 14 на электрон-
ных лампах с емкостью, накапливающей энергию в промежутках
времени между импульсами. Длительность вершины импульса
вависит от радиуса действия светодальномера. Форма и величина
подаваемого на магнетрон модулирующего напряжения должна
быть такой, чтобы магнетрон устойчиво работал на основном виде
колебаний, не переходя на нежелательные виды, и чтобы созда-
вался наилучший режим работы магнетрона, характеривующийся
наибольшей стабильностью частоты. Частота повторения импуль-
сов определяется в основном длительностью импульса и возмож-
ностями модулирующего кристалла работать без перегрева и раз-
рушения.
Для нормальной работы магнетрона необходимо, чтобы ско-
рость нарастания модулирующего напряжения на фронте импульса
лежала в определенных пределах. При малой скорости нарастания
модулирующего напряжения в магнетроне могут возбудиться
нежелательные «низковольтные» виды колебаний, а при чрез-
мерно большой скорости — колебания, пороговое напряжение
которых выше, чем у основного противофазного вида. Для боль-
шинства магнетронов выбирают скорость нарастания модулиру-
ющего напряжения в пределах 50—300 кВ/мкс, а длительность
фронта модулирующего напряжения выбирают 10—20% длитель-
ности импульса.
Изменение модулирующего напряжения на вершине импульса
вызывает электронное смещение частоты во время импульса из-за
непостоянства тока магнетрона. Это приводит к искажению формы
спектра и к увеличению полосы частот, в которой сосредоточена
большая часть энергии импульса. Изменение модулирующего
напряжения вызывает также изменение амплитуды высокоча-
стотных колебаний. Изменение напряжения на вершине импульса
не должно превышать 2—3%. Такое жесткое требование объяс-
няется тем, что даже сравнительно небольшое изменение напря-
жения приводит к заметному изменению тока магнетрона.
К длительности спада импульса не предъявляется жестких
требований, так как при снижении модулирующего напряжения
переход магнетрона на «низковольтовый» вид колебаний менее
вероятен. Переход на нежелательный вид колебаний связан
с изменением конфигурации уже сформированного электронного
потока. Такое изменение происходит значительно труднее, чем
образование конфигурации электронного потока из простран-
ственного заряда, равномерно распределенного по окружности,
когда в магнетроне не возбуждался ни один из видов колебаний.
Обычно длительность спада импульса модулирующего напряже-
ния выбирают равной 20—30% длительности самого импульса.
Для питания магнетрона р заработан модулятор по схеме
с частичным разрядом накопительной емкости на лампе ГМИ-83.
Линейные намерения
127
При выборе отдельных
элементов схемы модуля-
тора исходили из того,
что уход частоты магнет-
рона от импульса к им-
пульсу из-за нестабиль-
ности питания и изменение
частоты в течение импуль-
са , обусловленное спа-
дом вершины импульса,
не должны превышать
3 * 10"®. При исследовании
работы магнетрона в ре-
Рис. 59. Блок-схема электронной части
светодальномера ДВСД-1
жиме частота повторения
импульсов /л — 40 Гц, длительность импульса тп = 2,5 мкс,
средний ток магнетрона 7ер. Ы1Г = 1 мА; напряжением анода магне-
трона 6 кВ было установлено, что изменение импульсного тока
магнетрона на 1 А (среднего тока на 0,1 мА) ведет к изменению
частоты генерируемых колебаний на 9 кГц номинальной частоты.
Блок-схема электронной части прибора изображена на рис, 59.
Задающим генератором служит блокинг-генератор 2, работающий
в режиме автоколебаний, собранный на половине лампы 6НШ
(Л\). С задающего блокинг-генератора снимаются импульсы
положительной полярности с амплитудой 150 В и длительностью
0.8 мкс. С выхода блокинг-генератора импульс поступает на
катодный повторитель 2, собранный на второй половине лампы
6НШ (Л3) и предназначенный для развязки задающего генератора
от влияния последующих каскадов.
Электрическая линия задержки 3 помещена между двумя ка-
тодными повторителями Л9 и Л4, собранными на лампе 6НШ.
Электрическая линия задержки служит для компенсации задерж-
ки сигнала в модуляторе лампы-вспышки и в самой лампе. Линия
задержки изготовлена на 0,5 мкс с отводами через 0,05 мкс.
С линии задержки сигнал подается на блокинг-генератор, работа-
ющий в ждущем режиме, собранный на лампе ГИ-30 (Л^). Жду-
щий блокинг-генератор 4 служит подмодулятором. Длительность
импульсов ждущего блокинг-генератора определяется длитель-
ностью импульсов задающего блокинг-генератора. С выхода моду-
лятора 5 импульс отрицательной полярности с пиковым напряже-
нием 5—6 кВ и длительностью 2,5 мкс подается на катод Л7
(МИ-501) магнетрона 6. При помощи измерительных приборов ве-
дутся наблюдения соответственно за напряжением на накопитель-
ном конденсаторе и за разностью между средним зарядным и раз-
рядным током накопительного конденсатора.
Запускающий нмпульс от катодного повторителя Л9 подается
в блок модулятора лампы-вспышки на управляющую сетку лампы
128
Линейные измерения
Л8 (тиратрон ТГИ1-3/1) подмодулятора 7. С анода этой лампы
через инвертирующий трансформатор ИТрз, предназначенный
для измерения полярности импульса, поджигающий импульс
подается на управляющую сетку тиратрона ТГИ1-90/8(Л,) мо-
дулятора лампы-вспышки S, в анодную нагрузку которого вклю-
чена импульсная лампа-вспышка 9 (ИСПИ00-2). При подаче
на катод лампы-вспышки отрицательного импульса возникает
ионизационный разряд между катодом и управляющим электро-
дом. Ионизационный разряд вызывает пробой в промежутке ка-
тод — анод. Примененная схема питания лампы-вспышки не-
сколько громоздка, но обеспечивает хорошую синхронизацию
между СВЧ и световыми импульсами (разброс не превышает
5*10~8 с) за счет создания большого перенапряжения как на
вспомогательном промежутке катод — управляющий электрод,
так и на рабочем промежутке катод — анод. Кроме того, такая
схема позволяет работать с повышенной частотой повторения
импульсов и гарантирует от неуправляемых пробоев в лампе-
вспышке, так как напряжение на нее подается только в моменты
импульсов.
Вывод основных формул взаимодействия светового потока
и оптических элементов удобно произвести с применением матрич-
ного метода Мюллера [1191. Этот метод представляет собой мат-
ричное описание светового пучка и оптического устройства, через
которое проходит свет. Перемножение матриц по обычным пра-
вилам матричной алгебры позволяет чрезвычайно просто опреде-
лить результат взаимодействия света и оптического устройства.
Матрицы Мюллера состоят из четырех столбцов и четырех строк.
Во многих случаях большинство элементов равно нулю, что зна-
чительно облегчает вычисления. Элементы матриц характери-
зуют не только само устройство, но и его ориентацию (азимут).
Необходимо соблюдать следующее условие: вектор, представля-
ющий падающий свет, записывается справа, а матрицы, соответ-
ствующие различным устройствам, через которые проходит свет,
располагаются последовательно одна за другой, так что матрица
устройства, проходимая светом последней, записывается слева.
Перемножение производится, как и запись, справа налево.
При использовании стандартных нормированных матриц, в ко-
торых элементы даны в относительных величинах, получают
вектор выходящего света в относительной величине, причем за
единицу принимается интенсивность светового потока неполяри-
зованного света. При расчете интенсивности светового потока
в геодезических светодальномерах за единицу принимается ин-
тенсивность светового потока линейно поляризованного света,
поэтому в дальнейших расчетах интенсивность светового потока,
полученная методом Мюллера, будет увеличена в два раза, чтобы
сохранить принятую величину относимости.
Линейные измерения
129
Вектор выходящего света из рассматриваемой оптической
системы определяется равенством
(V) = [м j • [АГэЬ	. [Мхь ivj -
	- 1	cos 20	sin 20	o-	
1	cos 20	cos5 20	cos 20 sin 20	0	
д т	sin 20	cos 20 sin 20	sin9 20	0	X
	„ 0	0	0	0_	
1	0	0	0
0	Dl-El+Gl	гад	-2EA
0	2D2E2	— ^2 + ^2 + ^2	22?gGj
0	2E2G2	—2D2Gz	2GI-1
'10	о о
о Dl-Ef + Gl	20^	-2Е&
О 2D&	_£)* + £2 + g* 2DA
1 cos20 + fl1cosa20+tzscos20sin20
4 sin 20 + aj cos 20 sin 20 + a2 sin5 20
(63)
0
где
*i = (£>’ - E* + G‘) (D* - E* + Gj) - «Wtf, - W^E^
a, = 2D,£, (/>• - E* + G®) - 2D1El (—Dl + El + G$ + iE&Dfif
Интенсивность светового потока записана первым элементом
вектора выходящего светового потока (63) и, принимая за единицу
9 Заказ 437
130
Линейные измерения
относимости интенсивность линейно поляризованного света, для
общего случая равна
Г = | (1 + cos 20 [(Dj - El + GJ) (О’ - E* + Gj) + 4D&D& -
- 4Е161Егвг] 4- sin 20 [2DtEt (O? - Ef + Gj) +
+ 2D1E1 (-O’, + El + G I) + 4E.GAG,]}.	(64)
Анализ выражения (64) показывает, что наилучшее располо-
жение оптических элементов, когда угол между направлениями
главных осей пропускания поляризатора и анализатора 0 ~ 90°,
угол между направлением оси наибольшей скорости однородной
линейной фазовой пластинки (кристалла КДР) и направлением
главной оси пропускания поляризатора р — ±45*. При таком
расположении оптических элементов выражение (64) примет вид
/• = 4-U-cos(6t+6I)].	(65)
Разность фаз обыкновенного и необыкновенного лучей —
функция электрооптической постоянной гб3 кристалла и разности
потенциалов приложенного электрического поля Г, независимо
от длины кристалла,
6 = 2я-Ц^Г,	(66)
где п — коэффициент преломления кристалла для света с длиной
волны X.
Для случая первого максимума характеристики кристалла
будем иметь
Лс₽=т-	(67)
где Vlcp — критическое напряжение кристалла.
Из равенства (67) получим
=	(68)
С учетом формулы (68) выражение (66) можно записать как
6 = Я7Г_.	(69)
Мгновенное значение напряженности^электрического поля,
приложенное к кристаллу, имеет вид
V —
где FM0A — амплитуда напряженности переменного поля; ю —
круговая частота; t — время.
Линейные измерения
131
Таким образом, выражение (65) примет вид
Г = у{1- соз л [rsin((oi-|-a) -|-rsin art]}» (70)
Умод	22)	,
где г =	; a = шх — ш — — разность фаз между модулиро-
ванным световым потоком и модулирующим напряжением, обра-
зованная за время прохождения светом двойного измеряемого
расстояния 2D; и — скорость света в среде.
После несложных преобразований, приняв обозначение А =
— 2лг соз , равенство (70) можно записать в виде
А
—У ^1 —соз^Л sin +	(71)
Как видно из выражения (71), интенсивность светового потока
изменяется со временем Частота изменения светового потока
достаточно велика и глаз реагирует на интегральное значение
светового потока
т
I = ±$Tdt,	(72)
О
где Т — период колебания интенсивности светового потока.
Равенство (72) можно также записать в виде
*Л	2Л
/ = ^г$Г^) = ^-р'Лр,
о	о
где
<p = (ef,
или в более общей форме
«Л
/ = -^-j ^1—cos^4sinf<p + -y)]|d(p.	(73)
О
Выражение cos (Z sin <р) можно представить бесселевыми функ-
циями первого рода порядка К
cos (Zsin <р)=Jo (Z) -|- 2 2 Лп (Z) cos 2гаф.	(74)
П-1
Результат интегрирования равенства (73) запишется в виде
7=1[1-JO(4)J,	(75)
где Ja (А) — бесселева функция первого рода.
9*
132
Линейные измерения
Рис. 60. Графики изменения интенсивности светового потока
с изменением разности фаз
На рис. 60 приведены графики изменения интенсивности
светового потока Z, регистрируемого глазом, с изменением раз-
ности фаз ср при различных режимах питания модулирующего
кристалла. Минимум светового потока наблюдается, когда а =
= ил, где п = 1, 3, 5, 7 ит.д., т. е. в двойном измеряемом рас-
стоянии укладывается N + 1/2 длин волн,
20=(АГ + 1)%,
где N — 1, 2, 3 . . .
С увеличением модулирующего напряжения минимум стано-
вится более острый, но имеется энергетический предел, за кото-
Линейные измерения
133
рым наступает разрушение кристалла. Для кристаллов АДР
и НДР напряжение на частоте 9,5 ГГц, на котором возможна ра-
бота без разрушения, находится значительно ниже критического»
напряжения, поэтому для модуляции света в СВЧ диапазоне мо-
дулирующее напряжение подается на кристалл короткими им-
пульсами.
При измерении коротких расстояний визуальными светодаль-
номерами в минимуме виден остаточный световой поток. Особенно-
он заметен при измерениях в темное время суток или в слабо-
освещенных помещениях. Точность измерения в таких условиях
во многом зависит от величины остаточного светового потока в ми-
нимуме. В связи с этим необходимо выяснить причины, вызыва-
ющие появление остаточного светового потока, и определить не-
обходимые требования с целью его уменьшения.
Ранее была получена формула, характеризующая зависимость
интенсивности светового потока при произвольном расположении
оптических элементов. Там же указывалось наилучшее располо-
жение оптических элементов. На практике эти условия выполня-
ются с некоторыми ошибками, что приводит к появлению остаточ-
ного светового потока в минимуме.
Пусть угол между направлениями главных осей пропускания
поляризатора и анализатора равен 0 = 90° 4- а, а угол между
направлением оси наибольшей скорости линейной однородной
фазовой пластинки (в данном случае кристалла КДР) и направле-
нием главной оси пропускания поляризатора равен р = 45° 4~
+ Р, где аир — ошибки юстировки оптических элементов.
Равенство (64) после несложных преобразований в более раз-
вернутом виде можно записать как
Г — у 114- cos 20 £ (cos 4р sin* 4г + cos’ 40 X
X (cos 4р sin’ 4г 4- cos’ 4г) + sin’ 4р sin’ 4г si п14г —
— sin’ 2p sin sin	+sin 20 £sin 4psin* 4r cos 4p sin’ -y- X
X (cos4p sin~dl 4_cos’4r) 4-sin4psin’-y-x
X (cos 4psin2-~4~ 003240 4"sin sin sin 2p sin’4r (76}
Подставляя в равенство (76) значения углов и пользуясь раз-
ложением малых углов в ряд, после несложных преобразований,
ограничиваясь вторыми степенями ошибок, получаем
7* = у £1— cos (64 4- 6j) 4- 2а’ cos (6, 4- ) 4- 40’ 4- 40’ cos (64 4- 6X) 4-
4-8a0 (sin’y-cos614-sin’-^cos6j4- sin’-y-sin6^J.	(77}
134
Линейные измерения
Первые два члена равенства (77) есть интенсивность светового
потока при безошибочной юстировке оптических элементов. Пере-
ходя к средним квадратическим ошибкам юстировок, определим
величину остаточного светового потока в минимуме
А/ = m£ cos (ба 4- 6Х) 4- 2mp [1 4- cos (<5а 4- 6J].	(78)
В минимуме	и интегральное значение остаточного
светового потока определится равенством
AZmm = ^4-4mJ.	(79)
Как видно из равенства (79), на величину остаточного свето-
вого потока в минимуме ошибка юстировки кристалла влияет
значительно больше, чем ошибка юстировки поляроидов. Так как
интенсивность светового потока в максимуме зависит от режимов
питания кристалла, то на рис. 61 показано отношение остаточного
светового потока в минимуме к величине светового потока в мак-
симуме при различных значениях г, полагая, что т'а = т£. Из
графиков следует, что относительная величина остаточного све-
тового потока в минимуме достигает значительных значений при
г < 0,3 и практически не изменяется при г > 0,4. Так как при
работе на высоких частотах обычно величина г не превышает 0,4,
то юстировку оптических элементов следует производить с ошиб-
кой не более 3°.
При анализе работы двух синхронно работающих неполных
фазовых ячеек было допущено, что световые потоки в прямом
и обратном направлениях проходят через одни и те же точки кри-
сталла, т. е. напряженности поля в обоих случаях равны. В дей-
ствительности этого может не быть. Положение пучности СВЧ
Рис. 61. График относительного зна-
чения остаточного светового иотока
в минимуме
поля в резонаторе вычи-
сляется с ошибкой 0,2 мм.
Кроме того, при изготовле-
нии резонатора возможна
ошибка —0,2 4- 0,5 мм, т. е.
центр отверстия может не
совпадать с пучностью СВЧ
поля в среднем на величину
-~0,5 мм. Само по себе это
обстоятельство не вызывает
остаточного светового потока
в минимуме, если световые
потоки проходят в одной и
той же Кточке, а вызывает
лишь уменьшение коэффи-
циента использования моду-
лятора.
Линейные измерения
13»
Диаметр отверстия в стенках резонатора равен 2 мм и полно-
стью заливается светом. На отражатель вследствие расходимости
пучка света попадает лишь часть модулированного светового*
потока, а к приемо-передатчику возвращается еще меньшая часть.
Поэтому с некоторыми допущениями можно считать, что световой
поток, вернувшийся к приемо-передатчику, модулирован в одной
точке, а также, полагая, что диаметр отражателя достаточно мал,,
чтобы считать, что демодуляция светового потока происходит
в точке.
Перепишем равенство (70) с учетом замечаний, приведенных
выше,
Г = -i- {1 — cos я (rx sin (at + а) + ra sin <of ]},	(80)
где
rt = rx -|- Дг.
После несложных преобразований равенство (80) можно за-
писать в виде
I = у {1 — cos я ^2riSin coi-p -у) cos -у + Ar sin cof .	(81)
В минимуме cos = 0, так как минимум наступает при
£ *
а = (2АГ—!)• 180°,
где N = 1, 2, 3 . . .
Интенсивность остаточного светового потока в минимуме —
величина переменная и изменяется во времени в соответствии
с равенством
=	— cos (я Дг sin <of)].	(82)
Среднее значение интенсивности светового потока, регистри-
руемого глазом наблюдателя, определяется путем интегрирова-
ния равенства (82). Представим член равенства cos (яг sin <of)
в виде бесселевых функций
1 г1 Г	00
1 1 —Л(В)—2S/2л(В)с08Пф <йр,
о L	nel	J
где
П-1
В —я Дг.
Результат интегрирования выражения (83) примет вид
Д/=|[1-7в(В)|.
(83>
(84>
136
Линейные измерения
Определим возможную величину Дг. В резонаторе, который
используется в светодальномере ДВСД, пучности напряженности
поля чередуются через 8 мм, а напряженность поля в относитель-
ной величине изменяется по закону Vj (1 4* соз а), следовательно,
на расстоянии 8 мм а изменится иа 360°.
При безошибочно выполненном резонаторе между двумя край-
ними точками светового потока расстояние равно 2 мм. В этом
случае коэффициент К, показывающий, на какую величину от г
возможно изменение, определится как
К=У (cos 0*- cos 45е) - 0,15.
При ошибке в определении центра отверстия, равной 0,5 мм,
максимальная величина К равна
К=1-(соз О* - соз 67,5е) - 0,31.
Среднеквадратическая величина К будет соответственно в 2—
3 раза меньше.
На рис. 62 показан характер изменения интенсивности оста-
точного светового потока, рассчитанный по формуле (84) при
Дг = гК,
На рис. 63 показано отношение остаточного светового потока
в минимуме к величине светового потока в максимуме при Дг =
= гК. Даже при К = 0,3 и г = 0,5 — 0,7 величина остаточного
светового потока в минимуме не превышает величины 5 4-8%
Рис. 62. График изменения интенсив-
ности остаточного светового потока
в минимуме
от максимального значения.
Кроме того, перемещая изо-
бражение отражателя, можно
всегда найти наиболее вы-
годное положение, где вели-
чина остаточного светового
потока незначительная.
Все ранее приведенные
рассуждения относятся к не-
прерывному режиму питания
модулятора. На практике
приходится применять им-
пульсную модуляцию света
для устранения перегрева
кристалла и его разрушения.
Выводы, сделанные ранее,
могут относиться и к им-
пульсному режиму при сле-
дующих допущениях:
Линейные измерения
137
Рис. 63. График относительных зна-
чений остаточного светового потока
в минимуме
Рис. 64. График изменения ча-
стоты модуляции с прогревом при-
бора ДВСД-1
1. Интенсивность светового потока в окрестностях минимума
выше пороговой чувствительности глаза.
2. Импульс света и импульс модулирующего напряжения
имеют прямоугольную форму.
При таких допущениях интенсивности световых потоков,
должны быть уменьшены в g раз, где g — скважность, которая
определяется из соотношения
где Т — период следования импульсов; т — длительность свето-
вого импульса.
Импульсный режим питания накладывает ограничения на ве-
личину измеряемого расстояния, так как импульс света должен
пройти двойное измеряемое расстояние за время действия импульса
модулирующего напряжения.
В 1968 г. проводились исследования макета ДВСД-1 в радио-
геодезической лаборатории Ереванского политехнического ин-
ститута с целью дальнейшего усовершенствования макета и выбора
методики измерений [78, 79]. Основное внимание уделено часто-
то-измерительному устройству, так как оно определяет методику
измерения расстояния.
Изменение частоты модуляции с прогревом прибора показано
на рис. 64, где по оси абсцисс отложено время прогрева магне-
трона (включен накал магнетрона и подано высокое напряжение),
а по оси ординат — частота генерации магнетрона. Наиболее
быстрое изменение частоты (120 кГц/мин) наблюдается первые
20—30 мин, что соответствует уходу частоты за минуту в отно-
сительной мере • Через 20—30 мин прогрева уход частоты
значительно ниже и составляет 15 кГц/мин или уход частоты
за минуту в относительной мере равен 1,7*10"®. Изменение
138
Линейные измерения
Рпс. 65. График изменения ча-
стоты магнетрона с изменением
тока
частоты после 30-минутного про-
грева достаточно линейно, и вполне
допустимо измерение частоты с ин-
тервалом 5 мин.
Стабильность частоты генера-
ции магнетрона существенно за-
висит от режима питания магнет-
рона. Выбор оптимального режима
работы магнетрона производится
двумя методами. Во-первых, ве-
лось наблюдение за изменением
частоты генерации магнетрона
с изменением тока питания. На
рис. 65 показано, что при токе
0,9 4-1,1 мА изменение частоты
крайне незначительно. Так как от
стабильности частоты зависит и
точность измерения, то выбор
оптимальной рабочей точки возможен по ошибке фиксации
частоты. На рис. 66 изображен график точности фиксации частоты
при различных режимах работы магнетрона.
Данные исследований показали, что оптимальный ток —
1,0 мА. Изменение тока на величину 0,1 мА не вызывает ощути-
мых изменений частоты. Такое изменение тока возможно при
изменении напряжения питания на 3%, а потому нестабильность
напряжения не должна превышать указанной величины. Питание
магнетрона должно быть стабилизировано, так как напряжение
сети может изменяться на 10%, а выходное напряжение, получа-
емое от бензоэлектрического агрегата АБ-0,5, изменяется на 20%.
Расстояния можно измерить, используя фотоэлектрическое
преобразование двух когерентных оптических сигналов одинако-
вой полярности с равными относительными фазами вдоль всей
фоточувствительной поверхности фотокатода. Всем указанным тре-
бованиям отвечает излучение газового ОКГ, содержащее несколь-
ко продольных типов колебаний (аксиальных мод) [43, 129].
Пусть ОКГ излучает две оптические частоты с амплитудами
электрического поля и Еа, круговыми частотами Vi и v, и на-
чальными фазами ф01 и фм
£1 = £OiSin(v1i-b9o1) |
£s = £Msin(v2« + <po,) J'
(85)
Применяя принцип суперпозиции, согласно которому для све-
товых волн возмущения в данной точке и данный момент времени,
создающиеся при прохождении ряда волн, равны алгебраической
Линейные намерения
13»
сумме возмущений, производимых
каждой волной, можно записать
Я = Ег + Я, = E9t sin (Vjf + фо») +
+ £<>. sin (v^Z + <p01).
Квадрат амплитуды суммарного
поля равен
Et — £«, + Я?,+ 2Яо|#О1соэ (Avt+
1'4.1
(86)
Рис. 66. График ошибок наме-
рения частоты при различных
режимах работы магнетрона
где
+Афо)»
Av = Vi—v2,
Дф0 — фо» — Фо.-
Интенсивность светового потока пропорциональна квадрату
амплитуды электрического вектора световой волны (точнее, ин-
тенсивность определяется величиной вектора Умова — Пойн-
тинга Р =	Е*). В связи с этим равенство (86) можно записать
в виде
P(0=Pl + P1+2]/PIP,coe(Avt+Aq>0).	(87)
Соотношение между выходным фототоком и мощностью при-
нимаемого излучения определяется законом Столетова
где
-^=РгЛо>
(88>
здесь T)D — квантовая эффективность прибора; h — постоянная
Планка; е — заряд электрона.
С учетом равенства (88) уравнение (87) примет вид
Z = 4i-h4'+2 1/27^2 соз (Д^+Дфо).	(89>
Если равенства (85) характеризовали оптические частоты,
излучаемые ОКГ, то при прохождении ими расстояния 2D они
примут вид
Е{ = £5, sin [V! (I — т) + ф0,1,
Е\ = Яо. sin ]vj (i— т) + фо,],
где
2D
х = —.
с
140
Линейные измерения
Проводя аналогичные преобразования, приходим к выводу,
что выходной фототок для этих колебаний примет вид
Z' — А { + А14- 2 У А\А i cos [Av (t — т) 4- A<p0],	(90)
где
Л. = Р,Р(.	(91)
Сопоставляя равенства (89) н (90), видим, что эти два сигнала
-отличаются не только амплитудой, но и фазой, пропорциональной
длине расстояния D и частоте биений аксиальных мод ОКГ.
Электрические сигналы, снимаемые с фотокатода и соответ-
ствующие световым сигналам, прошедшим двойное измеряемое
расстояние, и опорному сигналу, могут быть записаны равенст-
вами
Л=Л14-Лг4-2 У^Аг cos (Av/ — Avtl4" А<р0),	(92)
Z2 = A14-At4-2 У А1А > cos (Av/ — Avxa 4~ Афо),	(93)
2d
где Tj = — — время задержки сигнала в оптической линии
2D
.задержки; та = —-----время задержки сигнала при прохожде-
нии измеряемой линии.
Для упрощения дальнейших рассуждений положим, что £П1 =
= следовательно, Аг = А2 — А и Л'( = А* — А'.
В результате равенства (92) и (93) могут быть записаны соот-
ветственно в виде
ZX = 2A [14-cos(Av/ —AvT^ А(р0)1,	(94)
Za = 2А9 (14- cos (Av/ — Avra 4- Афо)].	(95)
Сложение сигналов произойдет на нагрузке ФЭУ
/вых = Л + Л.	(96)
Подставляя в равенство (96) выражения (92) и (93)е после пре-
образований записываем
/вых = /х СОЗ (Av/4-ф),
где	_______________________________
Zi = У 1\ +1\ 4- 2ZxZa cos (Avxa 4- Аутх 4- 6<р),	(97)
— фазовая ошибка, возникающая вследствие различного вре-
мени задержки сигналов на пути фотокатод — анод ФЭУ.
Из равенства (97) следует, что амплитуда результирующего
сигнала зависит не только от интенсивностей световых потоков,
но и от соотношения фаз измерительного и опорного каналов.
Фазовую ошибку бф можно учесть, если измерить длину оптиче-
Линейные измерения
141
Рис. 67. Блок-схема лазерного дальномера
ской ’линии задержки постоянной длины или привести к прене-
брегаемо малой величине.
При перемещении оптической линии задержки зеркала 2
и 5 (рис. 67) на величину I двойное измеряемое расстояние умень-
шится на Z, а длина оптической линии задержки увеличится иа 21,
Перепишем равенство (97) в более развернутом виде для данного
случая (полагая, что б<р = 0)
Л = У И + 1\ + 2ДЛ cos [2я -L(2D + d+ Z)]
ИЛИ
Iz=yЦ ++ 21Л cos (2я 2и+*+1') .	(98)
В связи с тем что величина d (в данном случае расстояние ме-
жду зеркалами) постоянна и будет учтена в постоянной прибора
либо не войдет в результат измерений вообще (в зависимости от
методики измерения расстояния), рассматривать ее не будем и за-
пишем равенство (98) в виде
Л =]//; + /; + 2ДД cos (2я ^^-) •	(99)
Равенство (99) имеет экстремальные значения при
coa(2n^±)=±l.
С точки зрения точности измерения разности фаз выгоднее
работать с минимумом сигнала, т. е. когда
Л	А
где N — целое число длин волн.
Максимальное изменение величины с изменением разности
фаз будет только в том случае, если 1г — Z2; в этом случае
прибор обладает максимальной чувствительностью.
142
Линейные измерения
Для достижения максимальной чувствительности в плечо
оптической линии задержки предусмотрен оптический аттенюа-
тор 6, который может быть выполнен или в виде «серого клина»,
или, используя поляризованность луча газового ОКГ У, в виде
поляроида. При помощи оптического аттенюатора 6 выравни-
ваются интенсивности световых потоков в измерительном (от
отражателя 3) и опорном каналах. Электрический сигнал, снятый
с нагрузки фотоэлектронного умножителя 4, поступает в блок
усиления 7, и при помощи индикаторного устройства 8 регистри-
руется момент наступления минимума. В светодальномере дол-
жен быть предусмотрен блок измерения или стабилизации частоты
биений аксиальных мод газового ОКГ.
Как показано выше, частота биений аксиальных мод для
ОКГ-11 составляет 300—320 МГц. В литературе имеется описание
некоторых зарубежных светоприемников, работающих на часто-
тах в несколько гигагерц, как, например, динамический ФЭУ
со скрещенными полями, фотоклистрон, фотоэлемент с широко-
полосным волноводом, фотоэлемент с бегущей волной (фото ЛБВ).
Эти приборы сложны в наладке, обладают небольшим коэффици-
ентом усиления, дороги. Кроме того, пропускать масштабную
частоту через усилительные тракты нецелесообразно, так как
нестабильность времени задержки сигнала в светоприемниках
значительно снижает точность измерения. Для уменьшения этих
ошибок в светодальномерах ЭОД-1, NASM-2A, NASM-4B и дру-
гих применяют детектирование на ФЭУ на участке фотокатод —
первый эмиттер. В данном случае высокочастотный сигнал про-
ходит короткий путь от фотокатода до первого эмиттера, но,
несмотря на это, требуется высокая стабильность напряжения пи-
тания ФЭУ и контрольного измерения постоянной прибора.
В настоящее время разработан перспективный метод гетеро-
динирования сигналов непосредственно на фотокатоде ФЭУ [120].
Такой метод применим с ФЭУ, фотокатод которых напылен на
торцовое окно (ФЭУ-51, ФЭУ-28 и др.). При гетеродинировании
на фотокатоде перед окном ФЭУ располагают диск с отверстием,
мелкую сетку или коаксиальный резонатор. К диску, сетке или
резонатору подводят высокочастотный сигнал, близкий к частоте
модуляции света; при этом через все каскады усиления ФЭУ
проходит уже разностный сигнал. Такой метод позволяет произ-
водить фотоэлектрический прием модулированного светового по-
тока частотой до 2 ГГц с использованием серийных ФЭУ, которые
предназначены для работы на частотах не свыше 50—150 МГц.
При экспериментальных исследованиях на фотокатоде частоту
биений аксиальных мод газового ОКГ смешивали с частотой ге-
теродина (/ = 320 МГц) и выделяли разностную частоту от 1 МГц
до 100 Гц; при этом на сетку, расположенную перед фотокатодом,
подавалось напряжение с амплитудой не более 20 В.
Линейные намерения
143
Экспериментальные исследо-
вания показали, что использо-
вание биений аксиальных мод
газового ОКГ в качестве мас-
штабной частоты может ока-
заться перспективным направ-
лением в геодезическом прибо-
ростроении [45].
Интересно использовать
метод фазового измерения рас-
стояний для наблюдения за
смещениями точек по замкну-
тому контуру [47]. Описанным
ниже способ применим па лю-
бом современном ускорителе и
особенно на ускорителях с ра-
диальными каналами и может рпс gg схема наблюдений за сме-
обеспечить высокую оператив- щепием точек по замкнутому ион-
ность измерений. На рис. 68	ТУРУ
дана схема установки для из-
мерения смещений точек, расположенных по вершинам, напри-
мер, треугольников.
Система состоит из источника модулированного света 2, при-
бора для измерения или стабилизации частоты модуляций на одном
пункте 2, оптической линии задержки 3, фотоприемника 4, фазо-
измерительного устройства 5 и отражателя, установленных на всех
пунктах, смещение которых определяют.
Система работает следующим образом.
Модулированный световой поток от источника 1 на пункте А
разделяют на два, причем один из них направляют к пункту В,
а другой — к пункту С. В результате отражений от отражателей
световые потоки совершают последовательный «обход» всех объек-
тов навстречу один другому. Во всех остальных пунктах, кроме Л,
установлены только фазоизмерительные устройства, что позво-
ляет создать систему с наименьшими затратами.
В каждом пункте измеряют разность фаз, соответствующую
расстояниям Dh причем в пунктах:
А	Р1=а + д + с,
В	D^c—a—b,
С	D9 = a+c—bt
где Dt — измеряемые расстояния; а, b и с — длины сторон,
^результате вычислений нетрудно получить искомые расстоя-
ния
„	,	— Вг .	t _	— Оц	,	л __
а----2	’	2	’	С	2	‘
144
Линейные измерения
Дальномерное устройство в полном комплекте установлено
только в одной точке, а в остальных — сравнительно простые
фазоизмерительные устройства.
Использование лазеров — одно из направлений, от которого
в течение нескольких ближайших лет можно ожидать существен-
ного повышения точности.
В последнее время для точных периодических обмеров районов,
в которых ожидаются смещения земной коры, или для определе-
ния скорости, с которой накапливаются внутренние механические
напряжения в породе в разных точках, находят широкое приме-
нение интерферометрические измерения монохроматическим све-
товым лучом. Применение фазовых приборов такого рода воз-
можно и на ускорителях заряженных частиц при изучении ста-
бильности физического оборудования в процессе эксплуатации.
Опубликовано несколько сообщений [97] об использовании
лазерных интерферометров большой длины для измерения напря-
жений в Земле. В одном из экспериментов 10-метровый лазерный
интерферометр был установлен рядом с 25-метровым стрейнсей-
смографом (тензометром) Беньоффа на станции Биг-Дельтон —
Кеньон Калифорнийского технологического института в Глендора.
Между зеркалами интерферометра была помещена откаченная
трубка из стекла «викор» с оптическими окнами на концах, так
что луч проходил в атмосфере менее 1 см длины. Были обнаружены
деформации Земли с амплитудой около 5-10"8, что говорит о вы-
сокой чувствительности прибора.
В другом эксперименте два одинаковых лазерных интерферо-
метра были установлены вблизи Бекерс-Фильда, штат Калифор-
ния. Один интерферометр имел длину 25 м, другой — 10 м.
Предварительные результаты показали, что длинный интерферо-
метр удлинялся с относительной скоростью приблизительно
1-10-7 за сутки, а более короткий интерферометр приблизительно
в такой же степени укорачивался.
Для измерения расстояний можно использовать зависимость
мощности генерации лазеров (ОКГ) от соотношения фаз интерфе-
рирующих сигналов. В этом случае интерферометр упрощается
и, кроме ОКГ, содержит только одну оптическую деталь — внеш-
нее подвижное зеркало, расположенное нормально к оси оптиче-
ского излучения.
При перемещении внешнего зеркала мощность излучения
претерпевает циклическую модуляцию с периодом, соответству-
ющим смещению зеркала на (X — длина волны излучения ОКГ).
На рис. 69 показана схема такого интерферометра, получи-
вшего название активного лазерного интерферометра. Излучение
от газового лазера 2, выходящее через зеркало Ма после отраже-
ния от зеркала ЛГ8, направляется обратно в резонатор. Длина
Линейные измерения
145
Рис. 69. Схема активного лазерного интерфе-
рометра
на которую перемещается зеркало Af3, может быть определена
как
4, = AT-L
£
где N — число циклов модуляции интенсивности излучения ОКГ,
регистрируемое при помощи счетчика 1.
Активный лазерный интерферометр в сочетании со счетчиком
можно использовать как прибор для геодезических и других
целей, например компарирования мерных длин.
Широкое использование в инженерно-геодезических работах
средств автоматизации линейных измерений, несомненно, будет
способствовать повышению производительности труда и качества
выполняемых работ.
Ю Зака• 437
Глава IV
Применение муарового эффекта
в высокоточных геодезических
измерениях
§ 14. Основные методы
Возьмем непрозрачную пластинку А с нанесенной на ней
шкалой равноотстоящих один от другого параллельных штрихов.
В применении к муаровому эффекту такую пластинку будем на-
зывать решеткой или растром.
Вторую прозрачную пластинку В с нанесенной на ней такой же
решеткой наложим на первую так» чтобы штрихи совпали. Затем
прозрачную пластинку повернем на некоторый малый угол у,
при этом штрихи растров пересекутся.
Если точки пересечений штрихов растров соединить прямыми
линиями, то они будут расположены по направлению биссектрисы
тупого утла пересечения растров. Между этими линиями штрихи
прозрачной пластинки будут закрывать промежутки между штри-
хами пластинки А и появятся темные полосы, параллельные ли-
ниям, соединяющим пересечения штрихов растров. Эти темные
полосы именуются «муаровыми».
Чем больше угол между штрихами двух растров, тем больше
количество муаровых полос. Следовательно, с увеличением угла
пересечения штрихов число муаровых полос будет больше, а рас-
стояние между осями их уменьшится.
Муаровые полосы не имеют резкого очертания, поэтому фак-
тическую ось муаровой полосы зафиксировать на растровой пла-
стинке достаточно трудно. При симметричных растрах с прямо-
линейными параллельными штрихами, толщина которых равна
просвету между штрихами, ось муаровой полосы будет прямо-
линейной и при строгой геометрической правильности растровых
решеток будет совпадать с биссектрисой тупого угла пересечения
штрихов двух однотипных растров.
Расстояние между осями прямолинейных, параллельных штри-
хов, именуемое шагом решетки, обозначим через t. Толщину
штриха обозначим через а, при ширине просвета, равной ширине
штриха, t = 2 а. Расстояние между осями смежных муаровых
полос обозначим через Т. Величина Т именуется шагом муаровых
Применение муарового эффекта в высокоточных измерениях 147
полос. Шаг муаровых полос с шагом растров связан через угол
перекрестия штрихов выражением
2sinT
Учитывая, что угол у мал, приближенно можно написать
(100)
sin у	'	'
Из формулы (100) следует, что шаг муаровых полос весьма
чувствителен к углу у, но изменяется нелинейно. Высокая чув-
ствительность шага муаровых полос к изменениям угла у позволяет
довольно выгодно использовать муаровый эффект в высокоточных
инженерно-геодезических измерениях. Оси муаровых полос со
штрихами растров пересекаются под углом
а = 90°±-£.
Муаровый эффект можно использовать и с применением раст-
ров с разным шагом. В этом случае
у» ________h*_______
V /2-H’—2«iCOs у
где I — шаг одного растра; — шаг другого растра.
Имеется в виду, что на обоих растрах штрихи прямолинейные
и параллельные. Если растровые решетки имеют различный шаг,
то муаровые полосы образуются различной ширины. Углы наклона
осей муаровых полос к линиям растворов в этом случае опреде-
ляются формулами
/ sin у
--Hi—2ht cosy
и
lisinyi
sin ax =	1	1	.
V /J-г z2 —2»icosy
Следовательно, сочетанием шагов растров можно регулировать
направление муаровых полос. Это важное свойство используется
нри применении муарового эффекта для уменьшения ошибки
визирования.
При сопряжении двух параллельно-линейных растров с оди-
наковым шагом (для удобства визуального счета количества муа-
ровых полос) важное значение имеет соотношение размеров ши-
рины штрихов растров с размерами просветов между штрихами.
ю*
148
Применение муарового эффекта в высокоточных измерениях
Как показали экспериментальные исследования, наилучшее соот-
ношение — такое, при котором ширина темных полос растра
(штрихов) в три раза меньше ширины просветов между штрихами.
Указанную зависимость выразим формулами
где а — толщина штрихов растра; b — ширина просвета между
штрихами.
Для получения наилучшей контрастности муаровых полос
толщина штрихов второго растра и ширина просветов должны опре-
деляться формулами
bl = ~3L
Иначе говоря, картинка второго растра должна представлять
негативное изображение первого растра.
Расположим штрихи одной растровой пластинки с шагом t
вертикально, а штрихи второй пластинки с тем же шагом t на-
клонно под углом у по отношению к штрихам первой пластинки.
Получим картину с изображением муаровых полос. Если растро-
вую пластинку с вертикальными штрихами поступательно переме-
стим па величину шага растра то муаровые полосы переме-
стятся на величину шага муаровых полос Т. Поэтому, измеряя
величину перемещения муаровой полосы, можно со значительно
большей точностью определить величину поступательного пере-
мещения растра с вертикальными штрихами. При значении угла
у = величину поступательного перемещения растровой пла-
стинки можно определить почти в 60 раз точнее, чем величину
перемещения муаровой полосы. Это позволяет с большой эффек-
тивностью использовать муаровые полосы при высокоточных ин-
женерно-геодезических измерениях.
§ 15. Применение муарового эффекта
Рассмотрим применение муарового эффекта для определения
величин взаимного перемещения двух установок.
Две растровые пластинки А и В с одинаковыми решетками
соединим осью, позволяющей вращать пластинку В, наложенную
на пластинку Л, вокруг точки О (рис. 70). Вращением пластинки
Il [Hi мелок in* муарового эффекта в высокоточных измерениях 149
Рис. То. Муаровые полосы
одном изделии, а пластинку
изменении взаимного по-
А переместим точку .V в поло-
жение Л/в. Помня, что муаровые
полосы появляются посередине
между двумя смежными пере-
крестиями растровых штри-
хов, на картине получим шесть
муаровых полос. Следователь-
но, переместив начальную точку
растровой пластинки 3Z на
шесть шагов растра/!, получим
шесть муаровых полос. Таким
образом. величину перемеще-
ния точки JZ по направлению	у
к* штрихам неподвижного	/
растра А можно определить	С
по формуле
I - /.V,
где N — количество муаровых
полос.
Если пластинку .1 укрепить на
/) соединить с другим, то при
ложеиия изделий будет изменяться угол между штрихами
растровых пластинок А и •/?, а следовательно, изме-
няться количество муаровых полос. На основе описанного
принципа использования муарового эффекта разработан и скон-
струирован прибор для измерения перемещений элементов строи-
тельных конструкций, технологического оборудования и изде-
лий. Этот прибор назван «муаровым измерителем перемещений».
Приборная точность определяется размером шага растров t.
Штрихи растров наносят на стеклянные пластинки при помощи
делительной машины, позволяющей наносить штрихи с ошибкой
в несколько микрометров.
Если принять растровый шаг в 0,2 мм, то толщина штрихов
.	2	.
на одной пластинке А должна быть равна а — г, т. е. а
133 мкм, а ширина просвета между штрихами b — 67 мкм.
На другом растре, т. е. на пластипке В, а = 67 мкм и b 133 мкм.
Схема макета муарового измерителя перемещений, изображен-
ная на рис. 71, состоит из двух параллельно-линейных растров 1
и 2, заключенных в оправе. Штрихи растров нанесены па стеклян-
ных пластинках. Шаг штрихов обоих растров одинаков и равен
6.2 мм, а ширина штрихов принята для первого растра 60 мкм,
а для второго 110 мкм. Оправа с растром 2 закреплена неподвижно
в корпусе прибора, закрытого крышкой 3. Оправа с растром 1
вращается па оси 7. При повороте растра / относительно растра 2
150 [Применение муарового аффекта в высокоточных измерениях
Рис. 71. Схема макета муарового измерителя перемещений
в плоскости зазора между растрами появляются муаровые по-
лосы, чередующиеся с белыми просветами. На оправе растра 1
укреплена стойка 4, которая при помощи инварной тяги соеди-
няется с соседним изделием, а корпус прибора при помощи скоб 5
наглухо крепится к другому изделию. Для подсветки муаровых
полос в нижней части корпуса под растрами вмонтирована элек-
трическая лампочка 6, питаемая от батарейки карманного фонаря.
Прибор рассчитан на определение взаимных линейных пере-
мещений двух изделии в диапазоне 10 мм. Если измеряемое пере-
мещение достигает 5 мм, то на отсчетной плоскости растров по-
явится 20 муаровых полос. Применяя растры, у которых на одной
пластинке толщина штрихов а = 1/3 Z, а ширина просвета Ь =
= 2/3 /, а на другом растре аг = 2/3 t и 1/3 то при ши-
рине муаровой полосы, равном А, ширина просвета будет 2А.
Таким образом,
А=^
Это выражение дает возможность определить габариты раст-
ровых пластинок в зависимости от принятой величины А.
Обозначим длину растровых пластинок, рассчитанных для
измерений перемещений с максимальной величиной Z, через Я.
Максимальное число муаровых полос будет
' N=T-
Применение муарового эффекта в высокоточных измерениях
15!
Максимальная длина рабочей части растра И определится вы-
ражением
H = NT ала Н = ЗА у.
Если необходимо обеспечить ширину муаровой полосы не ме-
нее 1 мм, тогда при А — 1 мм, I — 5,0 мм и t = 0,2 мм получим
// -- 75 мм. Иначе говоря, высота штрихов растровой решетки
в данном случае должна быть не менее 75 мм, а ширина растровой
решетки — не менее 5 мм, т. е. штрихов растров должно быть
не менее 25. При одинаковых растрах, па которых а — b ~
1/2 t, ширина муаровой полосы А будет равна Т/2, следовательно,
Я = 2.1 у,
г. е. растры по высоте могут иметь меньшие габариты.
Экспериментальные работы и опытные испытания макета пока-
зали надежпость результатов измерений. Преимущества муарового
измерителя перемещений перед другими применяемыми средствами,
как, например, измерительные микроскопы, микрометры и ин-
дикаторы, заключаются в повышенной устойчивости и безотказ-
ности в работе, возможности применения в местах с повышенной
влажностью и в быстропеременных температурных условиях,
высокой точности измерений прй визуальных отсчетах без приме-
нения оптических средств увеличения изображений.
Однако этим не ограничиваются преимущества применения
муарового эффекта для высокоточных измерений перемещений.
Картина на отсчетной плоскости муарового измерителя предста-
вляет собой чередование белых и черных полос. Это открывает
большие возможности автоматизации измерений и организации
дистанционного съема результатов измерений. Муаровые измери-
тели перемещений можно устанавливать в местах труднодоступ-
ных или совершенно недоступных для непосредственного снятия
отсчетов исполнителем. Изготовленные муаровые измерители пере-
мещений во влагонепроницаемых вариантах могут быть установле-
ны в местах повышенной влажности и даже под водой; при этом
безотказность их работы будет полностью обеспечена.
Конструктивная схема устройства автоматического счета коли-
чества муаровых полос выполнена в МИИГАиК в следующем виде.
Автоматический счетчик муаровых полос состоит из двух
блоков: оптико-электронного датчика муаровых полос и блока
дистанционного отсчета.
Счет числа муаровых полос основан на сканировании оптиче-
ским лучом изображений муаровых полос вдоль отсчетной пло-
скости растров. На каретке 7 (рис. 72) укреплены осветитель
(лампочка 6,3 В, 0,28 А с конденсором), отражающие призмы
152
Применение муарового эффекта в высокоточных измерениях
Рис. 72. Схема счетчика муаровых полос
4, 5 и фотоприемник 6. Каретка движется по направляющим 1
при вращении ходового випта 2. Вращение винта осуществляется
электродвигателем 8. Концевые выключатели 3 отключают дви-
гатель при достижении кареткой крайних положений с левой
и правой сторон.
Блок управления и отсчета включает в себя декатронный счет-
чик, выполненный на декатронах ОГ-4, генератор частоты для
питания реверсионного электродвигателя и выпрямители для
питания электронных ценей.
На переднюю панель блока выведены декатроны счетчика,
тумблер включения прибора в сеть, кнопка «Сброс» для установки
декатронов на нулевой отсчет, переключатель «Реверс» для пере-
ключения направления движения каретки и тумблер включения
генератора питания двигателя.
Производственные испытания автоматического устройства по-
казали достаточно устойчивую его работу и определили возмож-
ность применения его в довольно широкой области инженерно-гео-
дезических работ.
Муаровый эффект можно также использовать для уменьшения
ошибки визирования. В этом случае в качестве одного, непро-
зрачного, растра используется визирная марка с параллельными
и расположенными вертикально штрихами. В качестве второго,
прозрачного, растра используется проекция решетки, нанесен-
ной на стекле сетки нитей оптического теодолита, наложенная
на визирную марку.
Принцип использования для этих целей муарового эффекта
заключается в следующем.
На непрозрачный растр с решеткой из параллельных штрихов
наложим прозрачный растр, состоящий из двух групп параллель-
Применение муарового эффекта и высокоточных измерениях
153
 CJL
° । 77	°'
X
Рис. 73. Принцип применения муарового эффекта дан умень-
шения ошибки визирования
ных штрихов, наклоненных к оси симметрии па угол у слева от
нее в одну сторону, а справа — в другую. В этом случае, когда
ось симметрии прозрачного растра совпадает со штрихом непро-
зрачного растра, образуются с левой стороны муаровая полоса Л7Л,
а с правой — Л7П. Концы муаровых' полос Л/л п обращенные
к оси симметрии, будут расположены на одной горизонтальной
линии, если ось симметрии вертикальна, как показано па рис. 73.
Из рис. 73, б следует, что при смещении осп симметрии про-
зрачного растра в правую сторону муаровая полоса ЛЛ, смещается
кверху и занимает положение а полоса Л7„ смещается книзу
в положение М’п.
Расстояние по высоте между муаровыми полосами определится
формулой
(101)
/7 = -=^-
tg Y
10 получим Н — 11,3 д .
обстоятельство позво-
При у
.Указанное
ляет увеличить точность наведения на
визирную марку путем совмещения
л ев oii и правой муаровых полос с го-
ризонтальной нитью сетки оптической
Трубы.
Для использования муарового эф-
фекта на стекле сетки нитей надо
нарезать штрихи растра, изображен-
ные па рис. 74.
Рис. 74. Форма штрихов
растра на стекле сетки ни-
тей
154
Применение муарового эффекта в высокоточных измерениях
Эксперименты показали, что наиболее удобная для работы
муаровая картина получается при у — 10°, однако для удобства
нанесения штрихов целесообразнее принять угол у величиной
в 11° 19', котангенс которого равен 5,00.
Для того чтобы муаровые полосы в поле зрения трубы были
горизонтальными, необходимо, чтобы шаг растра визирной марки t
и шаг проекции растра, нанесенного па стекле сетки, в плоско-
сти визирной марки были связаны зависимостью
= t cos у.
Шаг как проекция штрихов, нанесенных на стекле сетки
нитей, будет изменяться в зависимости от расстояния между
теодолитом и визирной маркой. Поэтому растр визирной марки
следует рассчитывать на наибольшее расстояние 50. Изменение
шага растра визирной марки можно осуществить путем поворота
плоскости ее на определенный угол к визирному лучу, величина
которого зависит от расстояния и будет определяться формулой
(0s = (0s. cosco,
где — требуемый шаг растровой решетки визирной марки для
расстояния 5; (/)s0 — шаг растровой решетки визирной марки,
рассчитанный для расстояния 50; со — угол между плоскостью
визирной марки и перпендикуляром к визирному лучу.
Проекция шага штрихов сетки нитей определяется формулой
=	(102)
/об
где 50 — расстояние от инструмента до визирной марки; —
фокусное расстояние объектива зрительной трубы; f — расстоя-
ние между штрихами (шаг растра) на стекле сетки нитей.
Изменение проекции шага растра, нанесенного на стекле сетки
нитей, с изменением расстояния от инструмента до марки связано
выражением
где
.-----------------------------/об
с~ г ’
dS — отклонение расстояния от 50, принятого в качестве расчет-
ного.
Иначе’говоря, изменение проекции шага растра прямо про-
порционально изменению расстояния от теодолита до визирной
марки.
При f = 0,020 мм, /об = 250 мм и S — 100 м — 8 мм.
Применение муарового эффекта в высокоточных измерениях
155
Угол разворота плоскости визирной марки (О по отношению
перпендикуляра к направлению оптического луча будет опре-
деляться формулой
COS (О = -Я- .
до
При So = 200 м и S = 100 м угол ш = 60°. При £0 — 300 м
угол (о = 70° 40'.
Плоскость визирной марки в этом случае должна быть вер-
тикальной и строго проходить через центр знака, над которым
марка установлена, с тем чтобы ось симметрии визирной марки
при ее вращении совпадала с центром знака.
Как показывают расчеты, значительная разность в длинах
сторон при визировании нежелательна. Если эта разность обусло-
влена производственной необходимостью, то лучше иметь 2—
3 визирные марки, рассчитанные на разные исходные расстояния,
например, на 50 = 100 м и 50 — 200 м. В этом случае углы е>
разворота марки уменьшатся и точность наблюдений повысится.
Так как в проекции штрихи растра сетки нитей на плоскости
марки наклонены под углом 11° 19' от вертикали, то для получе-
ния горизонтальных муаровых полос шаг растра на визирной
марке должен быть
t = —~— = 8,2 мм.
соз у
Количество появляющихся горизонтальных муаровых полос
зависит от высоты штрихов растров, угла отклонения их от вер-
тикали у, от величины проекции на визирную марку шага штри-
хов, нанесенных на стекле сетки нитей. Иметь более двух горизон-
тальных штрихов нежелательно, так как это затрудняет наблю-
дения. В этом случае высоту штрихов растра на визирной марке
можно определить по формуле
A — 2t tgalf
где ax — угол наклона штрихов растра к горизонту,
а1 = 90> — у.
Следовательно,
При ctj = 78°4Г, у = 11° 19' получим
A=10f.
Применительно к произведенным ранее расчетам, при которых
получено t •-= 8,2 мм,
Л = 80 мм.
15G
Применение муароного эффекта в высокоточных измерениях
-------- ж ----------------------------------------
Цитр - Q=^w
Рис. 75. Дальномерная рейка
Высота штрихов растра на стекле сетки нитей определится
формулой
Л' — 2Г tgaP
При «J - 78 4Г, t' - 0,02 мм получим
А* = ЮГ = 0,2 мм.
От количества штрихов растра визирной марки в какую-либо
сторону от оси симметрии зависит длина муаровой полосы.
Опыты показали, что наиболее точное совмещение муаровых
полос ЛЛл н Мц получается в том случае, когда длина их равна
двойной ширине муаровой полосы Л.
При равенстве ширины штрихов растра и просветов, т. е.
при а - t/2 и Ь  ц2, ширина муаровой полосы Л Т/2.
Так как
гп I
то при у — 11° 19' получим
Г = 5/.
Следовательно, количество штрихов растров в ту и другую
сторону от осн симметрии не должно быть менее 5.
Экспериментальные работы, проведенные в нолевых условиях,
показали, что ошибка визирования в угловой мере при расстоя-
ниях до 300 м не зависит от расстояния и определяется формулой
где 7’х — увеличение оптической трубы.
С точки зрения повышения точности муаровый эффект можно
выгодно применить при измерениях расстояний дальномерами
двойного изображения. Эскиз дальномерной рейки с учетом при-
менения муарового эффекта изображен на рпс. 75. Муаровый
эффект может найти широкое применение и в других видах ин-
женерно-геодезических измерений, в частности, в высокоточных
нивелирных работах, при наблюдениях за осадками, деформа-
циями п смещениями инженерных сооружений.
Глава V
Современные способы автоматизации
визирования в геодезических
измерения
§ 16. Дистанционно-управляемая
подвижная марка
Современные задачи, стоящие перед инженерной геодезией,
во многих случаях не могут быть решены традиционными методами
визирования на цели системой глаз — оптическое устройство —
цель. Эта детально изученная и хорошо зарекомендовавшая себя
система не может быть использована там, где требуется быстро-
действие, измерение в опасных для здоровья человека зонах и тем
более в тех случаях, когда геодезическая информация одновре-
менно обрабатывается с другими видами информации (например,
радиолокационной), и результаты измерений, минуя геодезиста,
должны немедленно вводиться в ЭВМ.
В настоящее время разработан ряд элементных решений, на
основе которых можно создать высокоэффективные системы авто-
матического визирования. Существенные успехи, достигнутые
в области исследования оптических квантовых генераторов, элек-
тролюминесцентных, фотоэлектронных и волоконно-оптических
элементов, а также электроники и полупроводниковой техники
создали техиическую базу для бурного развития этого направления.
В различных областях науки и техники широко используются
следующие виды оптико-электронных следящих систем: ампли-
тудные, фазовые, время-импульсные, частотные, основные эле-
менты которых можно успешно использовать при разработке гео-
дезических приборов с автоматическим визированием
Автор не ставил перед собой цель дать исчерпывающий обзор
возможных схем построения автоматизированных геодезических
приборов, а приводит лишь описание таких приборов, которые
уже используются в геодезическом производстве или их внедрение
предполагается в ближайшее время.
В ряде случаев наравне с новыми методами автоматического
визирования можно использовать старые — «классические» — ме-
тоды с некоторыми конструктивными доработками. Например,
при строительстве гидротех нических сооружений нашел
158 Современные способы автоматизации визирования в измерениях
применение метод створных измерений с использованием подвиж-
ной визирной марки [7].
При измерениях указанным методом в процессе наблюдений
участвуют два лица — наблюдатель, находящийся у инструмента,
и оператор, осуществляющий при помощи микрометра перемеще-
ние подвижной марки и снятие отсчетов ее местоположения. При
такой организации створных измерений существенно снижается
производительность измерений и возникают определенные труд-
ности и неудобства, выраженные в том, что наблюдатель и опера-
тор оказываются разобщенными. Это обстоятельство вызывает
снижение точности створных измерений. Еще в большей степени
указанные обстоятельства влияют на результаты измерений при
створных наблюдениях на больших по протяженности створах —
до 800 — 1000 м.
В МИИГАиК разработан и изготовлен опытный образец по-
движной визирной марки с автоматическим дистанционным упра-
влением [6]. Управление положением подвижной визирной марки
при этом осуществляется самим наблюдателем с пункта наблюде-
ния дистанционно по кабельной линии связи. Передача отсчетов
местоположения подвижной марки выполняется оператором на
пункт наблюдения по телефону. Схема дистанционного управ-
ления перемещениями визирной марки предусматривает плавное
изменение скорости перемещения в широких пределах, чтобы
обеспечить быстрый вывод подвижной марки из створной
плоскости, возвращение ее в створ с постепенным гашением
скорости и надежную фиксацию.
Конструктивно подвижная визирная марка с автоматическим
дистанционным управлением выполнена в виде двух блоков, со-
единенных между собой кабелем, — блока управления и непо-
средственно подвижной марки. Подвижная визирная марка смон-
тирована на специальной каретке, перемещающейся от вращения
ходового винта в пределах ±100 мм. Вращение ходового винта
осуществляется через редуктор от двухфазного асинхронного
двигателя. Определение местоположения марки производится
оператором по нониусной линейке с ценой деления шкалы 0,1 мм.
Для передачи отсчетов местоположения визирной марки в створе
на пункт наблюдения существующая конструкция подвижной
визирной марки дополнена блоком электронного отсчета место-
положения марки, который также помещается на пункте наблю-
дения рядом с блоком управления. Наблюдатель получил воз-
можность с пункта наблюдения дистанционно управлять место-
положением подвижной марки и одновременно регистрировать
отсчеты ее местоположения в створе.
Принцип действия электронного блока дистанционного отсчета
местоположения марки основан на последовательном счете числа
импульсов, вырабатываемых фотоэлектрическим преобразовате-
Современные способы автоматизации визирования в измерениях 159
лея угла поворота ходового винта подвижной марки. Счет числа
импульсов осуществляется электронным цифровым четырехде-
кадным реверсивным счетчиком, собранным на декатронах. Пере-
дача импульсов от марки к пункту наблюдения производится по
той же линии связи, которая используется и для управления мар-
кой.
Для дальнейшего развития автоматизации створных измере-
ний и повышения точности контроля возникла необходимость
разработки и создания ряда опытных приборов — фотоэлектри-
ческих систем, в которых точное наведение на цель достигнуто
использованием сканирующих оптико-механических элементов,
а также применением оптико-электронных систем.
§ 17.	Современные способы автоматизации
визирования
Как правило, системы автоматического визирования созда-
ются как для слежения за подвижными целями, так и для визи-
рования на неподвижную цель. В последнем случае отпадает
необходимость учета динамических ошибок, вызываемых пере-
мещением цели.
Примером решения задачи визирования на подвижную
цель может быть фотоэлектрическая насадка геодезиче-
ского инструмента «ФЭНГИ&, разработанная в МИИГАиК
А. И. Демушкиным.
Принцип работы насадки заключается в следующем.
В фокальной плоскости оптической системы теодолита располо-
жена нить, которая под действием электрических колебаний
приводится в механическое колебание.
При попадании изображения цели на ось колеблющейся нити
световой поток цели за нитью модулирован с удвоенной частотой
генерации электронного генератора. При уклонении изображения
цели в ту или другую сторону от оси нити появляется частота
модуляции, равная частоте генерации электронного генератора,
причем фаза этой частоты изменится на 180° в зависимости от
направления цели от нити.
В дальнейшем модулированный световой поток подается па
катод фотоэлектронного умножителя, где преобразуется в электри-
ческие колебания, которые усиливаются электронным усилите-
лем и, пройдя частотно-фазовый детектор, в виде постоянного тока
подаются на стрелочный нуль-индикатор. Оператор совмещает
вибрирующую нить с изображением цели по иуль-индикатору.
Пулевому положению стрелки индикатора соответствует совме-
160 (/'Временные способы автоматизации визирования в измерениях
Рис. 76. Макет фотоэлектрической насадки теодолита ОТ-02
щенке осп колеблющейся нити с изображением цели. Грубое,
поисковое наведение инструмента на цель производится как обычно,
через окуляр трубы теодолита. Настройка электронной части
насадки перед работой в основном сводится к йыбору амплитуды
колебания нити путем изменения амплитуды электрических коле-
баний. подаваемых на нить.
В экспериментальных мастерских МИИГАиК изготовлен макет
фотоэлектрической насадки для теодолита ОТ-02. Насадка со-
стоит из окулярной части (рис. 76, а) и электронной части
(рис. 76, б). В окулярную часть входят: нить, призма-куб, фото-
электронный умножитель и окуляр. Окулярная часть крепится
ла теодолите вместо сетки нитей без каких-либо переделок тео-
долита.
В электронной части расположены усилитель, генератор, ча-
стотно-фазовый детектор, блок питания ФЭУ и нуль-индикатор.
Там же расположены источники питания. Электронная часть
и окулярная часть соединены между собой кабелем.
Технические характеристики макета:
1.	Масса окулярной части — 0,2 кг.
2.	Масса электронного блока с источниками питания —
Современные способы автоматизации визирования в измерениях 161
Рис. 77. Схема двухплоскостного фотоэлектрического датчика
3.	Потребляемая мощность — 1 Вт.
4.	Источник питания (элементы «Марс» или «Сатурн») — 9 В.
Лабораторные исследования показали, что обеспечивается
высокая точность визирования: по теневой цели в дневных
условиях точность не ниже визуальной. По результатам
многократных измерений средняя квадратическая ошибка
измерения угла теодолитом ОТ-02 с фотоэлектрической насадкой
получилась 0,5*, а средняя квадратическая ошибка визирования
0,3*. Возможно использование щелевой диафрагмы; ширина
щелей должна быть не меньше диаметра кружка рассеивания
изображения цели. Если с выхода детектора напряжение, про-
порциональное величине и знаку рассогласования, подается на
исполнительный механизм, поворачивающий оптическую систему
до совпадения ее визирной оси с направлением на цель, то такое
устройство преобразуется в автоматическую следящую систему.
Появление новых источников света (лазеров) создало благо-
приятные предпосылки для успешного использования отражающих
визирных целей; при этом посылаемый на возвратно-отражающую
цель свет может быть модулирован. Это можно использовать для
того, чтобы определить направление отклонения визирной оси
и повысить помехоустойчивость. Пассивную возвратно-отража-
ющую цель можно выбрать такую, чтобы производить одновре-
менно наблюдения с нескольких направлений.
Возможно выделение сигнала ошибки посредством модуляции
принятого светового потока полудиском (рис. 77) [37).
Лучистый поток 1 проходит через оптическую систему 2, соби-
рается в фокальной плоскости и модулируется вращающейся штор-
11 Заказ 437
162 Современные способы автоматизации визирования в измерениях
а
ф
б
Рис, 78. Схема получения модулированного сигнала при помощи шторки
кой 3t представляющей собой тонкий диск, одна половина которого
прозрачна для лучистого потока, а другая — непрозрачна. Ча-
стота модуляции определяется числом оборотов шторки в секунду.
Модулированный шторкой лучистый поток падает на приемник
излучения 4 (фотоэлемент или фотоэлектронный умножитель),
нагрузкой которого является резонансный усилитель 5 перемен-
ного тока. Если источник излучения расположен на оптической
оси системы, то поток излучения собирается объективом в главном
фокусе системы. Так как ось вращения шторки совпадает с опти-
ческой осью системы, то происходит непрерывная «засветка»
приемника половиной лучистого потока, и сигнал от приемника
получается постоянным. При смещении источника излучения с
оптической оси его изображение на чувствительной площадке при-
емника смещается; при этом лучистый поток модулируется штор-
кой, и сигнал от приемника излучения становится переменным.
Фаза ф переменной составляющей модулированного сиг-
нала по отношению к некоторому исходному положению шторки
зависит от направления смещения источника (рис. 78). Ампли-
туда переменной составляющей модулированного сигнала тем
больше, чем значительнее отклонение источника излучения от
оптической оси.
Для разделения на составляющие (по осям х и у) переменный
сигнал с усилителя поступает на коммутатор, представляющий
собой сдвоенный фазочувствительный детектор. Частота опор-
ного напряжения фазовых детекторов должна совпадать с частотой
вращения шторки. Фаза одного опорного напряжения по отно-
шению к другому должна быть сдвинута на 90°. На рис. 79, а
показана схема сдвоенного фазочувствительного детектора. Двух-
Современные способы автоматизации визирования в измерениях 163
Рис. 79. Схема сдвоенного фазичувствительиого детектора
полупериодный фаз ©чувствительный детектор собран на четырех
триодах в ключевом режиме.
Рассмотрим работу одного из фазочувствительных детекторов
(например, ФД^ при смещении источника излучения вдоль оси у.
При смещении вдоль оси х ФДХ работает аналогично, т. е. триоды
7\, Т4, Т7, Т8’работают аналогично триодам ФДУ* При смещении
источника излучения вверх вдоль оси у фаза выходного сигнала
Uy совпадает с фазой опорного напряжения Uov В первый полу*
период открыты триоды Тг и Та, а триоды Т3 и Т4 заперты. В ре-
зультате этого ток в фазочувствительном детекторе (рис. 79, б)
протекает по нагрузке Rv Во второй полупериод открыты три-
оды Т3 и Т4, а триоды Тх и Ts заперты. Следовательно, во втором
полупериоде по нагрузке будет протекать пульсирующий ток.
Постоянная составляющая напряжения в нагрузке ЯЯ1 может
быть вычислена при помощи ряда Фурье, т. е.
т
и
где Т — период функции U (0; U(t) — функции выходного
сигнала с выпрямителя ФДу.
В фазочувствительном детекторе ФДХ для этого случая опорное
напряжение сдвинуто па 90° по отношению к сигналу Uz.
Следовательно, через каждые четверть периода амплитуда тока,
протекающего через нагрузку, изменяется. Постоянная соста-
вляющая напряжения в нагрузке равна нулю. При произволь-
на
164 Современные способы автоматизации визирования в измерениях
ном смещении источника излучения проекции вектора р на оси
координат хоу будут
px = pcos4' и = р sin ф.
*
В этом случае будет определенное соотношение между фазами
опорных напряжений Z701 и t/01 и сигналом, снимаемым с чувстви-
тельного элемента, и, следовательно, постоянные составляющие
сигналов, снимаемых с нагрузок /?Н1 и /?Н1, будут соответство-
вать рх и ру. При произвольном сдвиге фаз между опорными
напряжениями и напряжением сигнала (0 <р 2л) постоян-
ные составляющие выходного напряжения пропорциональны
Uc cos (Z70 t/c). Для фазочувствительного детектора ФДУ величина
выходного напряжения
t/tf = t/ccos(t/^t7c),
а для детектора ФДХ
Ux = Uccos(UOtUc) = Z7csin (Z7OlZ7c)’
Таким образом, с фазочувствительных детекторов будут сни-
маться напряжения, пропорциональные рх и ру.
Такое устройство отличается простотой, но к его недостаткам
следует отнести наличие движущихся элементов и недостаточно
высокую точность из-за нестабильности установки оси вращения
диска. Ошибка визирования в подобных системах составляет
около 6".
Другим известным устройством, используемым для выделения
сигнала ошибки, является разделительная призма. Именно такое
устройство применяется в инструментах для фотоэлектрической
регистрации при астрономических наблюдениях [16, 107].
Принцип состоит в следующем.
Луч, падающий иа ребро призмы, делится пополам при точном
наведении. Два разделенных луча направляются на фотоприем-
ннк через модулятор лучей или на два фотопрпемника. В слу-
чае неточной наводки на источник света на выходе одного из
каналов сигнал будет больше, и разность сигналов можно исполь-
зовать для управления исполнительным двигателем или регистри-
ровать самописцем.
Указанный принцип можно использовать также для изучения
характера распространения в атмосфере лазерного излучения
и любого другого источника света. Метод измерения основан
на высокоточной регистрации при помощи фотоэлектрической
системы угловых смещений кружка рассеяния от излучения
лазера в фокальной плоскости объектива с записью результатов
измерения самопишущим прибором.
Современные способы автоматизации визирования в измерениях 165
Для ослаблеиия влияния
фоновой засветки в предлага-
емом методе световой поток
модулируется обтюратором,
установленным на входе опти-
ческой коллимирующей системы
передающего устройства — осве-
тителя (разработка МИИГА иК).
Световой поток от освети-
теля собирается объективом 1
и в фокальной плоскости раз-
деляется светоделительным но-
жом 2 на два луча, каждый
из которых воспринимается
фотодиодами 3 и 4. После уси-
ления в блоках 5 и 6 электриче-
ские сигналы, пройдя через
Рис. 80. Блок-схема прпбора для
фотоэлектрической регистрации по-
ложения источника света
устройство для выделения мгновенной суммы и разности сиг-
налов 7, сравниваются в блоке 8 и разностный сигнал реги-
стрируется самопишущим прибором 9. Блок-схема прибора при-
ведена на рис. 80.
При работе с прибором положение разделительной призмы
относительно фокальной плоскости объектива устанавливается
с учетом ожидаемого диапазона, угловых смещений оптического
излучения с оптической осп прибора. В зависимости от того, в ка-
кой плоскости (горизонтальной или вертикальной) необходима
произвести измерение углов падения излучения, ребро светодели-
тельного ножа устанавливается в вертикальной или горизонталь-
ной плоскости.
Отсутствие в измерительной схеме инерционных электроме-
ханических звеньев, таких как фазочувствительный модулятор,
оптико-механический компенсатор, и выбор регистратора с малой
постоянной времени значительно расширили частотные возмож-
ности прибора.
Лабораторные исследования показали высокие точностные воз-
можности прпбора. Средняя квадратическая ошибка в измерении
угла составила 1* в угловом диапазоне ± 60* и ± 0,25* в угловом
диапазоне ±10*, что вполне удовлетворяет требуемой точности
при инженерно-геодезических измерениях. Опыт испытаний при-
бора показал, что методически целесообразно при полевых из-
мерениях согласовать угловой диапазон работы прибора с величи-
нами угловых флуктуаций. При помощи указанного автоматиче-
ского прибора в 1972 г. была исследована стабильность опорной
прямой, заданной излучением лазера (ЛГ-55). Измерения произ-
водились в двух плоскостях на различных расстояниях от 25 да
100 м и в различные времена года.
166 Современные способы автоматизации визирования в измерениях
Таблица 6
Плоскости измерения	Расстояния Вам		
	25	50	1 00
Флуктуация углов
Вертикальная 		4,5'	8,1*	10,8'
Горизонтальная ....	3,2’	5,6'	6,1'
Величины осредненных во времени флуктуации углов падения
луча лазера, полученные из серии 80-часовых наблюдений
в летние месяцы в условиях сильно нагретой подстилающей
поверхности, приведены в табл. 6.
Эти данные получены при распространении луча ОКГ на высоте
около 30 см над металлическими конструкциями, расположенными
на уровне около 1 м от земли.
Выбирая соответствующую скорость протягивания ленты само-
писца при записи, возможно получать либо теневые графики, либо
запись процесса флуктуаций с большой разверткой во времени.
Это позволяет выбирать для обработки информации различные
методы.
Для получения данных о законе распределения амплитуд
и для получения энергетического частотного спектра флуктуаций
был применен метод оптической обработки информации, записан-
ной в виде теневых графиков. Применение этого метода позволило
автоматизировать процесс обработки данных и получить интег-
ральные кривые функции распределения вероятностей амплптуд
быстрых флуктуаций углов падения излучения и энергетические
частотные спектры угловых флуктуаций, а также выявить харак-
тер распределения и получить численные значения амплитуд флук-
туаций углов для различных расстояний, в различное время суток
при различных погодных условиях.
Так, амплитуды флуктуаций в период указанных измерений
составляли от 3 до И* как в вертикальной, так и в горизон-
тальной плоскостях.
Недостаток систем с разделительными призмами заключается
в том, что необходимо применять точные разделительные устрой-
ства, два одинаковых канала усиления и электромеханический
модулятор. Поскольку обеспечить высокую точность деления све-
тового потока и идентичность каналов усиления трудно, то не-
обходимы постоянный контроль и подстройка прибора. Это соз-
дает известные неудобства и уменьшает надежность измерений.
Для устранения указанных недостатков разработаны прием-
ники, в которых несколько элементов объединены в одном устрой-
Современные способы автоматизации визирования в измерениях 167
стве. К ним относится квадрантный
чувствительный элемент [37].
Как и в случае модуляции по-
тока полудиском, в данном устрой-
стве, если центр изображения совпа-
дает с центром квадрантного при-
емника, потоки излучения, посту-
пающие на каждый элемент, равны
между собой, поэтому с устройства Рис 81 Поляризационный
снимается нулевой сигнал. Квад-	чувствительный элемент
рентный фотоумножитель имеет
четыре независимых полупрозрачных
фотокатода. Сигнал с каждого элемента снимается поочередно,,
причем три остальных заперты в течение четверти цикла и только
эмиссия четвертого достигает умножительной системы. Так как
фото катоды обрабатываются одновременно, то это обеспечивает
однородность их чувствительности и спектральной характери-
стики.
Перспективно применение в геодезических приборах полупро-
водниковых позиционно чувствительных элементов. Полупровод-
никовые позиционно чувствительные элементы можно использо-
вать как иульоргаиы фотоэлектронной следящей системы и для
непосредственного измерения величины перемещений. Пози-
ционно чувствительный фотодиод представляет собой пластину
полупроводника с электроиио-дырочным переходом. Пластина
разделена двумя прорезями на четыре равные части. На поверх-
ности каждого фотодиода имеются электроды для снятия сигнала
перемещения светового луча. Идентичность свойств элементов
фотоприемника в значительной мере обеспечивается размещением
их на одной пластине максимально близко один к другому и соз-
данием их в едином технологическом процессе.
Разрезные фотодиоды — достаточно быстродействующие уст-
ройства, постоянная времени составляет порядка 1,5 мкс. Эти
устройства перспективны для использования их в качестве датчи-
ков следящих фотоэлектрических систем. Оптимальный режим
использования — фотодиодный при модуляции света и исполь-
зовании переменной составляющей сигнала. Возможна регистра-
ция малых отклонений до десятых долей микрометра.
В последнее время все большее применение в автоматических
следящих системах визирования находят такие свойства лазерного
излучения, как поляризация светового луча. Рассмотрим наиболее
перспективные из этих систем.
В первой из них визирная цель освещается модулирован-
ным по сдвигу фазы между обыкновенным и необыкновен-
ными лучами (рис. 81). Если анализатор состоит из
двух частей, причем плоскость поляризации одной части П*
168 Современные способы автоматизации визирования в измерениях
скрещена с плоскостью поляризации входящего в модулятор света
S', а плоскость поляризации второй части //2 параллельна,
то наблюдаемый световой поток Ф (рис. 82) изменяется в соответ-
ствии с кривой 7, если весь свет попадает на первую часть анали-
затора, или в соответствии с кривой 2, если свет попадает на вто-
рую часть анализатора. При точном наведении, когда линия
раздела поляроидов, совмещенная с плоскостью визирования,
делит изображение отражателя пополам, принимаемый световой
поток не изменяется во времени Z. Если же наводка не точна,
в регистрируемом сигнале появляется переменная составляющая,
совпадающая по фазе с модулирующим напряжением Е или
противофазная ему, в зависимости от направления смещения
цели.
Изменение величины п фазы переменной составляющей ре-
гистрируемого сигнала при переходе изображения через визирную
плоскость (линия раздела поляроидов) — признак, по которому
производится визирование цели.
Полярность напряжения указывает знак отклонения визир-
ной оси системы от направления на цель. Усиленный сигнал ошибки
может подаваться на исполнительный двигатель, который через
редуктор поворачивает визирпую оптическую систему. Расчетная
точность такой системы 0,5*.
Следующий способ определения перемещения поляризован-
ного лазерного луча по поверхности регистрирующего устройства
открывает возможность для создания ряда оптико-электронных
систем непрерывного определения положения луча лазера по
повороту плоскости поляризации [69].
На рис. 83 изображена схема, поясняющая способ определения
перемещения светового луча. Поляризованный световой луч
(в частности, луч газового лазера) Л х падает на прозрачную грань
Рис. 82. Кривые изменения свето- Рве. 83. Схема измерения -положе-
вого потока в зависимости от сме- ния светового поляризованного луча
щеиия источника света
Современные способы автоматизации визирования в измерениях 161>
(катет) кюветы 2, заполненной веществом 3, вращающим пло-
скость поляризации. После прохождения вещества луч Лх про-
ходит сквозь вторую прозрачную грань 4 (гипотенузу) кюветы.
Далее свет фокусируется линзой на фотоприемник 6, защищенный
интерференционным светофильтром 7, перед которым устано-
влен поляроид-анализатор 5. Плоскость поляризации анализатора
(механически или электрооптически) поворачивается в пределах
от 0 до 90° по отношению к плоскости поляризации первичного
луча ЛПри помощи анализатора определяется этот угол
поворота по максимуму (или минимуму) сигнала на фотоприем-
нике.
Максимальный (минимальный) сигнал с фотоприемника и сиг-
нал о соответствующем повороте плоскости поляризации анализа-
торы подаются на регистрирующее устройство 7. Если луч Лг
переместится по катету кюветы и займет положение, например,
луча Л2, то это отразится на регистрирующем устройстве в виде
нового отсчета угла поворота плоскости поляризации, так как
луч Л2 проходит большую толщину вещества в кювете, чем луч Лг.
Необходимо калибровать устройство в единицах перемещения луча
вдоль катета по углу поворота плоскости поляризации анализа-
тора.
В данной схеме кювета выполнена в виде треугольника с пря-
молинейными гипотенузой и катетом. Для изменения разрешаю-
ющей способности на определенных участках кюветы допустимо
в случае необходимости отклонение от прямой линии. Можно
сделать кювету с гиперболической, логарифмической и параболи-
ческой кривой вместо прямолинейной гипотенузы и катета. Тогда
и отсчет перемещения будет происходить в том масштабе, каким
характеризуется возрастание оптической длины пути луча внутри
кюветы. Разрешающую способность метода легко повысить под-
бором соответствующей концентрации вещества в кювете, угла
наклона гипотенузы к катету и качеством изготовления поляро-
ида-анализатора.
В экспериментальном образце системы при частоте сигнала
на выходе приемника 100 Гц, длине катета кюветы L = 600 мм
и использовании стрелочного прибора типа М-95 с числом делений
п = 300 разрешающая способность системы равна 2 мм.
Весьма высокую чувствительность можно получить при по-
мощи позиционно чувствительных элементов, использующих свой-
ства оптических анизотропных сред [37]. Принцип действия датчи-
ков этого типа основан на том, что величина сдвига фазы световой
волны, проходящей через анизотропный кристалл, зависит от
угла между направлением распространения световой волны и оп-
тической осью анизотропной среды. Это позволяет на выходе из
устройства получить интерференционную картину, по перемеще-
нию которой можно судить об угловом смещении светового по-
170 Современные способы автоматизации визирования в измерениях
тока. Такие устройства обладают высокой чувствительностью
и надежностью, они более полно используют принципы оптоэлек-
троники. Выделение информации об угловом смещении светового
потока относительно оптической оси осуществляется чисто оп-
тическим путем. В этих датчиках четко разделены операции по
преобразованию углового параметра в сигнал, который легко
регистрировать практически любым фотоприемником [76].
Принцип измерения угловых перемещений этой системой со-
стоит в следующем.
Монохроматический поляризованный и параллельный пучок
света падает на пластину одноосного двулучепреломляющего
кристалла, который расположен так, что ось его лежит в плоско-
сти измерения угла и составляет угол с направлением распро-
странения излучения 45	70°. Когда направление поляризации
излучения близко к углу в 45° к плоскости, в которой произво-
дится измерение угла, в двулучепреломляющем кристалле излу-
чение делится на обыкновенный и необыкновенный лучи. Так как
коэффициенты преломления кристалла различны для обыкновен-
ного и необыкновенного лучей, то после прохождения кристалла
появляется разность хода лучей, зависящая от толщины пластинки
и ее материала.
Для того чтобы получить иптерференцпонную картину, за
пластинкой устанавливают поляроид-анализатор, главная ось
которого направлена под углом 45° к плоскости угловых измере-
ний. После анализатора наблюдается интерференционная картина,
положение которой в пространстве зависит от разности хода
лучей, возникающих в кристалле. Разность хода изменяется в за-
висимости от угла поворота плоскопараллельной пластинки из
кристалла, поэтому при строго параллельном входном пучке
излучения за анализатором интенсивность излучения будет из-
меняться периодически в соответствии с углом поворота плоско-
параллельной пластинки в плоскости измерения углов.
Для использования усилителей переменного тока, а также для
увеличения помехозащищенности устройства введена модуляция
лучистого потока. Объектом модуляции является направление
поляризации излучения. После прохождения излучения через
кристалл и анализатор получается амплитудная модуляция,
представляющая собой изменение интерференционной картины
на 180° скачком.
Амплитуда светового сигнала, попадающего на фотоприемник,
находится в соответствии с углом падения входного луча па грань
пластинки (пластинку можно использовать в качестве компен-
сатора).
Модулятор устройства представляет собой вращающуюся
плоскопараллельную пластинку, обладающую естественным вра-
щением плоскости поляризации, например, из кварца, вырезан-
Современные способы автоматизации визирования в измерениях 171
Рис. 84. Блок-схема системы измерения
угловых перемещений
ную так, что ось кристалла совпадает с направлением распростра-
нения излучения. Модулятор устанавливается сразу за лазером.
Вращение направления поляризации — 90°. Модулятор снабжен
генератором опорных напряжений, сигнал с которого поступает
на фазовый детектор и позволяет выделить знак угла рассогласо-
вания.
Для увеличения чувствительности прибора перед кристаллом
устанавливается телескопическая оптическая система. В этом
случае чувствительность устройства увеличивается пропорцио-
нально угловому увеличению оптической системы.
Блок-схема установки (рис. 84) состоит из лазера lt модулято-
ра 2, генератора опорных напряжений 3, передающей 4 и прием-
ной 5 телескопических систем, анализатора б, приемника лучистой
энергии 7 с фильтрами, поляроидом, селективного узкополосного
усилителя 8, фазового детектора 3, записывающего прибора 10
блока управления и синхронизации, а также блоков питания.
В дальнейшем предусмотрена разработка следящей системы.
В качестве компенсатора служит пластинка кварца.
В качестве материала, обладающего двулучепреломлением,
использован кристалл кварца. Если размеры компенсатора вы-
брать 30 х 30 х 30 мм, то период изменения сигнала на выходе
ФЭУ будет соответствовать повороту компенсатора на 11 угловых
минут.
При видимом увеличении Г телескопической приемной системы
период изменения сигнала соответствует углу 1Г/Г поворота всей
приемной системы или входного луча. Главная ось кристалла
направлена под углом 45° к передней поверхности компенсатора
в плоскости измерения угла.
Пластина модулятора также изготовлена из кристалла кварца,
но главная ось кристалла совпадает с направлением распростра-
нения излучения. Толщина пластины около 4 мм.
172 Современные способы автоматизации визирования в измерениях
Для увеличения чувствительности прибора можно увеличить
толщину компенсатора или использовать кристаллы исландского
шпата. Чувствительность прибора при этом увеличивается при-
близительно в 16 раз за счет большей величины двулучепреломле-
ния кристаллов исландского шпата.
Внедрение автоматизации в инженерно-геодезические работы—
одна из важных и перспективных проблем, которая позволит
успешно решать следующие основные вопросы:
а)	повышение точности и производительности измерений;
б)	осуществление дистанционного наблюдения за объектом;
в)	повышение объективности измерений;
г)	автоматизация процесса измерения и обработки результатов
измерений;
д)	снижение затрат па выполняемые работы.
Глава VI
Высокоточное нивелирование
§ 18. Особенности высокоточного
геометрического нивелирования
Для строительства и эксплуатации многих современных пре-
цизионных сооружений требуется выполнять большой объем вы-
сотных измерений со средней квадратической ошибкой, не превы-
шающей 0,1 -4- 0,2 мм. Для того чтобы определить методику
измерений, позволяющую достичь столь высокой точности, потребо-
валось выполнить ряд серьезных научно-исследовательских работ.
Основное внимание было уделено выбору и исследованию высоко-
точных нивелиров, разработке специальных шкал и визирных
целей, микрометрениой нивелирной подставки, позволяющей доста-
точно точно и плавно регулировать высоту инструмента, а также
усовершенствованию методики нивелирования коротким лучом.
Метод высокоточного геометрического нивелирования при
коротких визирных лучах был разработан в МИИГАиКе и приме-
нялся в качестве основного метода измерений при строительстве
и изучении осадок фундаментов и строительных конструкций
многих сооружений. В настоящее время этот метод широко рас-
пространен, его достоинства заключаются в следующем: высокая
точность измерений при достаточной оперативности; требуется
несложное и недорогое оборудование; можно выполнять измере-
ния в трудных условиях строительной площадки, па которой
проводятся земляные, бетонные или монтажные работы при ши-
роком температурном диапазоне и т. п.
Методом геометрического нивелирования можно определять
разность высот двух точек, расположенных на расстоянии 10—
15 м, со средней квадратической ошибкой 0,03 4- 0,05 мм. Раз-
ность высот точек, удаленных одна от другой ва несколько сотен
метров, определяется со средней квадратической ошибкой порядка
0,1 4- 0,2 мм.
К недостаткам метода геометрического нивелирования отно-
сятся трудности создания системы дистанционной передачи ин-
формации или автоматизации процесса измерений. Поэтому в пе-
риод эксплуатации таких сооружений, как ускорители заряжен-
ных частиц, атомные реакторы и другие сооружения с повышен-
ным фоном радиации, или источников мощных излучений СВЧ
174
Высокоточное нивелирование
измерения можно производить только во время профилактических
остановок. При этом между циклами измерений зачастую прохо-
дит большой интервал времени, выбор момента измерений затруд-
нителен и может не соответствовать тем периодам, в которые
ожидаются максимальные деформации. При этом не всегда удается
зафиксировать периодические деформации, период которых меньше
перерыва между циклами измерений.
Тщательные исследования показали, что наибольшую точность
обеспечивают нивелиры типа НА-1, Н-1, Ni-007, Ni-004 и другие,
имеющие плоскопараллельную пластинку. Достижению высокой
точности во многом способствовало и то обстоятельство, что высо-
коточное нивелирование выполняется в закрытых помещениях
со значительно более стабильными условиями, чем при открытом
воздухе. Как показали экспериментальные исследования ряда
авторов, при высокоточных нивелирных работах в условиях от-
крытого воздуха целесообразно, кроме использования зонтов,
снабдить нивелиры дополнительным теплозащитным кожухом,
изготовленным, например, из поролона. Это позволяет более
чем в два раза стабилизировать значение угла i и тем самым повы-
сить точность нивелирования. Во всех случаях целесообразно
организовать стенд для исследования главного условия нивелира,
для чего на стенах здания укрепляют две шкалы на равной вы-
соте, а в полу отмечают точки стояния нивелира, пад которыми
можно устанавливать инструмент при помощи нитяного отвеса.
Такое несложное устройство стенда позволяет оперативно контро-
лировать главное условие нивелира. Частота контроля главного
условия нивелира определяется, как правило, типом нивелира,
стабильностью внешних условий, наличием вибрации на площадке
и т. п. и определяется экспериментально в каждом конкретном
случае. Если главное условие нивелира поверяется не методом
двойного нивелирования, а по двум измерениям при значительных
неравенствах плеч, следует обратить серьезное внимание на ис-
следование влияния перефокусировки зрительной трубы на зна-
чение угла i. В этом отношении поверка главного условия методом
двойного нивелирования предпочтительна.
При исследованиях высокоточных нивелиров с плоскопарал-
лельной пластинкой целесообразно определять цену деления бара-
бана на различных его участках. С этой целью изготавливают
шкалу с делениями через 0,5 -4-1,0 мм и тщательно компарируют
ее на измерительном микроскопе типа УИМ-21 или ИЗА-2. При
сопоставлении паспортных значений интервалов между штрихами
шкалы с определенными по отсчетам барабана можно получить
необходимую информацию. Если используют не один штрих,
а биссектор или более сложные формы визирных целей, то при
исследованиях барабана микрометра полезно использовать не-
сложное приспособление.
Высокоточное нивелирование
175
Шкала приспособлена для перемещения при помощи микро-
метренного винта, а величина перемещения определяется микро-
метром или индикатором часового типа. Такое приспособление
позволяет выбрать требуемый шаг при исследовании барабана
микрометра и использовать визирные цели, которые применяются
при производственных измерениях.
Опыт высокоточных нивелирных работ показал, что прецизи-
онная нивелирная подставка (ПНП) [7] позволяет существенно
повысить производительность труда и точность нивелирования.
Во время работы подставку прикрепляют к головке нивелирного
штатива. Нивелир устанавливают на платформе ПНП и прикре-
пляют при помощи прижимных планок. Платформа с нивелиром
может плавно перемещаться по высоте на 100 мм без азимуталь-
ного разворота. Наклон нивелира при этом не превышает ± 10*.
Установка нивелира на заданный горизонт с применением ПНП
занимает не более 10% времени работы на станции.
Прецизионная нивелирная подставка в комплекте с высокоточ-
ным нивелиром позволяет изменить методику контроля на стан-
ции. Как известно, при высокоточном нивелировании контроль
работы на станции состоит в сравнении разности превышений,
вычисленных по отсчетам основных и дополнительных шкал реек,
с допустимой. Но в связи с тем, что у двушкальных реек штрихи
дополнительной шкалы обычно смещены на 2,5 мм относительно
штрихов основной шкалы, отсчёт по основной шкале отличается
от отсчета по дополнительной шкале ровно на 50 делений отсчет-
ного барабана микрометра, что оказывает психологическое воз-
действие на наблюдателя, и контрольное измерение оказывается
в определенной степени зависимым. Это может особенно проявиться,
когда отсчет по дополнительной шкале следует непосредственно
за отсчетом по основной шкале той же рейки. Нивелирование
при двух горизонтах инструмента с обычным штативом весьма
трудоемко. Использование ПНП для изменения горизонта инстру-
мента весьма перспективно, особенно при использовании нивели-
ров с самоустанавливающейся линией визирования, и позволяет
производить объективный контроль на станции.
Высокоточное геометрическое нивелирование коротким визир-
ным лучом по реечкам, укрепленным на технологическом обору-
довании и на стенах сооружений, выполняется быстро двумя ис-
полнителями. При таких измерениях во время эксплуатации пре-
цизионных сооружений, как правило, для анализа поведения
сооружения вычисляют высоты практически всех шкал, причем
если по шкалам, установленным па технологическом оборудова-
нии, следят за его смещением, то по шкалам, укрепленным на сте-
нах, определяют осадки фундаментов и деформации строительных
конструкций, что способствует повышению окупаемости высокоточ-
ных нивелирных работ.
17G
Высокоточное нивелирование
Однако могут быть случаи,
п ________________-—L когда невозможно выполнять
®------- X />
X? геометрическое нивелирование
_____________________из середины. В таких случаях
2____________________J целесообразно использовать
Рис. 85. Схема измерения превыше- двойные измерения превыше-
ния при разных длинах плеч ний при сохранении разности
длин визирных лучей (рис. 85).
Величины измеренных превышений в этих случаях могут быть
записаны в виде
h, = h',+ D3-^-Dt-±.
где ц» Лз и ц — значения угла i при различных положениях
фокусирующей линзы.
Среднее значение превышения из двух станций равно
*e₽ = ^₽+O1>-A^+D,	(ЮЗ)
Целесообразно при визировании при плечах Рг и D3 выпол-
нять измерения при одном положении фокусирующей линзы;
в таком случае при аккуратном переносе инструмента с достаточ-
ной степенью точности можно положить, что
Ц = ia,
и выражение (ЮЗ) записать в следующем виде при — /’ + ДГ:
Лср = л;р + (D. _	+ (D, -	.	(104)
При высокоточных измерениях практически всегда имеется
возможность соблюдать такое равенство плеч и Р4, а также Р2
и Z)3, чтобы члены
и (D3-DjjL
были пренебрегаемо малы. В таком случае равенство (104) примет
вид
ACp = /kp-Z>4^-	(Ю5)
Из равенства (105) следует, что для уменьшения ошибки ниве-
лирования за счет изменения угла i расстояния до задних реек
должны быть минимальными. Если допустимую ошибку измере-
Высокоточное нивелирование
177
ния превышения, вызванную изменением угла I при перефокуси-
ровке, обозначить ДЛ, то возможно вычислить допустимую вели-
чину ДГ
Например, для нивелира Ni-007 наименьшее расстояние визи-
рования составляет 2,5 м при допустимой величине ДЛ = ±0,03 мм
ДГ 4,8".
При исследованиях нивелиров следует выбирать такой прибор,
чтобы ошибка за перефокусировку не превышала допустимое зна-
чение ДГ, особенно в тех случаях, когда расстояния и
не удается выдержать минимально возможными.
При нивелировании по такой схеме целесообразно контроли-
ровать значение угла i по формуле
При исследовании высокоточного геометрического нивелиро-
вания и длинах визирных лучей 5 4- 50 м отмечено, что средняя
квадратическая ошибка взгляда, определенная при обработке
большого экспериментального материала, характеризуется форму-
лой
твзг~ (0,014+ 0,0014D) мм,	(106)
где D — длина визирного луча в метрах.
В то же время средняя квадратическая ошибка визирования
трубой с увеличением рх выражается формулой
тв=^-.	(107)
р
Чтобы выразить в равенстве (106) среднюю квадратическую
ошибку взгляда в угловой мере, целесообразно ее записать в таком
виде, чтобы размерность D совпадала с размерностью 7пвзг,
следовательно,
,Пвзг = 14.10-3(1 + Z.10-4) мм,	(108)
где L — длина визирного луча в миллиметрах.
Средняя квадратическая ошибка взгляда в угловой мере, ис-
ходя из равенства (108), равна
m;3r=p’-^ = 14р" • ю- (X+i. ю-4).	(Ю9)
Из равенства (109) следует, что с изменением длины визирного
луча от 5 до 50 м средняя квадратическая ошибка взгляда
12 заказ 437
178
Высокоточное нивелирование
Рис. 86. Визирные
цели
Рис. 87. Наведение сетки нитей на визирные цели
изменяется от 0,84 до 0,34*. В то ясе время ошибка визирования, вы-
численная по формуле для трубы с увеличением 30х, равна 0,67*.
Из сопоставления числовых значений ошибок взгляда и визиро-
вания видно, что ошибка взгляда, являясь результатом суммар-
ного влияния нескольких источников ошибок, в том числе и ошиб-
ки визирования, может быть меньше расчетного значения ошибок
визирования. Такие значительные расхождения могут привести
к составлению мало обоснованных методик в процессе проекти-
рования. В связи с этим были проведены экспериментальные ис-
следования визирных целей (рис. 86) различной формы и разме-
ров.
Штрих № 1 имеет форму вытянутого прямоугольника с такими
же размерами, как у малогабаритных шкаловых реечек конструк-
ции МИИГАиК. При визировании на такой штрих взаимное рас-
положение видимых в поле зрения трубы изображений штриха
н биссектора сетки нитей использовалось в двух вариантах
(рис. 87, а и б).
Штрих № 2 (см. рис. 86) имеет форму усеченного клипа, угло-
вой размер которого точно соответствует клиновидному биссектору
сетки нитей нивелира. Размеры штриха подобраны так, чтобы пло-
щадь штриха № 2 была примерно равна площади штриха As 1.
При визировании на штрих № 2 взаимное расположение видимых
в поле зрения изображений штриха и биссектора показано на
рис. 77. Видимые в поле зрения трубы светлые полосы зазоров
между изображениями штриха и нитей биссектора при визирова-
нии минимальны.
Штрихи № 3, 4, 5, одинаковые по форме и размерам,
вычерчены в виде усеченного клина (равнобедренная трапеция),
угловой размер которого составляет 15*.
Высокоточное нивелирование
179
При визировании особое внимание уделялось установке оси
симметрии штрихов в горизонтальное положение так, чтобы эта
ось была параллельна изображению горизонтальной нити сетки.
Исследование выполнялось в двух различных по внешним
условиям помещениях. Первое из них расположено на 3-м этаже,
где во время эксперимента окна были открыты, температурный
режим нестабилен, вибрация стен ощутима. Второе помещение
расположено в подвале здания, где вибрации отсутствуют п тем-
пература воздуха стабильна.
При выполнении первого эксперимента нивелир Ni-004 стоял
на кронштейне, укрепленном на стене помещения. В 20 м от инст-
румента па таком же кронштейне была установлена специальная
марка, оборудованная приспособлением, позволяющим изменять
высоту визирной цели и определять это изменение при помощи
индикатора часового типа, цена деления которого равна 0,01 мм.
На щитке этой марки поочередно был укреплен каждый визируе-
мый штрих.
Наблюдения состояли в следующем: при отвесном положении
оси вращения нивелира наводили сетку нитей трубы на марку
и, совместив точно изображения концов пузырька контактного
уровня, по команде наблюдателя закрепляли визируемый штрих
на щитке марки так, чтобы его изображение в поле зрения трубы
попало примерно в биссектор сетки нитей. Затем поверяли и юсти-
ровали положение продольной оси визируемого штриха.
Уточнив совмещение изображений концов пузырька контакт-
ного уровня, выполняли наблюдения в следующем порядке.
Действуя барабаном микрометра, точно вводили изображение
штриха в биссектор сетки нитей; после первого наведения произво-
дили отсчет а\ по барабану микрометра нивелира и записывали
его в графу 2 (табл. 7). Затем (после второго наведения) брали
отсчет а[ и записывали его в графу 3, после чего отсчетный барабан
поворачивался не менее чем на одну треть оборота,
= У= У-Цг- = W = 57 мкм;
(m„)d= У= У = °а>89 = 45 мкм;
Мд = У= У= 0в,85 = 42 мкм.
Наблюдатель подавал команду помощнику, который, записав
в свой журнал (табл. 8) отсчет бх по индикатору марки, изменял
(или оставлял неизменной) высоту визирной цели и записывал
новый отсчет б, (табл. 8, графа 2).
Перечисленные действия составляют один прием. Одиннадцать
таких приемов составляют одну серию наблюдений. В период
12*
180
Высокоточное нивелирование
Z> = 20,6 м
Таблица 7
с £	Отсчеты в деле- ниях			Ду	ai	V	г’	d		д	д*
	а*	О*									
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	и	12
1	37,5	36,0	36.8	0,00	36.8	-1,2	1,44	-1.5	2,25		
2	35,0	34,8	34,9	+4,00	38,9	+0.9	0,81	-0,2	0,04	+2,1	4,41
3	43.9	44,1	44.0	—6.00	38,0	0,0		-0.2	0,04	—0,9	0.81
4	48,8	46,6	47,1	— 11,00	36 7	-1,3	1,69	-2,2	4,84	-1.3	1,69
5	45,3	44,0	44,6	—8,00	36,6	—1.4	1,96	-1,3	1,69	—0.1	0.01
6	44,0	45,8	44,9	—8.00	36,9	—1.1	1.21	+ 1.8	3,24	+0,3	0,09
7	56,0	54,4	55,2	— 16,00	39,2	+ 1.2	1,44	-1.6	2,56	+2,3	5 29
8	30.0	29,8	29.9	+ 10,00	39,9	+ 1.9	3,61	-0,2	0,04	-L0.7	0,49
9	29,3	28,0	28,6	+ 10,00	38,6	+0,6	0,36	—1.3	1,69	-1.3	1,69
10	24,0	23,0	23.5	+ 15.00	38,5	+0.5	0,25	-1.0	1,00	—0,1	0,01
11	40.8	40,1	40,4	-2,00	38,4	+0.4	0,16	—0,7	0.49	-0.1	0,01
					38,0	4*0.5	12,93		17.88	+ 1.6	14,50
Таблица 8
ЛА приема		Д/» мма^'“й|	.	Л/.мм ДЛ дел	
	i		2	3	4
1	2,50	0,00	0,00
2	2.70	+0,20	+4.00
3	2,20	—0,30	-6.00
4	1,95	-0,55	-11,00
5	2,10	-0,40	—8,00
6	2.10	-0,40	-8.00
7	1.70	—0,80	-16,00
8	3.00	+0,50	+10,00
9	3,00	+0,50	+10.00
10	3,25	+0,75	+15,00
И	2,40	-0,10	—2,00
наблюдений в одной серии пузырек уровня нивелира находился
на нульпункте неподвижным.
При исследовании точности визирования для штрихов № 1,2,
3, 4 было выполнено по пять серий.
Высокоточное нивелирование
181
Обработка состояла в следующем: по отсчетам aj и а] (где i =
— 1, 2, 3, . . . — номер приема) вычисляли средние значения
а/ = -1-(а;+а7),
которые записывали в графу 4 (табл. 7).
По отсчетам (табл. 8, графа 2) вычисляли приведенные к на-
чальному 6j значения Д/4Ш, используя формулу
Д/.мм “ — ^1»
и записывали в графу 3.
Так как отсчеты alt (табл. 7, графа 4) выражены в делениях ба-
рабана микрометра нивелира с ценой р одного деления, равной
0,05 мм, то полученные значения Д/1ММ (табл. 8, графа 3) переводи-
ли в деления барабана по формуле
А _____ Д/. ММ
дел — р '
и записывали сначала в графу 4 (табл. 8) и переписывали в графу 5
(табл. 7). Затем вычисляли исправленные значения отсчетов а,
по барабану микрометра, используя формулу
й/ = flj 4“ Д/, дел.
Полученные значения записывали в графу 6. Найдя среднее
а рнфметическое
“ер п
и уклонения и (графа 7), вычисляли среднюю квадратическую
ошибку (шв)р визирования, выраженную в делениях барабана,
где п — число приемов в отдельной серии, и ту же ошибку (mBt
выраженную в миллиметрах,
(^в,мм)р = Ив, дел)*Н
или в угловой мере
(НО)
Программа исследования, обработка и оценка точности ре-
зультатов, полученных в помещении с наиболее благоприятными
условиями, были аналогичными. Полученные по всем сериям
результаты наблюдений сведены в табл. 9.
Таблица 9
Обовначения		-U	н	1	К	L.._ 1
	тк *	тв	тв	та	тв	WB
	0-20,6 м. По данным первого эксперимента					
По и (иР( мм)р	0,065	0,060	0,038	0,026				
	0,65*	0,60'	0,38'	0,26'	—	
	29'	26'	17'	11*	—	—
По d	MM)d	0.033	0.030	0,019	0.016				
	0,33'	0.30'	0,19'	0.16'	—	—
pr	15'	13*	8'	7’	—	—
По Д (шв WM) д	0.037	0,036	0.029	0,016				
	0,37'	0.38'	0,29’	0,16*	—	—
Р'г	16'	17'	13*	7’	—	—
0-15 м. По данным второго эксперимента
Цо и (тп>иы)р	0,030	0,U31	U,02 \	0,012	0.015	0.011
(тав)»	0,41*	0.43*	0,33*	0,17*	0,21*	0.15*
4	18*	19*	15*	8*	9*	7*
По Д (л*в, мм)</	0,024	0,021	0,013	0,011	0.013	0,009
	0,33'	0,29*	0.18*	0.15*	0,18*	0,12’
	15*	13*	8*	7’	8*	5*
ПО Д (/Пв, мм)д	0.029	0,029	0,022	0,010	0,014	0,010
("Уд	0,40'	0,40'	0,30*	0.14'	0,19*	0,14'
	18'	18'	13’	6*	8*	6'
Средние по данным первого эксперимента
/п,, мм	0,045	0,043	0,029	0,019			
	0,45'	0,43'	0,29'	0.19'	—	—
р;	20'	19*	13’	9*	—	—
	Средние по данным второго эксперимента					
^9, ММ	0,028	0.027	0,020	0,011	0.014	0,011
ч	0.39'	0,37*	0,28*	015'	0.19’	0,14*
Р'г	17'	16*	12*	7*	8*	6*
184
Высокоточное нивелирование
Для оценки, кроме того, были использованы разности в двой-
ных измерениях
~ (а* — a*)f,
которые записаны в графе 9 (см. табл. 7).
Среднюю квадратическую ошибку (тд дел)^ в этом случае вы-
числяли по формулам
("г».деЛ= р4>
где п — число разностей в серии,
0мв. мм)</ = (Щъ, цел);/ ’	(111)
(тв)а~ (шп.мм)^-	(И2)
И, наконец, используя разности ДЛ дел смежных отсчетов а,
и ai+l, приведенных к первоначальному
А/, дел = а1+1
которые выражают собой как бы превышения h = 0 и их ошибки,
т. е.
А* = Л Д/,
вычисляли среднюю квадратическую ошибку (лгВ1 дел)д по форму-
лам
(тв, дел)д = р4“У~ »
где п, — число разностей Д, записанных в графу 11 (табл. 7),
и
(тов,мм)д ~ [Щъ, дел)д* Ц*	(ИЗ)
(п1в)д = —-jj- ш(В(мм)д*	(114)
Из формулы (107) имеем
Рг = Шв‘Ух
или с учетом (110), (112) и (114) запишем
A- ='lFm’,i-	(И5)
Значения величин (111)—(115) приведены в виде средних из
пяти серий в соответствующих графах и строках табл. 9.
На основании полученного можно сделать следующие выводы:
1.	Исследуемая ошибка существенно зависит как от формы
визируемого штриха, так и от взаимного расположения видимых
в поле зрения изображений штриха и биссектора нитей.
Высокоточное нивелирование
185
2.	Следует признать лучшим штрих № 5 в виде контура равно-
бедренной трапеции с дополнительной чертой SS. Видимая в поле
зрения толщина изображений контурной линии визируемого
штриха и черты SS должна быть примерно равна видимой толщине
нитей биссектора; угол е пересечения изображений нити биссек-
тора с изображением контурной линии штриха в точке, лежащей
па черте 55, должен быть в пределах 10—15°.
3.	Ошибка пгв, мм визирования, выраженная в линейной мере,
весьма близка к предельной ошибке До = 0,2 р = 0,2*0,05 —
— 0,01 мм отсчета по барабану микрометра нивелира с оценкой
десятых долей деления на глаз. Поэтому для повышения точности
визирования на штрих <Ns 5 целесообразно ослабить влияние
ошибки отсчета, т. е. усовершенствовать оптический микрометр
нивелира.
§ 19. Высокоточное гидростатическое
нивелирование
1. Основы метода гидростатического нивелирования
Методу гидростатического нивелирования в настоящее время
уделяется немало внимания, но многие его вопросы еще слабо
изучены, как, например, влияние различных внешних факторов
в системах значительного протяжения с десятками и сотнями
сообщающихся сосудов. Использование стандартных приборов
для гидростатического нивелирования не дает особых техниче-
ских и экономических выгод по сравнению с геометрическим
нивелированием и не позволяет производить дистанционные измере-
ния в помещениях, где присутствие персонала исключено. По-
этому создана стационарная гидростатическая система с дистан-
ционным съемом информации о положении уровня жидкости
и других параметрах в каждом сосуде-датчике.
Метод гидростатического нивелирования известен очень давно.
Законы гидростатики использовались в создании различных при-
боров нивелирования. Например, в 1629 г. в Риме Дж. Бранком
был создан прибор, который состоял пз двух стеклянных трубок,
соединенных между собой шлангом из свинца или кожи. В 1879 г.
во Франции была предпринята попытка гидростатического ниве-
лирования с использованием сообщающихся сосудов высотой 2 м
и шланга длиной 300 м. Однако высокой точности нивелирования
достигнуто не было. В 1890 г. такая же попытка была предпри-
нята в России при длине шланга 20 м. Средняя квадратическая
ошибка определения превышения на станции составила 3 мм.
В 1936 г. при помощи гидростатического нивелирования была
186
Высокоточное нивелирование
осуществлена передача отметки набольшие расстояния (18км) через
пролив Большой Бельт. Ошибка передачи отметки при этом со-
ставила 0,09 мм. В 1938 г. в Германии было выполнено нивелиро-
вание через пролив шириной 2 км с ошибкой 0,1 мм, а в 1952 г.
в Бельгии ошибка передачи отметки через реку Шельду на расстоя-
ние 4 км составила 0,14 мм.
В настоящее время метод гидростатического нивелирования
применяется при выверке конвейеров для холодной обработки
стекла, прп установке станочного оборудования, турбин электро-
станций, в горнорудном деле при шахтном строительстве и для
исследования сдвижений горных пород.
При гидростатическом нивелировании поверхность жидкости
можно принять в качестве поверхности относимости для контроля
горизонтальности исследуемой плоскости или отдельных точек.
В сообщающихся сосудах жидкость перераспределяется из
одного в другой до тех пор, пока не наступит гидростатическое
равновесие, что для однородной жидкости возможно лишь при
равенстве высот уровней. Если жидкости в сосудах различны
(например, вода — ртуть), то равновесие наступит лишь при
установлении равенства гидростатических давлений
Л = Рг=Р
ил и
T^1 = V^2,	(116)
где Pt — гидростатические давления столбов жидкости;
у2 — объемные веса жидкостей; Н\, Н* — высоты столбов
жидкостей в сосудах.
Так как
где g — ускорение силы тяжести; р — плотность жидкости, и
g = /(<P, Н),
то
Y= 4(<Ь Я),
я именно
— 0,0259 cos 2(f — 2 • Ю-’Я,
Ф — широта места; Н — высота места в метрах.
Так как величины ф и Н для стационарных гидростатических
систем обычно изменяются незначительно, можно с некоторым
приближением принять
g = const.
Тогда формула (116) примет вид
рЛ^рЛ.	(117)
Высокоточное нивелирование	187
Каждый сосуд гидростатического уровня имеет из-за ошибок
изготовления свое место нуля. Поэтому значение превышения
между двумя точками, вычисленное непосредственно по показа-
ниям лимба микрометренных винтов, не является абсолютным.
Разность нулей двух головок 6 определяется путем перестановки
головок местами и вычисляется по формуле
с	—Дг
где Дх — разность отсчетов до перестановки головок; Да — раз-
ность отсчетов после перестановки головок.
Истинное превышение определяется из равенства
а Д1 + Д%
2
Место пуля можно определить путем последовательного эта-
лонирования всей серии гидростатических головок относительно
головки-эталона на горизонтальной поверочной плите. В резуль-
тате эталонирования всей серии головок можно устранить нера-
венство пулей, хотя иногда это н необязательно. Можно вполне
ограничиться введением соответствующих поправок. Тем более
при стационарно установленной гидростатической системе, пред-
назначенной для определения стабильности положения оборудо-
вания, данные о местах нуля.в головках вообще не требуются,
так как все наблюдения могут производиться в относительной
системе отсчета.
Различные конструкции гидростатических нивелиров отли-
чаются по существу только методом фиксации и отсчитывания
положения уровня в сосудах. В настоящее время в гидростатиче-
ском нивелировании применяются в основном визуальный метод
фиксации положения уровня со снятием отсчетов по шкалам
сосудов, контактно-визуальный метод, электроконтактный спо-
соб и некоторые другие. Перспективными методами фиксации
положения уровня при прецизионных гидростатических измере-
ниях в стационарных системах являются емкостный и индуктив-
ный — для дистанционной передачи информации на короткие
расстояния и метод фотоэлектрической регистрации положения
уровня — для передачи информации на значительные расстояния
(.десятки, сотии и даже тысячи метров).
Примером гидростатической стационарной системы измерения
с дистанционным съемом информации является устройство, раз-
работанное фирмой «Dr. Hans Bockels and К°» [125]. Разработан-
ное устройство гидростатического нивелирования позволяет про-
изводить измерения с дистанционной цифровой регистрацией
отсчетов. На наблюдаемом объекте создается разветвленная сеть
сосудов (головок) гидростатического уровня, соединенных между
188
Высокоточное нивелирование
собой шлангами в продольном и поперечном направлениях. Изме-
рительные сосуды крепятся на инварных стержнях, которые,
в свою очередь, заранее монтируются в консоли фундамента соору-
жения. Датчик положения уровня в каждом сосуде дискретного
типа, основанный на электроконтактном способе, представляет
собой систему контактных штифтов, расположенных ступенчато
по вертикали. Штифты датчика регулируемые. Регулировка штиф-
тов выполняется в зависимости от требуемой точности измерений
при наименьшем интервале 0,5 мм. Диапазон измерений датчика
300 мм. В качестве заполнителя в системе применяется ртуть.
Во время цикла измерений последовательно подключают го-
ловки к регистрирующим приборам. Обычно вся информация сво-
дится в один пульт, однако, если в этом есть необходимость,пульты
устанавливают в нескольких местах.
Подобный прибор — первая попытка создания большой системы
наблюдения за положением многих объектов с дистанционным съе-
мом информации.
К недостаткам системы гидростатического уровня, разработан-
ной фирмой «Bockels», можно отнести: дискретность получаемой
информации, малую точность определения положения уровня,
что не позволяет применить эту систему при прецизионных изме-
рениях, коррозию контактов [96, 1251.
2. Основные источники ошибок гидростатического
нивелирования
На точность определения положения уровня жидкости влияют
ошибки, которые можно разделить на две основные группы:
инструментальные и ошибки, вызванные влиянием внешних усло-
вий.
Инструментальные ошибки. Величина ошибки
за счет установки датчиков зависит от качества нивелируемых
поверхностей и может быть сведена к весьма малой величине,
не превышающей 10 мкм. При стационарно установленной системе
и относительном характере измерений эта ошибка вообще не имеет
места.
Ошибка за наклон головки уровня отсутствует или исчезающе
мала, если диапазон измерений небольшой и измерительный шток
конструктивно перпендикулярен к пяте прибора и располагается
по оси симметрии сосуда с жидкостью, что соблюдается в совре-
менных конструкциях уровней.
Ошибки хода винта микрометра и делений барабана, а также
ошибки контактирования, например для головки УГС, по иссле-
дованиям ЭНИМС, малы и не превышают нескольких микромет-
ров.
Высокоточное нпвелнроваипе	189
Явления смачивания возникают в том случае, когда силы
взаимодействия между молекулами жидкости меньше, чем силы
взаимодействия с твердым телом. В этом случае результирующая
сила направлена в сторону твердого тела. При этом краевой угол
г < я/2. При v = 0 наступает полное смачивание. Вода почти
полностью смачивает хорошо очищенную поверхность стекла.
Е’туть не смачивает стекло, но смачивает железо.
В связи с явлением смачивания в капиллярных трубках возни-
кает достаточное отрицательное давление
п__ 2а
где 7? — радиус поверхности жидкости; а — коэффициент поверх-
ностного натяжения.
В случае смачивания трубки жидкость поднимается па неко-
торую высоту Л, причем
(118)
где г — радиус трубки; р — плотность жидкости.
Из формулы (118) следует, что чем больше v, г, р и меньше а,
тем меньше h. Это обстоятельство необходимо учитывать при
конструировании новых устройств в гидростатическом приборе,
в частности, при методах сканирования уровня жкдкости.
При и = 0, т. е. при смачивании, например, стекла водой
А =	(Н9)
Если вместо капиллярных трубок применить параллельные
пластины, то величина подъема жидкости будет уменьшаться
вдвое
(12°)
Из формул (119) и (120) следует, что при колебаниях диаметра
капиллярных трубок высота подъема жидкости также изменяется.
Так, при г = 1 мм, t = 18° h — 14,0 мм, а при г = 1,2 мм h =
• - 12,4 мм. Следовательно, при конструировании гидростатиче-
ских головок необходимо учитывать, что сосуды в виде капилля-
ров должны быть строго одного диаметра. Можно пользоваться
сосудами с диаметром более 30 мм для воды, при котором указан-
ные выше эффекты незначительны.
Обычно измерительные штоки крепятся к верхнему фланцу
корпуса головки. Если корпус головки изготовлен, например,
из дюралюминия, а измерительный шток из стали, то возникает
ошибка за температурные деформации корпуса и штока.
190
Высокоточное нивелирование
При длине штока I - 0,1 м, коэффициентах линейного рас-
ширения дюралюминия ad — 22-10-* 1/градус и стали аД- 11 х
х 10‘61/градус и перепаде температур At — 10° ошибка ^составит
А = l (arf—ac) Af — 11 мкм.
Для уменьшения влияния этого фактора инструментальных
ошибок при конструировании приборов необходимо или умень-
шать длину штока Z, или изготавливать важные узлы головки уров-
ня из материалов с близкими коэффициентами лилейного расши-
рения.
Стремление жидкости к равновесию в сообщающихся сосудах
проявляется в колебаниях ее столба, подобных колебаниям маят-
ника с периодом	___
Т = 2 л Y ~Т ’
где I — длина столба жидкости; g — ускорение силы тяжести.
Колебания уровня жидкости в сообщающихся сосудах могут
происходить как в результате механических воздействий на си-
стему, так и в результате локальных изменений температурных
условий.
Чем меньше трение стенок шланга и больше его длина, тем
значительнее период колебаний Т и время, необходимое для успо-
коения жидкости. Исследования ЭНИМС показали, что колеба-
тельный процесс в гидростатической системе незначительной
протяженности практически прекращается через несколько минут
после установки приборов. Так как речь идет в основном о по-
стоянно установленной на оборудовании системе, то колебаний
уровня, вызванных механическими воздействиями иа систему,
не будет. Если измерения производятся в период работы оборудо-
вания в номинальном режиме, колебания уровня происходят
с амплитудой, равной собственной амплитуде колебаний оборудо-
вания в вертикальном направлении, что, например, для магнитов
Ереванского ускорителя составляет 50 мкм с частотой 50 Гц.
Локальные обогревы или охлаждения отдельных сосудов гид-
ростатической системы вызывают изменения плотности жидкости,
вследствие чего наблюдается изменение высоты уровня, что может
привести к грубым ошибкам при нивелировании. Поэтому необ-
ходимо термостата ров ать систему или учитывать влияние темпе-
ратурного режима жидкости на точность гидростатического ни-
велирования.
На практике, особенно при работе с гидростатической систе-
мой, удобно пользоваться формулами поправок, позволяющими
вычислить разность положения уровней жидкости в сосудах,
например, при t — 20°
ДА =	.	(121)
Высокоточное нивелирование
191
Для определения точности значения величины h для учета
положения уровня продифференцируем выражение (121)
d (ДА) = dhi<t (р20~	.
При = 40° получим
d(AA) = dA-0,006.
Прп dh = 1 мм dAA — 6 мкм.
Следовательно, можно принять А = А10, так как разность
между ними за счет нагрева не более 500 мкм при А до 100 мм.
Таким образом, величина А должна быть известна с точностью
1 ; 2 мм.
Поправки ДА в положение уровня за температурное состояние
жидкости можно рассчитать, используя коэффициенты объемного
расширения р.
Так как
^ = ^1(1 + 0Д*) ’
Г^яЯ’А
Г2 = яЯ8(Л + ДА) .
то
ДА = Ар At	(122)
Рассчитаем необходимую точность учета температуры.
По формуле (122) при А = 100 мм и At = 1°, t = 20° имеем
ДА = 21 мкм.
По формуле
дд = (Pi+pg)
Рз
получаем аналогичный результат.
Вполне достаточно при минимальном столбе жидкости (40—
50 мм) учитывать температуру с ошибкой 0,5°, чтобы ошибка изме-
рения уровня жидкости не превышала 10 мкм.
Сравнивая величины ДА, подсчитанные по формуле (121),
с табличными коэффициентами р и р при перепаде температур
20	40° и А = 50 мм, получаем разницу в результатах, равную
10 мкм.
Такая сходимость обеспечивается только при пользовании
гидростатическими сосудами простейшей формы (цилиндр, куб,
параллелепипед и т. д.). В случае сложной конфигурации сосуда
’грудио ожидать полной сходимости поправок, подсчитанных по
разным формулам через коэффициенты р и р, вследствие разност-
иости температурных условий различных участков жидкости
192
Высокоточное нивелирование
и сложности се учета. Примером сосуда со сложной конфигурацией
может служить УГС модели 115.
Изменение давления в помещении существенно влияет на поло-
жение уровней жидкости в открытых гидростатических системах,
особенно в сетях значительного протяжения.
Причинами локального изменения давления могут быть как
естественные атмосферные флуктуации, так и приточная вентиля-
ция. В результате действия атмосферного давления происходит
перераспределение жидкости из одних сосудов в другие, пока
не наступит гидростатическое равновесие. Разность давлений —
Рг уравновешивается давлением столба жидкости АЛ в сосуде,
причем
Дй = 4(рг-р1) ="Т-'	<123>
Если АР выразить в миллиметрах ртутного столба, то
д/г = ДР = -Вй- ДР,
Уж	Рж
гДе 7ng и Png — соответственно удельный вес и плотность ртути
при данной температуре; уж и рж — соответственно удельный вес
и плотность применяемой в системе жидкости при данной темпе-
ратуре.
При перепаде давлений АР в 0,01 мм рт. ст. прн температуре
воды в системе 20° С
p=S'°’01=0’135 мм-
Чтобы избежать влияния перепадов атмосферного давления
на различных участках, лучше всего создать закрытую гидроста-
тическую систему, где уравновешивание давлений в различных
сосудах происходит через воздушные соединительные шланги.
Сосуды уровнемеров при этом должны быть тщательно герметизи-
рованы.
Характер и величина поправки за кривизну поверхности
относимости зависят от конструктивных особенностей сооруже-
ния. Приведем простой пример необходимости введения таких
поправок, если сооружение линейного тина является касательной
к сфере радиуса Л. Величину поправки в данном случае вычи-
сляют в соответствии с равенством
6Л£~-^-,	(124)
«Л
где Sf — расстояние от начальной точки до текущей.
Установим необходимую точность определения S( и Л, зада-
ваясь величиной поправки за кривизну поверхности относимости
Высокоточное нивелирование
193
= Ю мкм. Дифференцируя равенство (124) и переходя
к средним квадратическим ошибкам, получаем
S2	S4
m6R ~ ~дТ ms “Ь	’
Применяя принцип равных влияний, имеем
$	0,01
^вД1=-д-т8 = -^г мм,
откуда
0.01 Я
т8 — ---Г7=-«
5 V2
При S — 0,5 км ошибка определения расстояния между годов_
ками может составлять 9 см, чтобы не вносить ошибку более
10 мкм.
Аналогично определим допустимую ошибку определеИия ра-
диуса	р
52	0,01
2я^^й==7Г мм;

тд
0.02Я2	„
—=— = 3,6 км.
/TS2
Аномалии силы тяжести вносят определенные искажения
в форму уровенной поверхности жидкости 14, 6, 11, 32, 67], влия_
ние их не исключается и прн применении геометрического нивели-
рования.
Связь между измеренными величинами h и 6Я относительно
поверхности относимости (эллипсоида) определяется формулой
где St — расстояние между реперами; vt — уклонение отвесной
линии, которое находится по формуле
v = — (£ cos А — t] sin А),
где £ — составляющая уклонения отвесной линии в пд0скости
меридиана; т) — составляющая уклонения отвесной линии в пло-
скости первого вертикала; А — азимут.
Если гидростатическая система располагается вдоль мепиди-
ана,то	Р Д '
ЫЦ —
а
1	I
где Яд — отметка исходного репера.
13 Заказ 437
194
Высокоточное нивелирование
1
Если = Я© + 2^ — отметка любого репера, то Ht =
i	О
= я; + Xes.
1
В общем случае неоднородного гравитационного поля, когда
где 61 — изменение составляющей уклонения отвесной линии
в плоскости меридиана,
Я/ = Н;+Е'2$+£б&$.	(125)
1 1
Если сооружение имеет линейную форму в плоскости мериди-
ана, то
1
Для получения прямой, произвольно ориентированной в про-
странстве, формула (125) примет вид
i
Я/ = Я;+2^5.
Как показали исследования МИИГАиК на Серпуховском ус-
корителе, влияние уклонений отвесной линии значительно и до-
стигает на 100 м 0,068 мм и на 200 м — 0,082 мм. Следовательно,
влияние аномалий силы тяжести может внести существенные
ошибки в результаты высотных определений как методом геомет-
рического нивелирования, так и методом гидростатического ни-
велирования.
ЦНИИГАиК установил зависимость между 6v и изменением
силы тяжести 6g мгал, которая выражается формулой
6v = 0,15'» 6g.
Например, для учета влияния аномалий сил тяжести на резуль-
таты нивелирования на расстоянии 500 м с точностью 15 мкм,
т. е. 6v = 0,006, необходимо иметь
6g = тгтг = 0,040’мгал.
Для каждого пункта необходимо производить гравиметриче-
скую съемку с точностью по крайней мере0,028 мгал. В некоторых
случаях гравиметрическая съемка не позволяет в полной мере
учесть влияние аномалий сплы тяжести на высотные определения
ввиду специфичности строительства крупных сооружений, на-
пример, ускорителей.
Высокоточное нивелирование
19
Изменения силы тяжести могут произойти вследствие заполне-
ния грунтовой водой пустот в породах, установки новых конст-
рукций и технологического оборудования, значительных по массе,
и г. д. Максимальное изменение уклонения отвесной линии можно
выразить формулой
где /? — радиус тела; р — плотность тела; Z — расстояние до тела.
Так, для пустоты R = 1 м, заполненной водой, яа расстоянии
15 м
= 1,0** 10-5р.
Целесообразность введения соответствующих поправок должна
определяться в каждом конкретном случае, исходя из степени
влияния этих изменений и необходимой точности измерений.
Известно, что приливообразующая сила есть разность между
силой притяжения возмущающим телом (например, Луной или
Солнцем) какой-либо частицы на поверхности Земли и силой при-
тяжения одинаковой с ней по массе частицы в центре Земли.
Приливообразующая сила раскладывается на вертикальную
и горизонтальную составляющие:
где Z — зенитное расстояние возмущающего тела; т — масса
возмущающего тела; R — расстояние до возмущающего тела.
В дни сизигий, когда Луна, Земля и Солнце расположены на
одной прямой, наблюдаются наибольшие приливы. В дни квадра-
тур, когда Земля, Луна и Солнце образуют прямой угол, наблю-
даются наименьшие приливы. В связи с тем что положение Луны
и Солнца изменяется, наблюдаются приливы, не равные по вели-
чине, например
1)	суточные приливы; чем больше склонение светила и геогра-
фическая широта места, тем больше суточные приливы;
2)	полумесячные приливы, различающиеся в период сизигий
и квадратур;
3)	параллактические приливы, вызванные изменением расстоя-
ния от приливообразующего светила.
Величина и направление приливообразующей силы зависят
от расположения приливообразующего тела. Если тело находится
в зените, сила тяжести уменьшается на величину приливообразу-
ющей силы. Если тело находится на горизонте, сила тяжести уве-
личивается. Для случая с гидростатической системой наибольшее
13*
196
Высокоточное нивелирование
влияние приливообразующей силы наблюдается в случае нахо-
ждения светила в промежуточных точках.
Уклонение отвесной линии, вызванное действием приливооб-
разующего светила, можно вычислить по формулам [35]
Zj, = 0,016G* sin 2ИЛ,
Zg = 0,0078*sin 2Z$,
где Z — зенитное расстояние светила.
Итак, для Луны приливообразующая сила вызывает макси-
мальное отклонение отвесной линии на 0,017*, а для Солнца —
0,008*. Влияние светила выразится формулой
АЛ = S tg е,
где е — уклонение отвесной линии.
При S = 500 м максимальные изменения превышений уровен-
ных поверхностей соответственно равны
АЛЛ — 43 мкм;
ДЛз = 20 мкм.
Можно учесть влияние приливообразующих сил Луны и Солнца
на положение уровня жидкости в гидростатической системе,
предварительно составив специальные таблицы.
Как показал опыт, даже в хорошо прокипяченной воде в со-
судах, подвергнутых ранее значительным нагревам, образуются
пузырьки воздуха. Вследствие этого плотность воды в объеме
таких сосудов изменяется, что вызывает изменение уровня в них,
чтобы уравновесить в конечном итоге давление столбов жидкости
в других сосудах.
Таким образом,
ЛгРа ~ (Ла+ АЛ) рр
откуда при равенстве температур в рассматриваемых сосудах
ДЛ =	(P2~Pi)
Pi
Как показали исследования, ошибка в измерениях за указанное
изменение плотности не превышает нескольких микрометров.
В открытых системах при разных условиях наблюдается
испарение воды со скоростью 0,03—0,17 мм/ч.
Исправление результатов измерений в зависимости от скоро-
сти испарения в значительной степени усложняет процесс измере-
ний и не дает положительных результатов. В закрытых системах
влияние испарения воды в сосудах не имеет такого существенного
значения, но, как показали опыты, при интенсивном нагревании
Высокоточное нивелирование
197
н охлаждении локальных участков системы за счет испарения
не происходит полного выравнивания уровней. Это обстоятельство
необходимо учитывать при выборе времени измерений.
В открытых системах загрязнение жидкости в системе проис-
ходит очень быстро. Это приводит к изменению плотности жидко-
сти, а следовательно, создаются трудности учета температурных
влияний. В стационарных системах также наблюдается загрязне-
ние жидкости. Не рекомендуется соединительные элементы вы-
полнять из дюралюминия без соответствующего антикоррозий-
ного покрытия. В воду в качестве антисептика рекомендуется до-
бавлять до 0,1% формалина или карболовой кислоты. В случае
необходимости в качестве красителя рекомендуют раствор эозина
(воднорастворимого) или флуоресцина, достаточно стойких
но цвету и не оставляющих осадка на стенках головок и в шланго-
вых соединениях.
Осадки отдельных сосудов в гидростатической системе, об-
условленные осадками оборудования, вызывают изменение общего»
уровня.
Если один из п сосудов получил осадку на величину А, то об-
щий уровень изменится на величину [3(>]
6Л = —.
п
Если получили осадку несколько сосудов, то уровень в осталь-
ных головках изменится на величину
2“-^-
Общее изменение положения уровня в системе можно умень-
шить, включив в систему специальные резервуары с общей пло-
щадью зеркала воды Тогда осадка нескольких сосудов вызо-
вет изменение уровня в системе на величину
5 6/г = -г—*	• 5 Л,
где / — площадь зеркала воды сосуда.
Однако в этом случае сами компенсационные резервуары
не должны иметь осадок. В противном случае осадка резервуаров
вызовет изменение уровня в системе на величину
2 &h== "F^+f7'htK3’
где Л>*ц — площадь всех резервуаров.
Следовательно, для того чтобы наличие компенсаторных ре-
зервуаров не повлияло на положение уровня в системе, их
198
Высокоточное нпвелпроваипе
необходимо устанавливать на специальные фундаментальные
опоры (реперы), свободные от просадок.
Таким образом, общая формула, характеризующая изменение
уровня жидкости в гидростатической системе, будет
Д*0®4 = F&i+fn 2 h + F^+1h h^-
При наблюдении за стабильностью оборудования часто тре-
буется получение отметок в относительной системе отсчета. В этом
случае изменение положения уровня в системе не влияет на точ-
ность определения превышения. Наличие компенсирующих бач-
ков также излишне.
В результате исследований с целью изучения влияний различ-
ных факторов на точность гидростатического нивелирования в си-
стемах различной конфигурации можно сделать следующие вы-
воды [141:
1.	В тесных помещениях при наличии большого количества
оборудования, где применение геометрического нивелирования
затруднительно, с успехом можно применить гидростатическое
нивелирование.
2.	Для достижения высокой точности нивелирования гидро-
статическая система должна быть тщательно герметизирована,
соединительные шланги должны находиться в горизонтальной
плоскости (отклонение допускается 5—10 мм). Наличие воздуш-
ных пробок, полностью заполняющих поперечное сечеппе соеди-
нения, в системе недопустимо.
3.	Нагревы горизонтально расположенных соединений даже
до больших температур незначительно влияют на точность гид-
ростатического нивелирования. Влияние нагрева шлангов можно
ослабить точностью монтажа системы в одной плоскости и выбором
времени измерения.
4.	Локальные нагревы головок УГС в гидростатической си-
стеме существенно "влияют на точность работ, что приводит к не-
обходимости введения поправок в положение уровня за темпера-
турное состояние жидкости по формулам с эмпирическим коэффи-
циентом плотности «9, который выводится на основании данных
предварительных исследований в системе.
5.	Для введения поправок ДД/ необходим строгий учет темпе-
ратуры в гидростатических головках системы при помощи темпе-
ратурных датчиков.
6.	Наличие пузырьков воздуха в горизонтально расположен-
ных соединениях системы существенно не влияет на точность
гидростатического нивелирования.
7.	Наиболее удобный период наблюдений, когда гидростатиче-
ская система или полностью охлаждена, или нагрев ее достиг
уровня с незначительным изменением температуры во времени.
Высокоточное нивелирование
199
В период остывания системы (особенно в начальной стадии)*
производить измереиия не рекомендуется.
8.	Гидростатическая головка должна быть простой по форме
(лучше цилиндр), особенно в том месте, где находится жидкость.
Диаметр головки должен быть небольшим (30—50 мм), чтобы
в ней обеспечивалось равномерное распределение температуры.
Для того чтобы менее точно учитывать температуру жидкости
в головке, высота столба жидкости должна составлять 30—40 мм.
3. Гидростатическая система нивелирования
с дистанционным съемом информации
На Ереванском синхротроне система состоит из 20 измеритель-
ных головок, соединенных между собой в единую замкнутую
систему. Головки установлены на подставках блоков электромаг-
нита. В качестве жидкости-заполнителя в системе применена глу-
бокообессоленная вода. Для предотвращения влияния приточной
вентиляции на положение уровня в отдельных головках воздуш-
ные объемы сосудов с жидкостью соединены в единую систему.
К пульту управления непосред-
ственно подключены пересчетный блок
ПС, осциллограф и последовательно
соединенные в единую цепь распреде-
лительные коробки. К каждой из рас-
пределительных коробок подключено
до трех измерительных головок.
Работа измерительной головки гид-
ростатической системы нивелирования
основана на изменении условий отра-
жения света в световоде при его погру-
жении в жидкость [12, 151. Использо-
вание фотоэлектрической регистриру-
ющей системы при этом повышает
надежность работы датчика и способ-
ствует достижению высокой точности
измерений.
Схема измерительной головки гид-
ростатической системы нивелирования
приведена на рис. 88. Свет от элек-
тролампы 5 попадает на световод б,
представляющий собой стеклянный ци-
линдр, заточенный конусообразно под
углом полного внутреннего отражения
света в световоде. Под уровнем 7 жид-
кости установлен фотоприемник 8.
Рис. 88. Схема фотоэлек-
трической измерительной
головки гидростатического,
нивелира
200
Высокоточное нивелирование
Движение световода в направлении к уровню жидкости осуще-
ствляется электродвигателем 3. Датчик перемещений световода
состоит из электролампочки 7, кодирующего диска 2 и фото-
приемника 4.
Блок электроники измерительной головки содержит эмиттер-
ный повторитель счетного канала, собранный на одном транзисто-
ре и сложный эмиттерный повторитель канала «стоп», собран-
ный на Р — N — Р транзисторе Т\ и N — Р — N транзисторе Т3.
В исходном состоянии, когда световод измерительной головки
находится в верхнем фиксированном положении над уровнем
жидкости, количество света, попадающего на фотоприемник,
недостаточно.
При движении световода измерительной головки в направле-
нии к уровню жидкости датчик перемещения генерирует счетные
импульсы, транслируемые по кабелю на вход пересчетной схемы.
В момент касания уровня жидкости концом световода в резуль-
тате смачивания образуется мениск. При этом световой луч,
проектируемый на образующую конуса вне пределов мениска,
претерпевает полное внутреннее отражение, а луч, расположен-
ный в пределах мениска, частично попадает в жидкость и засве-
чивает фотоприемник. Передним фронтом импульса с фотоприем-
ника, формируемым в момент касания световодом поверхности
жидкости, останавливается счет импульсов в пересчетной схеме;
при этом число импульсов определяет положение измеряемого
уровня жидкости.
Точность отсчета уровня жидкости в измерительной головке
зависит в основном от точности работы датчика перемещения све-
товода, точности фиксаций момента касания концом световода
поверхности жидкости и работы отсчетного устройства системы.
Датчик перемещения световода выполнен на базе индикатора
часового типа. В процессе перемещения штока индикатора в соот-
ветствующем фотоприемнике генерируются импульсы, отсчиты-
ваемые пересчетной схемой. Импульсы следуют в соответствии
с установленным шагом перемещения световода, равным
т = ^-,	(126)
где а — величина перемещения штока индикатора при полном обо-
роте диска; N — число радиальных щелей в диске.
Исходное положение световода фиксировано, т. е. в исходном
положении диск с радиальными щелями находится в определен-
ном положении (например, фотоприемник находится строго против
одной из радиальных щелей диска). Однако выполнение этого ус-
ловия на практике оказывается неосуществимым, в результате чего
начало отсчета положения световода определяется с ошибкой
Высокоточное нивелирование
201
Для оценки точности фиксации момента касания концом свето-
вода поверхности жидкости примем, что максимальное время об-
разования мениска па конце световода равно /тм, а максималь-
ная скорость перемещения световода —
^2 ~ ^тах * ^тах»
В схеме формирования стопового импульса содержится ампли-
тудный дискриминатор, уровень срабатывания которого подвер-
жен определенному дрейфу. Дрейф по времени срабатывания дис-
криминатора относительно начала стопового импульса не превы-
шает одной пятой длительности фронта импульса (дрейф уровня
срабатывания дискриминатора может быть значительно меньшим).
Тогда указанный дрейф приведет к неопределенности в положении
световода в момент его касания с жидкостью на величину
тг =	.	(127>
□
Наконец, исходя пз принципа дискретного счета, положение
световода в момент касания с жидкостью определяется с ошибкой
в один счетный импульс (т. е. т3). Следовательно, ошибка отсчета
уровня определится формулой
m = 1/ mJ + mJ 4- т*.
pl	2	3
Для изготовленного варианта‘ измерительной головки бук-
венные обозначения в формулах (126), (127) соответственно со-
ставляли а ~ 1 мм, Н = 50, Ртах = 1 мм/с, tmax = 0,05 с.
При этом ошибка отсчета уровня жидкости в отдельном датчике
должна составить величину т = 0,025 мм.
В процессе исследований работы макетов установлено, что
точность показаний измерительной головки практически уклады-
вается в пределах одного отсчета (т = 20 мкм), а наилучшая ско-
рость движения световода 1—1,5 мм/с.
В течение 1,5 месяца произведено 26 циклов измерений в систе-
ме гидростатического нивелирования при неработающем ускори-
теле, а также в номинальном режиме его работы по постоянному
току [131. В каждом цикле измерений производился последова-
тельный опрос измерительных головок с замыканием на двух
первых. Уровень жидкости в каждом цикле принудительно изме-
нялся путем подлива или слива жидкости из системы. Величина
изменения уровня жидкости в системе фиксировалась по головке
УГС. Температура жидкости измерялась во всех головках, име-
ющих специальные температурные датчики. Температура жидкости
в других головках определялась методом интерполяции. За весь
период исследований градиенты температур во всей системе не
изменялись более чем на 2° С.
202
Высокоточное нивелирование
Рнс. 89. Полигон распределения расхождений превыше-
ний, полученных из гидростатического нивелирования
Анализ ряда расхождений превышений каждой точки отно-
сительно первой, полученных по результатам гидростатического
нивелирования в смежных циклах измерений, показал, что рас-
смотренное эмпирическое распределение свободно от каких-либо
существенных систематических влияний и мало* отличается от
нормального.
Средняя величина расхождений превышений составила
4-4,8 мкм. Средний квадратический разброс, характеризующий
точность получаемой информации о положении оборудования,
составил 59 мкм. На рис. 89 показаны полигон распределения
расхождений превышений, полученных из гидростатического
нивелирования, и расчетная гипотетическая кривая.
Одновременно разными исполнителями произведено несколько
циклов определений положения наблюдаемых точек ускори-
теля методом геометрического нивелирования. Измерения произ-
водились по обычной программе, принятой на Ереванском синх-
ротроне для определения положения блоков электромагнита по
высоте. Предварительно нивелировали магистральный замкнутый
ход по шкалам рабочей сети. Затем положение точек блоков опре-
деляли от шкалой рабочей сети.
Анализ ряда расхождений превышений различных точек
в смежных циклах, полученных по результатам геометрического
нивелирования, показал, что рассмотренное эмпирическое рас-
пределение также свободно от каких-либо существенных система-
тических влияний п мало отличается от нормального.
Средняя арифметическая величина расхождений превышений
составила + 17,8 мкм. Средний квадратический разброс, характе-
Высокоточное нивелирование
203
Рис. 90. Полигон распределения расхождений превышений, получениих
из геометрического нивелирования
Л
рнзующпй точность получаемой информации по методу геометри-
ческого нивелирования, составил 118 мкм. На рис. 90 показаны
полигон распределения расхождений превышений, полученных
из геометрического нивелирования, и расчетная гипотетическая
кривая. Был подсчитан ряд расхождений в смежных циклах отме-
ток оборудования, полученных из геометрического нивелирова-
ния. По данным обработки полученного ряда средняя арифме-
тическая величина расхождений составила —1 мкм, средний
квадратический разброс ряда 122 мкм. Аналогичные результаты
получены при испытании гидростатических систем на других
сооружениях.
Можно заключить, что точность получаемой информации о по-
ложении технологического оборудования по методу гидростатиче-
ского нивелирования выше, чем по методу геометрического ниве-
лирования. Измерения положения любой данной точки по методу
гидростатического нивелирования независимы и свободны от
субъективных ошибок, чего нельзя сказать о результатах измере-
ний по методу геометрического нивелирования. Хронометриро-
вание на Ереванском синхротроне показало, что на один цикл
измерений положения двадцати точек по методу гидростатического
нивелирования с дистанционным съемом информации один опе-
ратор затрачивает 20—25 мин, в то время как на один цикл изме-
рений такого же количества точек по методу геометрического
нивелирования бригада из трех человек затрачивает 8—9 ч.
§ 20. Микронивелирование
При выполнении высокоточных нивелирных работ при строи-
тельстве и эксплуатации инженерных сооружений находят при-
менение различные конструкции микронивелиров с базой до 1,5 м,
обеспечивающие малую ошибку определения превышений (0,01 4-
-г0,02 мм).
204	Высокоточное нивелирование
В инженерной геодезии мнкронивелированне применяется при
определении вертикальных смещений близко расположенных точек,
лежащихв одной горизонтальной длоскости^ в груццовых реперах
при изучении м и к р осме щен и и пород различных горизонтов, при
определении наклоЛ^и деформаций отдельных элементов тех-
нологического обо]^^Кния (например, пакетов в блоках) и т. д.
Микронивелировани^Кримеияется ограниченно, и его нельзя
рассматривать как Ягод, заменяющий геометрическое или гид-
ростатическое нивелирование.
Изготовлены микпонивелиры, представляющие собой наклад-
ные уровни с большой базой; они состоят из жесткой рамы с двумя
или тремя неподви/щтыми сферическими упорами. На раме рас-
положен цилиндрический уровень обычно с ценой делений 2
4- 10". Для устранения поперечных наклонов прибора на раме
установлен поперечный уровень с ценой деления 30". Юстировку
уровня можно выполнять на горизонтальной плоскости. На про-
извольно расположенной плоскости добиваются исправительными
винтами одинаковых показаний уровня в двух положениях при-
бора (с перестановкой на 180е). При работе, зная цену деления
уровня и длину базы (расстояние между упорами), легко рассчи-
тать превышение одной точки над другой но формуле
дл = ^,
р
где т — цена деления уровня; п — уклонение пузырька уровня
от среднего положения в делениях; 5 — расстояние между упо-
рами.
Находят применение микронивелиры, у которых вместо обыч-
ного цилиндрического уровня устанавливается уровень с микро-
метревным винтом. Диапазон измерений таким прибором может
быть больше.
Наибольшее распространение при инженерно-геодезических
работах получили микронивелиры с одной подвижной опорой
и отсчетным устройством в виде индикатора часового типа. На
рис. 91 показана принципиальная конструкция подобного ниве-
лира. Микронивелир состоит из корпуса 7, на котором установлен
цилиндрический уровень 4 с ценой деления 5—10", и двух опор.
Одна опора подвижная и оканчивается двумя гайками, головки
которых заточены под сферу. Опоры относительно корпуса пере-
мещаются микрометренным винтом 2 и измеряются индикатором 3
часового типа. Вторая опора неподвижная, она представляет
собой винт 5, в который впрессован шарик. Положение винта 5
относительно корпуса 1 определяется при юстировке места нуля
(МО) микронивелира и затем фиксируется контргайкой. Расстоя-
ние между опорами составляет 0,5 -4-1,5 м.
Высокоточное нивелирование
205
Рис. 91. Конструкция микроцЖёлпра
Обычно превышения определяются при Жух постановках при-
бора, что дает возможность проверять на жаждой станции AfO.
Точность измерений превышения при помощи микронивелира
в производственных циклах можно вычислить по разностям двой-
ных измерений. Средняя квадратическая ошибка превышения
на базе одного метра, измеренного одним приемом, обычно равна
0,010 мм. В угловой мере этому соответствует 2,0".
При последовательном нивелировании точек, расположенных
одна от другой на расстоянии, равном базе прибора, на точность
микронивелирования значительно влияет чистота обработки .вы-
веряемых или нивелируемых плоскостей Иногда при высокоточ-
ной сборке небольших элементов в ед и н^^	ру к ци ю (напри-
мер, пакетов в блоки) применяются микроншЯлИы, выполненные,
но предложению В. Е. Новака, в виде индищЬ>рных шаблонов
(рис. 92). В этом случае нивелирование точек ошшествляется от-
носительно условно принятых двух базовых повЖиостей.
Такой шаблон состоит из жесткого дюралюмицфвого корпуса,
на котором крепятся упоры и индикаторы часового типа. Левый
1*110. 92. Конструкция индикаторного шаблона
206
Высокоточное нивелирование
упор шаблона представляет собой шпильку со сферической го-
ловкой, правый упор — палец с укрепленным на его конце ци-
линдром с двумя контактными точками. Упоры и ножки индика-
торов располагаются симметрично относительно оси шаблона,
фиксируемой специ|^^й стрелкой.
Непосредственнейшее работой индикаторный шаблон поме-
щается па поверочно^Винейке двутаврового сечения, и шкалы
индикаторов устанавл^^потся на нули. Ошибка микронивелиро-
вания подобным индикаторным шаблоном составляет 0,01 —
4- 0,02 мм.
Для установки элюентов оборудования во взаимное проект-
ное положение по высоте нередко применяют устройства, анало-
гичные штан ген рейсмасам. Пята штангенрейсмасса устанавли-
вается на плоскость оттого элемента, а второй элемент переме-
щается домкратными устройствами до тех пор, пока не установится
необходимый отсчет п> индикатору, соответствующий определен-
ному взаимному расположению плоскостей. Если элементы обо-
рудования устанавливаются на одной высоте, удобно пользоваться
калиброванными плитками.
Кроме мнкронивелиров, часто применяются наклономеры раз-
личной конструкции. При геодезических работах на ускорителях
широкое применение получил уголковый уровень с электромагнит-
ным контактом [7], который применяется для высокоточной уста-
новки различных базовых поверхностей в отвесное положение.
Прибор опорной поверхностью прикладывается к базовой поверх-
ности, обмотка его подключается к источнику тока, вследствие
чего прибор плотно прижимается к базовой поверхности. Юстиру-
емый агрегат перемещается до тех пор, пока пузырек уровня при-
бора не установится в пульпупкт. В этом случае базовая поверх-
ность агрегата займет отвесное положение.
Глава VII
Высокоточные створны§ измерения
§ 21. Струнные и струниб-оптические
способы и приборы створных измерений
При выносе в натуру осей крупных инженерных сооружений
и установке в проектное положение оборудования широко исполь-
зуется струнный способ. Местоположение створа определяют
при помощи двух крайних знаков, которыми закреплена в натуре
монтажная ось. Ось струны в этом случае сносят на строительные
конструкции или на осевые риски монтируемого оборудования
при помощи отвесов, которые крепятся к струне по всей длине
створа в нужных местах. Однако ошибка такого способа створе-
ния сравнительно большая и составляет для створов длиной до
200 м примерно 2-^-4 мм. Для устранения ошибки за неодно-
значность крепления отвесов применяют один отвес, перемеща-
ющийся вдоль струны.
Основной источник ошибок струнного способа — колебание
струны. При тщательной работе в закрытых помещениях этим
способом ошибку монтажа можно довести до 1 4- 2 мм.
При предварительном монтаже с ошибкой 3 4- 5 мм техноло-
гическое оборудование устанавливают но отвесам относительно
струны визуально по специальным меткам. При точном монтаже
в качестве отсчетных устройств применяют индуктивные датчики
положения струны; их укрепляют на вкладышах, которые во вре-
мя работы находятся во втулках геодезических знаков устана-
вливаемого или контролируемого оборудования.
Для исследований плановых деформаций гидротехнических
сооружений находит применение способ плавающей струны. На
контрольных марках, имеющих вид консолей, устанавливают
небольшие ванны, наполненные водой. Стальную проволоку
(струну) диаметром 0,8—1,0 мм натягивают между конечными
знаками при помощи груза вдоль створа. Струна свободно пла-
вает на поплавках и под действием натяжения перемещается в го-
ризонтальной плоскости. Створные наблюдения заключаются
в определении положения одного из продольных бортов ванны
относительно проволоки. Масса груза зависит от длины створа
и, например, при длине створа 600 м равна 60 кг. Наблюдения
выполняют многократно, смещая проволоку в продольном напра-
влении между сериями наблюдений на 2—3 см. Максимальное
расхождение результатов наблюдений не превышает 0,3—0,4 мм.
208
Высокоточные створные измерения
При контрольных измерениях положения оборудования на-
ходит применение электроконтактный способ определения поло-
жения струны, задающей створ. Способ основан на фиксации
момента контакта ножки индикаторного устройства со струной
путем замыкания электрической цепи струной. Индикаторное
устройство в виде индикатора часового типа или микрометра
с вкладышем вставляет в геодезический знак. В качестве фикса-
тора момента контакта применяют обычные электролампочки
или звуковые сигнализаторы. Ошибка фиксации положения струны
составляет 30 4- 50 мкм.
Точность струнного способа можно значительно повысить,
если измерения производить при помощи вертикально проектиру-
ющих приборов (оптических центров — ОЦП) или отсчетных ми-
кроскопов на специальных подставках, позволяющих установить
визирную ось микроскопа строго вертикально. Для натяжения
и перемещений струны в процессе измерений применяют специаль-
ные натяжные устройства. Концы струны закрепляют так, чтобы
колебания грузов для натяжения не передавались на струну.
Такой способ створных измерений называется струнно-оптическим.
Ошибка определения промежуточной точки в створе исходных
пунктов струнно-оптическим способом — результат влияния сле-
дующих основных источников ошибок
1)	воздушных потоков па стабильность положения струны;
2)	изменения диаметра струны;
3)	установки струны над центрами исходных опорных пунктов;
4)	отсчета по микроскопу или ОЦП;
5)	локальных изгибов струны;
6)	колебаний струны;
7)	несовпадения центра вкладыша с осью втулки знака.
Кроме того, большое значение имеет правильный выбор мате-
риала струны.
Известен опыт применения струнно-оптического способа при
установке оборудования конвейеров по шлифовке стекла ШС-500
и ШС-1000 в 1950—1960 гг.; ошибка створных измерений состав-
ляла 0,4 мм.
Проведены экспериментальные исследования [108, 1181 струн-
но-оптического способа створеппя с целью применения при про-
верке прямолинейных направляющих крупногабаритных станков
и машин. Параллельно направляющей натягивали струну диамет-
ром 0,1 мм и, перемещая микроскоп в специальном приспособле-
нии, измеряли отклонение от прямолинейности в горизонтальной
плоскости. На основе опытных данных в работе [1081 приводится
формула для оценки точности способа
7W —	2 + 0,002Л4 мкм,
где L — общая длина створа в метрах.
Нысокоточныо створные измерения
209
Авторы этих исследований отмечают, что на результаты изме-
рений сильно влияли провисание струны и ее колебания, несмотря
на то, что двенадцатиметровая машина установлена на массивном
фундаменте, и измерения производили в закрытом помещении.
Струнно-оптический способ применялся также для высокоточ-
ной установки электромагнита протонного ускорителя на 7 ГэВ
[70]. Для створа длиной до 10 м получена эмпирическая формула
для расчетов ошибки измерений [7]
wCTB=?o ]/2 [1-4" ~4")3 *
гДе 7о — средняя квадратическая ошибка установки струны над
точкой (из опыта -- 6,2 мкм); 5 — длина створа; d — расстоя-
ние до определяемой точки.
Для створа 50 м по иолученным ошибкам нестворностп проме-
жуточных точек выведена эмпирическая формула [7]
lgmCTB = ]l,73 - 0,0029(25-d)2].	(128)
Формула (128) получена в предположении, что струна в про-
цессе установки точки в створ неподвижна и прямолинейна. Однако
под влиянием движения воздушных масс натянутая струна откло-
няется от прямолинейного направления, что может внести суще-
ственные дополнительные ошибки. Н. Н. Лебедевым и И. К. Снитко
теоретически рассмотрен этот вопрос [7]. Уклонение проволоки
в середине створа определяется из выражения
где 6 — диаметр струны; и — скорость ветра в м/с; I — расстоя-
ние между точками подвеса; Н — сила натяжения.
При установке технологического оборудования ускорителей
струнно-оптический способ используется довольно широко. К ус-
тановке электромагнитов ускорителей в проектное положение
предъявляются более высокие требования, чем к монтажу обору-
дования ряда промышленных, гидротехнических и гражданских
сооружений. Например, допустимая ошибка во взаимном положе-
нии трубок дрейфа инжектора Серпуховского ускорителя соста-
вляет 0,05 мм, а блоков кольцевого электромагнита 0,2 мм. Эти
повышенные требования, перспектива строительства новых круп-
ных физических установок и специфика работ на них поставили
необходимость экспериментальных исследований и разработки
несколько иных вариантов использования струнного способа,
а также рассмотрения некоторых теоретических вопросов, свя-
занных с его применением.
Ин ж. В. Н. Григорьев предложил измерения струнно-опти-
ческим способом с принудительным центрированием струны
14 зажав 437
210
Высокоточные створные измерения
в крайних пунктах створа. Разработан комплект аппаратуры, в ко-
торый. кроме натяжных устройств, входят вкладыши с коническими
пазами для центрирования струны и специальный микроскоп-вкла-
дыш.
Как показали исследования, способ принудительного центри-
рования струны ие уступает по точности способу установки струны
на крайних точках микроскопами или вертикалыю-проектиру-
ющими приборами типа ОЦП-Зенпт и значительно проще. Про-
грамма измерений заключается в следующем.
Струну располагают в конических пазах на крайних знаках
створа; на всех промежуточных точках последовательно или
одновременно устанавливают переносные микроскопы-вкладыши;
при помощи микрометров определяют нестворностн — расстоя-
ния от оси струны до перекрестия во втулке микроскопа-вкла-
дыша. Измерения ведут при двух положениях микроскопа-вкла-
дыша. Затем для устранения остаточной ошибки за счет неточного
совпадения оси конического паза с осью вкладыша разворачивают
вкладыши на крайних пунктах створа на 180° и повторяют изме-
рения.
Для высокоточных створных измерений при монтаже оборудо-
вания необходимо иметь струны с большим сопротивлением на
разрыв и с постоянным диаметром. Медные струны, ввиду их ма-
лого сопротивления на разрыв, применяют редко. У капроновых
нитей в процессе исследований выявлены большая текучесть и не-
допустимые неровности поверхности, что исключает их использо-
вание при прецизионном створении.
Большое сопротивление на разрыв и достаточно постоянную
величину диаметра имеет стальная струна, особенно марки ОВС.
По ГОСТу 2771—57 колебания диаметра такой струны (d - 0,2 мм)
не должны превышать 4 мкм. Однако исследования показали, что
струна диаметром 0,2 мм в некоторых случаях меняет свое зна-
чение до 15 мкм, но эти изменения, как правило, идут плавно
и симметрично относительно оси струны.
Проволоки диаметром 0,5 и 0,8 мм мало пригодны для высоко-
точного створения, так как имеют большую амплитуду колебаний,
большую стрелку провеса и значительные изменения диаметра.
Наиболее приемлема струна диаметром 0,2 мм; она имеет резо-
нансные колебания большей частоты, но меньшей амплитуды.
Выбор диаметра струны и длины створа неразрывно связан
с влиянием движения воздушных масс. Чем больше диаметр
струны и длина пролета, тем сильнее воздействие движения воз-
душных масс на стабильность положения струны. Рассмотрим во-
прос о допустимых скоростях движения воздушных масс, откло-
няющих струну на величину, которой можно пренебречь при пре-
цизионных измерениях. Примем величину этого источника ошибок
10 мкм (допуск получен из требований, предъявляемых к точ-
	Высокоточные створные		измерения	211
Таблица 10				
lQ в м				
30	40	60	80	100
VДОП В м/с				
0,14	0,11	0.07	0,05	0,04
ности измерении при установке оборудования ускорителей).
Допустимое значение скорости потоков воздуха определяется вы-
ражением
Удон 4 tg адоп ; <хдоп = arcsin А;
рр
f^Tnr> s=dl°-
где рдоп — скорость воздушного потока; Р — масса погонного
метра струны; 5 — площадь поперечного сечения единицы длины;
адоп — угол отклонения от вертикали; 6 — допустимое смещение
струны в плане, обусловленное влиянием гдоп; Л — стрелка про-
веса; /0 — длина цепной линии; Н — сила натяженпя; d — диа-
метр струны.
Допустимые значения рдоп при 6	10 мкм, d — 0,2 мм и
Н - 3 кг для стальной струны приведены в табл. 10.
Полученные значения рдоп налагают жесткие ограничения
на скорость движения воздушных потоков по линии створа.
Допустимая скорость движения воздушных масс зависит также
от натяжения струны, которое определяется сопротивлением
на разрыв. Силу натяжения Н следует принимать равной 65—
75% предельного натяженпя, зависящего от материала струны.
Так, для проволоки марки ОВС диаметром 0,2 мм Н = 5 кг при
Zo <С 24 м. Для уменьшения влияния воздушных потоков и соот-
ветствующих колебаний струны возможно использование демп-
фирующего устройства поплавкового типа. Однако, как показали
результаты исследований, влияние демпфирующего устройства
недостаточно, чтобы производить высокоточные створные измере-
ния в местах с заметным движением воздушных масс.
Для предотвращения влияния отклонений струны нужно
в помещении создать условия спокойного состояния воздушных
масс. Если это выполнить невозможно, то струну следует помещать
в защитные трубы
14*
212
Высокоточные створные намерения
Таблица 11
Длина створа в м
80	40	30
Средняя квадратическая ошибка в мкм		
492	150	106
Одна из причин возникновения ошибок при струнно-оптиче-
ском створении — местные изгибы струны. Несмотря на малый
диаметр струны (d — 0,2 мм), ее нельзя рассматривать как иде-
альную нить, так как она имеет конечную величину момента со-
противления изгибу. Ошибка за изгиб струны на участке отсчета
вычисляется по формуле
Edw
е 21UI *
где е — эксцентриситет геометрических осей; Е — модуль упру-
гости; d — диаметр струны; W — момент сопротивления струны
изгибу; R — радиус изгиба струны; Н — нагрузка натяжения.
Расчеты показывают, что если стальная струна d = 0,2 мм
имеет изгиб радиусом 5 см, то при приложении растягивающей
нагрузки Н = 5 кг (Е = 2  1 • 10е кг/см2, W = 1  10~6с м) эксцентри-
ситет геометрической оси и прямой, соединяющей точки подвеса,
равен 14 мкм. Поэтому прежде чем применять струну, ее нужно
исследовать. Если имеются изгибы радиусом менее 5 см, то струна
не может быть использована для работы. Надежный способ конт-
роля — применение двух или нескольких струн. При использо-
вании одной струны можно произвести контроль, повторно изме-
рив нестворность искомой точки после некоторого смещения стру-
ны в продольном направлении.
Исследования и опыт применения струнно-оптического спо-
соба створения в естественных условиях при скорости ветра до
1,5 м/с в направлении, перпендикулярном к створу, показали
тесную зависимость между точностью и длиной створа (табл. 11).
Исследования в условиях закрытого помещения цехового типа
при длине створа 80 м и скорости ветра менее 0,2 м/с в напра-
влении, перпендикулярном к створу, показали, что средняя квад-
ратическая ошибка определения нестворности на промежуточных
пунктах составляет 25—30 мкм.
При большой длине створа (несколько сотен метров) струну
подвешивают на специальных рамах выше рабочего горизонта
Высокоточные створные измерения
213
II П:1рИ*(Е!Т
1	2	3	4	5 G 7	8 'J 10 И 12 13 .
Рис. 93. Схема измерении по программе частных створов струнно-оптиче-
ским способом
ц она имеет значительную стрелку провеса. Положение наблю-
даемых пунктов или оборудования определяется высокоточными
оптическими цептрирами. Так, например, на опорном геодезиче-
ском створе (ОГС) галереи Серпуховского ускорителя (длина
створа 336 м) струну диаметром 0,4 мм подвешивали на специаль-
ных П-образных рамах на 3 м выше верхней плоскости знаков;
нестворности измеряли прибором ОЦП-Зепит. Средняя квадрати-
ческая ошибка измерения нестворностей составила 0,12 мм.
Кроме того, на этом же створе струну натягивали по частям
с перекрытием, створ был разбит на 3 части.
Значительная стрелка провеса требует перефокусировки зри-
тельной трубы ОЦП-Зепит, что вносит дополнительные ошибки
при определении нестворности. Провисание струны не только
ухудшает качество, но и осложняет процесс измерений.
Для уменьшения стрелки провеса струны, особенно при ис-
пользовании в качестве отсчетных устройств микроскопов типа
МИР-2 с окулярной насадкой МОИ или типа «Компараторный»
и в тех случаях, когда натянуть струну на весь створ нельзя,
применяется программа равных частей створа. Эту программу
измерений можно разделить на два варианта (рис. 93):
1. Струну натягивают между точками /—4 (частный створ
длиной I) и определяют уклонения всех промежуточных точек
(2, 2, 3) внутри частного створа. Затем струну переносят на поло-
вину частного створа (1/2Z) и определяют уклонения промежуточ-
ных точек (5,	5) в следующем частном створе (2—5) и т. д. Из-
мерения выполняют в прямом и обратном направлениях. Нествор-
ности четных промежуточных точек вычнсляют по измеренным
уклонениям Д, от частных створов. Полученные нестворности
214
Высокоточные створные измерения
четных точек используют для вычисления пестворностей нечет-
ных точек.
2. Во втором варианте струну, натянутую на длину частного
створа (/), переносят не па l/2 Z, а на расстояние между двумя смеж-
ными точками. В этом случае два частных створа перекры-
ваются на большую величину, что существенно повышает точность
определения пестворностей от общего створа I—11. В зависимо-
сти от количества точек внутри частного створа уклонения про-
межуточных точек измеряют несколько раз. Например, для створа
длиной 336 м с 13 промежуточными точками при длине частного
створа 96 м уклонения от частных створов точек 2, 13 изме-
ряют один раз. точек 2, 12 — два раза, а остальных — три
раза.
По результатам расчетов и исследований можно сделать сле-
дующие выводы.
С минимальной точностью как в первом, так и во втором ва-
риантах программы измерений определяют точки, расположенные
в середине створа. Программа измерений по второму варианту
обеспечивает более высокую точность определения нестворности
и более равномерное распределение весов измерений в средних
результатах. Многократные измерения уклонений от частных
створов большинства точение исключают некоторых ошибок струн-
но-оптического способа (отклонения вследствие воздушных пото-
ков. неравномерного освещения струны, погнутостей и т. д.).
По результатам исследований па створе длиной 336 м средняя
квадратическая ошибка измерения уклонений промежуточных
точек от частного створа длиной 96 м составляет  30 мкм.
Средняя квадратическая ошибка определения нестворности сред-
ней точки относительно общего створа для первого варианта про-
граммы — 120 мкм, для второго варианта -- 80 мкм.
Существует и другой способ уменьшения стрелки провеса,
сущность которого заключается в том, что подвешенная струпа
в одной или нескольких точках поднимается тонкими подвесками
к потолку до уровня крайних точек [121]. Если подвески лежат
в вертикальной плоскости, совпадающей с линией створа, то точка
крепления подвески к струне после поднятия останется строго
в створе.
Влияние подвески на положение струны можно довести прак-
тически до пренебрегаемо малой величниы, если ее основание
предварительно установить в заданием створе с ошибкой порядка
2 — 3 мм при помощи теодолита с накладным цилиндрическим
уровнем па горизонтальной оси. Так, например, при Д — 2 мм,
F — 0.2 м и I — 3 м отклонен и е струны от прямой за счет подвески
не превысит
6 — 0,13 мм.
Высокоточные створные измерения
215
При большом количестве подвесок и случайном распределении
ошибок в положении основания подвесок влияние их на положе-
ние струны может значительно компенсироваться.
Струнно-оптический способ очень прост и не требует изготовле-
ния дорогостоящей аппаратуры. Однако существенными недостат-
ками его являются определенная потеря точности в связи с необ-
ходимостью перефокусировок в процессе измерений ввиду значи-
тельной стрелки провеса; чувствительность к колебаниям, про-
исходящим от сотрясения пола, движения воздуха и т. п. Доволь-
но трудоемко применение струнно-оптического способа на створах
длиной в несколько сот метров с ошибкой порядка 0,14-0,2 мм.
§ 22. Способы и приборы оптического
створения
Указанные способы основаны на применении специальных опти-
ческих устройств: алиииометров, микротелескопов, коллимато-
ров, автоколлиматоров и т. п. В практике высокоточных инже-
нерно-геодезических работ при строительстве и монтаже техноло-
гического оборудования крупных сооружений при створных изме-
рениях нашли применение следующие оптические способы:
1)	оптического визирования;
2)	коллиматорный;
3)	автоколлимационный.
1. Оптические способы
Оптические способы прямого визирования при помощи спе-
циальных зрительных труб и визирных целей широко исполь-
зуются при наблюдениях за плановыми деформациями гидротех-
нических сооружений и при выверке длинных конвейеров. Створ-
ные измерения при этом выполняют способом измерения малых
углов или подвижной марки. При установке и выверке металло-
конструкций промышленных зданий, измерении деформаций под-
порных стенок и наблюдениях за оползневыми явлениями створ-
ные измерения выполняют по специальным визирным линейкам
(нивелирные рейки, ординатометры и т. п.).
В приборах проверки прямолинейности и соосности при по-
мощи зрительных труб нестворность измеряют при помощи двух
плоскопараллельных пластин 1401, позволяющих отсчитывать
величину смещений марки в двух взаимно перпендикулярных
плоскостях. Пользоваться окулярным микрометром вместо пло-
скопараллельных пластин неудобно, так как у зрительной трубы
216
Высокоточные створные измерения
цена деления окулярного микрометра в линейной мере зависит
от длины визирного луча.
С применением особых самоцентрирующих устройств для уста-
новки зрительной трубы и визирных целен, а также геодезических
знаков специальной конструкции ошибки центрирования и ре-
дукции сводятся к пренебрегаемо малой величине. Вследствие
этого точность оптических методов створных измерений в основном
зависит от качества зрительных труб. В СССР выпускаются при-
боры проверки соосности ППС-7, ППС-11, ППС-12 161).
В комплектах аппаратуры современных створных приборов
имеются такие высокоточные зрительные трубы, как, например,
визирная труба алиниометра фирмы «Карл Цейсс», микротеле-
скопа фирмы «Тейлор — Гобсон», визирная труба «Farrand» или
«Huet». точность измерения которыми в угловой мере составляет
около 0.3*.
Основные характеристики выпускаемого прибора ППС-11
и некоторых зарубежных приборов приведены в табл. 12.
Таблица 12
Основные характеристики	ГТПС-11 (СССР)	Прибор фирмы «Карл Цейсс» (ГДР)	Прибор фирмы «Тейлор— Гобсон» (Англия)	Прибор фирмы «Farrand» (США)
Пределы визирования зритель- ных труб в м 	 Пределы измерений ио шкале микрометров в мм	 Цена деления микрометров в мм 	 Ошибка визирования в мм при L — 10—15 м 	 Точность измерений в мм . .	0.1 -г- СО ±1.0 0.02 0,011 0,01+0,005L	0,8 4- со ±2.7 0,05 0,013 0.02+0,12Д	0,1 4- ±1.2 0,02 0,017	0,25 4- со ±3,0 0.25 0,025
Зрительная труба прибора ППС-11 может работать как авто-
коллиматор. В этом случае сетка нитей подсвечивается электро-
лампочкой через конденсор и полупрозрачную пластину. Переме-
щая фокусирующую линзу, иа сетку трубы проецируют изобра-
жение сетки, нанесенном на зеркальной марке, установленной
на контролируемом объекте. При наклоне зеркальной марки
изображение ее сетки смещается по отношению к сетке зритель-
ной трубы.
Линейная величина смещения определяется при помощи оп-
тических микрометров или непосредственно по концентрическим
окружностям марки.
Фирмой «Keufel and Esser»для обеспечения сборки сверхзву-
ковых самолетов разработан створный прибор МО], аналогичный
Высокоточные створные пзмеренпя
217
Рис. 94. Схема оптической струны ДП-477
но своим характеристикам ППС-11 и прибору фирмы «Тейлор —
Гобсон». При сборке сверхзвуковых самолетов отдельные части
и детали следует установить с точностью порядка 0,025 мм. Оп-
тическая система зрительной трубы вмонтирована в хромирован-
ную цилиндрическую трубу из нержавеющей стали с ошибкой
диаметра не более 0,025 мм. Оптическая ось трубы параллельна
геометрической оси и сохраняет свое положение при изменении
фокусировки от 0,20 м до
Разработан прибор ДП-477 — «Оптическая струна» [62], пред-
назначенная для измерения и графической регистрации отклоне-
ний от прямолинейности на расстояниях от 0,2 до 30 м; ошибка
измерений в угловой мере 0,3". Этот прибор (рпс. 94) можно ис-
пользовать в энергомашиностроении, станкостроении и крупном
машиностроении.
Оптическая струна состоит из двух элементов: светящейся
точечной марки I и визирной трубы II. Марку устанавливают
непосредственно па контролируемую точку. Трубу II устанавли-
вают на исходную точку заданной прямой. Нить лампы 1 проеци-
руется коллектором 2 на диафрагму 3. Марка снабжена пятью
диафрагмами для работы на разных дистанциях. Визирная труба
состоит из сферического мениска 4, обладающего свойствами ак-
сикона, и наблюдательного микроскопа 777, который снабжен
двумя сменными микрообъектпвами ОМ-5, ОМ-27 и двумя окуля-
рами типа АТ-38 с перекрестием и круговыми сетками. Для удоб-
ства работы ход лучей в микроскопе изломан при помощи призмы
8. Изображение диафрагмы 3 марки 7 с тем или иным увеличением,
в зависимости от дистанции, проектируется объективом 4 в пред-
метную плоскость микроскопа 777, микрообъектив 5 которого
переносит изображение в плоскость окулярной сетки 7, где оно
рассматривается через окуляр 6 глазом наблюдателя. Плоскопа-
раллельная пластина 9 является оптическим компенсатором;
наклоны ее позволяют измерять смещения диафрагмы 3 относи-
тельно оптической оси.
218	Высокоточные створные измерения
Процесс измерений прибором заключается в следующем.
Перемещают марку по контролируемым точкам, и, если по-
следние имеют отступления от прямолинейности, точечная диа-
фрагма 3 смещается с оптической оси. Это вызывает смещение изо-
бражения диафрагмы в предметной плоскости микроскопа Ill
и в плоскости окулярной сетки 7. Таким образом, отступления
от прямолинейности в конечном итоге наблюдаются как смещения
изображения точки относительно штриха окулярной сетки. Вра-
щением микрометренного винта, барабан которого имеет цену де-
ления. равную 1 мкм, совмещается изображение диафрагмы со
штрихом сетки и считывается по барабану величина отступления
от прямолинейности в данной точке в микрометрах.
Одна из особенностей зрительной трубы ДИ-477 — отсутствие
ошибок за перефокусировку при условии, что все контролируемые
точки отклоняются от заданной прямой не больше чем на 0,5 мм.
Зрительная труба снабжена специальным устройством для
снятия профилограммы контролируемой поверхности, что очень
важно для доводки больших поверхностей крупных станков и аг-
регатов.
К сожалению, пределы использования этого прибора в инже-
нерно-геодезических работах весьма ограничены, так как конт-
ролируемые точки должны быть предварительно установлены с точ-
ностью 0,5 мм. а применение акснконовых объективов приводит
к необходимости использования очень мощных источников света.
Весьма совершенный комплект аппаратуры — алпииометр для
створных измерений — выпускает народное предприятие «Фрей-
бергер IIрецизионс-механпк» в ГДР. Основными в этом комплекте
аппаратуры являются алиниометр и подвижная визирная марка.
Увеличение ал и и по.метра 67 х; ошибка визирования, по данным
фирмы, 0.18*; наименьшее расстояние до цели 10 м. Центрирова-
ние производится автоматически с точностью 0,1 мм при помощи
шара в соединительной муфте. Горизонтальная установка оси
трубы выполняется при помощи накладного контактного уровня
с ценой деления 10". Концы пузырька уровня совмещаются одно-
временно с наблюдением визирной цели в окуляре трубы.
Нестворность промежуточной точки измеряют путем установки
в створ подвижной марки с микрометром.
Фирмой «Карл Цейсс» специально для проверки направляющих
изготовлен прибор усложненной конструкции «Фюрунгспрюфер»
(ФП). В этом приборе используется зрительная труба, создающая
прямое и полностью обращенное изображение (полный инверт)
благодаря специальной системе призм. Преимущество этой трубы
состоит в том, что она не допускает ошибки за перефокусировку
и, кроме того, позволяет измерять практически от 0 до </>.
Недостаток зрительной трубы ФП в том, что при перемещении
марки постоянным остается линейное, а не угловое увеличение.
Высокоточные створные измерения
219
Поэтому в системе ФП для данной сменной оптики ошибки совме-
щения прн приближении марки к прибору уменьшаются только
за счет некоторого улучшения качества изображения, но не за
счет увеличения видимой величины смещений в простых системах.
В СССР, по предложению В. А. Белицына [30], изготовлен
опытный образец зрительной трубы двойного изображения, сво-
бодный от ошибок за перефокусировку. Испытание этой трубы
[641 было выполнено при контроле направляющих КШПС-500
длиной 175 м, а затем на Цимлянском гидроузле. Ошибка визи-
рования нс зависит от расстояния до объекта и на расстояниях
10—500 м составляет в угловой мере 0,35—0,40*. При улучшен-
ном качестве оптики можно совмещать изображения марки с ошиб-
кой 0,2*.
Волее современный створный прибор, позволяющий исключить
влияние ошибок вследствие неправильного хода фокусирующей
системы, — так называемый оптический створофиксатор [7] с ис-
пользованием оптической трубы Г. В. Дурейко. Этот инструмент
предназначен для фиксации створа с высокой точностью. В при-
боре также использован принцип получения двойного изображе-
ния при помощи инвертпризмы, помещенной перед объективом
зрительной трубы. В этом приборе исключаются ошибки из-за
перефокусировки, отпадает необходимость в применении обычной
сетки нитей и повышается точность визирования на марку. Створ-
ные наблюдения производят по .методу трех точек в такой последо-
вател ьности.
Иа крайней точке створа (первой) устанавливается створофик-
сатор, на двух других (второй и третьей) — специальные марки.
Оси симметрии марок должны совпадать с центрами пунктов. Сред-
няя точка (вторая) устанавливается в створ других. Прибор над
центром первой точки фокусируется и наводится па марку, находя-
щуюся над третьей точкой. Микрометренным винтом точно сов-
мещаются оба изображения марки. Далее, не изменяя положения
трубы, а только ее фокусировку, добиваются четкой видимости
в трубе средней марки. Точное совмещение двух изображений
марки в этом случае достигается перемещением среднего пункта
вместе с маркой. Бели на среднем пункте имеется индикатор, ука-
зывающий величину смещения пункта, то желательно выполнить
несколько введений среднего пункта в створ вместе с маркой и вы-
числить среднее из всех измерений. Установленный на марке
средний отсчет указывает, что марка поставлена в створ. Из этого
следует, что в процессе створных измерений необходимо, чтобы,
во-первых, труба не изменяла своего положения, т. е. створофик-
сатор был устойчивым при приложении к нему усилий, связанных
с наведением, и. во-вторых, чтобы коллимационная плоскость
проходила через центр пункта, па котором установлен створофик-
сатор.
22(1
Высокоточные створные измерения
Рис. 95. Створный прибор фирмы «Карл Цейсс» с подставкой
По результатам исследований средняя квадратическая ошибка
измерения нестворности промежуточных пунктов оптическим ство-
рофиксатором в угловой мере составляет 0,6 < 0,7". Эту ошибку
можно уменьшить примерно в 2 раза, если применить более мощ-
ную зрительную трубу, например, от нивелира МЛ или НБ.
Имеется опыт использования микротелескопа «Тейлор —
Гобсон» и ал мни омет ра «Карл Цейсс» (рис. 95) с небольшими из-
менениями.
Подставка обоих приборов имеет пол у кинематическую ось
с опорой на прецизионные шарики. Для автоматического центри-
рования в геодезическом знаке подставка оснащена цеитрировоч-
ным шариком. Опорные колонки трубы (лагеры) находятся в па-
зах подставки и могут перемещаться перпендикулярно к продоль-
ной оси подставки. Для удобства ввода визирной оси прибора
в цель подставка оснащена поводком, па котором имеются закре-
пительный винт и устройство для микроперемещения трубы по
азимуту. Установка прибора в рабочее положение осуществляется
при помощи двух уровней. Один уровень закреплен параллельно
трубе, а другой (накладной) уровень — перпендикулярно к трубе.
Подставка прибора позволяет контролировать положение геомет-
рической оси трубы, устанавливать трубу в центре по отношению
к оси прибора, центрировать прибор автоматически, осуществлять
плавное наведение на визирную цель.
Створный прибор должен удовлетворять следующему основно-
му условию: визирная ось трубы и ось вращения инструмента
должны лежать в одной отвесной плоскости, проходящей через
центр шарика принудительного центрирования. 11есоблюдение
Высокоточные створные измерения
221
основного условия прежде всего связано со смещением сетки ни-
тей.
Проверяется это условие следующим образом.
В створе двух знаков, находящихся на расстоянии 2—3 м
один от другого, в середине устанавливается промежуточный знак
при помощи струны. Затем определяется положение среднего
знака с двух крайних пунктов. Если уклонение промежуточного
знака в прямом и обратном направлениях имеет один знак, то
сумма этих уклонений составит ошибку за несоблюдение основного
условия. При этом необходимо учитывать, что эта ошибка не сво-
бодна от ошибки за перефокусировку с 2—3 до 1—1,5 м, которую
находят из исследований.
Нестворность промежуточных точек измеряют такими прибо-
рами так же, как и оптическим створофиксатором, методом пря-
мого оптического визирования на марки специальной конструк-
ции, устанавливаемые в конечной точке створа (ориентирная
марка) и последовательно на всех промежуточных точках. Не-
створность определяемых точек наблюдатель измеряет по оптиче-
ским микрометрам, что существенно улучшает точность наведений
по сравнению с измерением по методу подвижной марки.
При использовании марок с постоянным биссектором или
штрихом достигается сравнительно невысокая точность нанесения
визирной цели; они не могут обеспечить выгодных размеров цели
на разные расстояния. Поэтому подвижные и неподвижные марки
снабжают съемными визирными целями, но последние имеют
следующие недостатки: трудно получить идентичность сменных
целей; необходимо иметь определенное количество сменных целей
в зависимости от измеряемых расстояний.
Универсальная марка (рис. 96) отличается от ранее применя-
вшихся марок следующим:
1)	марка имеет раздвижную визирную цель (щель), ширина
которой устанавливается в зависимости от расстояния и от осо-
бенностей глаза наблюдателя;
2)	цель марки подсвечивается через матовый рассеиватель;
3)	марка имеет визир, не допускающий ошибки за угловой по-
ворот плоскости марки к визирному лучу;
4)	марка высокоточная и универсальная, так как в вей изме-
няется размер цели, и она может перемещаться вправо и влево
от створа (по отношению к оси вращения марки).
Марка рассчитана для работы на расстоянии до 80 м; ее осо-
бенность состоит в том, что она может плавно изменять ширину
щели от нуля до 5,0 мм, что делает ее универсальной для разных
расстоянии. Конструктивно марка состоит из раздвижных што-
рок 2, образующих визирную цель в виде святящейся вертикаль-
ной полоски. Размер визирной цели регулируется посредством
Двух кулачков 4 микрометрепяым винтом 3. Марка устанавливается
222
Высокоточные створные измерения
Рис. 96. Универсальная щелевая марка
в специальной подставке 5, снабженной подъемными винтами
и цилиндрическим уровнем 1. Центрирование марки на знаке
с точностью 10—15 мкм осуществляется при помощи посадочного
шарика 6 диаметром 25,4 мм, закрепленного на подставке марки
соосно с ее вертикальной осью вращения. С тыльной стороны щель
закрывается матовым стеклом или зеленым светофильтром.
Марка должна удовлетворять следующим условиям: а) геомет-
рическая ось симметрии визирной цели должна быть вертикальной
Высокоточные створные измерен и я
223
и совпадать с осью вращения
марки; 6) центрнровочный ша-
рик должен быть соосен с верти-
кальной осью вращения марки.
Первое условие проверяют
створным прибором с близкого
расстояния (1—2 м). Для этого
берут две серии отсчетов при
двух положениях визирной
цели (между сериями визирная
цель поворачивается на 180?
вокруг оси вращения марки).
Разность отсчетов соответствует
двойному значению эксцентри-
ситета оси визирной цели.
Если величина эксцентриситета
превосходит 10 мкм, юстировку
производят мнкрометрепным
винтом перемещением верхнего
блока марки в целом.
Второе условие проверяют
так же, как и первое, только
поворот на 180е осуществляется Рпс> 97, в,13прная марка с осевой
-	системой
подставкой щелевой марки..
Юстировка шарика произво-
дится путем его перемещения. По опыту работ марка может
быть отъюстирована с ошибкой 10 мкм.
Марка с биссектором (рис. 97) имеет аналогичную конструкцию
подставки (см. рис. 96), но верхняя часть существенно изменена.
Визирная цель в виде постоянного биссектора установлена в спе-
циальном держателе, имеющем юстировочные винты, цилиндри-
ческий уровень и визир. Визирная цель выполнена на оргстекле
толщиной 3—4 мм и рассчитана на определенные расстояния.
Комплект таких марок с разными биссекторами применяется на
створах длиной 0,1—2 км. При вертикальном положении напра-
вляющих втулки геодезических знаков применяются также марки
с посадочным вкладышем.
Инструментальные ошибки створного прибора могут возникать
из-за неправильного хода фокусирующего линзового компонента
и несоблюдения взаимного расположения основных осей.
При створных измерениях о постоянной ошибке рефракции
в закрытых помещениях приближенно можно судить, пользуясь
формулой 11081
Д„-0,12(ДГ)„ори/Л
(129)
где (ДГ)норм — боковой градиент температуры; L — расстояние
от створного прибора до щелевой марки.
224	Высокоточные створные измерения
Величина нормальной составляющей температурного градиента
в золе между щелевой маркой и створным прибором (в помещениях
цехового типа) в большей мере определяется разностью темпера-
туры между оборудованием и окружающим воздухом.
Из формулы (129) следует, что влияние постоянной ошибки
створных измерений из-за боковой рефракции в воздухе становится
особо ощутимым на больших створах. Если считать, что из общего
допуска на точность створных измерений ошибка, вызываемая
влиянием боковой рефракции, будет составлять не более 30 мкм,
то допустимый градиент температуры (ДЛюрм) ~ 0,025 °С/м.
С такой точностью необходимо выдержать плп определить
Г,10ры. т- с» высокоточные створные измерения микротелескопи-
ческими трубами и алиниометрами должны быть обеспечены спе-
циальными электронными градиентоморами или другими прибо-
рами для определения состояния внешних условий.
Угловая ошибка визирования /п" определяется разрешающей
способностью зрительной трубы, которая в основном зависит от
увеличения, а также от формы сетки нитей и размеров видимого
изображения визирной цели.
Прн створных измерениях оптическими методами расстояние
от створпого прибора до визирной марки меняется в широких
пределах, следовательно, меняется и соотношение видимой ши-
римы визирной цели и биссектора. Постоянства ошибки визиро-
вания в угловой мере независимо от расстояния до наблюдаемой
точки можно добиться прн наличии визирной марки с регулируемой
шириной визирной цели.
По исследованиям Ц22] определено, что наплучшая точность
биссектировапия достигается при ширине видимого изображения
визирной цели, равной х/3—х/< ширины биссектора. Для разных
расстояний, изменяя ширину визирной цели, можно добиться этого
наилучшего случая биссектироваипя.
На расстоянии 100 м для алиниометра «Карл Цейсс» с увели-
чением трубы в v — 30х оптимальная ширина визирной цели
составляет 4,5 4- 5,0 мм. Следовательно, использование описан-
ной марки возможно лишь на расстояниях до 100 м. В этих пре-
делах, регулируя ширину щели, можно достигнуть наибольшей
точности визирования, близкой к рассчитанной ио формуле
Линейная величина ошибки визирования увеличивается про-
порционально увеличению расстояния. Вопрос состоит в том,
в какой мере точность визирования при применении регулируемой
цели будет выше, чем при наблюдении марки с постоянной
целью.
Высокоточные створные измерения
225
Из материалов исследований следует, что наибольшая точность
визирования достигается при ширине визирной цели, рассчитан-
ной по эмпирической формуле
rfMM = 0,07S(M.
В результате анализа большого числа оиределений ошибок
визирования створным прибором на визирную марку с оптималь-
ной шириной цели выведена эмпирическая формула для вычисле-
ния ожидаемой средней квадратической ошибки визирования
в линейной мере
лгв = (0,010 + 9* 10~eS?1M)) мм.
Для повышения точности рекомендуется применение различ-
ных программ створных измерений, деление створа на части
и сокращение длины визирного луча до определяемого пункта.
Использование короткого визирного луча длиной от 5 до 25 м
нашло отражение в ряде сложных программ створных измерений
я получило широкое применение при высокоточных створных
измерениях па таких инженерных сооружениях, как современные
ускорители, крупные гидроузлы и т. п.
Для створных измерений рекомендуется считать основными
следующие программы [231
1)	непосредственного измерения от общего створа (рис. 98, а);
2)	частей створа (полустворов, четвертей створа и т. п.),
см. рис. 98, б;
3)	равных частей створа (рис. 98, в);
4)	последовательных створов (рис. 98, г).
В. А. Гореловым и X. К. Ямбаевым выполнены эксперимен-
тальные и теоретические исследования указанных программ
створных измерений с целью выбора оптимальной.
Программу общего створа можно реализовать следующими
вариантами
1) последовательно определить нествориость всех промежу-
точных точек с одной постановки створного прибора;
2) определить нествориость промежуточных пунктов, начиная
с середины на себя; затем, меняя местами створный прибор и ори-
ентирную визирную цель, также определить уклонения точек,
расположенных во второй части створа; для контроля среднюю
точку определяют дважды с обоих концов створа.
Во втором варианте среднюю точку определяют с такой же
точностью, как и в первом варианте. Нествориость промежуточ-
ных точек второй части створа получается с более высокой точ-
ностью, чем в первом. Однако второй вариант имеет существенный
недостаток: из-за отсутствия обратного хода в нем не исключаются
систематические ошибки (инструментальные, личные и т. п.).
15 Заказ 437
226
Высокоточные створные измерения
Рис. 98. Геометрическая схема основных программ створных
измерений
В программе частей створа весь створ разбивается на несколько
частей. Рассмотрим, например, случай, когда створ разделен
на четыре части (подпрограмма четвертей створов). Вначале опре-
деляют положение средней точки 2 относительно общего створа
А — В, Затем относительно створов А— 2 и 2—В находят уклоне-
ния точек 1—3, расположенных соответственно примерно посере-
дине створов А—2 и 2—В, и в каждой части измеряют уклонения
всех остальных точек от створов А—1, 1—2, 2—3, 3—В.
С наибольшей ошибкой в методе частей створа определяют
среднюю точку. Под влиянием этой ошибки в значительной мере
понижается точность близко расположенных к ней точек.
В программе равных частей створа общий створ А—В разби-
вают на равные части и в створе А —2 определяют уклонение точки
1, затем инструмент переносят в точку 7 и в створе 1—3 опреде-
ляют точку 2 и т. д. до конца створа.
Высокоточные створные измерения
227
Преимущества программы равных частей створа, несмотря
на относительно небольшую точность определения нестворностей
промежуточных точек:
1)	возможность выполнения измерений даже при неблаго-
приятных внешних условиях, когда удовлетворительно просмат-
ривается лишь несколько точек створа;
2)	с большой степенью точности определяется взаимное поло-
жение смежных пунктов, что наиболее важно;
3)	практически полностью исключаются ошибки за перефоку-
сировку в среднем результате из прямого и обратного ходов.
Сущность программы последовательных створов заключается
в следующем.
Уклонение пункта 1 определяют относительно створа А — В.
Затем створный прибор переносят в точку 1 и относительно створа
1 — В определяют уклонение точки 2. Инструмент переносят
в точку 2 и относительно створа 2—В определяют уклонение точки
3 и т. д. Измерения производят в прямом и обратном направле-
ниях.
Обозначим измеренные уклонения через А,, приведенные
к общему створу — Тогда для хода в одном направлении для
схем, показанных на рис. 98, а —98, г (при условии, что створ АВ
разделен на четыре равные части), имеем соответственно
а)	== Л/, ба = А», 63 — А3;
б)	в, = 1 (24,4-4,), 62 = Д2, б3 =±(Д24-2Д3);
в)	б1 = 1(ЗД14-2Д!+Д3), 6, = ±(24,4-44,4-24»),
£t	—
6, “у (4,4-24,4-ЗА,);
г)	61 = 41, 62 = -1-(2Д)4-ЗД2), б3 = -1-(2414-ЗДг4-643).
Примем ошибку непосредственно измеренного уклонения
промежуточных точек от створа длиной L постоянной в угловой
мере и зависящей в первом.приближении только от ошибки визи-
рования так как ошибки принудительного центрирования
прибора и марок малы (тц — 10 мкм) и на конечный результат
расчета практически не влияют. В этом случае тсп в линейной
мере примет вид
Si /г-
™ств =*--------->
где — расстояние до непосредственно определяемой проме-
жуточной точки.
15*
228	Высокоточные створные измерения
Исследования, проведенные микротелескопом фирмы «Тей-
лор — Гобсон» и алиниометром фирмы «Карл Цейсс» на открытом
воздухе и в закрытых помещениях, показали, что при благоприят-
ных внешних условиях средняя квадратическая ошибка визиро-
вания колеблется от 0,25 до 0,4* (диапазон расстояний при этом
составлял 24 4- 360 м, увеличение зрительных труб 30х).
Для створа длиной L = 96 м и — 0,4* в табл. 13 приве-
дены значения средних квадратических ошибок значений нествор-
постей. полученные как среднее из прямого и обратного ходов.
Таблица 13-
.V» определя- емых точек	Схема рис. 98. а в мкм	Схема рис. 98, б в мкм	Схема рис. 98, в п мкм	Схема рис. 98, » в мкм
1	«3	52	88	50
2	93	93	114	56
3	63	S2	88	50
Наиболее точные результаты получены для схемы рис. 98, г
когда измерения выполняют по программе последовательных
створов.
Рассмотрим некоторые особенности программы последователь-
ных створов и равных частей створа.
Программа последовательных створов
Уклонения приводят к общему створу по формулам:
k-i
для прямого хода 6/ =	п-1 + 1	(130)
ft-i
Л-Л-/+1
для обратного хода 67=	7=Ьтд‘-	<131>
л-1
к — номер измеренного уклонения от последовательного створа;
— измеренные уклонения от последовательных створов.
Приняв точность измеренных уклонений точек от последова-
тельных створов одинаковой, получим выражения средних квад-
ратических ошибок:
для прямого хода тп6' = для обратного хода тп6~	Л-1 Лг-н-/*1 Л- 1
Высокоточные створные намерения
229
Таблица 14
Длина створа	Число промежутков q	Шд В МКМ	™б(ср) в мкм
384		264	224
384	8	132	146
384	16	66	97
для среднего результата из прямого и обратного ходов
(ср)
тл'~^гпля
6i
Здесь п — число неизвестных, равное числу определяемых
пунктов; I — номер неизвестного уклонения от общего створа;
пгд — ошибка измеренного уклонения от каждого последователь-
ного створа.
Ошибки среднего результата, полученные в середине хода
относительно общего створа, при числе равных промежутков
ц “ 4, 8, 16 п L — 384 м приведены в табл. 14.
Из табл. 14 следует, что при увеличении числа промежутков
вдвое точность определения точки в середине створа повышается
в 1,54 раза, а при увеличении числа промежутков в 4 раза —
в 2,32 раза. Следовательно, для повышения точности определения
нестворностп промежуточных точек по программе последователь-
ных створов необходимо стремиться к уменьшению длины визир-
ного луча независимо от расстояния между конечными пунктами
общего створа.
Теоретически длину шага можно уменьшать до тех пор, пока
ле начнут сказываться систематические инструментальные ошибки,
ошибки центрирования прибора и марок и пока их влияние
мало по сравнению с ошибкой визирования.
Установим еще одну важную особенность программы последо-
вательных створов.
Расчеты показывают, что чем длиннее створ, тем выгоднее
применять эту программу при сохранении одной и той же длины
шага. Если увеличить длину створа L = 96 м в два раза, а шаг
оставить прежний (24 м), то точность средней точки определится
лишь в 1,3 раза грубее, а если длину створа увеличить в 4 раза,
точность понизится в 1,8 раза.
Изменение точности определения средней точки створа при
увеличении длины последнего и сохранении одного и того же шага
(24 м) можно проследить по данным табл. 15.
230
Высокоточные створные измерения
Таблица 15
Длина стнора L в м
• 2	96	120	144	108	192	216	336		384
Средняя квадратическая ошибка средней точки створа в мкм
49	56	59	64	68	72	76	92	94	97
Отсюда можно сделать следующий важный практический вы-
вод: чем больше длина створа и меньше шаг, тем эффективнее
применять программу последовательных створов.
П р о г р ам м а равных чаете й
Для программы равных частей створа (см. рис. 98, в) разобьем
створ длиной L на п 4- 1 равных частей (п — число определяемых
пунктов) и определим уклонения от частных створов
«< = Л(Д1. Дг. Дз.Дп).
Формулу для приведения измеренных уклонений к общему
створу можно получить из решения уравнений
62— 0,56! — 0,563 = Д2
58- 0,562 - 0,564 = Д3
(132)
6, — 0,55,.! — 0,56f+1 — Д, j
Решение системы (132) в общем виде можно представить форму-
лой
AJk(n_A+i)A+2A»('«-* + iH
Л-1	Л-1
(133)
где п — число определяемых пунктов; i — номер неизвестного
уклонения от общего створа; к — номер свободного члена, т. е.
измеренного уклонения от частного створа {к  1, 2, 3. . .	п)\
Д* — измеренные уклонения от равных частей створа.
Рассмотрим тот же створ длиной 384 м, разделенный на 4,
8 и 16 равных частей. По формуле (133) положение средней точки
створа определится из выражений:
б;.х-4(2Л1^4Л>
6J. х=4 (4д; -г в;, - 12д; + 1б'д, 12д;+ед;+щу.
Высокоточные створные измерения
231
бс."х = Y (8ДГ 4- 16ДГ -- 24ДГ' + 32ДГ + W + 48ДГ+ 56Д;'' +
4" 64Ag 5GAg ... -f-8Aig).
Считая среднюю квадратическую ошибку определения укло-
нений от равных частей створа одинаковой, после несложных
преобразований для хода в одном направлении получаем
mi. х « 4" И 24 т'ь,
ni"c. х = 4~ 1^704 тд,
me. х — ~ V 21180 тд'.
О
Результаты расчета для средней точки прямого и обратного хо-
дов при различном количестве частей створа приведены в табл. 16.
Из табл. 16 следует, что при одной и той же длине створа
ошибка определения средней точки меньше, когда створ разбит
на меньшее число частей.
Следует обратить внимание на значительные расхождения
конечных результатов, полученных по программам последователь-
ных створов и равных частей створа. Известно, что по программе
частей створа любое приведенное уклонение к общему створу
является функцией всех измеренных величии, т. е.
6(=/(A„ Д2, Д„ . .. Д().
Такая зависимость служит основным препятствием к повыше-
нию точности. Чтобы в определенной степени ослабить подобную
зависимость, можно измерить уклонения от общего створа первой
и последней промежуточных точек.
Эти два избыточных измерения позволяют подсчитывать угло-
вую /р и координатную /б невязки. После уравнивания конечные
результаты оказываются ближе к уклонениям, полученным по
программе последовательных створов.
Таблица 16
Длина створа L в м	Количество частей п4-1	Средняя квадрати- ческая ошибка частей шд в мкм	Средняя квадратическая ошибка тпс х наиболее удаленной точки в мкм
384	4	264	440
384	8	132	630
384	16	66	865
232
Высокоточные створные измерения
Из анализа программы последовательных створов и равных
частей створа следует, что в определенных условиях целесообразно
применять программу измерений, выгодно сочетающую преиму-
щества обоих этих способов. Ниже предлагается такая программа
оптического метода створения.
Для программы последовательных створов по частям рассчи-
таем точность измерений, когда ориентирование производится
не на всю длину, а па 2/3 L (при ориентировании на 1/2Х. 2/Б£,
V4 L приведем соответственно только конечные результаты расче-
тов). Пусть створ АВ длиной L разбит па три части с основными
пунктами I и II и промежуточными 7, 2, 5, . . .. 12.
Сущность предлагаемого способа заключается в следующем:
в створе А—II определяется точка 7, затем в створе I—II — точ-
ка 2 и т. д., и, наконец, в створе 4—II — точка I. Затем в створе
1—В определяется точка 5, в створе 5^В — точка 6 и т. д. все
точки (7—72).
Приведение основных точек I н II соответственно к створам
А—II и I—В выполняется по формулам (130), (131). В этом слу-
чае имеем
__ Г /	[	Л‘2 I ^3 I ^4 1
+—+—+—+—}
.	•	। (13 4)
_ с 7 л । Л? 1 Де . Ац \
Ти-5(-9- + -8" + — + — + —) (
Уклонения этих точек от общего створа вычисляют по формуле
(133). При п -- 2 имеем
6i = -^(2ti— тп),
О
би + 2гц).
О
Подставляя вместо тд и Хп их значения из формулы (134)
и считая точность измерения от каждого последовательного
створа одинаковой, после некоторых вычислений получаем
/Пд ।	2,53л1д»
При т± — 66 мкм получим
7Пд^ = 7Пдп — 167 МКМ.
Средняя квадратическая ошибка среднего значения нествор-
пости б/ из прямого и обратного ходов
(ер) = т‘П (ер) = 118 МКМ-
Высокоточные створные измерении
233
Таблица 17
Длина створа L в м	Средняя квадра тическая ошибка при методе по- следовательны X створов с визи- рованием на ко- нечную точку в мкм	Части П+-1	Средняя квадра- тическая ошибка при методе по- следовательны X створов по частям в мкм	Метод непосредст- венного измерения от общего створа в мкм	Основная точка 01 стоит ОТ КОННОВ створа в м
Створ Лг 1
	94	3	113	295
360	94	5	208	329
		Ст	вор .V 2	
:«4	97	4	178	374
384	97	8	371	374
Сравнительная характеристика точности программ последова-
тельных створов по частям и с ориентированием на конечную точку
створа, а также с программой общего створа приведена в табл. 17.
На основании приведенных расчетов и анализа (без учета
ошибок, возникающих за перефокусировку прибора и внешних
условий) можно сделать следующие выводы
1.	Наиболее точная программа створных измерений — это
программа последовательных створов коротким визирным лучом
с ориентированием на конечную точку.
2.	Если створ разбит на части, то оптимальной считается такая
программа, когда в створе минимальное количество частей (три),
а все основные и промежуточные точки определяются по про-
грамме последовательных створов коротким визирным лучом
с ориентированием зрительной трубы на 2/3 L.
3.	Программа последовательных створов с ориентированием
на конечную точку позволяет существенно повысить точность опре-
деления нестворности промежуточных точек.
2. Коллиматорный и автоколлимационный способы
створных измерений
Эти способы наиболее эффективны при выверке направля-
ющих большого протяжения н установке оборудования непосред-
ственно по базовым точкам пли рабочим апертурам.
234
Высокоточные створные измерения
При коллиматорном способе основными приборами для створ-
ных измерений являются: зрительная труба с окулярным или
оптическим микрометром, установленная на одной из исходных
точек; коллиматор, передвигаемый вдоль выверяемой линии или
устанавливаемый на промежуточные пункты створа, и коллиматор
в противоположном конце створа для ориентирования трубы.
Коллиматор дает параллельный пучок лучей, и его освещаемая
сетка изображается в фокальной плоскости зрительной трубы.
Всякое боковое отклонение оси коллиматора от линии визирова-
ния вызывает смещение изображения его сетки относительно сетки
нитей зрительной трубы, которое измеряется окулярным или оп-
тическим микрометром.
Точность способа в основном зависит от точности измерения
угла или линейного смещения изображения сетки коллиматора
окулярным или оптическим микрометром. Так, при ошибке изме-
рения углаО, равной 1", и длине базы 1 м можно установить точки
контактирования параллельно линии створа с ошибкой 5 мкм.
Основные случайные ошибки коллиматорного метода: 1) сов-
мещения изображения сетки нитей коллиматора с визирной осью
зрительной трубы; 2) отсчета; 3) контакта между промежуточным
коллиматором и базовыми точками контролируемого оборудова-
ния; 4) случайных азимутальных разворотов зрительной трубы
или коллиматора; 5) влияния рефракции.
Средняя квадратическая ошибка 1108] взаимной установки
двух близкорасположенных точек параллельно линии створа
коллиматорным методом может быть определена по формуле
М =2,5j/L'b мкм,
где L — длина створа в метрах; Ь — длина базы промежуточного
коллиматора в метрах.
При L — 20 м, b = 1 м М = 13 мкм.
Эксплуатационная трудность при створении коллиматорным
методом — необходимость большого количества сменных объек-
тивов для визирования перекрестия передвижного коллиматора.
При больших удалениях передвижного коллиматора от зри-
тельной трубы ухудшаются условия наблюдений и увеличивается
ошибка измерения угла отклонения 0. По опыту применения 165]
коллиматорного метода при плановой выверке направляющих
путей большого протяжения (длиной до 400 м) средняя квадрати-
ческая ошибка измерения угла отклонения 0 одним приемом соста-
вляет 0,5	0,8".
При автоколлимациопном способе, в отличие от остальных
оптических способов, используется зеркальная марка, устанавли-
ваемая во втулку промежуточного знака или в направляющую,
Высокоточные створные намерения
235
которая определяет положение монтируемого оборудования от-
носительно главной оси. По сравнению с другими методами авто-
коллимационный обладает более высокой точностью, так как на-
клон зеркала на некоторый угол вызывает отклонение отраженного
луча на удвоенный угол. Ошибка современных автоколлиматоров
составляет 1—2* 168, 1181.
Методика установки оборудования описываемым способом
сводится к следующему.
После того как монтажная ось восстановлена при помощи
трубы автоколлиматора и марки, монтируемая деталь по автокол-
лимационному способу устанавливается параллельно главной оси.
Одновременно с автокод л имационной установкой совмещается
геометрическая ось монтируемой детали с визирной осью. Зеркаль-
ная марка в этом случае используется как обычная визирная
марка, причем автоколлимационная приставка не снимается с те-
лескопа.
Когда телескоп сфокусирован для автоколлимационного на-
блюдения, в этот момент кольцевой рисунок зеркальной марки
не просматривается. Когда же телескоп сфокусирован на рисунок
зеркальной марки, то автоколлимационная приставка не мешает
работе.
Такой возможностью обладают зрительные трубы для контроля
прямолинейности ППС-11, ППС-12, «Тейлор — Гобсон» и некото-
рые другие.
Ошибка измерения угловых отклонений для автоколлиматора
прибора ППС-11 тем больше [68], чем больше расстояние да
плоскости зеркала, и составляет для расстояний от 0,3 до 7,5 м
соответственно от 0,1 до 0,5*.
Фирмой «Keufel and Esser» создан электронный автоколлима-
тор [40]. Управляющее устройство автоматически при помощи
сервомотора выставляет зеркало в перпендикулярное положение.
Устройство используется для ориентирования ракет.
Автоколлимационному способу створных измерений присущи
все источники ошибок, относящиеся к микротелескопнческому
способу. Однако, если при установке оборудования в основном
требуется точность ориентирования базовой апертуры отдельных
элементов строго параллельно или нормально к монтажной оси,
то преимущества автоколлимационного способа по сравнению
с другими весьма существенны.
Для проверки прямолинейности длинных направляющих при-
меняют автоколлиматоры с пентапризмами, позволяющие устана-
вливать изделия вертикально под прямым углом.
При создании опорных геодезических створов с дискретным
расположением промежуточных пунктов коллиматорный и авто-
коллимационный способы проверки прямолинейности и соосности
малопригодны. Поэтому при создании опорных геодезических
236
Высокоточные створные измерения
створов более широкое применение находят способы, позволяющие
измерить абсолютные значения пестворностей промежуточных
точек. Таковыми являются струнно-оптические способы, оптиче-
ский способ прямого визирования, а также способы, основанные
на использовании лазерных источников света.
§ 23. Дифракционный способ створных
измерений
1. Основы метода
В дифракционном способе створных измерений используется
схема классического опыта Т. Юнга (рис. 99) дифракции света
от двух щелей.
Пучок света после прохождения щелей двухщелевой марки
отклоняется в область геометрической тени так, что крайние его
лучи составляют с прямыми d'2Co и d^C'Q углы <р2 и ср2. Лучки
света, идущие от щелей d2 u пРи соответствующем подборе
ширины щелей и расстояния между ними t перекрываются. Так
как оба пучка когерентны, то возникает интерференционная кар-
тина в плоскости экрана Э. Интерференционная картина с поло-
сами одинаковой ширины получается, если экран с двойной щелью
освещается параллельным пучком света. В рассматриваемом ком-
плекте аппаратуры осветитель с длиннофокусным объективом
формирует несколько расходящийся пучок света. Но ввиду того
что расстояние между щелями марки на контролируемой точке
мало по сравнению с расстоянием от осветителя до этой марки
непараллельность мала и не приводит к сколько-нибудь заметным
изменениям интерференционной картины.
э
Рнс. 99. Принципиальная схема дифракционного способа створ них изме-
рений
Высокоточные створные намерения
237
Такая схема создает интерференционную картину на доста-
точно большом расстоянии S2, причем в любой точке между двух-
щелевым экраном и биссектором (кроме небольшой области гео-
метрической тени от марки ЛГ2 до точки (?) будет наблюдаться ин-
терференционная картина с ярко выраженной осью симметрии.
Для излучения ламп накаливания (для белого света) центральная
полоса интерференционной картины ахроматичная (белая). Если
экран с двумя щелями установлен так, чтобы биссектор приемника
света находился по оси центральной белой полосы, все три точки
находятся на одной прямой. При больших расстояниях 52 ширина
полос дифракционной картины становится значительной и сле-
дует совмещать биссектор приемника света с линией перехода
в цветной полосе от красновато-пурпурного до голубовато-пурпур-
ного. Далее вводится поправка для приведения измерений к оси
интерференционной картины с учетом ширины интерференционных
полос.
Ширина d2 каждой из сдвоенных щелей определяется из усло-
вия резкой видимости интерференционных полос
где % — длина световой волны; и — апертурный угол интерферен-
ции между крайними лучами.
Так как
tgu = -~.
где t — расстояние между центрами сдвоенных щелей, то
2t
При = 25 м, t = 6 мм, X = 0,0005 мм будем иметь d
1,04 мм.
Из опыта работ установлено, что размер щели однощелевого
экрана следует выбирать в зависимости от размера щелей двух-
щелевой марки и должен быть примерно в 2 раза меньше.
Если ось симметрии двойной щели находится в створе линии
<?ХВО, то в точке Во разность хода лучей 6 равна нулю (рис. 100, а),
т. е.
6 = (djd2 d2B$)— (did^ — d2BQ) = 0.
В точке 2?х, находящейся на расстоянии / от центра интерферен-
ционной картины, разность хода может быть выражена формулой
б = d^Bi — d2Bt
(d2gi)g-(d»Bi)2
238
Высокоточные створные измерения
Так как расстояния t и I малы по сравнению с то можно
принять, что + d\Bx — 2S^ тогда
252
После несложных преобразований получим
6 = 4'	(135).
Из формулы (135) следует, что разность хода интерфериру-
ющих лучен прямо пропорциональна смещению I от линии dxBQ^
поэтому интерференционные полосы будут равноотстоящими одна
от другой. Светлые полосы соответствуют значениям 6 — N*X,
а темные — значениям 6 = (TV + 1/2) X, где 7V — целое число.
В центре поля интерференции на линии dtBo получается полоса
нулевого порядка для всех длин волн. При монохроматическом
Высокоточные створные измерения
239
источнике снега полосы различных порядков ничем не отличаются
одна от другой (цвет и ширина полос одинаковы), поэтому для
монохроматического источника света важно знать полное число
интерференционных полос с целью определения оси симметрии
интерференционной картины.
Из формулы (135) следует, что ширина одной полосы пропор-
циональна разности хода лучей б — Л и определяется равенством
Важным обстоятельством для использования дифракции в
в створных измерениях является то, что интерференционная кар-
тина формируется всегда симметрично относительно прямой,
проходящей через центр одиночной щели и ось симметрии двух-
щелевой марки. Если экран двухщелевой марки переместить па
некоторую величину перпендикулярно к створу, то па соответ-
ствующую величину изменится разность хода лучей б (рис. 100, б).
Смещение двухщелевой марки па величину у вызывает сдвиг осп
симметрии интерференционной картины на величину у'.
Разность хода между лучами dl{dK2) В2 п d1d"2B1 составит
величину
6 = 61 + 62=‘<1'(^±^.	(136)
151^2
где
02
Из выражения (136) можно определить
’-«гйм-	<’37>
Из равенства (137) метода. Так как	можно оценить ошибку дифракционного g t (5X + 5S)
следовательно,	m* = 73Sr-	(138>
Известно [57), что разность хода лучей может быть оценена
не грубее 0,1 X.
Формула (138) позволяет выбрать расстояние между щелями
в зависимости от ошибки измерений. Из этой формулы следует, что
240
Высокоточные створные измерения
ошибка дифракционного метода пропорциональна отношению меж-
ду расстояниями и 5а и обратно пропорцнональна расстоянию
между щелями t и общей длине створа L =	+ 52.
2. Дифракционный створофиксатор
Аппаратура дифракционного способа створных измерений со-
стоит из осветителя, однощелевой марки, подвижной двух- или
трехщелевой марки и приемника света [7, 123].
Осветитель предназначен для создания интенсивного, напра-
вленного параллельного пучка света. Труба осветителя длинно-
фокусная; на выдвижной окулярной части трубы в кожухе поме-
щается источник света, перемещаемый вдоль трубы кремальерой.
На основании имеются крепежные винты, подъемный винт, винты
для крепления трубы, винт для смещения трубы перпендикулярно
к створу и винт для азимутального поворота трубы.
Однощелевая марка предназначена для получения достаточно
узкой полосы когерентного света и совмещения этой полосы с цент-
ром опорного створного пункта. Марка состоит из вкладыша,
основания с юстировочными винтами и непрозрачного экрана
с щелью.
Двухщелевая марка предназначена для измерения уклонений
промежуточных пунктов от створа. Марка состоит из вкладыша
и основания, в котором скользит ползунок. Перемещение ползунка
осуществляется винтом. Величина перемещения ползунка опре-
деляется индикатором. Экран с двумя щелями крепится к ползунку
посредством винтов. Юстировка экрана осуществляется юстиро-
вочными винтами.
Приемник света предназначен для регистрации интерферен-
ционной картины и совмещения этой картины с сеткой нитей при-
емника света.
При створных измерениях ось симметрии интерференционной
картины совмещается с осью биссектора приемника света переме-
щением двухщелевой марки.
Основные технические данные комплекта
1.	Диаметр центрировочного вкладыша . .	25,4—0,005 мм
2.	Ширина щели однощелевой марки (набор) 0,2ч-1,0 мм
3.	Ширина п расстояние между щелями
подвижной двухщелевой марки .... В зависимости
от длины створов
4.	Высота щелей........................ 30 мм
5-	Диапазон перемещения двухщелевой
марки................................... 10 мм
6.	Цена деления индикатора двухщелевой
марки................................... 10 мкм
7.	Напряжение электропитания................ 6	или 12 В
8.	Тип лампы ............................ К-27	или <Стоп»
9.	Масса............................... 10 кг
Высокоточные створные измерения
241
Перед измерениями необходимо выполнить поверку и юсти-
ровку аппаратуры.
Для однощелевой марки на рабочем столике универсального
измерительного микроскопа УИМ-21 определяется совпадение
вертикальной оси щели с осью центрировочного вкладыша марки
с ошибкой 10 мкм.
Для двухщелевой марки определяются следующие основные
геометрические условия; щели марки должны быть одинаковы по
ширине, параллельны одна другой и вертикальны; положение
оси симметрии щелей относительно оси втулки определяется местом
нуля марки.
Место нуля — это отсчет по индикатору подвижной двухщеле-
вой марки, соответствующий положению, когда ось симметрии
щелей совпадает с продолженной осью центрировочного вкладыша.
Место нуля двухщелевой марки можно определить па универсаль-
ном измерительном микроскопе типа УИМ-21.
Для приемника света на УИМ-21 определяется совпадение оси
биссектора сетки нитей с осью центрировочного вкладыша.
Описанные поверки возможны также в производственных усло-
виях непосредственно на створе, например, при помощи теодолита
3. Определение оптимальных параметров
двухщелевой марки
Чувствительность метода в значительной степени зависит от
расстояния между щелями, от их ширины и соотношения между
расстояниями и «S2. При увеличении расстояния £2 ширина
центральной светлой полосы увеличивается при постоянном рас-
стоянии между щелями. Важное условие — правильный выбор
параметров двухщелевой марки. Ширина каждой из сдвоенных
щелей рассчитывается из условий резкой видимости интерферен-
ционных полос. В табл. 18 приведены размеры щелей для длины
волны света Л = 0,0 мкм и расстояний от 1 до 50 м по определен-
ным значениям t.
Из табл. 18 следует, что одному и тому же расстоянию 5а
могут соответствовать разные соотношения d2 н t. Оптимальный
выбор их может быть осуществлен из условия наилучшего наведе-
ния биссектором приемника света на ось центральной полосы ин-
терференционной картины.
При створных измерениях необходимо использовать одну и ту
же двухщелевую марку для ряда пунктов, расположенных на од-
ном створе, так как часто менять экраны нецелесообразно. Есте-
ственно, что при этом изменяется ширина интерференционных по-
лос, но наличие тройного биссектора облегчает процесс изме-
рения.
16 Заказ 437
Таблица 18
	Расстояние St в м													
t в мм	1	2	3	4	5	10	15	20	25	30	35	40	45	50
	Ширина щели в мм													
2	0,15	0,30	0,45	0,60	0,75										
3	0,10	0,20	0,30	0.40	0,50	1,00								
4	0,08	0,15	0,22	0,30	0,38	0,75	0,75	1.12	—	—	—	—	—	—
5	0,06	0,12	0,18	0,24	0,30	0,30	0,60	0,90	1,20	—	—	—	—-	—
6	0,05	ОДО	0,15	0,20	0,25	0.50	0,75	0.75	1,00	1,25	—	—	—	—
7	0,04	0,09	0,13	0,17	0,22	0.43	0,64	0,86	1,07	1,29	—	—	—	—
8	0,04	0,08	0,11	0,15	0,19	0,38	0,57	0.76	0,95	1,14	1,33	—	—	—
9	0,03	0,07	0.10	0,13	0,16	0,33	0,49	0,66	0,82	0,99	1,16	1,32	—	—
10	0,03	0,06	0,09	0.12	0,15	0.30	0.45	0.60	0,75	0,90	1,05	1,20	1,35	—
11	0,03	0,05	0.08	о.и	0,14	0,27	0.41	0,54	0,68	0,81	0,94	1,08	1.22	1.35
12	0,02	0,05	0,08	0,10	0,13	0,25	0,38	0,50	0,62	0,75	0,88	1,00	1,12	1.25
13	0,02	0,05	0,07	0.09	0,12	0,23	0,34	0,46	0,57	0,69	0,80	0,92	1,04	1,15
14	0,02	0,04	0,06	0,08	0,11	0,21	0,32	0,42	0.52	0,63	0,74	0,84	0,94	1,05
15	0,02	0,04	0.06	0,08	0,10	0.20	0,30	0,40	0,50	0,60	0,70	0,80	0,90	1,00
Высокоточные створные измерения
243
Для нахождения угловой ширины любой полосы картины вос-
пользуемся известной формулой
X
Ч> = г-2Г-
Для первого п второго минимумов имеем соответственно
11 “ - 2(d2 + 0 •	2(d2+0 •
Тогда
X	ЗХ
fl- 2(d2 + 0 ’ ф’ 2(d2 + «) •
Образуем разность Дф — фа — <рп которая и будет угловым
размером любой полосы для двухщелевой марки,
ДЧ>_ (<*г + 0 •
В общем случае
а	2Х
Дч>- лг<«*»4-0 '
где N — число щелей подвижной спектральной марки.
Угловая величина Дф может быть выражена через расстояние
5*2 между маркой и приемником света и ширину полосы равенст-
вом
Следовательно, для двухщелевой марки будем иметь
j  X • Sj
В табл. 19 приведены некоторые наиболее приемлемые значе-
ния I по известным значениям d2 и da + Л
Таблица 19
JSft п/п	di-0,5 da-H в мм	I в мм	d, = 1.0 d»-H в мм	1 в мм
1	2,25	5.3	4.5	2.7
2	2,75	44	5,5	2.2
3	3,25	3.7	6,5	1.8
4	3,75	3,2	7.5	1,6
5	4,25	2.8	8,5	1,4
6	4,75	2.5	9,5	1,2
7	5,25	2,3	10,5	1,1
8	5,75	2.1	11,5	1.0
9	6,25	1.9	12,5	1.0
16*
244
Высокоточные створные измерения
Для определения положения промежуточных точек створа
обычно используется центральная светлая полоса, а биссектор
приемника света вводится между двумя темными полосами. В этом
случае точность установки в створ зависит от ширины полосы цент-
рального максимума.
Исследования по выбору ширины биссектора и визирной цели
показали, что наилучшие результаты получаются при отношении
I _ 5
Йис 4
Ошибка наведения при дифракционном способе створных изме-
рений, в отличие от оптического способа прямого визирования,
постоянна в линейной мере и составляет около 20 мкм при длине
створа до 100 м.
Однако там, где наблюдаются неоднородности температуры
слоев воздуха, на качество измерений существенно влияют ре-
фракционные искажения.
Створные измерения дифракционным комплектом аппаратуры
конструкции МИИГАиК рекомендуется выполнять по следующей
методике
Прямой ход. 1. Источник света закрепить на начальном
пункте I створа и параллельный пучок света ориентировать вдоль
створа точно на приемник света, установленный во втулке конеч-
ного знака П.
При этом источник ориентировать и закреплять так, чтобы
диаметр светового пучка полностью и равномерно закрывал щель
однощелевой марки, а плоскость экрана последнего была по воз-
можности перпендикулярна к линии створа.
2.	Во втулке одного из промежуточных знаков устанавливать
двухщелевую спектральную марку и проверять наличие интерфе-
ренционной картины в поле зрения приемника света. При необ-
ходимости, для получения более четкой картины, положение
источника света корректировать.
3.	Производить трех-пятикратное совмещение оси симметрии
интерференционной картины с осью тройного биссектора при-
емника при обоих положениях двухщелевой марки (индикатор —
лево ИЛ и индикатор — право ИП).
4.	Вычислять место нуля (МО) двухщелевой марки
£
5.	Нестворность определять как
&1=мо—ИЛ
или
д;=ля-л/о.
Высокоточные створные намерения
245
Действия по пп. 3—5 составляют одни полуприем.
6.	Приемник света и однощелевую марку поворачивать на
180°.
7.	Далее повторять те же действия, что и в пп. 3—5, т. е.
второй полуприем с вычислением Л*.
Все эти операции составляют один полный прием в прямом ходе.
Нестворность 6t по результатам одного полного приема вы-
числять как среднее из двух полуприемов
а _ Ai4-A<
---g--.
Для высокоточных створных измерений при монтаже техноло-
гического оборудования с точностью порядка 0,2 мм можно ре-
комендовать следующие допуски, полученные из опыта работ:
1.	Расхождение 5 отсчетов, взятых при одном положении ин-
дикатора, не должно превышать 50 мкм.
2.	Колебание МО внутри серии из 5 отсчетов — не более 50 мкм.
3.	Среднее значение МО нз двух полуприемов не должно пре-
вышать 30 мкм.
4.	Расхождения величины б из прямого и обратного ходов
не должны превышать 50 мкм.
В обратном ходе источник света с однощелевой маркой и при-
емник света меняются местами.
Створные измерения дифракционным комплектом аппаратуры
удобно производить методом подвижного приемника света. В этом
случае отклонение промежуточной точки вычисляют непосред-
ственно по величине смещения оси интерференционной картины
от линии створа, которое измеряют устройством для микрометрен-
ного перемещения приемника света в направлении, перпендику-
лярном к линии створа.
Способ подвижного приемника свободен от ошибок несогла-
сованных действий помощника и наблюдателя, более производи-
телен и может найти применение при выверке оборудования
в помещениях с вредными условиями работы.
По сравнению с оптическими методами створных измерений
с использованием зрительных труб большое достоинство дифрак-
ционного способа заключается в отсутствии инструментальных
ошибок за перефокусировку. Кроме того, следует указать, что
в плоскости сетки нитей приемника формируется действительная,
четкая интерференционная картина независимо от расстояния до
определяемой точки, т. е. визирная цель (если сравнить с оптиче-
ским методом) находится непосредственно в плоскости сетки ни-
тей. Окуляр приемника света служит лишь для некоторого уве-
личения центральной полосы интерференционной картины. Это об-
стоятельство позволяет сохранять постоянной линейную величину
246
Высокоточные створные измерения
биссектора в приемнике света, что при правильно подобранных
параметрах спектральной марки дает возможность добиться
постоянной ошибки визирования в линейной мере независимо
от общей длины створа. Опыт применения дифракционного спо-
соба створения и результаты исследований подтвердили, что как
на створе длиной 85 м, так и на створах длиной 36 и 48 м получена
примерно одинаковая величина ошибки одного совмещения.
В связи с этим угловая величина разрешающей способности ди-
фракционного комплекта аппаратуры является величиной пере-
менной в зависимости от соотношения расстояний и S, и мо-
жет быть гораздо меньше, чем у самых высокоточных зрительных
труб, используемых при створных измерениях.
§ 24. Высокоточные створные измерения
с использованием оптических квантовых
генераторов
Как известно, распределение плотности излучения по сечению
лазерного пучка может быть различным. Для применения лазе-
ров в створении важно, чтобы плотность была наибольшей
в центре сечения пучка света н уменьшалась равномерно к его
краям. При этом можно считать, что центр тяжести яркости свето-
вого пучка в любом сечении совпадает с его геометрической осью.
Однако случаи симметричного распределения энергии в пучке
лазерного излучения редки. Во всех остальных случаях нельзя
ожидать совпадения светового центра тяжести с геометрической
осью лазерного луча. Положение оси луча лазера может изменяться
в зависимости от режима генерации. Поэтому важно обеспечить
устойчивую генерацию определенного типа колебаний (мод).
При применении ОКГ в геодезии в большинстве случаев встает
необходимость в коллимировании лазерного пучка света, т. е.
в уменьшении угла расходимости.
Для одномодового режима излучения расходимость принято
определять на уровне половинной мощности. При многомодовом
излучении расходимость можно определять по ярко очерченной
границе сечения пучка и все сечение пучка имеет примерно одина-
ковую яркость.
Для уменьшения расходимости световой пучок излучения
лазера необходимо коллимировать, т. е. аа счет увеличения диа-
метра выходного пучка света уменьшить телесный угол расходи-
мости. Для этого возможно применение телескопической системы,
позволяющей получить пучок света, близкий к параллельному,
или оптическую систему Кассагрена, при помощи которой можно,
Высокоточные створные намерения
247
кроме того, регулировать диаметр пучка света на выходе из кол-
лиматора.
Приведем расчет телескопической системы. Требования, предъ-
явленные к коллимирующей системе, в определенной степени
противоречивы, а поэтому в основе расчетов лежит компромиссное
решение. С одной стороны, необходимо иметь пучок с минимальной
расходимостью, с другой — с минимальным диаметром.
Оптимальная расходимость светового пучка на выходе теле-
скопической системы определяется из условия, чтобы пучок света,
пройдя через нее, имел минимальное сечение на максимально
необходимом расстоянии, например 100 м, и рассчитывается по
формуле
(139)
где <(нач ~ начальная расходимость пучка света; d — выходной
диаметр пучка, излучаемого ОКГ (входной для телескопической
системы); <р£асх — расходимость пучка после выхода из телескопи-
ческой системы.
Подсчитаем по формуле (139) оптимальную расходимость при
L — 100 м, d = 1 мм, <р£ач = 600* (данные для Л Г-55); она будет
р авн а (ррасх = 35 .
Оптимальное увеличение телескопической системы будет равно
Фрасх З5*
Если принять диаметр окуляра равным = 2,5 мм, тогда
диаметр объектива d^ — 2,5 х 17 = 41 мм.
Поскольку для телескопических систем относительное отвер-
стие выбирается в пределе 1 : 10 ~ 1 :8, для объектива с =
— 200 мм принимаем фокусное расстояние окуляра /м = 12 мм.
Основные направления развития лазерных створофикса-
торов:
1.	Лучевые створофиксаторы, в которых в качестве исходной
прямой используется ось коллимированного лазерного луча.
2.	Дифракционные створофиксаторы с использованием ди-
фракционных решеток — двух-, трех- или многощелевых спект-
ральных марок.
3.	Створофиксаторы на основе активного формирования не-
обходимой структуры светового пучка непосредственно в оптиче-
ском резонаторе лазера.
4.	Лазерные интерференционные створофиксаторы на базе
фокусировки когерентного монохроматического излучения зон-
ными пластинами.
248
Высокоточные створные измерения
1.	Лучевые лазерные створофиксаторы
Лучевые створофиксаторы, для которых базовой линией в про-
странстве служит ось лазерного луча, позволяют наиболее простым
способом определить нестворность контролируемых точек. В этом
способе используется ОКГ, работающий в одномодовом режиме.
Предполагается, что энергия в пучке такого ОКГ распределена
симметрично относительно центра без разрывов, а максимальный
световой поток наблюдается в центре пучка и ослабляется к пери-
ферии.
Один из возможных вариантов лучевого створофиксатора
с фотоэлектронным съемом информации заключается в следующем.
Предварительно световой пучок коллимируется с целью умень-
шения расходимости и получения необходимого диаметра сечения
на максимальном расстоянии. Относительно оси пучка ОКГ
производится установка и дальнейший контроль марок при по-
мощи фотоэлектронного регистрирующего устройства (ФЭРУ),
аналогичных устройству на конце линии. ФЭРУ устанавливается
на пути пучка таким образом, чтобы плоскость, в которой изме-
ряются координаты оси пучка в данном сечении, была перпен-
дикулярна к этой оси.
В случае контроля положения ряда марок между твердыми
точками ФЭРУ должно последовательно устанавливаться в точ-
ках створа. Если требуется контроль за положением марок на
линии дистанционно, на каждой марке устанавливается отдель-
ное ФЭРУ, чувствительный элемент которого должен автоматически
вводиться в створ и выводиться из створа, чтобы обеспечить доступ
света к ФЭРУ следующей марки.
Недостатки этого метода:
1. Требуется обеспечить высокую стабильность положения
пучка лазера. Однако перемещения оси пучка могут контролиро-
ваться ФЭРУ в конце створа, корректироваться микрометренными
перемещениями ОКГ пли учитываться в процессе обработки ре-
зультатов измерений.
2. Необходимо иметь стационарное стабилизированное элек-
тропитание по всему створу.
Лазерные приборы лучевого типа с визуальной регистрацией
оси пучка света в настоящее время используются в инженерно-
геодезических работах для выверки и определения деформаций
подкрановых путей, где применяются приборы Л В-1 и Л В-2 —
лазерные визиры, разработанные соответственно на базе газо-
вого лазера ОКГ-11 и ОКГ-13 с коллиматором (зрительная
труба теодолита ТТ-50).
В комплекте лазерного визира для определения степени не-
прямолинейности подкрановых путей и направления деформации
применяется экран-марка, которая передвигается по выверя-
Высокоточные створные измерения
249
емому рельсу, и по сотке определяется положение оси светового
пятна луча лазера.
Средняя квадратическая ошибка определения положения
оси рельса прибором ЛВ-1 на расстояниях до 400 м составляет
3,4 мм, а при использовании теодолита — 2,6 мм.
Известно применение лазерных теодолитов при установке
в проектное положение прямолинейного трубопровода, проло-
женного по дну залива. Лазерный теодолит представляет собой
обычный теодолит с газовым лазером, смонтированным на гори-
зонтальной оси над зрительной трубой.
2.	Дифракционный способ створных измерений
с применением лазеров
Дальность действия дифракционного способа створных изме-
рений с лампами накаливания составляет несколько десятков
метров (в лучшем случае до 100 м). Источник света для полу-
чения интерференционной картины на створах длиной не-
сколько сот метров должен обладать высокой степенью когерент-
ности, большой яркостью, небольшой угловой расходимостью
излучения, малыми габаритами и массой. Всем этим требованиям
отвечают оптические квантовые генераторы — лазеры. По-
скольку излучение лазера когерентно по своей природе, то
необходимость в одиощелевой марке отпадает.
Несмотря иа относительно небольшую расходимость лазер-
ного излучения (5 4- 10*), может возникнуть необходимость кол-
лимирования излучения лазера при помощи оптических систем
в менее расходящийся пучок света.
Поскольку интерференционная картина для лазерного из-
лучения состоит из большого числа полос, а по яркости они
незначительно отличаются одна от другой, необходимо в поле
зрения приемника света иметь известное количество интерферен-
ционных полос определенной ширины. Кроме того, желательно
получать такую картину, в которой можно было бы быстро опре-
делять ось ее симметрии.
Эти требования зависят от правильности расчета параметров
двухщелевой марки. Для расчета параметров d2 и t оптимальной
спектральной марки в зависимости от ширины поля зрения D
приемника света или от ширины интерференционных полос,
формирующихся в пределах поля зрения приемника света,
О. И. Горбенко рекомендовал формулы, приведенные в табл. 20.
Если принять число К (число дифракционных минимумов,
участвующих в формировании картины) равным четному
числу, то интерференционная картина будет разделена на К
симметричных частей (К — 1) дифракционными минимумами,
250
Высокоточные створные измерения
Таблица 20
Расчетная величина	Исходный параметр		
	D	1	m
			1/ mXSiSs
t	$1 ~Г$2	1	V 51-т-5г
j	KKS2	KIS2	Kt
а	Ь	•^1 "Г 2	т
	Kt	Kt	
tn				
			
	D		
1		.			
	т		t
D	—	1 • т	I • т
причем один будет обязательно находиться на оси кар-
тины.
Высокая яркость дифракционной картины быстро утомляет
глаз наблюдателя и способствует увеличению ошибки измерения.
При использовании матового экрана ухудшается качество
наблюдаемой дифракционной картины. В связи с этим целесооб-
разно использовать метод фотоэлектронной регистрации оси
центрального максимума. Наблюдения на глаз осложняются
еще и сравнительно трудным выделением центрального мак-
симума, так как соседние полосы по яркости близки к цент-
ральному.
3.	Створофиксаторы на основе активного
формирования светового пучка в оптическом
резонаторе
В качестве третьей принципиальной схемы лазерного створо-
фиксатора может служить способ имитации оси лазерного луча
путем активного формирования необходимой структуры све-
тового пучка непосредственно в оптическом резонаторе [931.
Распределение интенсивности по поперечному сечению пуч-
ка зависит от величины диафрагмы (внутрь резонатора вводится
ирисовая диафрагма) и от настройки резонатора. Кроме того,
на распределение влияют пыль и царапины на зеркале. Распре-
деление всегда имеет центральную симметрию. Так, например,
введенный перед зеркалом внутри резонатора экран в виде
Высокоточные створные измерения
251
тонкой проволоки образует две «темные» полосы в сечении пучка,
симметричные относительно центра. Можно получить две перпен-
дикулярные полосы. При увеличении диафрагмы пятно растет,
а при диаметре диафрагмы 3 мм превращается в кольцо, в центре
которого появляется еще одно пятно. При дальнейшем увеличе-
нии диафрагмы вид картины осложняется.
Результаты этих исследований заслуживают внимания. Онн
позволяют сделать вывод о том, что можно на выходе излучения
ОКГ получить нужную картину распределения интенсивности
света.
4.	Лазерный интерференционный створофиксатор
Лазерный интерференционный створофиксатор основан на ис-
пользовании особенностей формирования изображения источника
когерентного излучения зонными пластинами. Зонные пластины
представляют собой длиннофокусные дифракционные линзы.
Если границы прозрачных зон пластины выбрать так, чтобы
для точек, расположенных внутри этих зон, суммы расстояний
от пластины до источника и наблюдателя SA X AQ (рис. 101)
отличались между собой на целое число длин волн с точностью
до V4 X, то в точке наблюдения получится яркое изображение
источника света, так как в этом случае имеет место сложение
амплитуд колебаний. Для применения в створных измерениях
целесообразны зонные пластины в виде полос. Для получения
хорошего качества изображения оптические пути всех лучей,
сходящиеся в фокусе, не должны отличаться от целого числа волн
более чем на V4 X (критерий Рэлея).
Зонная пластина имеет несколько фокусов и соответственно
ряд фокусных расстояний. Если радиус внутреннего края п-й
зоны равен и источник света расположен далеко от зонной
пластины, то первый фокус находится на расстоянии
и иа этом расстоянии формируется яркое световое пятно. В обыч-
ной зонной пластине из чередующихся прозрачных и непрозрач-
ных полос разность хода между возмущениями от двух соседних
Рис. 101. Принцип работы войной пластины
252
Высокоточные створные измерения
прозрачных зон в точку, удаленную от пластины на расстояние
/j или равна X — длине волны света.
Если используется точечный источник света, соотношение
между расстояниями от источника света pt и его изображения
qt до зонной пластины аналогично соотношению, полученному
для линзы,
Р( 1 <It i
Существует также сходство между зонной пластиной и дифрак-
ционной решеткой. Любой участок зонной пластины фактически
представляет собой дифракционную решетку. Фокусы зонных
пластин можно рассматривать как точки, в которых пересекаются
прямые, идущие в направлениях, соответствующих фраунгоферро-
вой дифракции от различных участков пластины.
Это важное обстоятельство придает зонной пластине свойство,
которое может быть использовано в прикладном отношении для
разработки интерференционного метода створных измерений, т. е«
зонная пластина на расстоянии формирует яркое световое пятно,
симметричное относительно прямой, соединяющей точечный источ-
ник света и ось симметрии пластины. При перемещении зонной
пластины в направлении, нормальном к линии створа, на вели-
чину at изображение смещается в ту же сторону на величину
=	<Р‘ + Ч‘1,
*	Pi
Зонная пластина с круговыми зонами формирует изображение
точечного источника света в впде круга небольшого диаметра.
Одномерная зонная пластина с вертикальными зонами или дву-
мерная с совокупностью прямоугольных зон трансформируют
изображение точечного источника света соответственно в верти-
кальную линию (полосу) или в две пересекающиеся линии (по-
лосы) в виде креста.
Одномерная зонная пластина более проста по конструкции
и применяется для измерения одной координаты определяемой
точки. Двумерная зонная пластина может быть использована для
измерения двух координат определяемой точки в плоскости, пер-
пендикулярной к линии створа, и представляет собой систему
взаимно перпендикулярных, накладывающихся одна на другую
полос.
Параметры светового пятна (в том числе и размеры изображе-
ния) будут изменяться в зависимости от соотношений р и q.
Расчет ширины изображения, формируемого зонной пласти-
ной, может быть выполнен по формуле
Высокоточные створные измерения
253
где А — длина волны света; q9 — расстояние от зонной пластины
до точки формирования изображения; D — фактическое расстоя-
ние между крайними зонами пластины (эффективная ширина ра-
бочей площади зонной пластины).
Эффективная ширина D рабочей площади зонной пластины
равна 2 £п и может быть подсчитана по формуле
D =	0,406) Jb
где п — число прозрачных зон; L — расстояние от источника света
до точки наблюдения.
Например, при п = 25, А = 0,6328 мкм, L — 200 ы, Ро =
— 70 = 100 м ширина изображения, формируемого одномерной
зонной пластиной, d = 0,6 мм. При п = 25, А = 0,6328 мкм,
L = 200 м, Ро — 10 м, q9 = 190 м, d — 2,5 мм.
Для наблюдений за стабильностью основания 500-метрового
технологического капала научно-экспериментальной базы Боль-
шого ускорителя (НЭБ БУ) были изготовлены зонные пластины,
формирующие изображения источника света шириной от 0,5
до 6 мм, в зависимости от соотношения расстояний Ро и д0. Изо-
бражения достаточно интенсивны как для регистрации их центра
фотоэлектронными регистрирующими устройствами, так и для
визуальных наблюдений.
Процесс изготовления зонных пластин довольно сложен. При
механической гравировке стальным или корундовым резцом
по специальному покрытию на стекле (или оргстекле) удается
достигнуть точности нанесения зон 2 — 3 мкм. Установка для
гравирования может быть смонтирована на универсальный изме-
рительный микроскоп типа УИМ-21 или УИМ-22. Для получения
модели зонной пластины необходимо после гравирования удалить
покрытия между границами щелей.
Лазерный интерференционный створофиксатор состоит из трех
основных элементов (рис. 102, а): лазерного створоуказателя
(источник когерентного излучения) 7, зонной марки 2 и визуаль-
ного или фотоэлектронного регистрирующего устройства 3.
В каждой определяемой точке и в исходных пунктах I и II
створа последовательно устанавливаются марки с одномерными
или двумерными зонными пластинами, фокусные расстояния кото-
рых рассчитаны таким образом, чтобы изображение точечного
источника света формировалось в предметной плоскости регистри-
рующего устройства. Положение изображения от каждой точки
створа фиксируется регистрирующим устройством. По получен-
ным таким образом данным о положении изображения точечного
источника света определяется отклонение оси зонных марок от ли-
нии I—II заданного створа.
254
Высокоточные створные измерения
Рнс. 102. Створные измерения комплектом аппаратуры
Лазерный створоуказатель устанавливается на расстоянии
Si (рис. 102, б) от начального пункта створа так, чтобы световое
пятно покрывало все основные зоны пластины. Бели невозможно
установить лазер на нужном расстоянии, необходимо увеличить
выходное пятно лазерного излучения при помощи оптики.
Регистрирующее устройство устанавливается на некотором
расстоянии L — Su от конечной точки II створа. Расстояние
L — Sn целесообразно сделать равным тогда можно добиться
симметричного расположения промежуточных точек относительно
середины створа и использовать одни и те же зонные пластины
на двух симметрично расположенных пунктах створа.
В зависимости от взаимного положения всех точек створа
интерференционные изображения источника света будут форми-
роваться зонными пластинами с каждого пункта створа соответ-
ственно на различных расстояниях от нуля регистрирующего
устройства. По измеренным ординатам at и известным расстояниям
£п» St вычисляют нестворности б/ по формулам
б/ = (ai - а/) Кг - (аг - А) Кг,	(140)
где
_ St .	si
Aj- —,	л2=----£----,
 вц^п(^ —^i) —5П)
Ордината at соответствует расстоянию от нуля регистриру-
ющего устройства^до середины изображения при расположении
Высокоточные створные измерения
255
источника света (тС') и промежуточной точки (Г) в створе линии
I-II.
При симметричном расположении лазера и регистрирующего
устройства относительно крайних пунктов створа формула (140)
примет вид
б/ = (ai — at) А — (ах — ац) fit
где
/1 — £ »	71
ill —ij
Коэффициенты А?!, А\, /х, /а постоянны для каждого конкрет-
ного створа и вычисляются заранее по измеренным расстояниям
между пунктами створа.
Средняя квадратическая ошибка определения нестворности
определяется зависимостью
С учетом того, что
(5П—5Г)2 ***’
средняя квадратическая ошибка определения нестворностей про-
межуточных точек равна
mtl=^(2Sl-2S,Sl+ SI)’'-.
Когда изображения источника света от зонных марок в точках
I и 11 совмещены,	определяется по формуле
st
Z
В зависимости от конструкции регистрирующего устройства
изготовлены и исследованы три варианта лазерного интерферен-
ционного створофиксатора:
1)	визуальный — положение изображения регистрируется оп-
тическим устройством;
2)	аналоговый — используется электронное регистрирующее
устройство, фиксирующее момент совпадения центра изображения
с нулевой отметкой на маске ФЭРУ; при этом применяется зонная
марка с подвижной зонной пластиной и микрометром;
3)	дискретный — фотоэлектронное регистрирующее устрой-
ство позволяет определить коордппаты цептра изображения от-
носительно пуля прибора.
256
Высокоточные створные измерения
Лазерный створоуказэ-
тель содержит газовый лазер
типа ЛГ-55 с блоком пита-
ния, оптический резонатор
которого помещен в корпусе
с цапфами, и подставку с
лагерами, шаровым центри-
рующим устройством и на-
кладным уровнем. Оптиче-
ский резонатор лазера можно
отъюстировать так, чтобы
ось светового луча пересека-
лась под прямым углом
с вертикальной осью враще-
ния подставки. Такая кон-
струкция створоуказателя
позволяет производить высо-
коточное центрирование оси
Рис. 103. Зонная марка	лазерного луча и устана-
вливать его горизонтально
вдоль створа.
Зонная марка (рис. 103) состоит из зонной пластины и под-
ставки. Зонная пластина укреплена па специальном держателе,
имеющем юстировочные винты для совмещения оси симметрии
зон с осью вращения подставки. Подставка снабжена лимбом,
позволяющим устапавливать зонную пластину под любым задан-
ным углом.
Визуальное регистрирующее устройство — ВРУ (см. рис. 104)
лазерного створофнксатора служит для получения необходимой
геодезической информации путем визуального наведения сетки
нитей экрана на ось симметрии изображения лазерного источника
света. Визуальное регистрирующее устройство состоит из подвиж-
ного полупрозрачного экрана 2 со сложной сеткой нитей, укреплен-
ной на специальной подставке с центрировочным вкладышем 4.
Величина перемещепия экрана микрометренным винтом 3 контро-
лируется индикатором часового типа 1 с ценой деления 0,01 мм
и диапазоном измерения 10 мм. Перед измерениями ось симметрии
вертикальных штрихов сетки нитей должна быть установлена
вертикально при помощи теодолита, находящегося на расстоя-
нии 2 ~ 3 м.
Фотоэлектронное регистрирующее устройство (ФЭРУ) лазер-
ного створофнксатора служит для автоматического определения
положения центра изображения точечного источника света. ФЭРУ
основано на принципе электромеханического сканирования центра
светового пятна с последующим преобразованием положения
видеосигнала в цифровую информацию.
Высокоточные створные измерения
Рис. 105. Фотоэлектронное регистрирующее устройство лазерного створо-
фпкеатора
17 Закаэ 437
258
Высокоточные створные намерения
Фотоэлектронное регистри-
рующее устройство (рис. 105)
содержит электромеханическую
сканирующую головку с элек-
тронной схемой преобразова-
ния положения видеоимпульса
в искомые координаты центра
светового пятна, блок элек-
тропитания всей системы и
блок цифровой индикации ко-
ординат.
Схема сканирующего уэла
прибора приведена на рис.
106, а. Свет 2, проектируемый
на маску 2 в виде прямоуголь-
ной щели, попадает на боко-
вую поверхность барабана #,
на которой вырезаны две щели
5 и 6 по винтовой линии. Ба-
рабан приводится во вращение
синхронным электродвигате-
лем 3. Свет, пройдя сквозь
щели в барабане, попадает на
систему линз 7 и S, а затем на
фотоэлектронный у множител ь
9. На одном из торцов бара-
бана имеется прилив 14 с вы-
резанной щелью 12. Внутри
барабана расположен освети-
тель 13, а снаружи — диа-
фрагма 11 и фотодиод 10.
Синхронный электродвига-
тель, питаемый от сети перемен-
ного тока, вращает барабан с постоянной угловой скоростью.
При этом щель 5 последовательно сканирует маску в направ-
лении продольной оси. Свет, пройдя сквозь щели 5 и 6, фоку-
сируется на фотокатоде ФЭУ. Щель 12 расположена так, что
перед началом сканирования маски открывается доступ света на
фотодиод, который генерирует импульс.
Из рис. 106, б следует, что время /, отсчитанное от мо-
мента формирования импульса фотодиода до середины импульса
ФЭУ, пропорционал ьно координате х светового пятна на
маске
. Хо
Высокоточные створные измерения
259
Поделив обе части уравнения на скорость вращения v, получим

Умножив обе части уравнения на частоту следования импульсов
кварцевых часов, встроенных в приборе, 2/, получим
2^ = 2^+/^	(141)
Произведение 2ft есть число импульсов 2V, отсчитанное с ча-
стотой 2/ от момента формирования импульса фотодиода до сере-
дины импульса ФЭУ; произведение — число импульсов Nlt
отсчитанное с частотой 2/ за соответствующее время У3; произведе-
ние — число импульсов Л^, отсчитанное с частотой / за время У,
равное длительности импульса ФЭУ. Таким образом, уравнение
(141) является ключом для построения блок-схемы прибора, при-
веденной на рис. 107.
Импульс фотодиода I, преобразованный формирователем 2
в импульс «старт», подается на единичные входы триггеров 3
и 10 так, что открываются клапаны 4 и 6 (клапан 7 к этому моменту
открыт ранее сформированным в схеме импульсом «сброс») и начи-
нается счет импульсов от кварцевого генератора 13 в пересчетной
схеме 8 с частотой 2/. Импульс ФЭУ 15 преобразуется формирова-
телем 14 в два новых импульса: импульс «пересчет», генерируемый
от переднего фронта импульса ФЭУ, и импульс «стоп», генериру-
емый в момент формирования его заднего фронта. От импульса
«пересчет» вновь срабатывает триггер 3, закрывается клапан 4
п открывается клапан 5. Счет импульсов в пересчетной схеме про-
должается с вдвое меньшей частотой благодаря триггеру 11, ра-
ботающему в счетном режиме. От импульса «стоп» срабатывает
триггер 9, при этом закрывается
клапан 7 и прекращается счет
импульсов в пересчетной схеме.
Последняя фиксирует число
импульсов кварцевого генера-
тора, пропорциональное интер-
валу времени t от момента
формирования импульса фото-
диода до середины импул ьс а
ФЭУ, т. е. пропорциональное
значение координаты центра
светового пятна на маске. Это
число засвечивается на цифро-
вом табло пересчетной схемы
в течение выходного импульса
ждущего мультивибратора 12,
Рис. 107. Блок-схема створофикса-
тора
запускаемого также импульсом
17*
260
Высокоточные створные измерения
«стоп». От заднего фронта выходного импульса ждущего муль-
тивибратора формируется импульс «сброс», который приводит
схему в исходное состояние. При этом закрывается клапан 6Г
открывается клапан 7 и стирается информация в пересчетной
схеме. С новым импульсом «старт» повторяется весь цикл работы
схемы. Информация об измеряемой координате центра светового*
пятна может быть переписана вручную оператором или напеча-
тана цифропечатающим устройством.
Помимо системы автоматического отсчета координат, в данном
приборе смонтирована визуальная система измерения координат
центра светового пятна на маске. С этой целью часть светового
пятна, проектируемого на вход прибора, при помощи системы
зеркал отводится на смотровое окно, расположенное на задней
стенке прибора. На пути света установлен биссектор, перемещае-
мый при помощи микрометра в направлении, перпендикулярном
к створу. Оператор вручную устанавливает биссектор симметрично*
границам светового пятна и снимает отсчет со шкалы микрометра.
В прибор встроен малогабаритный осциллограф для наблюдения
за качеством формирования импульса, а также блок питания
электроннолучевой трубки, генератора развертки и электродви-
гателя сканирующего узла прибора. Весь прибор собран на полу-
проводниковых элементах (46 транзисторов и 27 диодов), что по-
вышает надежность прибора и значительно сокращает расходы
электроэнергии.
Пересчетное устройство (а в случае необходимости и блок
высоковольтного питания) может находиться от прибора на зна-
чительном расстоянии, тогда как прибор устанавливается непо-
средственно на створе. Таким образом, оптико-механический ска-
нирующий прибор позволяет осуществить дистанционный съем
информации. Информация о положении промежуточной зонной
марки преобразуется в приборе в серию импульсов, отсчитыва-
емых пересчетпой схемой. Затем по соответствующей команде эта
информация выводится из пересчетной схемы в блок автоматики,
вырабатывающий соответствующий сигнал сервомеханизму для
установки марки в заданное положение.
Для исследования приборной точности ФЭРУ в непосредствен-
ной близости от маски прибора передвигалась 2-миллиметровая
щель, освещенная лучом газового лазера ЛГ-55, на эталонные рас-
стояния 10 мм по всей зоне сканирования. Величина каждого
такого смещения одновременно регистрировалась эталонирован-
ным индикатором часового типа и пересчетным устройством иссле-
дуемого прибора. Измерения проводились многократно с набором
необходимого статистического материала. Цена единицы наимень-
шего разряда показаний счетного устройства в среднем для всей
зоны сканирования получена равной 28,292 мкм с ошибкой
0,012 мкм.
Высокоточные створные измерения	261
Ошибка регистрации положения неподвижного светового пятна
относительно нуля прибора в плоскости сканирования равна
1 ед. наименьшего разряда показаний счетного устройства. Рабо-
чая зона сканирования исследуемого прибора составляет 38 мм.
Время приведения прибора в рабочее положение не превышает
5 мин.
Как показали материалы производственных измерений на
ОГС галереи Серпуховского ускорителя, лазерный интерферен-
ционный створофиксатор и в визуальном, и в фотоэлектронном
вариантах обеспечивает среднюю квадратическую ошибку по-
строения базовой прямой порядка 0,15 мм.
При створных измерениях можно использовать одну и ту же
зонную пластину, рассчитанную для средней точки створа [124].
На всех остальных точках створа зонная пластина устанавли-
вается под заранее рассчитанными углами р/ к линии створа.
Расчет выполняется по формуле
p,=arccos
Изображения, формируемые поворотной зонной маркой от каж-
дой точки створа, достаточно интенсивны как для наблюдений
визуальным регистрирующим устройством, так и для измерений
при помощи ФЭРУ.
Для определения наилучшего'периода работы в летнее время
в отношении влияния изменения внешних условий измерения
выполнялись в разное время суток. Выявлено, что наименьшим
колебаниям изображения в конце створа соответствует утренний
период с 7.00 до 9.30 и вечерний с 22.00 до 1.00 ночи. В остальное
время наблюдались значительные колебания с коротким периодом
и амплитудой до 2 мм.
Опыт применения ФЭРУ с возможностью съема большого ко-
личества информации (до 1000 отсчетов в минуту и более) с авто-
матическим усреднением отсчетов показал возможность высоко-
точных створных измерений в закрытых помещениях в любое
время суток. Визуальные измерения следует проводить в указан-
ные благоприятные промежутки времени.
В угловой мере приборная ошибка лазерного интерференцион-
ного створофнксатора ие более 0,1 *; производственные измерения
его аппзратурой доказали высокую точность и производительность
труда.
Глава VIII
Передача плановых координат
на различные горизонты
работ
§ 25. Методы и приборы механического
и оптико-механического проектирования
Механические центриры представляют собой всевозможные
прямые и обратные струнные или стержневые отвесы. В работе
[10) описан обратный уровенный отвес, отличающийся от жидкост-
ного тем, что в нем существует поплавок. В обратном уровенном
отвесе верхний конец проволоки натягивается динамометром.
В вертикальное положение проволока приводится при помощи
двух взаимно перпендикулярных прецизионных уровней. Сущ-
ность предложения авторов прибора заключается в том, что об-
ратный уровенный отвес позволяет периодически устанавливать
проволоку в постоянное и строго отвесное положение, по отноше-
нию к которому по специальным отсчетным шкалам определяют
величины сдвигов строительных или технологических элементов.
Точность этого устройства ниже, чем у жидкостного обратного
отвеса, и выражается величиной 0,2 4- 0,3 мм.
Во многих случаях практики целесообразно пользоваться
прямыми отвесами, у которых вертикальность нити устанавли-
вается под действием силы тяжести металлического груза (отвеса).
По принципу прямого отвеса создаются различные приборы.
Швейцарский ученый Гугенбергер разработал прибор, позво-
ляющий получать положение отвеса с ошибкой 0,05 мм в пределах
50 мм, без учета ошибок касания специальных отсчетных стрелок
о проволоку отвеса. Прибор в основном предназначен для опре-
деления радиальных п тангенциальных приращений кренов строи-
тельных конструкций. Это устройство подробно освещено
П. И. Брайтом [91 и М. Б. Гинзбургом [20], поэтому здесь кос-
немся только схемы его работы.
Верхняя часть проволоки отвеса крепится к неподвижной
консоли. Несколько ниже размещены две консоли с приспосо-
блениями для дополнительного отжима проволоки в двух взаимно
перпендикулярных направлениях для приведения отсчетов по
шкалам к нулю и при переходе предела измерительных в оз м о ж-
Передача плановых коордпнат на различные горизонты работ 263
ностей по шкалам (50 мм). Проволока натягивается грузом в
250 кг. Выше груза на консоли крепится инварная линейка длиной
300 мм, к концам которой шарнирно прикреплены стрелки длиной
312 мм. В точке пересечения они постоянно прижимаются к про-
волоке отвеса с силой 9 г. В связи с этим они непрерывно переме-
щаются вслед за плановыми смещениями проволоки отвеса. Сме-
щения стрелок определяются по двум круговым шкалам.
Идея, заложенная в конструкции отвеса Гугенбергера, не нова
[91; она в свое время была осуществлена М. В. Ломоносовым
в его маятнике для определения изменении наклона сооружений
и описана в работе «Рассуждения о большой точности морского
пути». Прибор М. В. Ломоносова состоял из отвеса длиной 2,13 м.
Отклонения груза увеличивались по двум взаимно перпендику-
лярным направлениям при помощи горизонтальных стрелок.
Стрелки приводились в движение цилиндрическим штифтом,
скрепленным с грузом отвеса и свободно перемещающимся в про-
резях коротких плеч этих стрелок. При движении маятника стрел-
ки вращались около вертикальных осей, причем их длинные плечи
проходили над циферблатом, по которому и измерялись величины
отклонении отвеса. Длина стрелок в приборе М. В. Ломоносова
достигала 16 см, что создавало увеличение перемещения отвеса
в 17 раз.
Конструкция указанных устройств имеет большой недостаток,
заключающийся в том, что перемещение отвеса регистрируется
отсчетным устройством, которое находится в непосредственном
контакте с проволокой отвеса, отчего чувствительность приборов
резко снижается. Для предотвращения этого в лаборатории изме-
рительных приборов Словацкой Академии наук Ю. Гайд и
Ю. Больф разработали конструкцию переносного оптико-меха-
нического прибора — лендаметра [91, позволяющего измерять
положение проволоки отвеса в системе прямоугольных координат
одновременно с двух взаимно перпендикулярных сторон. Предел
измерения наклона в направлении каждой оси координат соста-
вляет 10 см при ошибке отсчета 0,01 4- 0,02 мм. Масса прибора
20 кг.
Пендаметр состоит из визирной трубы и двух микроскопов
с увеличением 12,5х. Благодаря специальному устройству опти-
ческой системы изображения проволоки, получаемые через два
микроскопа, расположенных во взаимно перпендикулярных пло-
скостях, сводятся к одной фокальной плоскости и рассматри-
ваются через один окуляр. Оба изображения совмещаются с пере-
сечением сетки нитей при помощи винтов, и по шкалам микро-
скопов-микрометров производится одновременный отсчет обеих
координат х и у. При небольших колебаниях проволоки отсчеты
координат выполняются для каждого из двух крайних отклонений
порознь, а затем выводится среднее арифметическое.
264 Передача плановых координат на различные горизонты работ
Как показал опыт, оптический метод наблюдений за проволо-
кой отвеса дает во много раз более точные результаты, чем меха-
нические отсчетные устройства.
Общий недостаток указанных прямых отвесов — это действие
на них тока воздуха. Демпфирование грузов погружением их
в воду или масло полностью не исключает вредного влияния дви-
жения воздуха.
Для предотвращения влияния тока воздуха на прямой отвес
В. Е. Новак и В. Н. Степнов разработали конструкцию прибора,
названного механическим центриром-высотомером (МЦВ), пред-
назначенным для высокоточного центрирования различного обо-
рудования с одновременной его установкой по высоте. Прибор
{рис. 108) представляет собой сочетание прямого отвеса и гибкой
нивелирной рейки в виде мерной инварной проволоки с допол-
нительными приспособлениями, позволяющими производить пре-
цизионное определение планового положения отвеса и расстояния
между верхней и нижней точками.
В приборе прямой отвес имеет струну 11 диаметром 0,15—
-0,20 мм и груз 16 массой 0,5 кг. Верхняя часть струны крепится
к целику б, который, в свою очередь, при помощи юстировочных
винтов 8 устанавливается строго по продольной оси вкладыша Р.
Последний посредством мягкого соединения крепится к защитной
дюралюминиевой трубе 5, в нижней части которой проделаны
смотровые отверстия 13. Защитная труба соединена посредством
прорезиненной ткани с сосудом 17 из органического стекла. В этот
сосуд заливается вода для демпфирования колебаний отвеса.
В нерабочем состоянии груз закрепляется при помощи зажимного
устройства 15. Кроме нити отвеса, к вкладышу 9 крепится инвар-
ная струна 10, которая натягивается при помощи пружины 12
и оканчивается стеклянной шкалой 14. Кроме того, в комплект
прибора входят индикаторный столик 5 с индикатором часового
типа 4, три отсчетных микроскопа 2 с подставками 1, нивелирная
и центрировочная марки. Нивелирная марка состоит из корпуса
для шкалки, втулки, штока, шаровой пятки и стандартной под-
ставки. К корпусу шкалки прикреплен круглый уровень.
Центрировочная марка состоит из центрировочного калибро-
ванного шарика, прикрепленного к специальной стойке. В верх-
ней части стойки крепится стеклянная пластинка с визирной
целью. Пластинка имеет оправу, в которой она может перемещать-
ся, что позволяет ввести ее в плоскость, проходящую через центр
шарика. Стойка с шариком и визирной целью крепится в стандарт-
ную подставку. Для приведения марки в отвесное положение
служит цилиндрический уровень с ценой деления 30*.
Методика работы с прибором заключается в следующем.
На нижний геодезический знак 1 устанавливают три микро-
скопа: один приспособлен для отсчетов по нивелирной шкале,
Передача плановых координат на различные горизонты работ 265
Рис. 108. Механический центрнр-высотомер
266 Передача плановых координат на различные горизонты работ
два других предназначены для визирования на струну отвеса.
Далее на фиксированную точку головки знака ставят нивелирную
марку и берут отсчет по соответствующему микроскопу. Таким
образом определяют высотную отметку оси визирования микро-
скопа. Затем нивелирную марку удаляют и вместо нее устанавли-
вают марку, при помощи которой два других микроскопа, распо-
ложенных один к другому под углом 90°, устанавливают так, чтобы
точка пересечения их визирных осей находилась на отвесной линии,
проходящей через центр втулки головки геодезического знака.
Не трогая микроскопы, центрировочную марку снимают и вво-
дят вкладыш 9 механического центрира-высотомера во втулку
верхней геодезической головки II и подвешивают весь прибор
на специальной скобе 7. Затем плавно опускают арретирующее
устройство и после прекращения колебаний отвеса производят
отсчеты по микроскопам. Путем подвижки верхнего знака доби-
ваются положения, при котором струна отвеса расположена на
пересечении визирных осей взаимно перпендикулярных микро-
скопов. В этом случае ось втулки верхнего геодезического знака
совпадает с центром втулки нижнего знака.
Производя при помощи микроскопа отсчет по нивелирной
шкале МЦВ и зная длину мерной проволоки и превышение между
верхней точкой ее крепления и втулкой верхнего знака, опреде-
ляемое при помощи индикаторного столика, можно вычислить
отметку верхнего знака.
Исследования прибора показалп, что центрирование и передача
нивелирной отметки с одного горизонта работ на другой выпол-
няются с ошибкой, не превышающей 0,025 мм.
Длина прибора указанной конструкции допускается 1.—3 м.
Свыше 3 м прибор становится неудобным при его переноске
и транспортировке.
Для выполнения только центрировочных работ при высотах
до 10 м авторами МЦВ была разработана конструкция механиче-
ского центрира с телескопически складывающимися защитными
штангами. Нить отвеса в нем наматывается на катушку, встроен-
ную непосредственно в груз. Прибор рассчитан на работу от 2 м.
Точность центрирования таким прибором остается в тех же пре-
делах.
Для обеспечения дистанционности измерений при центрировоч-
ных работах струнными отвесами можно использовать индуктив-
ные датчики [22], которые представляют собой две катушки ин-
дуктивности, памотанйые на П-образные ферритовые сердечники,
укрепленные так, что их зазоры образуют между торцами сердеч-
ников рабочий проем. Последний достигает 3— 4мм при точности
измерения перемещения струны 0,010 4- 0,015 мм. Датчики укре-
пляют на вкладыше, который во время работы вставляют во втулку
головки геодезического знака.
Передача плановых координат па различные горизонты работ 267
Электронная схема
прибора обеспечивает пи-
тание измерительного мо-
ста переменным напряже-
нием и съем необходимой
информации. Измеритель-
ный мост выполнен так,
что индуктивные датчики»
включенные по дифферен-
циальной схеме» пред-
ставляют собой внешнюю
половину мостовой схемы.
Внутренняя половина
моста» расположенная в электронном блоке прибора, состоит
из регулируемых проволочных резисторов и соединена с внеш-
ней дистанционным кабелем. Прн центрировочных работах
величина измеряемых перемещений ограничивается стрелоч-
ным прибором и при цене деления 10 мкм соответствует 0,2—
1,0 мм.
Индуктивные датчики имеют ряд недостатков:
1)	малый диапазон измерений;
2)	изменение коэффициента усиления влияет на точность из-
мерения;
3)	ошибка за нелинейность шкалы достигает 20% от величины
измеряемого диапазона;
4)	изменение параметров индуктивных датчиков зависит от
изменения температуры;
5)	необходима частая калибровка датчика.
Для увеличения диапазона работы индуктивных датчиков
и уменьшения влияния отмеченных источников ошибок можно
рекомендовать конструкцию датчика [461, показанную на рис. 109;
она представляет собой вкладыш I, вставляемый во втулку го-
ловки опорного геодезического знака, на котором установлены
рама о с индикатором часового типа 3, устройство микропереме-
щения 4 и индуктивный датчик 2.
Перемещением индуктивной головки добиваются такого поло-
жения, при котором сигнал рассогласования равен нулю. Вели-
чина смещения определяется по индикатору часового типа. Такие
измерения позволяют в значительной мере ослабить ошибки, вы-
зываемые электронной частью прибора, и производить измерения
в пределах нескольких десятков миллиметров с точностью по-
рядка 0,01 мм.
Опыт эксплуатации прибора показал, что наряду с увеличением
диапазона измерений повысилась производительность труда, изме-
рения не требуют от наблюдателя высокой квалификации, исклю-
чены субъективные ошибки наблюдателя.
268 Передача плановых координат на различные горизонты работ
Рис. 110. Электронная схема гене-
ратора
Рис. 111. Фотоэлектрический датчик
положения струны
Кроме описанного индуктивного датчика, Е. Б. Илюшин раз-
работал малогабаритный индуктивный датчик с цифровым отсче-
том. Применение этого датчика целесообразно при необходимости
слежения за быстрыми колебаниями оборудования с вводом ин-
формации в электронно-вычислительную машину. Диапазон ра-
боты датчика — от 0,1 до 1,2 мм с предельной ошибкой измерения
не более 5% от расстояния между катушкой и объектом.
Датчик состоит из LC-генератора, собранного на транзисторе
МП42Б по схеме емкостной трехточки, катушки индуктивности
с пермаллоевым сердечником Ш-образной формы, блока питания
и частотомера. Электронная схема генератора приведена на рис.110.
Для уменьшения влияния внешних условий блок генератора
и катушка индуктивности залиты эпоксидной смолой.
При работе катушку индуктивности укрепляют рядом со стру-
ной отвеса или перед металлической частью наблюдаемого объекта
на расстоянии 0,5 4- 0,6 мм. При изменении расстояния между
датчиком и наблюдаемым объектом изменяется индуктивность
датчика, а это приводит к изменению частоты генератора, измеря-
емой частотомером. Расстояние между датчиком и объектом можно
определить по калибровочной таблице.
Исследования показали, что колебания напряжения питания
со 180 до 240 В изменяют частоту на 0,2 Гц, а изменение темпера-
туры воздуха на 1° С в диапазоне температур 0 4- 18 °C приводит
к изменению частоты на 4 Гц при цене деления прибора 0,5 мк/Гц.
Кроме индуктивных датчиков струны, находят применение
и фотоэлектрические датчики. Один из таких датчиков сконструи-
ровал С. П. Буюкян на базе индикатора часового типа (рис. 111).
На одном из концов индикатора часового типа укреплены
лампа накаливания 7 и светоприемник 9. Противоположный конец
штока упирается в рычаг 71 с осью вращения в точке 4 с фиксиро-
ванными упорами 5. Рычаг приводится в движение кулачком 1,
насаженным на ось электродвигателя. На кулачке имеется вы-
Передача плановых координат на различные горизонты работ 269
Рис. 112. Блок-схема фотоэлектри-
ческогоЗдатчика положения струны
ступ, поочередно упирающийся в концевые выключатели 2 и 3,
входящие в программный узел датчика.
Величина перемещения фиксируется индикатором часового
типа, на ось которого вместо стрелки установлен диск 6 с радиаль-
ными щелями. По одну сторону диска установлена лампа накали-
вания 10, по другую — светоприемник (на рисунке не показан).
Щели на диске прорезаны с таким расчетом, что прн перемещении
штока на 20 мкм на фотодиоде генерируется один импульс.
При работе электродвигателя осветитель и фотоприемник со-
вершают возвратно-поступательные движения. Крайние поло-
жения фиксированы и являются началом отсчета координат
струны 8.
Блок-схема датчика показана на рис. 112. При установке блока
осветителя 4 и светоприемника 7 в одно из крайних положений
в программном узле 1 генерируется импульс, который открывает
клапан 10 схемы и сбрасывает счетчик импульсов Р, затем счетчик
вновь считает число импульсов до затемнения светоприемника
краем струны 3. При перекрытии струной 3 светового луча, про-
ходящего через диафрагмы 5 и 6, на фотоприемнике 7 изменяется
напряжение, отчего срабатывает формирователь импульсов 8
и закрывается клапан 10, Счетчик фиксирует число импульсов,
пропорциональное расстоянию от крайнего положения до ближай-
шей грани струны. Затем блок осветителя с фотоприемником пере-
мещается электроприводом 2 в следующее крайнее положение,
фиксированное датчиком 11, вновь генерируется импульс в про-
граммном узле датчика, от которого стирается информация
270 Передача плановых координат на различные горизонты работ
в счетчике и открывается клапан. В процессе дальнейшего переме-
щения блока в крайнее левое положение в счетчике импульсов 9
фиксируется число, пропорциональное расстоянию от второго
базового упора до ближайшего края струны. Зная расстояние
между базовыми упорами Z, нетрудно подсчитать расстояние до
оси струны X
Y L-\- Ху— Xj
где Xi и Х2 — показания счетчиков при перемещении штока в пря-
мом и обратном направлениях.
Лабораторные исследования датчика показали хорошую на-
дежность и точность его работы. При цене деления счетчика им-
пульсов 20 мкм средняя квадратическая ошибка определения
осп струны равна 15 мкм.
Для определения малых (до 10 мм) несоосностей центров вту-
лок двух геодезических знаков, расположенных один над другим
на расстоянии до 1,5 м, можно рекомендовать жесткий центрир
(рис. ИЗ) конструкции Л. А. Козлова [49]. Центрир состоит
из стержня 5, в верхней части которого имеется шаровое утолще-
ние, втулки 5 с зажимным винтом 4, скрепленной с ползуном 1.
Ползун перемещается в направляющих 7, размещенных на осно-
вании 0. На зтом же основании закреплены микрометренный винт
2, индикатор часового типа 8t цилиндрический уровень 6 и штанга
10, к нижней части которой прикреплен шар.
Для определения несоосности геодезических знаков центрир
без стержня 3 устанавливается на нижний геодезический знак.
После этого через втулку верхнего геодезического знака опускается
стержень 3 и закрепляется в нужном положении во втулке 3.
Вращая центрир вокруг вертикальной оси, винт 2 устанавливают
в плоскости измерений. При помощи этого винта цилиндрический
уровень выводится в горизонтальное положение, после чего
берется отсчет по индикатору.
Несоосность геодезических знаков определяется из двух отсче-
тов по индикатору, полученных при двух положениях, отлича-
ющихся одно от другого на 180°. Точность работы центрира зависит
главным образом от чувствительности уровня и точности индика-
тора.
Общим недостатком механического и оптнко-механического
методов центрирования является громоздкость аппаратуры.
§ 26. Оптические центрировочные приборы
При монтаже и наладке различных сооружений для передачи
плановых координат с одного монтажного горизонта на другой
и для проверки положения конструкций по вертикали применяется
Таблица 21
Инструменты	увеличе- ние трубы а кратах	Зритсльна наименьшее расстояние визирования D М	я труба система отсчиты- вания	Цена деления уровня	Пределы работы инструмента по высоте (от-до) в м	Относитель- ная ошибка проектиро- вания	Примечания
Оптические центрпровочвые приборы с уровнем
OL (Керн)	22,5	0.8	—	20	До 100	1:50000	Имеет две
ZNL (Вильд) ОПП-2 (МИИГАиК)	10	0,6	—	20	2-100	1:30 000	зрительные
	—	—	Плоскопарал- лельная пластина	—	—	—	трубы
Прецизионный лотаппарат ПЛ	14	0,5	Окулярный микрометр	10	0,5-2,2	1 :60 000	
ОЦПУ	25	0.6	То же	4	0,6-10	1:30 000	
ОЦПП ОЦПФ	45	0,7 Постоянная фокуси- ровка	ПЛЪснопарал- лельная пластина	10 6	0.7-10 Постоянная фокуси- ровка	1:20 000	
Оптические цевтриры с компенсатором, автоматически приводящим визирную ось п отвесное положение
ОЦП PZL («Карл Цейсс», Йена) ОЦП «Надир» «Зенит» (МИИГАнК) Оптический	горизонт (ЦНИИГАиК)	174-303 31,5 3,1 354-40	Постоянная фокуси- ровка 2,2 1.0 1.0	Индикатор часового типа	10 8 (круглый уровень) 15-20	2-5 До 100 До 500 До 100	1 :150 000 1:700000 1:120 000	С добавле- нием плос- копарал- лельной пластины
272 Передача плановых координат на различные горизонты работ
большое количество стандартных и нестандартных оптических цен-
трировочных приборов (табл. 21), в которых визирная ось уста-
навливается вертикально по уровню, жестко скрепленному с
трубой, или при помощи само устанавливающегося компенса-
тора [18, 29, 60, 63].
Для повышения точности работ центрирование производят
на специально изготовленные цели (визирные марки). Поэтому
в описание приборов оптического центрирования включено описа-
ние конструкции визирных целей, получивших наибольшее при-
менение.
1. Оптический проектирующий прибор ОПП-2
Этот прибор разработан кафедрой прикладной геодезии
МИИГАиК [631 и предназначен для проектирования монтажного
створа, закрепленного струной.
Оптический проектирующий прибор ОПП-2 (рис. 114) состоит
из наклонно расположенной зрительной трубы 5, к которой жестко
Рис. 114. Прибор ОПП-2
Передача плановых координат на различные горизонты работ 273
прикреплены столик 6 н коническая ось 7. Последняя вставляется
в тщательно притертую втулку 8 подставки Р, имеющей три подъ-
емных винта 10. Во втулке, которая по размерам равна втулкам
центров опорных знаков, зрительную трубу со столиком можно
вращать и закреплять зажимным винтом 2. Визирный луч поело
прохождения окуляра и объектива попадает в пентапризмы и по-
сле преломления направляется вверх к точке визирования С
(струне). В конструкции предусмотрено, что продолжение этого
луча должно совпадать с осью вращения прибора и лежать в кон-
тактной плоскости 1. Для приведения оси вращения прибора в от-
весное положение на столике установлены два взаимно перпенди-
кулярных цилиндрических уровня 3.
Очевидно, что если ось вращения, а следовательно, и вертикаль-
ным визирный луч лежат в контактной плоскости 1 и прибор уста-
новлен так, что эта ось проходит через подвешенную вдоль монтаж-
ной оси струну, т. е. находится в створе монтажной осп, то и со-
ответствующие плоскости оборудования, совпадающие с контакт-
ной плоскостью 7, будут также находиться в створе монтажной
оси. Для ивмерения небольших отклонений (в пределах 2,5 мм)
прибор снабжен оптическим микрометром в виде плоскопараллель-
ной пластинки 4 с барабаном.
Исполнительная съемка направляющих путей длиной в 200 м,
смонтированных по струне прибором ОПП-2, показала, что сред-
няя квадратическая ошибка способа монтажной струны в сочета-
нии с оптическим проектиром ’ составляет 0,06—0,08 мм [64].
2. Прецизионный лотаппарат
Прецизионный лотаппарат [102] предназначен для центриро-
вочных работ при создании монтажного обоснования и предста-
вляет собой (рис. 115) зрительную трубу с внутренней фокусиров-
кой с увеличением 14х, укрепленную соосно с осью вращения
прибора. Предел фокусировки 0,5—2,2 м.
Ось вращения и визирная ось трубы устанавливаются в отвес-
ное положение при помощи 10-секундного уровня. Для принуди-
тельного центрирования прибор снабжен центрировочным шари-
ком. Отсчеты производятся по винтовому микрометру от компа-
раторного микроскопа.
Если появляется необходимость центрирования над точкой
Трегеров от базисного прибора БП-2, применяется вспомогатель-
ная втулка с внутренним диаметром 025,4 мм, равным диаметру
посадочного шарика прецизионного лотаппарата. Центрирование
при этом состоит из следующих операций:
1)	предварительного центрирования, выполняемого обычным
л отап паратом*,
18 Заказ 437
274 Передачи пляппвы.ч координат на различные горизонты работ
Рпс* ИЗ. Прецизионный лотапнарат
2)	замены оптического ло-
таппарата вспомогательной ка-
либрованной втулкой;
3)	окончательной установки
оси втулки оптическим преци-
зионным лотаппаратом над
пунктом обоснования, которая
выполняется перемещением
трогера по головке переход-
ного штатива до совмещения
наблюдаемого изображения
центра знака и пересечения
нитей сеткн; при этом под-
вижный биссектор механиче-
ского микрометра предвари-
тельно устанавливается па сред-
ний отсчет.
Последняя операция — уста-
новка оси втулки над пунктом
обоснования методом последо-
вательных приближений —
трудоемка. Однако подвижный
биссоктор позволяет оценить
положение оси втулки отно-
сительно центра знака. Вычисление линейного элемента центри-
рования е и его ориентирование в пространстве выполняются по
формулам
е = (КЛ- МО) а; МО = 1;л + 1!П ; д = (КЛА - МО) а-.
В=(МО-КЛв)а; е2 = А2 + В\ tg0 = -^,
где KJIt КII — отсчеты по барабанчику окулярного микрометра,
соответствующие расположению неподвижной нити вдоль элемента
внецентренности; А — проекция линейного элемента внецентрен-
пости на одно из направлений, выбранное за начальное; В —
проекция линейного элемента внецентренности на направление,
перпендикулярное к начальному; МО — отсчет по барабанчику
окулярного микрометра, соответствующий вертикальному поло-
жению визирной оси, совпадающему с осью вращения прецизи-
онного лотаппарата; а — цена деления барабанчика микрометра
для данной высоты штатива; 0 — величина углового элемента
центрирования.
Исследования показали, что средняя квадратическая ошибка
центрирования прецизионным лотаппаратом на расстоянии 1,2 м
составила 0,019 мм.
Передача плановых координат на различные горизонты работ 275
3. Оптический центрировочный прибор с уровнем
(ОЦПУ)
Прибор (рис. 116) разработан для центрировочных работ.
На столике, имеющем пустотелую цилиндрическую полукинемати-
ческую ось 7. укреплена труба 1. В центре столика перед объекти-
вом установлена призма 3, точка преломления которой совпадает
с осью вращения прибора, проходящей через центр посадочного
шарика Я, и с оптической осью трубы (призма может быть заме-
нена пентапризмой). Втулка 4 закреплена в подставке 5. Для точ-
ной установки в рабочее положение прибор снабжен компенса-
ционным четырехсекундным уровнем 2 с контактной призмой,
а подъемные випты 6 имеют шаг 0,5 мм. Для грубой установки
прибора имеется круглый уровень. Увеличение зрительной трубы
прибора 25х, пределы изменения фокусировки — от 0,6 м до <^>.
Методика работы с ОЦПУ заключается в следующем.
Устанавливают инструмент на геодезический знак, приводят
его в рабочее положение и визирную цель устанавливаемого гео-
дезического знака вводят в биссектор зрительной трубы ОЦПУ.
Исследования, проведенные в производственных условиях, по-
казали, что точность работы прибора для расстояний ие более
Рис. 11G. Оптический центрировочный прибор с уровнем (ОЦПУ)
18*
276 Передача плановых координат на различные горизонты работ
10 м составляет т — (0,03 L) мм, где L — расстояние от прибора
до цели в метрах. В зависимости от положения призмы визирова-
ние может производиться как вниз, так и вверх.
4. Оптический центрировочный прибор с подвижной
трубой (ОЦПП)
Этот центрир (рис. 117) предназначен для вертикального про-
ектирования с одного горизонта на другой и состоит из зритель-
ной трубы 3 с увеличением 45х, снабженной плоскопараллельной
пластинкой с отсчетным барабаном 6 и двумя 10-секундными уров-
нями 2, установленными взаимно перпендикулярно. На коорди-
натном столике 1 покоится втулка оси трубы которая посред-
ством винтов 5 имеет возможность микрометренного перемещения
в плане в пределах 0—20 мм.
Рпс. 117. Оптический центрировочный прибор
с подвижной трубой (ОЦПП)
278 Передача плановых координат на различные горизонты работ
У прибора вывинчивают окулярное колено и на его место уста-
навливают цилиндрический уровень с ценой деления 10". Ось
прибора по уровню устанавливают в отвесное положение. При
этом подвешенная линза компенсатора должна покачиваться
во всех направлениях. В противном случае ее нужно переместить
исправительными винтами.
Главная точка отрицательной линзы компенсатора должна
совпадать с оптической осью трубы. При этом изображение, види-
мое в трубу, должно быть хорошего качества. Размытость или
окрашенность изображения устраняют наклоном отрицательной
линзы компенсатора исправительными винтами, расположенными
в окнах кожуха.
Совпадение оси визирования с геометрической осью трубы
поверяют при помощи подвижной марки. Исправляют смещение
сетки нитей исправительными винтами.
Центрирование выполняют путем введения изображения
марки — объекта в биссектор сетки нитей ОЦП, установленного
во втулке геодезического знака. По исследованиям МИИГАиК,
средняя квадратическая ошибка центрирования не превышает
30 мкм.
6.	Оптический центрйровочный прибор PZL
фирмы «Карл Цейсс» (Йена) с насадкой
Центрир относится к приборам с самоустанав л и веющейся
отвесно линией визирования (рис. 118). Вертикальность положе-
ния линии визирования обеспечивается призменным компенса-
тором, укрепленным на маятнике. Маятник с компенсатором имеет
воздушное демпфирование и работает в диапазоне углов наклонов
±10'; ошибка, вносимая компенсатором, не более 0,15". Труба
имеет увеличение 31,5х; кратчайшее расстояние визирования
2,2 м. Центрир снабжен горизонтальным кругом с ценой деления
10' и микрометренным устройством. В табл. 22 показана точность
работы прибора, дополнительно оборудованного центрировочным
Таблица 22
Расстояние в м	Средняя квадратическая ошибка центрирования в мм	Визирная цель в мм
6,7	0.045	Штрих 0,5
16.3	0.062	Биссектор
22,6	0,070	Отверстие диаметром 0,7
Передача клановых координат на различные горизонты работ 279
шариком и п.н»с непараллельной пл а- <
пинком для отсчитывания, на раз-
личных расстояниях визирования по
одному из направлений [103].
В результате исследований уста-
новлено, что компенсатор прибора
работает с иедокомпенсацией, которая
равна 0,4" па каждые 1,7' наклона
инструмента в продольной плоскости.
Изменения ЛЮ при наклоне инстру-
мента в основном определяются его
конструктивными особенностями, важ-
нейшие из которых — смещение опти-
ческого центра объектива на 0,15 мм
на каждые 1.7' наклона. При работе
с прибором производительность тру-
да увеличивается на 20% по сравне-
нию с уровенными оптическими цеи-
трирами.
Рнс. 118. Оптический центрировочный прибор
PZL с насадкой
7.	Оптические центрировочные приборы «Надир»
и «Зенит»
Эти приборы предназначены для установки в проектное поло-
жение точек объекта, находящегося под прибором (ОЦПН) или
над прибором (ОЦПЗ), а также для измерения виецентрешюсти
указанных точек объекта от геометрической оси центрировочного
шарика прибора. В этих приборах в качестве зрительной трубы
использованы нивелирные трубы НСМ-2 с компенсаторами [601.
Прибор ОЦП (рис. 119) состоит из следующих основных частей:
зрительной трубы, пентапризмы в оправе, поворотного устрой-
ства, подставки с тремя подъемными винтами. Зрительная труба
и пептапризма установлены на кронштейне. Для уравновешива-
ния зрительной трубы относительно оси вращения прибора с опра-
вой призмы соединен противовес. На втулке, вращающейся па
полой оси, укреплено основание, па котором смонтирован стол,
перемещающийся по направляющей типа «ласточкин хвост».
Перемещение стола с закрепленным на нем кронштейном осуще-
ствляется при помощи микрометренного винта. Величина переме-
щения отсчитывается по шкале индикатора с ошибкой до 0,01 мм.
Прибор имеет закрепительный и наводящий винты. Установка
280
Передача плановых кооодиват па ра»личные горизонты работ
Рис. 119. Оптический центрировочный прибор ОЦП — «Надир»
оси вращения прибора в вертикальное положение производится
при помощи цилиндрического уровня с цной деления 15—20".
Конструктивно приборы ОЦПН и ОЦПЗ отличаются лишь поло-
жением пентапризмы, которая в первом случае отклоняет визир-
ный луч на 90° вниз, а во втором — вверх. Зрительная труба при-
бора имеет увеличение 30,5х, поле зрения 1°10', снабжена ком-
пенсирующим устройством. Компенсатор представляет собой си-
стему двух линз, из них положительная скреплена с объективом,
а отрицательная подвешена на четырех нитях, расположенных
трапецеидально. При наклоне трубы на угол а подвижная система
компенсатора наклоняется на угол 2,5 а по отношению к гори-
зонту. При этом внутренний луч остается горизонтальным, но
смещается параллельно себе на величину А, зависящую от}угла
наклона и фокусного расстояния компенсирующей линзы. Ошибка
установки линии визирования в горизонтальное положение 0,2 4~
4-0,5*, в пределах угла компенсации ±2'.
Пределы фокусировки трубы — от 2,5 м до бесконечности.
Для изменения предела фокусировки к прибору приложены две
насадки с I = 3000 мм (на расстоянии от 3 до 16 м) и I — 1600 мм
(на расстоянии от 1,6 до 1,0 м).
Чтобы измерить внецентрепность какой-либо точки объекта
относительно геометрической оси центрировочного шарика, не-
обходимо поворотом трубы прибора установить биссектор сетки
нитей параллельно одному из штрихов марки объекта и при по-
мощи микрометренпого винта ввести изображение этого штриха
Передача плановых координат на различные горизонты работ
281
Таблица 23
Ошибки ь мм	Наблюдаемая высота в м		
	3	44	80
Наведения		0.011	0,17	0,39
Центрирования 		0,014	0.35	0,62
в биссектор. Снимают первый отсчет по шкале индикатора. Затем
поворачивают трубу па 180°, снова вводят тот же штрих марки
в биссектор и снимают второй отсчет по индикатору.
Далее выполняют аналогичные измерения по другому штриху
марки, перпендикулярному к первому. Указанные намерения
составляют один полный прием. Для контроля измерений необхо-
димо выполнить два таких приема. Между приемами прибор цент-
рируется заново.
Для того чтобы центрировать точку объекта относительно
прибора, необходимо определить МО и, установив на индикаторе
прибора отсчет, равный МО, ввести ее изображение в биссектор.
После центрирования делают два контрольных измерения внецент-
ренности. Прибор между приемами центрируется независимо.
Прибор ОЦПЗ был предназначен для работ по установке обо-
рудования при строительстве Большого ускорителя. Однако
в связи с развитием в Москве высотного строительства прибор
нашел применение при строительстве здания Совета Экономической
Взаимопомощи, телевизионной бапшн в Останкине и высотных
домов па проспекте Калинина. Для этих целей он был модернизи-
рован. Согласно требованиям заинтересованных организаций, по-
садочная сфера прибора приспособлена для посадки в стандарт-
ный трегер от теодолита типа ТБ-1. Поэтому стало возможным па
строительстве центрировать прибор над любым геодезическим
знаком при помощи лотаппарата трегера. Впоследствии для этих
целей был разработан прибор с поворачивающейся на 90° пента-
призмой.
Исследование прибора производилось на высоте 3,0 м и на
строительстве телевизионной башни в Останкине на высотах 44
и 80 м. Результаты исследований приведены в табл. 23.
8.	Зеркальный оптический отвес
Оптический отвес, предложенный А. Г. Белевитиным к
Е. А. Исайкиным, состоит из 4 основных блоков (рис. 120) блока
верхней оптики 4, 5, б; блока нижней оптики 1, 2, 11\ фокусиру-
ющего блока (компенсатора, выполненного в виде карданного
282
Передача плановых координат на различные горизонты работ
подвеса с горизонтальным поло-
жением зеркала) 3\ блока переда-
ющей оптики 7, 8, 10 и окуляра 9.
Параллельные пучки лучей
проходят через объективы 1, 5
верхней и нижней оптики, отража-
ются от зеркала компенсатора 3
и при помощи призм 2, 4 напра-
вляются на сетки нитей 11.
Изображение сеток рассматри-
вается в окуляр 9 через блок пе-
Рис. 120. Зеркальный оптиче-
ский отвес
редающей оптики 7, 5, 10.
Компенсатор с горизонтальным
зеркалом подвешен на металли-
ческих скрещивающихся лентах.
Под действием силы тяжести зер-
кало устанавливается в горизон-
тальное положение и направляет
вертикальный луч визированпя
на сетку нитей.
Сетки нитей нижней и верхней оптики имеют перемещение
вдоль линии визирования и в двух взаимно перпендикулярных на-
правлениях перпендикулярно к линии визирования (для юсти-
ровки).
Чтобы добиться полной компенсации визирного луча, визируют
на рейку или марку на расстоянии 1,5—2 м и перемещением сетки
нитей вдоль линии визирования устанавливают ее в нужное поло-
жение, затем поворачивают инструмент на 180° и перемещают
сетку нитей в плоскости, перпендикулярной к линии визирования,
до тех пор. пока визирный луч не будет изменять своего поло-
жения.
Таким образом совмещается вертикальный луч верхней оптики
с вертикальным лучом нижней оптики.
Технические данные прибора
1.	Увеличение трубы прн фокусировке на беско-
нечность ....................................
2.	Диаметр свободного отверстия объектива . .
3,	Диаметр выходного зрачка .................
4.	Разрешающая сила трубы....................
5.	Удаление выходного зрачка ................
6.	Коэффициент дальномера ...................
7.	Пределы визирования.......................
8.	Цепа деления уровня ......................
9.	Точность отсчета центрировочного приспособ-
ления .......................................
10.	Работа прибора в пределах наклонов ....
11.	Ошибка компенсации!! визирного луча прп
10' наклона прибора в любой плоскости . . .
35 4- 40 v
55 мм
1.24 мм
' 3*
5,5 мм
100
От 1 м до ~
1' на 2 мм
0,05 мм
±10'
0,5*
Передача плановых координат на различные горизонты работ
283
12. Чувствительность компенсатора в диапазоне
наклонов 10'	............................ 0,2*
13. Наклон вертикальной оси при вращении . .	10*
9. Марка для центрировочных работ
Эта марка (рис. 121) состоит из корпуса 3 со втулкой 5. В кор-
пусе монтируются кулачки 2, посредством которых достигается
синхронное перемещение шторок 2. Шторки образуют перекре-
стие, центр которого соосен с внешним диаметром втулки 5 и кор-
пуса 3. Изменение ширины щели осуществляется поворотом кольца
4, связанного с кулачками 2. Для подсветки щели используются
лампочки и светофильтр, вмонтированные в корпус 3.
При работе марка вставляется посадочной калибровочной
втулкой в отверстие, центр которого требуется установить на за-
данной вертикали. Визируя на марку через оптический центрп-
ровочный прибор, совмещают пли оценивают несовпадение центра
перекрестия марки с визирной осью прибора.
Основные технические данные
1. Соосность центра перекрестия с осью посадочного
диаметра втулки .............................. 0,05 мм
2.	Диаметр посадочной втулки.................... 30 мм
3.	Пределы изменения ширины визирной щели . . 0—4 мм
4.	Габариты:
диаметр............................................. 74	мм
длина ....................................... 150	мм
5.	Масса ........................................... 2	кг
Марка с координатным перемещением и с посадочным вклады-
шем в основном предназначена для упрощения установки техноло-
гического оборудования на проект.
Рис. 121. Марка для центрировочных работ
284 Передача плановых координат на различные горизонты работ
Марка с координатным перемещением состоит из полого поса-
дочного вкладыша, в нижний конец которого может быть вста-
влена подсветка. На верхней плите, имеется призма со стеклянной
пластиной, на которой нанесено перекрестие. Призма имеет воз-
можность перемещения в двух взаимно перпендикулярных на-
правлениях.
Перемещение призмы измеряется двумя индикаторами часового
типа. Марка закрыта пластмассовой крышкой, в центре которой
имеется отверстие для установки подсветки. В зависимости ст
необходимости можно подсвечивать марку снизу или сверху.
Глава IX
Геодезические работы
при высокоточном монтаже
и контроле технологического
оборудования
§ 27. Методы и приборы, применяемые
при сборке отдельных элементов
в крупные блоки
Задачи инженерной геодезии при монтаже оборудования на-
столько разнообразны, что выработать какие-либо определен-
ные принципы и методы, общие для всех случаев, в настоящее
время невозможно. При монтаже элементов различных объектов
используется весь арсенал средств и методов, известных в инже-
нерной геодезии, метрологии, машиностроении, в тесном их пере-
плетенпи. Поэтому отразим подобные работы в основном на
примере сборки электромагнитов современных ускорителей заря-
женных частиц в Серпухове и Ереване в связи с тем, что при вы-
полнении данных работ предъявляются разнообразные требования
в части плоскостности, створностности, прямолинейности и т. д.
Приведенные расчеты хотя и носят частный характер, но они на-
глядно показывают, какие ошибки в ряде случаев необходимо
учитывать для достижения высокой точности при монтаже обо-
рудования. Основное оборудование сооружений собирают и уста-
навливают по геодезическим знакам, закрепленным на нем,
в местах, расположение которых зависит от конкретных инженер-
ных условий и требований. Положение центров знаков опреде-
ляют относительно геометрических или физических осей оборудо-
вания в процессе специальных калибровочных работ.
Блоки электромагнита ускорителей заряженных частиц явля-
ются основным и наиболее сложным элементом. Каждый блок элек-
тромагнита собирают с высокой точностью из отдельных пакетов.
Разбивка блока на отдельные пакеты целесообразна по техноло-
гическим соображениям. Пакеты монтируют на общей плите и вы-
веряют, Даже при соблюдении взаимной геометрии пакетов раз-
брос магнитных- характеристик в блоках, составляющих магнитную
286 Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования
систему ускорителя, приводит к искажению формы равновес-
ной орбиты. Устранение искажении равновесной орбиты дости-
гается в основном подбором такого распределения блоков по
кольцу и такого их расположения, которое меньше всего возму-
щает ее форму.
Блоки электромагнита Серпуховского ускорителя имеют по
пять пакетов, монтируемых на мостовых балках. Длина каждого
блока 11 м. По назначению блоки подразделяются на фокусиру-
ющие и дефокусирующие. Проектом предусмотрены группы бло-
ков укороченных и закрытых, конструкция которых незначи-
тельно отличается от перечисленных выше блоков. Орбитные гео-
дезические знаки установлены попарно на каждом пакете в рай-
оне орбиты. Опорными для всего блока являются крайние знаки
крайних пакетов. Масса балки с пакетами составляет 250 т.
Допуски на сборку пакетов в калибруемых блоках приведены
в табл. 24.
Блоки электромагнита Ереванского синхротрона подразде-
ляются па два типа наружный и внутренний. Каждый блок элек-
тромагнита состоит из фокусирующего и дефокусирующего полу-
блоков. Полублоки состоят из шести пакетов каждый и устано-
влены на отдельных шасси, которые, в свою очередь, смонтированы
на общей подставке. Каждый блок имеет три домкрата, позволя-
ющих перемещать его потрем координатным осям. На подставках
со стороны спины блоков иа кронштейнах установлено по два гео-
дезических плановых знака, призванных нести информацию
о положении орбиты в блоке. Пакеты изготовлены из листов
электротехнической стали толщиной 0,5 мм путем штамповки
и склейки эпоксидной смолой с последующей запечкой их при
i — 120° С. Так как в кольцевом зале ярма блоков попеременно
ориентированы к центру кольца и от него, то открытые и закрытые
пакеты входят в состав фокусирующих и дефокусирующих блоков,
что компенсирует отличие полублоков за ошибки в профиле
штампа.
Во всех блоках орбита представлена дугой окружности ра-
диусом 25,248 м.
Таблица 24
Источника ошибок
Отклонение в положении орбитных знаков пакета по высо-
те в мм ..............................................
Наклон пакета в поперечном направлении в сек..........
Уклонение пакетов от створа, фиксированного струной в мм
Уклонение в азимутальной установке смежных пакетов по
обработанным торцам полюсов в мм......................
Величина
ошибки
и,05
20
0,10
0,50
Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования 287
Таблица 25
Допуски
Величина
в мм
Взаимное положение центров пакетов в полублоке по ра-
диусу и высоте.........................................
Развороты по радиусу и перекосы во высоте пакетов в по-
лублоке ...............................................
Длина полублоков ......................................
Положение пакетов относительно красной линии для 12 па-
кетов со стороны зазора блока по высоте н радиусу . . ,
Положение пакетов относительно красной липин для 12 па-
кетов со стороны спины блока по высоте.................
Непараллельпость высотных красных линий для 12 пакетов
со стороны зазора и спины блока........................
Взаимное положение красных линий полублоков по радиусу
Длина блока ...........................................
0,07
0,15
0,05
0,10
0,15
0,15
0,05
1,00
Основные допуски на положение элементов блока приведены
в табл. 25.
За вероятнейшие оформляющие целесообразно принимать так
называемые красные линии, подсчитанные из условия минимума
суммы квадратов уклонений от нее центров пикетов полублоков
или блока. При анализе стабильности положения отдельных па-
кетов в блоке используется то свойство красных линий, что изме-
нение положения, например, одного пакета в блоке вызывает
лишь незначительное изменение в положении красной линии блока.
Все смещения элементов блока в направлении, перпендикулярном
к линии орбиты, принято условно называть радиальными, а вдоль
линип орбиты — азимутальными.
Изготовление пакетов на заводе производится партиями. В связи
с этим для уменьшения разбросов параметров блоков из каждой
партии в каждый блок целесообразно устанавливать по одному
пакету. Кроме того, пакеты обычно подвергаются предварительной
магнитной калибровке относительно пакетов, принятых за эта-
лонные. По данным магнитной калибровки пакетов, в процессе
которой устанавливаются величины отклонений их параметров
при различных полях, являющихся результатом неоднородности
магнитных свойств железа и ошибок изготовления, производится
компоновка их в полублоки и полублоков в блоки. Такая методика
комплектации пакетов себя полностью оправдала. Так, на Ере-
ванском синхротроне средний квадратический разброс по магнит-
ному полю между блоками оказался в 6—8 раз меньше, чем сред-
ний квадратический разброс пакетов в каждой партии.
Сборка блоков обычно разбивается на ряд этапов:
1-	Установка и контроль взаимного положения пакетов в по-
лу блоке (блоке) по радиусу и высоте.
288 Геодезические работы прн монтаже и контроле оборудования
2.	Установка и контроль взаимного положения полублоков
в магнитном блоке по высоте и радиусу.
3.	Установка пакетов по азимуту.
4.	Окончательная исполнительная съемка положения элемен-
тов блока.
5.	Установка геодезических знаков.
Иногда при сборке блоков возникает необходимость в выпол-
нении дополнительных к основным процессам операций. Для
крупных пакетов определяется их винтообразность. Для этого
лучше использовать электроконтактпый уровень, который уста-
навливается на разных точках вдоль базовых поверхностей пакета.
Обычно допустимое значение винтообразности составляет 30*.
На Серпуховском ускорителе при помощи нивелиров Ni-004
осуществлялась передача отметки с орбитных знаков на шаровые
реперы, расположенные па верхней плоскости пакетов. Эти реперы
использовались при окончательной сборке блоков в кольцевом
магнитном зале. На Ереванском синхротроне подобной операции
проводить не пришлось, так как положение пакетов по высоте
фиксировалось непосредственно по верхним базам, отметка кото-
рых была строго определена относительно орбиты.
Учитывая строительную и монтажную обстановку, сборку
блоков обычно проводят в несколько этапов. На первом этапе
производят предварительную сборку, при которой пакеты разме-
щают на балке (подставке) с ошибкой 2 мм. На втором этапе сборку
выполняют с ошибкой 0,1 мм, но без обмотки и кожухов. После
установки на третьем этапе обмотки и кожухов на четвертом —
последнем — этапе производят правку пакетов.
На Серпуховском синхрофазотроне разбивка на мостовой
балке 10 точек для предварительной установки пакетов в плане
осуществлялась при помощи струны диаметром 0,2 мм, разметоч-
ных дисков и вкладышей. Створ задавался между центрами смот-
ровых отверстий на мостовой балке. По натянутой струне рулет-
кой откладывали проектные расстояния до основания перпенди-
куляров, опущенных из проекций центров орбитных знаков
на ось, фиксированную струной. При помощи треугольника н ме-
таллической линейки восстанавливали и измеряли перпендику-
ляр до проекции орбитного знака. Контроль положения точек
под опоры пакетов осуществлялся методами, аналогичным и их
разбивке, но с большей тщательностью. Имея измеренные дважды
расстояния, подсчитывали уклонения и производили оценку
точности выноса проекции орбитного знака на мостовую балку.
Проекции 10 точек были накернованы на мостовой балке. Опера-
ции в процессе сборки проводили в такой последовательности:
1.	Электроконтактным уровнем с ценой деления ампулы 4'
на 2 мм определяли завалы пакетов в радиальном направлении.
При этом опорные пятки уровня электромагнитом прижимали
Геодезические работы ири монтаже и контрола оборудования 289
к базовым поверхностям пакета в местах, предварительно подго-
товленных для однообразного контакта уровня с базовой плоско-
стью пакета. Завалы пакетов могут также определяться методом
геометрического нивелирования или при помощи накладного
уровня с разнесенной базой. Завалы пакета устраняли при по-
мощи регулировочных устройств опор пакета. После этого крайние
пакеты перемещали по радиусу и азимуту до совмещения центров
их орбитных знаков с проекциями этих знаков на мостовой балке.
Совмещение проводили по нитяному отвесу.
2.	При помощи микронивелира с ценой деления уровня 4*
на 2 мм и индикаторного приспособления устраняли наклоны
в азимутальном направлении на крайних пакетах блока.
3.	Пакеты устанавливали в азимутальном направлении. Это
делалось при помощи 10-метровой стальной компарнрованной ру-
летки с нанесенными на ней проектными расстояниями между
орбитными знаками. Исходным служил левый орбитный знак
блока (относительно центра кольцевого сооружения по ходу
часовой стрелки).
4.	Устанавливали пакеты по высоте при помощи микрониве-
лира; при этом за исходную высотную точку принимался левый
орбитный знак блока. При установке пакета по высоте обращали
внимание на взаимное положение пакетов. Микронивелнр был
снабжен второй дополнительной опорой, что позволило его ис-
пользовать на протяжении всей длины блока при разных базах
нивелирования.
5.	Устанавливали пакеты по радиусу. Для этого при помощи
струны из немагнитного материала диаметром 0,2 мм, натяжных
устройств н грузов массой 5 кг задавался створ между крайними
орбитными знаками блока. В каждый орбитный знак всех пяти
пакетов вставляли вкладыш-шаблон с маркировкой, соответству-
ющей номеру орбитного знака и типу блока. Введение струны
в биссектор вкладышей осуществляли при помощи 10 микроско-
пов с ломаным тубусом типа МЛ-1. Микроскопы закрепляли на
специальных кронштейнах. Перемещением средних пакетов регу-
лировочными устройствами добивались такого положения, при
котором биссекторы вкладышей всех орбитных знаков занимали
проектное положение по отношению к створу, заданному струной.
Требуемой точности положения пакетов добивались обычно после
двух-трех приближений.
Для исполнительной съемки установленных пакетов в блоке
были созданы другие нестандартные модели оборудования. Вместо
10 микроскопов, жестко закрепленных на кронштейнах, приме-
няли 2 облегченных микроскопа с вкладышами и специальные на-
тяжные устройства. Натяжные устройства крепили к крайним
базовым плоскостям пакетов, используя их остаточный магнетизм.
Струну центрировали механически в конических пазах натяжных
19 Заказ 437
290 Геодезические работы при монтаже я контроле оборудования
Рис. 122. Схема компарпрованпя
индикаторных шаблонов
устройств. Начальное совме-
щение струны с центрами край-
них орбитных знаков осуще-
ствляли при помощи микро-
метренных винтов натяжного
устройства и микроскопов,
вставляемых во втулки край-
них орбитных знаков. По-
следовательным перемещением
по одноименным пазам натяж-
ных устройств струна прохо-
дила соответственно по центрам
двух орбитных знаков, распо-
ложенных симметрично отно-
сительно орбитных знаков среднего пакета. Микроскоп отфоку-
сирован па перекрестие вкладыша; последний жестко закреплен
с тубусом микроскопа. Перекрестие вкладыша микроскопа
точно совпадает с центром втулки орбитного знака. Фокуси-
ровку на струну производили поднятием или опусканием вкла-
дыша микроскопа во втулке орбитного знака.
Монтаж пакетов в блок осуществляли без обмоток и кожухов.
После того как были смонтированы обмотки и кожухи, положе-
ние пакетов в блоках изменилось как в плане, так и по высоте
п в большинстве случаев выходило за пределы установленных до-
пусков. В результате возникает необходимость в юстировке паке-
тов в блоке (но уже с обмоткой и кожухом), которая осуществля-
лась иным путем в связи с тем, что доступ к орбитным знакам за-
труднен. В этом случае применяли четыре облегченных микро-
скопа с универсальным юстировочным кронштейном. Кронштейн
крепили к пакету напротив орбитных знаков; при этом использо-
вали его остаточный магнетизм и замыкали полюса двух базовых
плоскостей пакета.
Если размеры блока (полублока) небольшие, для установки
пакетов по радиусу и высоте можно с успехом применять индика-
торные шаблоны, конструкция которых освещена в главе VI.
На Ереванском синхротроне для юстировки блоков по высоте
шаблоны устанавливали вертикально на верхние базовые поверх-
ности пакетов.
При определении положения пакетов в полублоке по радиусу
шаблон устанавливали горизонтально на кронштейнах, укреплен-
ных в теле блока, н ориентировали центральной стрелкой-указа-
телем симметрично относительно центра полублока с ошибкой
1 мм. При снятии отсчетов по индикаторам достигался контакт
всех трех опорных точек упоров шаблона с боковыми базовыми
поверхностями пакетов. В случае несоблюдения допусков произ-
водили доводку пакетов в проектное положение при помощи
Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования 291
калиброванных прокладок между упором шасси и пакетом или
между верхней базой шасси с пакетом в зависимости от характера
отклонения в положении пакета. Компарирование шаблонов в этом
случае заключается в нахождении величин xt, (рис. 122). Теку-
щая расчетная ордината определяется по формуле
х2 — х?	4	/ Х-—xj \1
т2_г2	/ т2—г2	\ 1
(142)
где х — средняя абсцисса крайних индикаторов; В — радиус кри-
визны расстановки пакетов; xt — текущая абсцисса ножки индика-
тора; At — поправка за сдвижку пакета, предусмотренная тех-
ническими условиями; хУ1 — абсцисса левого упора; xVi — абс-
цисса правого упора; xt отя — абсцисса всех точек шаблона отно-
сительно левого упора; а — расстояние между упорами.
Формула (142) носит частный характер, она получена для кон-
кретного случая расположения пакетов в полублоке Ереванского
синхротрона и приведена здесь как пример.
Работу по определению взаимного положения полублоков
по высоте лучше выполнять методом геометрического нивелирова-
ния восьми фиксированных точ$к, расположенных на верхних
базах крайних в полублоках пакетов, но можно для этих целей
использовать и микронивелиры.
Контроль установки пакетов по азимуту обычно выполняется
по результатам замеров штангенциркулем зазора между пакетами
по обработанным торцам полюсов.
На Ереванском синхротроне установка и контроль планового
положения полублоков производились, как и в Серпухове, при
помощи струнного прибора, в комплект которого входят два крон-
штейна с микроскопами и два кронштейна для струны. Кронштей-
ны с микроскопами устанавливали на внутренние крайние пакеты
полублоков, кронштейны для струны устанавливали на наружные
крайние пакеты полублоков. Крепление кронштейнов произво-
дили в ласточкином хвосте пакетов блока; при этом базовая пло-
скость кронштейна контактировала с боковой радиальной базой
пакета. Компарирование кронштейнов заключалось в определении
расстояния от оси микроскопа до базы и от бокового упора до оси
микроскопа. После вычисления по результатам компарирования
номинальных отсчетов по микроскопам на один из краев струны
с учетом поправки за положение красных линий в полублоках
приступали к собственно установке полублоков во взаимное про-
ектное положение, которая осуществлялась путем подвижки
обоих краев одного из шасси. Контроль планового положения
19*
292 Геодезические работы при монтаже й контроле оборудования
полублоков может также производиться при помощи створного
прибора.
После окончательного монтажа блоков обязательно произво-
дят их полную исполнительную съемку и вычерчивают оконча-
тельную картину расположения пакетов.
Красные линии полублоков (блоков) рассчитывают исходя
из условия минимума суммы квадратов уклонений центров паке-
тов от красной линии, т. е. [6я] = min. В связи с тем что красная
линия практически параллельна оси х, можно считать бк —
= Ду*. Если у = сх 4- d — искомое уравнение прямой, то усло-
вие [6*1 = min можно представить в виде
F — 2 (сх/ + d—y\)2 = min
i-l
или
F = с*2 xj 4- 2cd2 xz4- wd2 — 2c2 y\xi — 2d 2 — X У? = min»
И1	i-l	i“l	i-l f=l
(143)
где X/ и yt — координаты центров пакетов; n — число элементов
(пакетов) в блоке.
Для выполнения условия (143) необходимо, чтобы =
ЭР Л
“аЗ-= °» т- е-
п	п	п
с\ x’4-d2 я, —2	= 0
1=1	i-l	i-l
п	п
с Xt 4-nd— 2 — °
(144)
Решив систему уравнений (144) и введя обозначения
п	п
а = £хь b = ^xj,
получим
п	п
п S v'iz‘~aY
i—1	1-1
nb — а2
d =
ь2у!“в2у!х/
i-l____i-l
nb —fl2
Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования 293
Однако удобнее искомое уравнение прямой привести к виду,
который позволял бы строить ее от центров пакетов. Тогда иско-
мое расстояние от центров пакетов до прямой примет вид
n2 а2
\ = Ду. = У - Уь ° - 1 nb --Jr'1—	'
6 2 y'iXi
В уравнении (145) первые два члена — уравнение вероят-
нейшей прямой, — текущие координаты центров пакетов.
Величины уь получены из съемки положения пакетов индикатор-
ным шаблоном (по высоте — среднее положение из показаний двух
индикаторов для данного пакета, по радиусу — среднее из укло-
нений показаний индикаторов от теоретических), струнным или
створным приборами.
Если на Серпуховском синхрофазотроне орбитные знаки име-
ются на каждом пакете и их установка производилась до оконча-
тельной комплектации пакетов в блоки, то на Ереванском синхро-
троне установка знаков производилась после окончательного
монтажа блока. В связи с этим установка их имела особенности,
которые целесообразно рассмотреть в качестве примера.
Геодезические знаки на подставке блока предназначались
для высокоточной установки блоков на стенде магнитной кали-
бровки с целью определения поправок ЛЯ и АЛ в их положение
и для установки блоков в кольцевом магнитном зале. Процесс
установки разбили на несколько операций
1.	Установка блоков в горизонт по высотным красным линиям.
Установка блоков в горизонт осуществлялась таким образом,
чтобы только красная линия зазора находилась в горизонте,
красная же линия спины ставилась таким образом, чтобы лишь
ее средняя точка лежала в горизонтальной плоскости красной
линии зазора. Это обусловлено тем, что красная линия зазора
лежит в районе орбиты н ее положение является определяющим.
2.	Установка знаков на кронштейн с ошибкой 1 мм, штиф-
тов к а кронштейнов и нижних фланцев головок знаков.
Установка знаков на кронштейнах с ошибкой 1 мм произво-
дилась с целью определения запаса хода в координатном устрой-
стве знаков для последующей точной корректировки их поло-
жения.
3.	Установка знаков по радиусу.
4.	Установка знаков по азимуту симметрично относительно оси
блока с последующей корректировкой их положения по радиусу.
294 Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования
Установку знаков по радиусу осуществляли при помощи
оптического центрировочного прибора (ОЦП) и жестких крон-
штейнов с визирной целью. Этот прибор устанавливали на знак
блока, кронштейн крепили к крайнему пакету блока со стороны
опины и боковым упором упирали в текстолитовую щеку блока.
В положение знака по радиусу необходимо вводить поправку
1? = ^ + ^ + ^
где их — поправка за отклонение длины пакета по радиусу от
номинальной величины, которая достигала в ряде случаев 0,25 —
0,28 мм; — поправка за положение красных линий в крайних
пакетах блоков; v9 — поправка за отклонение расстояния от базы
кронштейна до оси перекрестия целика от номинального значения,
по азимуту
которая определялась из компарирования.
В процессе сборки блоков знаки на подставке устанавливали
симметрично радиальной оси блока.
Ввиду того что допуск на разворот пакета по базам со стороны
зазора составлял 0,15 мм на базу 150 мм, разворот пакета по его
длине с противоположной стороны мог достигнуть 0,7 мм. Если
учесть отсутствие хорошей боковой базы на щеках крайних паке-
тов блока, то крепление кронштейна вносит еще дополнительную
ошибку в положение его целика по азимуту. В связи с этим про-
изводился вынос поперечной оси блока и расстановка обоих зна-
ков симметрично ей. Для этого предлагается следующая методика.
Между полублоками вво-
дится прозрачный клин с нане-
сенным посередине биссекто-
ром. Другие две точки 1 и 3
фиксируются при помощи игл.
Таким образом, на орбите име-
ются три точки, причем геомет-
рия их такова, что Lx — L2
(рис. 123). Если найти точку 4
под условием, чтобы ах --- а2,
то ось блока будет опреде-
ляться направлением 4—2.
В районе точки 4 на металли-
ческом штативе устанавливается
координатный столик с поса-
дочной втулкой, при помощи
которой осуществляется прину-
дительное центрирование тео-
долита ТБ-1. По неравенству
углов — а2 рассчитывается
величина смещения знака
Геодезические работы при монтаже п контроле оборудования 295
в точке 4. Так, при S — 1,25 м, оц — а2 = 10* величина смеще-
ния знака равна 50 мкм. Далее выводят точку 5 на ось блока,
используя головку геодезического знака и щелевую марку.
Установив теодолит на точку 5, визированием па точку 2 воспро-
изводят ось блока, относительно которой знаки блока устанавли-
ваются симметрично с соблюдением проектного расстояния между
ними (2900 мм для внутренних и 3000 мм для наружных блоков).
После установки геодезических знаков по азимуту производится
корректировка их положения по радиусу описанным выше спо-
собом.
Геодезические измерения, выполнявшиеся при сборке блоков
по описанным методикам, сопровождались ошибками, величины
которых приведены в табл. 26.
Указанные ошибки расположения элементов блока являются
ошибками в его геометрии. Это в равной степени относится и к
ошибкам расположения знаков на подставке блока, которые гео-
метрически привязывались к базовым поверхностям или другим
физическим точкам блока. Положение же всех элементов блока
относительно его фактической орбиты можно определить лишь
в результате магнитной калибровки.
В некоторых случаях калибровка магнитных блоков сопрово-
ждается комплексом высокоточных геодезических работ, имеющих
ряд особенностей, которые рассмотрим на примере Ереванского
синхротрона.
Калибровка блоков Ереванского ускорителя производится
на специально оборудованном стенде. До и после калибровки
производится обмер блоков для установления стабильности по-
ложения его элементов в результате транспортировки.
Калибруемый (внутренний или наружный) и запоминающий
(наружный или внутренний) блоки устанавливаются одип против
другого на специальных фундаментах, развязанных с полом и опи-
рающихся на скальные породы. Между блоками располагается
массивная станина, по направляющим которой перемещается
специальное калибровочное приспособление. На суппорте кали-
бровочного приспособления консольно закреплены две стеклотек-
столитовые стрелы с измерительными элементами, выставлен-
ными по радиусу и азимуту относительно геодезических визирных
целиков стрелы. «Запоминающий» блок служит эталонным для
всей серии калибруемых. Кроме того, на стенде магнитной ка-
либровки располагается так называемый «опорный» блок, последо-
вательно включенный с калибруемым и запоминающим в резо-
нансный контур стабилизированной системы питания.
Требования к точности геодезических работ при калибровке
приведены в табл. 27.
Для установки калибруемых блоков по высоте относительно
орбитной линии, проходящей через катушки стрелы, и для опре-
296	Геодезпческпе’’работы при монтаже п контроле оборудования
Таблица 26
Ошибки
Величина
ошибок
Н а Сер пуховском синхрофазотроне
Средняя квадратпческая ошибка измерения положения сред-
него пакета по радиусу в мы.........................
Средняя квадратическая ошибка измерения положения лю-
бого пакета по высоте в мм..........................
Средняя квадратическая ошибка измерения положения пя-
того пакета по азимуту в мм.........................
Средняя квадратическая ошибка измерения завала пакета
в радиальном^направлении в сек .....................
На Ереванском синхротроне
Определения положения одной точки пакета по радиусу в мм
Взаимного положения центров двух пакетов в полублоке по
радиусу в мм........................................
Взаимного положения двух точек полублоков по высоте в мм
Взаимной установки полублоков в магнитном блоке в про-
ектное положение по радиусу в мм....................
Установки геодезяческого знака на подставке блока по ра-
диусу в мм..........................................
Установки внака относительно поперечной оси блока по ази-
муту в мм...........................................
0,037
0,010
0,5
10
0,05
0,08
0,07
0,13
0,08
0,23
Таблица 27
Допуск п	Величина в мм		
	радиус ля	высота ЛН	азимут
Положение блоков при установке их из стен- де относительно целиков стрелы калибровоч- ного приспособления		0,20	0,20	0,50
Перекосы калибруемого блока по высоте: а) в азимутальном направлении (по дли- не блока) 			0,20	.	
б) в радиальном направлении (по ширине блока) . . . 				0,05	—
Перекос калибруемого блока в плаве ....	0,20	—	—
Средняя квадратическая ошибка определения положения блока в плане и по высоте до и после калнбровкп относительно фпксвро- ванных точек стрелы		0,05	0.05	0,10
Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования 297
деления стабильности положения блока по высоте в период ка-
либровки установлено два шкаловых стенных репера, представля-
ющих собой инварные стержни с верхней и нижней шкалками.
Шкаловые реперы служат для связп нижнего горизонта (стрелы)
с верхним горизонтом (блока). Все передачи отметок производятся
ннвелнром Koni-007 тремя приемами.
Для установки блоков в проектное положение по радиусу
и азимуту относительно фактической орбиты и для определения
стабильности положения блоков в период калибровкн на стенде
создана локальная плановая опорная геодезическая сеть, которая
состоит из двух геодезических четырехугольников, геометриче-
ская связь которых осуществляется геодезическими целиками
стрел калибровочного приспособления. Знаки геодезических че-
тырехугольников располагаются на бетонных пилонах, не связан-
ных с полом, для уменьшения влияния вибраций на их положение.
Геодезические работы по созданню опорной сети разбивались
на ряд операций:
1. Установка стрелы калибровочного приспособления в среднее
проектное положение. Стрела калибровочного приспособления
имеет три рабочих положения. В среднем положении производятся
магнитные измерения положения центра блока по азимуту, сред-
ней плоскости по высоте, установка и контроль плановой геодези-
ческой сети, высотная проверка положения стрелы и блоков стен-
да. Среднее положение стрелы определяется при помощи оптиче-
ского цснтрира путем многократного прогона целиков над одним
из знаков сети и фиксируется при помощи специальных индикатор-
ных приспособлений.
2. Установка пунктов сети 7, ZZ, V, VI (рис. 124) в проектное
положение относительно целиков стрелы при помощи ОЦП. Пер-
воначально устанавливаются пункты I в V. Затем стрела передви-
гается в крайнее положение так, чтобы целик 2 установился над
пунктом II и целик 3 — над пунктом VI, Методом последователь-
ных приближений добиваются
а)	соблюдения расстояния 3,000 м между пунктами I и II
и 2,900 м между пунктами V и VI;
б)	совмещения центров пунктов II и VI соосно с целиком на
стреле по радиусу.
3. Установка пунктов сети III, IV, VII, VIII в проектное
положение путем доведения расстояний между знаками до номи-
нальных величин. Прн этом диагональные направления являются
контрольными.
4. Исполнительные измерения сети. После установки всех
пунктов сети в проектное положение производится полный конт-
рольный обмер, состоящий в определении несоосности знаков I,
II* V, VI с целиками стрелы и в намерении всех стороп четырех-
угольников.
298 Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования
Рис. 124. Схема геодезической сети стенда магнитной кали-
бровки Ереванского синхротрона
Короткие стороны четырехугольников измеряют жезлом с жест-
ким мерным телом длиной 1,5 м. Все длинные стороны и диагонали
четырехугольников измеряют жезлом длиной 3,0 м, который имеет
соответствующий набор шкал.
Одна из ответственных операций на стенде магнитной калиб-
ровки — установка блоков в проектное положение. Установка
блоков по высоте осуществляется прецизионным нивелированием
путем выведения красных линий блока в горизонт на проектную
отметку. Для устранения люфтов и возможных осадок блока дви-
жение домкратов при этом всегда производится на подъем. Уста-
новка блоков в плане производится при помощи оптического
центрира путем установления соосности втулок знаков на блоке
и наружных знаков четырехугольников сети стенда. Для того
чтобы в последующем уменьшить радиальную поправку в поло-
жение блока, при окончательной установке учитывается поправка
за температурные деформации сети стенда.
Исполнительная съемка положения блоков па стенде осущест-
вляется после их установки (до калибровки) и после калибровки.
Обе съемки производятся одними и теми же методами с целью
обнаружения возможных сдвигов блоков в процессе калибровки.
В ряде случаев сдвиги достигали 0,3 мм. В таких случаях произ-
водилась повторная калибровка.
Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования 299
В радиальное положение блока
относительно целиков стрелы для
каждого калибруемого блока до
и после калибровки определяются
поправки
ув = У/?! 4- Уд, 4- • • • 4- Уд,»
где vRl — за несоосность знаков
сети стенда с целиками стрелы;
VRt — за непараллельность оси
целиков направлению движения
стрелы; vRt — за наклон целиков
стрелы в радиальном направле-
нии; Vr* — за длину радиальных
сторон сети; vr^ — за неверти-
кальность втулок внутренних зна-
ков четырехугольников; vRt — за
невертикальность втулок наруж-
ных знаков четырехугольников;
Уд7 — за несоосность знаков
стенда и знаков блоков; Уд, — за невертикальность втулок
знаков на блоке; vR* — за счет перекоса по высоте.
При исполнительных съемках положения блоков по высоте
особое внимание уделяется перекосам блока в поперечном напра-
влении (рис. 125). Действительно, Дг = г —гсозю. Дифферен-
цируя, получаем
, .	dat
Удв = а &r = г sin (о -—,
^,=6, = 850-^2-.
Но
, ДА
^=-580 *
------ 730 ---—Н-Дг*
Рис. 125. Смещение орбиты от
перекоса блока
где ДЛ — перекос блока.
Тогда
уд9 e6t= 1,466 ДЛ.
Формула для вычисления положения оси блока по азимуту
относительно пункта V при калибровке внутренних блоков и пунк-
та 7 при калибровке наружных блоков для обоих четырехуголь-
ников
и л = vA) 4----g
МЧ ^”а44-"а,
2
где Уа1 — поправка за взаимное положение четырехугольников
по азимуту; vAf1 vAt — уклонение наружных знаков сети от про-
-300 Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования
Таблица 28
Ошибки	Величина ошибки в мм
Определения положения одной точки блока по высоте отно- сительно базовой поверхности катушки стрелы 		0.03
Суммарная ошибка определения положения блока по радпусу	0,05
Ошибка определения положения оси блока по азимуту . .	0.03
ектного положения за счет внутренних деформаций сети; vAt
и иА* — уклонение по азимуту знаков блока от знаков сети.
В табл. 28 указана точность выполнения геодезических работ
на стенде калибровки Ереванского синхротрона.
Методика геодезических работ, примененная на степде кали-
бровки Ереванского синхротрона, полностью обеспечила выпол-
нение требуемых технических условий и может быть с успехом
применена при аналогичных работах.
Магнитная калибровка показала высокое качество сборки
блоков. Так, средний квадратический разброс однотипных блоков
по полю находится в пределах 0,08% для поля инжекции и 0,06%
для средних и больших полей. Для полублоков средний квадра-
тический разброс по градиенту равен 0,14% для поля инжекции
и 0,1% для средних и больших полей.
§ 28. Методы и приборы, применяемые
при монтаже и контроле крупных
блоков в единый технологический
комплекс
Отдельные блоки или крупногабаритное оборудование устана-
вливают, как правило, на специальные фундаменты с закладными
деталями или опорными плитами, к которым закрепляют оборудо-
вание после окончательной юстировки его положения.
Перед началом монтажных работ во избежание дополнитель-
ных трудоемких транспортировок оборудования обязательно про-
водят тщательный контроль положения основных закладных дета-
лей фундаментов.
Установку крупногабаритного оборудования (блоков) произво-
дят от опорной плановой и высотной сетей. Плановые сети про-
ектируют и создают таким образом, чтобы привязки к ним знаков
блока были наиболее простыми и точными. Наилучшим вариантом
Геодезические работы прп монтаже я контроле оборудования 301
следует признать такой, при котором процесс монтажа сводится
к установке геодезических знаков блоков или агрегатов над или
под соответствующими пунктами опорной плановой сети при
помощи высокоточных центрпров.
Из-за организационных или технических трудностей не всегда
удается создать настолько густую опорную сеть, чтобы каждому
знаку блока плп агрегата соответствовал знак опорной сети, входя-
щий в единую систему уравнивания. В этих случаях опорная сеть
сгущается дополнительными пунктами, вынос которых в проект-
ное положение осуществляется от сторон опорной сети методами
перпендикуляров, прямоугольных координат, полярных коорди-
нат, угловых и линейных засечек.
При примененип метода перпендикуляров обычно используют
створный прибор, ориентируемый ио линии опорной сети; перпен-
дикулярное направление выносят при помощи пентаприэменного
прибора, а линейные измерения производят компарированными
инварными или стальными рулетками (в зависимости от требуемой
точности). При применении метода полярных координат и угловых
засечек для задания направления применяют оптические теодоли-
ты ОТ-02, ТБ-1, ТЕО-010 с принудительной посадкой. Метод ли-
нейных засечек при высокоточных работах применяют сравни-
тельно редко. После сгущения опорной сети дополнительными
пунктами производят установку блоков путем высокоточного
центрирования. Такая схема плановой установки применена на
Серпуховском ускорителе, где установку блоков в проектное
положение производили методом прецизионного оптического или
механического центрирования над подорбитными знаками. Ко-
личество подорбитных знаков равнялось количеству знаков на
блоках. Подорбитные знаки выставляли от кольцевой опорной
сети методом полярных координат или перпендикуляров. Основа-
ния перпендикуляров фиксировали специальными жезлами, ко-
торые вводили в створ линии опорной сети высокоточным опти-
ко-механическим створением. Направления на подорбитные зна-
ки задавали теодолитом ТБ-1 или ТЕО-010. Все необходимые ли-
нейные элементы при выносе подорбитных знаков измеряли инвар-
ными лентами или измерительными жезлами.
Опорные сети нередко размещают на одном горизонте со зна-
ками устанавливаемого оборудования. В этом случае, как правило,
сгущение опорной сети производят лишь промежуточными зна-
ками, лежащими в створе смежных знаков опорной сети, от кото-
рых затем производят установку оборудования. Такую же схему
расстановки обычно применяют при строительстве антенных
систем, где антенные колонки располагают непосредственно на
поверхности земли.
В каждом сооружении имеется вспомогательное оборудование,
которое необходимо устанавливать с несколько меньшей точностью,
302 Геодезические работы при монтаже и контроле оборудования
чем основное. Основное оборудование устанавливают в проектное
положение с точностью 0,1 -Н 0,3 мм, а вспомогательное (экспери-
ментальное оборудование, вакуумные установки и камеры, системы
охлаждения и др.) с точностью 1 4- 5 мм. Такое оборудование
устанавливают либо от предварительно вынесенных монтажных
осей, либо от оборудования, установленного с большей точностью
при номощи различных шаблонов, удобных для конкретных
условий. Вспомогательное оборудование устанавливают либо по
базовым поверхностям (базовым плоскостям, образующим ци-
линдра для цилиндрического оборудования, и т. д.), либо по спе-
циальным знакам или меткам, регистрирующим оси обору-
дования. Метки в виде точек или крестов выносят заранее на
корпусах оборудования при помощи отвесов, линеек, уголков
и др.
В инженерно-геодезической практике успешно применяют
различные способы расстановки оборудования по прямой линии,
например, от знаков линейных опорных сетей, принципиальные
схемы которых подробно рассмотрены в главе II.
Секции инжектора и оборудование участка ввода Ереванского
синхротрона устанавливали по их геометрическим осям методом
прямого оптического створения створным прибором фирмы «Карл
Цейсс» (Иена). Геометрические оси оборудования воспроизводили
специальными марками-вкладышами с постоянными или раздвиж-
ными целями. При визировании на различные расстояния учиты-
вали значения места нуля прибора, зависящие от хода фокуси-
рующей линзы.
Порядок работ при монтаже инжектора Серпуховского уско-
рителя практически сводился к следующему.
От опорной сети инжектора методом многократных прямых
засечек устанавливали в проектное положение закладные детали
и фундаментные балки с ошибкой 1—2 мм. Установку вакуумных
кожухов осуществляли центрированием отверстий под трубки
дрейфа над заводскими метками на балках при помощи отвеса.
Наиболее ответственный этап работ — установка трубки дрейфа
от вынесенных осей, которую осуществляли по методу последова-
тельных створов с использованием микротелескопа и мишеней
фирмы «Тейлор — Гобсон». Центрировали прибор и ориентирную
мвшень при помощи принудительной посадки шаровой поверх-
ности в коническое гнездо с ошибкой 5 мкм. Во вход и выход
трубки дрейфа вставляли специальные центриры, на которые
подвешивали маятниковые мишени [43, ИЗ]. Центры мишеней
выставляли на проект по створу и высоте с требуемой точностью
по микротелескопу.
Для установки трубки по длине подвешивали инварную компа-
рированную рулетку с натяжением 10 кг, которую располагали
несколько выше трубок дрейфа. Нуль рулетки совмещали с базо-
Геодезические работы при монтаже н контроле оборудования 303
ной внутренней поверхностью резонатора. Во вход и выход трубки
вставляли вкладыши с перекрестиями. В качестве отсчетного
приспособления использовали второй микротелескоп с пентапрпз-
менной насадкой. Прибор прикрепляли к специально сконструи-
рованной каретке, перемещаемой вдоль резонатора. После уста-
новки трубки по длине вновь проверяли ее положение по створу
и высоте. Несколькими последовательными приближениями труб-
ку устанавливали в проектное положение.
Когда имеется несколько параллельных технологических ли-
ний, нецелесообразно делать несколько опорных осевых створов.
В этом случае создается единый опорный створ (линейная плано-
вая сеть), от которого специальными длинномерами осущест-
вляется перенос базовой прямой в район установки оборудования.
Такая схема была принята при установке технологического
оборудования каналов транспортировки пучков эксперименталь-
ной базы Серпуховского ускорителя, где оборудование устана-
вливалось по геодезическим знакам, привязанным к магнитным
осям от монтажных створов, восстанавливаемых по длинномерам
оптическим методом общего створа. При этом использовались
створные приборы типа «Тейлор — Гобсон», инварные жезлы
с индикаторами часового типа и визирными целями.
Установка основного оборудования по высоте, как правило,
производится методом геометрического нивелирования от реперов
опорной и рабочей высотных сетей. При этом применяются ниве-
лиры НА-1, Ni-004, Koni-007, Ni-ВЗ с комплектом специальных
реек, устанавливаемых на базовых поверхностях или шаровых
реперах оборудования. Вспомогательное оборудование устана-
вливают либо от опорной высотной сети, либо от смежного основ-
ного оборудования методом геометрического или гидростатиче-
ского нивелирования. Для этих целей применяют также микро-
нивелирование.
На прецизионных сооружениях, как правило, необходимо
проводить циклические контрольные измерения положения всех
элементов методами, используемыми при установке оборудования,
и при помощи различных систем с дистанционным съемом инфор-
мации. Затраты на создание таких систем оправдываются при
многолетней эксплуатации сооружения.
Глава X
Применение приборов
метрологической
и машиностроительной
измерительной техники
для высокоточных работ
§ 29. Измерительные машины
и микроскопы
Измерительные машины предназначены для непосредственны
и сравнительных измерений линейных размеров концевых мер 150
Отечественная промышленность выпускает четыре модели из
мерительных машин (ИЗМ-10, ИЗМ-11, ИЗМ-12 и ИЗМ-13), ана
логичных по конструкции и отличающихся между собой тольк
верхними пределами измерений, соответственно 1, 2, 4 и 6 м
Гарантийная ошибка измерительных машин при соблюдение
температурного режима и измерении мер длиной более 0,1 j
не выходит за пределы
(0,001+Д.10'*) мм,
где L — измеряемая длина в миллиметрах.
Машины ИЗМ не были приспособлены для измерения штри
ховых мер. Представляет интерес приспособление к ИЗМ-11
изобретенное на кафедре прикладной геодезии МИИГАиК [7, 77]
для контроля штриховых мер (рис. 126).
Дополнительное приспособление для компарирования штри
ховых мер состоит из кронштейнов для двух микроскопов компа
раторного типа, правого и левого, которые крепятся к измери
тельным бабкам машины. Кронштейны имеют исправительные
винты, позволяющие в небольших пределах изменять наклей
микроскопов в двух взаимно перпендикулярных направлениях
Левый кронштейн, кроме исправительных впнтов, имеет каретку
для перемещения микроскопа в горизонтальном направлении
В комплект приспособления входят четыре бортовых столика
перемещающихся в вертикальном направлении, а в верхней пло
Применение приборов метрологической п машиностроит. техники ЗОБ
Рис. 126. Измерительная машина ИЗМ-11
скости столика в направлении, перпендикулярном к направля-
ющей станины.
Для определения расстояния между нулями шкал микроско-
пов в комплект приспособления входит инварный жезл. После-
довательность действий при компарировании штриховых мер при
помощи приспособления к ИЗМ-11:
1. При совмещенных нулевых штрихах метровой, стомиллимет-
ровой шкал и шкалы трубки оптиметра при помощи инварного
жезла, лежащего па бортовых столиках, определяют расстояние
между нулями шкал левого и правого микроскопов (имеется в виду,
что микроскопы стоят вертикально и объективы находятся на од-
ной высоте).
2. Определяют расстояние между штрихами измеряемого ив-
делия, уложенного на бортовые столики.
Взяв отсчеты по метровой, стомиллиметровой шкалам и обоим
микроскопам, длину измеряемой меры можно получить по формуле
L ~ Lq + Zq + (27 — Л),
где — отсчет по метровой и стомиллиметровой шкалам; Zo —
постоянная между микроскопами; II и Л — отсчеты по правому
и левому микроскопам при наведении на штрихи измеряемой меры.
В процессе компарирования в отсчеты и в полученные величины
вводят поправки за длину шкал машины (метровой и стомиллимет-
ровой), за цену деления микроскопов, за длину инварного жезла,
за температуру. Машина ИЗМ-11 позволяет компарировать за одну
установку штриховую меру длиной до 2 м со средней квадратиче-
20 Зингм 4:17
306 Применение приборов метрологической и машин остр опт. техники
Таблица 29
Параметры	Название прибора		
	УИМ-21	УИМ-23	УИМ-24
Пределы измерения длин в мм: в продольном направлении . .	0—200	0—200	0-500
в поперечном направлении . .	0—100	0-100	0-200
Пределы измерения углов		0—360	0-360	0-360
Цена наименьшего деления спираль- ного окулярного микроскопа в мм	0,001	—		
Цена наименьшего деления оптиче- ского микрометра в мм		—	0,001	0,001
Цена наименьшего деления угло- мерной окулярной головки . . .	1	1	1
Увеличение главного микроскопа	10, 15, 30,	10, 15, 30,	10. 20, 30х
Диаметр поля зрения в мм ....	50 х 16.2; 10,8;	50х 18, 12 6, 36	18, 9. 6
Габариты прибора в мм		5,4; 3,2 1145 х Ю60 X	И50Х1150Х	1500х1300х
	Х705	Х1500	Х1600
Масса прпбора 		414	540	1550
ской ошибкой 0,02 мм. На измерительных машинах производят
компарирование концевых нутрометров, жезлов для измерения
высот треугольников и линейных измерении, инварных реек дли-
ной I = 1,75, реек «Ва1а» и т. д.
Юстировку вкладышей для линейных измерений и визирных
целей для угловых измерений, компарирование индикаторов часо-
вого типа, определение поправок штрихов малогабаритных реек
и шкал инварных проволок, исследование съемных плоскопарал-
лельных пластин и, наконец, нарезку различных шкал удобно
производить на универсальных микроскопах, в которых переме-
щение измеряемого изделия оценивается по аттестованным сте-
клянным шкалам с ошибкой порядка 0,001 мм.
Универсальные микроскопы — наиболее точные; они предна-
значены для непосредственных измерений длин. Универсальность
микроскопа обеспечена многочисленными приспособлениями, вхо-
дящими в его комплект.
Основные характеристики универсальных микроскопов при-
ведены в табл. 29.
Измерения на микроскопе можно осуществлять двумя мето-
дами: проекционным (теневым) и методом осевого сечения (методом
ножа). Для измерения длин прибор снабжен точными стеклянными
шкалами и оптическими отсчетными устройствами; для измерения
углов — стеклянными поворотными приспособлениями со стеклян-
ными лимбами.
Применение приборов метрологической и .машипостроит, техники 307
Универсальный измерительный микроскоп (рис. 127) состоит
из следующих частей: станины 7, продольной каретки 70, попереч-
ной каретки 0, главного микроскопа 5, колонки микроскопа 7,
осветительного устройства, штриховом окулярной головки (на
рис. 117 не показаны), двух отсчетных микроскопов 5 и 0, измери-
тельного столика с зажимными струбцинами 4, випта для разво-
рота столика 5, випта подачи продольной каретки 2.
Для делительных работ вместо объектива главного микроскопа
устанавливают ножевое устройство для нарезки штрихов, пред-
ложенное канд. техн, наук X. К. Ямбаевым. В этом устройстве
предусмотрено непосредственное наблюдение за качеством штриха
в процессе нарезки. Таким способом можно наносить штрихи
на оргстекло с ошибкой 5 мкм.
Наибольшее распространение в геодезической практике полу-
чил настольный малогабаритный компаратор ИЗА-2, на котором
можно измерять длины, не превышающие 200 мм. Предельная
ошибка измерения на ИЗА-2 определяется формулой
т«Ч0-9 " зоо-М/) мкм-
где L — измеряемая длина в миллиметрах; 7/ — высота плоскости
измеряемого объекта над плоскостью шкалы компаратора в мил-
лиметрах.
Рис. 127. Универсальный измерительный микроскоп У И М-21
20*
308 Применение приборов метрологической и мишиностропт. техники
Рис. 128. Компаратор II3A-2
На компараторе ИЗА-2 могут компарироваться нивелирные
штриховые реечки, различные биссекторы, перекрестия и т. п.
Принцип измерения длины штриховых мерных приборов за-
ключается в следующем.
На каретке укрепляют штриховую меру. Микрометренным
винтом наводят вертикальную нить сетки нитей главного микро-
скопа па начальный штрих штрихового прибора и берут отсчет
по шкале при помощи микроскопа со спиральным окулярным мик-
рометром. Затем перемещают каретку до появления в поле зрения
микроскопа конечного штриха и микрометренным винтом каретки
совмещают с ним вертикальную нить и снова производят отсчет
по отсчетному микроскопу. Разность двух отсчетов дает измерен-
ную длину. При необходимости в измеренную длину можно ввести
поправки за неточность нанесения штрихов на миллиметровой
шкале.
Дооборудование компаратора ИЗА-2 (рис. 128) добавочными
микроскопами, втулкой и нарезным устройством позволяет вместе
с компарированием малогабаритных приборов компарировать
нивелирные рейки (методом последовательной перестановки) и
нарезать перекрестия и шкалы.
Кроме перечисленных приборов, в практике геодезических
работ нашли применение различные отсчетные устройства и при-
способления к ним. Так, при линейных и створных измерениях
используют бинокулярные микроскопы БМ-2, компараторный
Применение приборов метрологической и машиностроит. техники 309
микроскоп КМ, лупу ЛПШ-477 со
штативом и винтовой окулярный
микрометр МО В-1—15х. Бино-
кулярный микроскоп БМ-2, да-
ющий стереоскопическое изобра-
жение с увеличением 9х, и лупы
« II1 Ш-477 со штативом применяют
в линейных измерениях со шка-
1 а м и, и м еющи м и цен у делен и я
<>.2 мм.
Преимущество этого способа
отсчитывания в сравнении с дру-
гими, например со способом от-
считывания при помощи микро-
скопа-микрометра, состоит в про-
стоте и экономии времени измере-
ний при незначительной потере
точности. Исследованиями уста-
новлено, что оценка на глаз через
бинокулярный микроскоп или
лупу десятых долей деления 0,2 мм
выполняется со средней квадрати-
ческой ошибкой —20 мкм.
Отсчетное устройство МОВ-1 —
15х содержит две стеклянные*
пластины, расположенные почти
вплотную одна к другой. Первая рис. 129. Координатное устрой-
пластина неподвижна, а вторая ство для микроскопа компаратор*
может перемещаться прн помощи	ного типа
микрометренного механизма. На
поверхностях пластин, обращенных одна к другой, нанесены
шкалы. Эти поверхности совмещены с фокальной плоскостью оку-
ляра. Сочетание микрометренной насадкн МОВ-1 —15х и объек-
тива микроскопа МИР создает значительные удобства в работе.
Компараторный микроскоп применяется для измерения малых
линейных размеров в пределах ±2 мм с точностью 1 4-2 мкм.
Основные характеристики микроскопа
Ломаная труба; угол преломления призмы......	30°
Увеличение..................................... 13х
Глубина резкости............................ 0,5	мм
Поле зрения................................. 5,0	мм
Цена деления барабана микрометра............ 1 мкм
Предметное расстояние ...................... 68	мм
Полный отсчет по микроскопу состоит из отсчета по шкале
в поле зрения (цена деления 0,1 мм) и отсчета по барабану.
310 Применение приборов метрологической и машин остр опт. техники
Для микроскопа компараторного типа при сборке пакетов
в блок на Серпуховском ускорителе при наличии обмотки разра-
ботан специальный кронштейн с координатным устройством
(рис. 129). Приспособление состоит из следующих деталей: крон-
штейна, который при помощи болтов крепится к телу пакета;
на кронштейне установлены две стойки и, направляющие для
перемещения микроскопа по высоте; по ним движется деталь с ка-
реткой и закрепленным на ней микроскопом; на объективе микро-
скопа укреплена призма в оправе, имеющая юстировочные винты
(на рис. 129 не показаны).
Микроскоп имеет возможность перемещения:
1)	по высоте в пределах ±35 мм;
2)	по азимуту в пределах ±28 мм;
3)	в направлении, перпендикулярном к направляющей, в пре-
делах ±25 мм;
4)	относительно оси направляющей в пределах ±30°;
5)	относительно его продольной оси в пределах 360°.
Приведение визирной оси микроскопа в горизонтальное по-
ложение осуществляется при помощи накладного уровня, устана-
вливаемого на верхнюю плоскость каретки. Ввиду того что раз-
личные микроскопы имеют различную цену деления барабана
микрометра, у каждого микроскопа необходимо произвести опре-
деление цепы деления барабана при помощи эталонной шкалы
с миллиметровыми делениями или объект-микрометра. После
определения цены деления составляют таблицу, по которой вво-
дятся поправки в среднее значение измеренной величины.
§ 30. Коллиматоры, автоколлиматоры,
интерферометры, приборы поверки
соосности, катетометры
При монтаже и наладке крупногабаритного технологического
оборудования, наряду с традиционными геодезическими методами,
широкое применение нашли методы и приборы контроля, исполь-
зуемые в измерительной техпике и метрологии: коллиматорный,
автоколлимационпый методы контроля, оптические приборы, ос-
нованные на интерференции света, различные накладные угло-
мерные и измерительные приборы — оптические квадранты, кате-
тометры, нутромеры и т. д.
Коллиматоры используются в измерительных приборах для
искусственного создания бесконечно удаленной точки визирова-
ния. Оптическая система коллиматора состоит из объектива,
марки, помещенной в его передней фокальной плоскости, и осве-
тителя.
Применение приборов .метрологической и машиностроит. техники 311
Если поставить перед коллиматором зрительную трубу, то
в фокальной плоскости зрительной трубы, отфокусированной на
бесконечность, будет видно изображение марки, причем резкость
изображения не зависит от расстояния между трубой и коллима-
тором. Изображение марки остается неподвижным при любых сме-
щениях коллиматора (или зрительной трубы), при которых их
оптические оси остаются параллельными самим себе, но поворот
коллиматора (или трубы) вызывает сдвиг этого изображения.
Измерив смещение изображения марки окулярным микрометром,
.можно с высокой точностью определить угол взаимного поворота
зрительной трубы и коллиматора. Преимущество этого способа
в том, что измерения ведутся в параллельном пучке и отпадает
необходимость в перефокусировке зрительной трубы [27].
Для упрощения совместной установки зрительной трубы
и коллиматора последний снабжают двумя марками — маркой для
измерения наклонов на месте расположения сетки нитей и маркой
для измерения смещений, которую наносят па плоской задней
поверхности объектива. При такой конструкции можно установить
коллиматор соосно с визирной линией зрительной трубы. При
этом наклон коллиматора устраняют путем фокусировки на марку
для измерения наклонов и соответствующих поворотов коллима-
тора, а установку коллиматора соосно производят путем фокуси-
ровки на марку для измерения смещений и соответствующих
смещений коллиматора.
Смещение изображения сетки нитей коллиматора V при угле
наклона между визирными осями коллиматора и зрительной трубы
ос будет определяться выражением
2' = /»р tga-
Если при неподвижном положении коллиматора и зрительной
трубы переместить сетку иа величину /, то изображение сетки
Г в зрительной трубе будет смещаться на величину
’к
Из формулы следует, что чем больше Д, тем меньше требования
к стабильности положения отдельных элементов коллиматора.
Это обстоятельство используют, когда хотят зафиксировать на-
правление на длительное время. Проектируют так называемые
открытые длиннофокусные коллиматоры, состоящие из объектива
и сетки с осветителем, разнесенных на отдельных фундаментах.
Если установить зрительную трубу на исходном опорном пунк-
те и ориентировать ее коллимационную плоскость по заданной оси,
то, передвигая коллиматор вдоль выверяемой линии и измеряя
окулярным микрометром смещение сетки коллиматора, можно
определить отклонение этих точек от оси.
312 Применение приборов метрологической л машпностроит. техники
Исследования показывают, что в благоприятных условиях ви-
димости при расстоянии до 400 м средняя квадратическая ошибка
измерения угла одним приемом составляет примерно 0,5—0,8* [65].
В ночное время такая точность измерений может быть получена
на расстояниях до 1000 м [1].
Коллиматорный метод нашел применение при передаче ориен-
тировки по ходу с короткими сторонами в случаях, когда ошибки
центрирования теодолита и визирных целей уже ограничивают
точность передачи. При применении коллиматорного метода
передачи ориентировки предполагается, что начальное и конечное
направления хода представлены длинными сторонами или колли-
маторами, а направления коротких промежуточных сторон не
определяются. Теодолиты должны иметь автоколлимационные
окуляры или устройства для подсветки сетки нитей, не мешающие
визированию.
В основе коллиматорного метода передачи ориентировки ле-
жит условие параллельности лучей, строящих изображение в фо-
кальной плоскости теодолита. Это условие равносильно условию
фокусировки зрительной трубы на бесконечность. После грубой
установки при измерении углов совмещают сетки нитей и берут
отсчеты по горизонтальным кругам.
Ошибка передачи ориентировки по ходу с короткими сторонами
коллиматорным методом при сторонах 5—10 м достигает 2	3*
на станцию. Эта точность может быть достигнута только при усло-
вии тщательной фокусировки зрительных труб на бесконечность
и тщательного предварительного совмещения визирных осей тео-
долитов (не грубее 2'). К недостаткам коллиматорного метода сле-
дует отнести: зависимость количества оборудования и наблюдате-
лей от числа сторон хода, необходимость использования в качестве
исходного и конечного направлений коллиматоров или длинных
сторон, сложности организации и большие, чем при обычных
угловых измерениях, затраты времени.
Кроме описанного применения коллимационного метода в ин-
женерной геодезии, рассмотрим способ определения перпендику-
лярности оси вращения трубы оптического теодолита к вертикаль-
ной оси, предложенный А. Г. Белевитиным и Я. В. Наумовым [51,
и прибор фирмы «Фейнтехник» для передачи нивелирных ходов
через реки или долины. Специальное приспособление для этой
цели применяется в сочетании с нивелирами типа Ni-2 той же фир-
мы. На каждой стороне долины или реки устанавливают по два
нивелира типа Ni-2 на общей подставке, причем каждый инстру-
мент снабжен насадкой с поворотным (вращающимся) оптическим
клином, позволяющей осуществить наклон визирной оси на точно
заданный угол по отношению к горизонту. Путем встречной кол-
лимации обоих инструментов данной станции добиваются того,
что визирный луч одного из инструментов наклонен к
П рименецие приборов метрологической и машиностроит. техники 313
горизонту вверх на такой же угол, на какой визирный луч другого
инструмента наклонен вниз. Среднее значение превышения, полу-
ченное из наведений обоих инструментов на установленные на
противоположной стороне визирные марки путем поворота оптиче-
ских клиньев насадок, будет свободно от ошибок юстировок. При
прежнем методе для исключения ошибок юстировки приходилось
менять инструменты местами и повторять измерения. Новое уст-
ройство для перехода рек и долин уменьшает затраты времени
на съемку и позволяет повысить ее точность.
Метод автоколлимации — бесконтактный вид оптического конт-
роля (измерения) углов поворота отражающей поверхности, при
котором фиксируется угловое положение нормали к ней. Такое
онределение автоколлимации относится к случаю автоколлимации
параллельных пучков лучей. При автоколлимации сходящихся
пучков лучей измеряют линейные, а пе угловые смещения [19].
Дальнейшее изложение дается для первого случая, наиболее
распространенного в практике.
Особенность автоколлимационного метода в его высокой чув-
ствительности к незначительным поворотам отражающей поверх-
ности, так как при повороте ее на угол а лучи отклоняются на
удвоенную величину 2а. Чувствительность автоколлимационного
метода тем больше, чем больше фокусное расстояние объектива.
Отечественная промышленность выпускает автоколлимацион-
ный нивелир НА-3 (на базе НА-1), автоколлимационные теодо-
литы ТБ-3 н ОТА (на базе ТБ-1 н ОТ-02) й автоколлиматоры
АКТ-250, АКТ-400, АКМ-1000, фотоэлектрические автоколлима-
торы типа АФ-1 и АФ-2. Средняя квадратическая ошибка резуль-
тата наблюдений при наведении и отсчете у\ фотоэлектрических
автоколлиматоров типа АФ-2 равна 0,1*. Автоколлиматоры отли-
чаются величиной фокусного расстояния и свободного отверстия
объективов. Они дают точность измерения угловых перемещений
зеркала соответственно 2", 1* и 0,5*. Основные характеристики
автоколлиматоров приведены в табл. 30.
Автоколлиматор представляет собой зрительную трубу со спе-
циальным окуляром, называемым автоколлимационным. Оптиче-
ская система автоколлиматора посылает световой пучок на отра-
жающую поверхность, после отражения дает действительное изо-
бражение предмета в плоскости самого предмета. Точность авто-
коллимационного метода при одинаковом увеличении зрительной
трубы и автоколлиматора примерно в два раза выше точности
коллимационного метода [118]. Средняя квадратическая ошибка
этого метода составляет 0,003 мм на 10 м (при длине каретки
с зеркалом 0,5 м).
Оптимальную систему автоколлимационного окуляра выби-
рают исходя из учета особенностей конкретного случая контроля:
освещенности окружающей среды, расстояния до зеркала, тем-
314 Применение приборов метрологической и машиностроит. техники
Таблица 30
Пара метры	Название прибора		
	AKT-2j()	АКТ-400	АКМ-1000
Увеличение 		20 х	32 х	46 и 48 х
Поле зрения 		2°	1°20	48 и 38'
Фокусное расстояние объектива в мм	250	400	1000
Световые диаметры объективов в мм	32	40	65
Разрешающая способность		4.6*	3,8*	2,2'
Цена деления шкалы компенсатора	2*	1*	0,25*
Точность измерения угловых пере-			
мещений зеркала 		о*	1*	0,5*
Габариты прибора в мм 		170хЗЮх	315Х465Х	350Х670Х
	Х150	Х380	Х390
Масса прибора в кг		4	15	45
пературного перепада и требуемой точности, от которой зависят
цепа деления и точность отсчетов по сетке, увеличеяпе и поле
зрения трубы.
Если зрительная труба не имеет приспособления для автокол-
лимации, то коллимацию заменяют авторефлекцией, которая
не дает таких точных результатов, как автоколлимация. При
авторефлекции на конце зрительной трубы закрепляют марку,
перекрестие которой центрируют относительно визирной оси.
Наблюдатель фокусирует на изображение марки в зеркале и ви-
дит это изображение и перекрестие сетки зрительной трубы [40].
Автоколлиматоры позволяют решать следующие основные ти-
повые случаи контроля: 1) взаимной параллельности плоскостей,
2) взаимной перпендикулярности плоскостей, 3) прямолинейности
направляющих, 4) параллельности направляющих, 5) установки
оборудования в вертикальное положение, 6) установки оборудо-
вания в горизонтальное положение, 7) установки оборудования
под заданным углом, 8) параллельности направления цилиндри-
ческих отверстий, 9) взаимной перпендикулярности цилиндриче-
ских поверхностей.
Для проверки прямолинейности вертикальных направляющих
и их перпендикулярности к горизонту используется автоколлима-
ционный метод с применением ртутпого зеркала [118].
Принципиальная схема автоколлимациопного метода с приме-
нением ртутного зеркала при использовании для проверки пря-
молинейности горизонтальных направляющих показана на
рис. 130. Лучи света, выходя из коллиматора /, проходят через
марку 2 с крестом нитей, телескопическую систему 4 и призму 5
с полупосеребренной диагональной плоскостью, откуда они па-
Применение приборов метрологической и мапншостроит. техники 315
7
Рис. 130. Схема автоколлвмацион-
ного метода с применением ртут-
ного зеркала
дают на поверхность ртутного
зеркала 5. Отражаясь от по-
верхности ртутного зеркала»
лучи света снова проходят
через полупосеребренную диа-
гональную плоскость призмы 5
и призмой 6 направляются в
зрительную трубу 7 (положе-
нию марки 3 соответств у ет
положение ртутного зеркала 9).
Применяя дополнительные
призмы или зеркала» можно
проверить прямолинейность лю-
бой прямой линии. Отклонения
от прямолинейности можно отсчитывать как в горизонтальной»
так и в вертикальной плоскостях.
При измерении направляющих большой длины пользуются
телескопической системой 4, что позволяет уменьшить пределы
перемещения ртутного зеркала 8. Без применения телескопической
системы 4 расстояние, на которое необходимо перемещать ртутное
зеркало» должно быть равно половине длины проверяемой напра-
вляющей. Перемещение ртутпого зеркала при использовании
телескопической системы 4 вычисляется по формуле [40]
где AZ — перемещение ртутного зеркала; L — измеряемая длина
в миллиметрах; 0 —. увеличение телескопической системы 4.
Так, например, для поверки прямолинейности направляющей
длиной 50 м и при увеличении телескопической системы р — 5х
требуется переместить ртутное зеркало на 1 м, а для направля-
ющей длиной 12 м — на 0,24 м.
Метод с применением ртутного зеркала исследован на макет-
ной установке.
Для ряда из 50 приемов измерений, выполненных в дневное
время» найдена средняя квадратическая ошибка порядка 5 мкм
на 1 м, а для измерений в ночное время — порядка 3 мкм иа 1 м.
Такая большая ошибка может быть объяснена тем, что на резуль-
таты измерения оказывали влияние колебания ртутного зеркала,
которые не удалось полностью исключить, хотя сосуд с ртутью
был установлен на массивном фундаменте. Согласно литературным
данным [40], точность метода составляет 1 мкм на 1 м при условии
применения точной зрительной трубы, телескопической системы
и хорошей амортизационной системы ртутного зеркала.
Для устранения волн, возникающих при вибрации открытой
поверхности ртути, применяются специальные конструкции, в
316 Применение приборов метрологической н машиностроит. техники
которых поверхность ртути покрывается защитными слоями масла
или заменяется самоустанавливающимся зеркалом. Для предот-
вращения ошибки юстировки при работе с подобными конструк-
циями наблюдения производят поворотом зеркала на 180°.
Кроме типовых случаев контроля, в инженерно-геодезической
практике известны следующие примеры применения автоколли-
мационного метода
1)	для определения наклона осей вращения крупногабаритных
антенн;
2)	при исследовании и контроле чувствительности цилиндри-
ческих уровней (автоколлимационный экзаменатор);
3)	для высокоточной передачи ориентирных направлений (ази-
мута) в подземные сооружения;
4)	при точном измерении направлений коротких линий;
5)	при исследовании ошибок делений лимбов.
Рассмотрим более подробно каждый из примеров использова-
ния автоколлимации в геодезической практике.
Определение наклона автоколлимационным методом [5] сво-
дится к измерению зенитного расстояния нормали к зеркалу,
установленному перпендикулярно к этой оси. При этом имеется
в виду, что ось вращения не деформирована. Если же ось деформи-
рована, но деформация симметрична, то наклон оси определяется
с двух ее торцов. При этом
Z = 90o 4-64- i;
Z = 90°4-6-i.
Отсюда наклон оси вычисляют как
;  	—Z2
2
а деформацию оси на ее торцах
А — Zl + Z2 ПАв
Для предотвращения ошибки выставления зеркала замеряют
зенитные расстояния нормалей зеркал или соответственно их ази-
мут при положениях антенно-поворотного устройства, отличных
одно от другого на 180°, и берут среднее из них. Но обеспечение
возможности поворота антенны по углу места на 180° приводит
к значительному усложнению поворотного устройства, к увели-
чению его габаритов. Поэтому стараются ограничить поворот
антенны относительно оси угла места.
Экзаменатор [26] предназначен для контроля чувствительности
цилиндрических уровней.
Ампулу устанавливают на двух призмах, прикрепленных к ры-
чагу, который соединен с зеркалом. Отражающая плоскость зер-
Применение приборов метрологической п машин остр опт. техники 317
кала перпендикулярна к визирной оси автоколлиматора. Изме-
нение наклона рычага осуществляют посредством винта с конус-
ным наконечником.
Вначале совмещают один край пузырька ампулы с исходным
штрихом на ампуле и замечают условный нуль в поле зрения авто-
коллиматора. Затем перемещают автоколлимационный блок на
величину, соответствующую цене деления уровня. Когда пузырек
успокоится, контролируют соответствие перемещения пузырька
по шкале ампулы.
Контроль может производиться и в обратном порядке, т. е.
после перемещения пузырька точно на одно деление шкалы ам-
пулы следует отсчитывать результат от нуля шкалы автоколли-
матора.
Причинами понижения точности угловых наблюдений при
линиях малой длины являются также ошибки центрирования
и ошибки фокусирующих устройств. Оба источника ошибок устра-
няются, если при измерениях использовать метод автоколлима-
ции, при котором зрительные трубы используются с постоянной
фокусировкой. В ЦНИИГАиКе был предложен и разработан спо-
соб высокоточной передачи направления в шахты. Для передачи
направления в шахту по этому методу необходимо измерить угол
между известным направлением на земной поверхности и нор-
малью к зеркалу, находящемуся в шахте. Для этой передачи ис-
пользуются специальные поворотные зеркала. Средняя квадрати-
ческая ошибка передачи азимута в шахту этим методом дости-
гает порядка 3	4".
Коллимационные и автоколлимациониые методы позволяют
определять направления с высокой точностью [74]. Однако они
принципиально неприемлемы для решения геодезических задач
определения координат.
При близких расстояниях между точками — от нескольких
дециметров до нескольких метров — использование простых ме-
ханических приспособлений позволяет преодолеть эти затрудне-
ния и применить для указанных целей коллимационные и авто-
коллимационные методы.
Сущность применения этих методов для рассматриваемых за-
дач заключается в определении направления вертикальной пло-
скости, проходящей через пару близко расположенных точек.
Рассмотрим общую и простую задачу определения с высокой
точностью угла между линиями, соединяющими близкие точки Аг
В и С (рис. 131). Пусть при этом упомянутые точки зафиксированы
целиками-шарами или вертикальными цилиндрами одинакового
диаметра таким образом, чтобы центры шаров или оси цилиндров
соответствовали плановому положению точек.
Для решения этой задачи требуется теодолит (или автоколлп-
мационный теодолит) и устройство, задающее оптическое напра-
318 Применение приборов метрологической п машин остроит. техники
Рис. 131. Схема определения угла
между линиями
вление (коллиматор, плоское
оптическое зеркало), располо-
женное на штанге. Пусть
штанга своими точками ка-
сается поочередно точек А, В
мВ, С. В точке Т установим
теодолит с автоколлимационным
окуляром таким образом, чтобы
можно было осуществлять авто-
коллимационпое наведение на
зеркало штанги. Тогда по из-
меренному углу между норма-
ii ВС найдем угол поворота
лямп зеркал в положениях АВ
линии ЛВС.
Оптическое зеркало на штанге можно заменить трубой-коллима-
тором; тогда вместо автоколлимационного можно использовать
обычный теодолит надлежащей точности.
Влияние неравенства диаметров целиков можно исключить
двукратным определением направления с прикладыванием штанги
к целикам по обе стороны от линии, соединяющей их центры.
Описанный способ успешно применен для определения азиму-
тальных направлений линий, представленных точками, находя-
щимися на расстоянии от 1 до 3 м. Закрепление точек произво-
дилось цилиндрическими целиками. В качестве исходного исполь-
зовалось направление на отдаленный предмет на расстояние
'—40 км. Определения производили при помощи автоколлима-
ционных теодолитов типа ТВ-3 и плоских зеркал. Ошибка азиму-
тальных определений пга независимо от длин линий соответство-
вала 4", т. е. ошибке измерения угла теодолитом этого класса.
Применение более точного теодолита, иапример ОТА, позволит
получить более высокую точность.
При автоколлимационном методе исследования ошибок деле-
ния лимбов [24, 29, 421 исходной мерой является калиброванная
правильная многогранная измерительная призма. Ошибки деле-
ния лимбов определяют из сравнения углов, измеренных теодо-
литом, с углами калиброванной призмы, установленной на оси
вращения теодолита. При этом угол поворота теодолита опре-
деляется автоколлиматором. Средняя квадратическая ошибка
этого метода составляет 0,3".
Если у инструмента вертикальный круг неподвижный, то при
исследовании ошибок деления лимбов по измерениям контрольного
угла перед объективом зрительной трубы устанавливают зеркало,
так что контрольный угол, зависящий от угла между нормалью
к зеркалу и визирной осью трубы, определяется путем наведения
зрительной трубы на одну и ту же марку дважды — один раз
непосредственно, а другой — на ее отражение в зеркале.
Применение приборов метрологической и машиностроит. техники 319
Для поверки параллельности и соосности выпускают такие
приборы, как ППС-7, состоящий из коллиматора и визирной трубы»
Прибор ППС-11 представляет собой визирную зрительную трубу
с приспособлениями и позволяет визировать на марку.
По результатам исследований, прибор ППС-11 позволяет
измерять отклонения от створа на расстоянии 24 м с ошибкой,
не превышающей 0,1 мм. Для прибора ППС-11 при L 30 м
ошибка измерения смещения марки в плоскости, перпендикуляр-
ной к визирной оси, равна ^0,01 4- мы» где выражено в мет-
рах. Диапазон измерения смещений марки ±1 мм [54).
Интерференционные приборы (интерферометры) применяют при
различных измерениях, когда требуется особо высокая точность,
в частности, для измерения длин, контроля правильности формы
и шероховатости поверхности и для измерения малых наклонов
зеркала. В интерферометрах используют интерференцию двух
или большего числа когерентных пучков лучей. Имеются две
возможности применения интерференционных методов: первая
заключается в измерении линейных перемещений по смещению
интерференционных полос. Это перемещение легко измерить
с точностью до 0,1 ширины полосы, т. е. измерить перемещение
поверхностей с ошибкой до 0,03 мкм. Второе применение интер-
ференции состоит в контроле плоскости поверхности при помощи
эталонной поверхности.
В геодезической практике наибольшее распространение нашли
интерферометры, основанные на измерении смещения полос. Так,
по смещению полос определяют угол наклона зеркала экзамена-
тора для определения чувствительности уровней. Сущность метода
заключается в том, что малый угол наклона определяется из пря-
моугольного треугольника, меньший катет которого измеряется
в длинах световых волн.
Если задаться условием равного влияния ошибок измерения
обоих катетов на точность измерения угла, то поскольку при
интерференционном методе величина измеряемого угла не превы-
шает 2', ошибка измерения большого катета может быть больше
ошибки измерения малого катета в 1700 раз.
Этот метод использован А. Г. Белевитиным и В.М. Назаровым
в конструкции клинового экзаменатора с интерферометром [4|,
в качестве которого использован вертикальный интерферометр.
Для расширения диапазона измерений в интерферометре был при-
менен лазер с длиной волны К && 0,6328 мкм. Вертикальный ин-
терферометр используется и при исследовании фигур цапф с точ-
ностью 0,1 мкм [109].
За последние годы при монтаже и наладке технологического
оборудования получили значительное распространение катето-
метры, которые применяются для измерения линейных размеров
320 Применение приборов метрологической и машиностроит. техники
в тех случаях, когда другие способы измерения по тем или иным
причинам неприемлемы, как, например, если объект измерения
находится в вакуумной камере, в помещении с высокой темпера-
турой, с повышенным уровнем радиации [28] и т. п.
Принцип действия катетометров основан на сравнении измеря-
емого размера изделия с рабочей мерой катетометра путем после-
довательного визирования зрительной трубы нз начало и конец
измеряемого отрезка. Принципиальная схема любого катетометра
состоит из следующих основных частей: визирного устройства
Таблица 31
Катетометры	Шифр прибора i	Пределы измерении ! в мм	Пределы фокусировки трубы в мм	Увеличение зритель- ной трубы (крат)	Ошибка отсчетного устройства в мкм	1 Ошибки измерения в мм
	КМ-6	0- 200	140—969, 1000-	15,2	1.5	±(0,006 4- + 0.021)
Одпокоординатные вер- тикальные	КМ-8	0- 500	470-2000. 2000-	15,2	2	± (0.015 ~ 4-0,030)
	КМ-9	0- 1000	170-2000. 2000-	17,2	2	±(0.0304- 4- 0,050)
Двухкоордпватный универсальный	КМ-7	300 х 300	100-2100 2100-	26	2	±(0.0154- 4-0,030)
Модернизированный для трехкоординат- ных измерении	КМ-9	0- 1000	470-2000. 2000-	17.2	2	± (0,025 4- 4-0,045)
Применение приборов метрологической и машниостроит. техники 321
Таблица 32
Параметры	Название прибора		
	КО-1	ко-ю	УО
Цена деления лимба		1°	20*	10*
Цена деления окулярной шкалы . .	1*	5*	—
Пределы измерения углов		± 120°	360°	0-5-180°
Цена деления продольного уровня	30*	10*	—
Габариты приборов в мм 		150X85X138	150Х125Х	300x63x27
		Х220	
Масса прибора в кг		2	2	0,35
(обычно это зрительная труба), перемещаемого по направляющим,
устройства для установки зрительной трубы в горизонтальное
положение (при помощи уровня или жидкостного горизонта
и автоколлиматора), рабочей меры (шкалы) и отсчетного устрой-
ства (микроскопа, конуса и лупы).
В СССР выпущены катетометры, предназначенные для измере-
ния бесконтактным методом координат изделий, не доступных для
непосредственного измерения.
При разработке новых моделей катетометров учитывали все
возрастающую точность изготовления и увеличение размеров де-
талей в машиностроении. Серийные катетометры моделей КМ-6
и КМ-8 имеют отсчетные шкалы длиной соответственно 200 и
500 мм; они позволяют измерять вертикальные размеры в тех же
пределах. Катетометр модели КМ-9 предназначен для измерения
вертикальных отрезков в пределах до 1 м. Универсальный кате-
тометр КМ-7, дающий возможность вести измерение в двух коор-
динатах, получит широкое распространение в машиностроении.
На основе конструкции катетометра КМ-9 выпущена модель
модернизированного катетометра для трехкоординатных измере-
ний. Этот тип катетометра используется при испытаниях на конт-
рольных и технологических стендах заводов машиностроения.
Для измерении сравнительно небольших изделий длиной и вы-
сотой до 300 мм по двум координатам создан двухкоординатный
универсальный катетометр КМ-7.
Три других типа отечественных катетометров КМ-6, КМ-8,
КМ-9 разработаны для однокоординатных измерений изделий.
В табл. 31 приведены основные параметры современных оте-
чественных катетометров.
21 Зака в 4S7
322 Применение приборов метрологической и машиностроит. техники
При определении наклонов оборудования применяются раз-
личные накладные угломерные приборы, к которым можно от-
нести оптические квадранты КО-1 и КО-Ю, а также оптический
угломер УО. Оптические квадранты для удобства в работе вы-
пускаются и с магнитными основаниями. Основные характери-
стики этих приборов приведены в табл. 32.
Оптический квадрант КО-Ю в сочетании с базовой подставкой
с призматическими или ножевыми опорами может быть исполь-
зован как микронивелир для определения превышений.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1.	Афанасьев В. А., Усов В. С. Оптические приборы и ме-
тоды контроля прямолинейности в инженерной геодезии. М., «Недра», 1973,
149 с.
2.	Б а р и н о в В. А. Исследования в области измерения длин. Л.,
В НИИМ, вып. 22 (38), 1939, 108 с.
3.	Б е л е в и т и н А, Г., Зверев Ю. К. Геодезические работы
при строительстве и юстировке радиотелескопа «РАТАН-600». — Известия ГАО
в Пулкове, № 188, 1972, с. 114—119.
4.	Б е л е в и т и н А. Г., Гордон Г. Г., Назаров В. М.
Клиновой экзаменатор с интерферометром. — «Геодезия и картография»,
№ 12, 1971, с. 18-21.
5.	Б е л е в и т и н А. Г., Н а у м о в Я. В. Способ определения пер-
пендикулярности оси вращения трубы теодолита к вертикальной оси. —
«Геодезия н картография», № 1, 1965, с. 25—31.
6.	Большаков В. Д. Точное определение створа линии большой
длины. — Известия вузов, «Геодезия и аэрофотосъемка», вып. 5, I960,
с. 35—42.
7.	Большаков В. Д., Горбенко О. И., Климов О.Д.
Высокоточные геодезические измерения для строительства и монтажа Боль-
шого Серпуховского ускорителя. М., «Недра», 1968, 304 с.
8.	Б о л ь ш а к о в В. Д., Д е м у пт к и н А. И., К люшин Е. Б.
Электрооптический способ определения расстояний. Авт. свид, № 178507,
Бюл. изобретений Кг 3, 1966*
9.	Б р а й т П. И, Геодезические методы измерения деформаций
оснований н сооружений. М., «Недра», 1965, 298 с.
10.	Б р а й т П. И., Г а л и ц к и й В. Г., Н о в и к о в Ю. И. Уро-
венный обратный отвес. — В сб.: «Основания, фундаменты и механика грун-
тов», № 8, 1963, с. 15—16.
И.	Б р о в а р В. В., Магницкий В. А., Шимбнрев Б. П.
Теория фигуры Земли, М., Геодезиздат, 1961, 256 с.
12.	Б у юк ян С. П., Васютинский И. 10., Д а в идя н Д. Б.
Фото регистрирующее устройство для измерения уровня жидкости в со-
судах гидростатического нивелира. — В сб.: «Вопросы атомной науки
и техники», серия «Проектирование» (ЦНИИатомннформ), № 2, 1970,
с. 98-106.
13.	Б у ю к я н С. П., Васютинский И. IO., Ка ляхов Б. В.
Результаты испытаний системы гидростатического нивелирования на Ереван-
ском синхротроне. — Известия АН Армянской ССР, серия технических наук,
№ 1, 1970, с. 47—49.
14.	В а с ю т и н с н и й И. Ю. Исследование влияния различных фак-
торов на точность гидростатического нивелирования в стационарных систег
мах различной конфигурации.— Сб. трудов ЕрПИ, серия «Архитектура**
т. 25, 1970, с. 105-113.
21*
324
Литература
15.	Васютинский И. Ю., Б у ю к я н С. П., Д а в и д я и Д. Б.
и др. Устройство для определения уровня жидкости. Авт. свидетельство
№ 241715, Бюл. изобретений, № 14, 1969.
16.	В а ф и а д и В. Г. Фотоэлектрическая автоматика. Минск, «Выс-
шая школа», 1966, 207 с.
17.	В е л и ч к о П. А., Г е н и к е А. А., Лобачев В. М. Фазо-
вые способы измерения расстояния в геодезии. М., Воениздат, 1963, 615 с.
18.	В и д у е в Н. Г., Р а к н т с к и й Д. И., Г р ж и б о в с к и й В. П.
Геодезические измерения при установке машин и оборудования. М., «Недра»,
1967, 168 с.
19.	Г е р ш т е й н С. С., Л о г у н о в А. А., С у л я е в Р. М. Самый
мощный в мире ускоритель. — «Природа», № 11, М., «Наука», 1967,
с. 12-25.
20.	Гинзбург М. Б. Натурные исследования крупных гидротехни-
ческих сооружений. М.—Л., «Энергия», 1964, 356 с.
21.	Голубцов А. И. Высокоточный уровенный динамостат. — Изве-
стия вузов, «Геодезия и аэрофотосъемка», выл. 5, 1968, с. 19—24.
22.	Голубцов А. И. Высокоточный электронный центрировочный
прибор. — Известия вузов, «Геодезия и аэрофотосъемка», выл. 1, 1968,
с. 123—128.
23.	Горелов В. А., Ямбаев X. К. О выборе оптимальной
программы створных намерений. — В сб.: «Вопросы атомной науки
и техники», серия «Проектирование» (ЦНИИатоминформ), вып. 2, 1970,
с. 49—58.
24.	Г р е ч к о М. Ф., Смирнова Л. И., Стракун Г. И.
Эталонная установка для измерения углов.—Труды ВНИИМ, выл. 47 (107),
Л,—М., Стандартгиз, 1961, с. 127—138.
25.	Гудков В. М., Беляев Б. И. Определение отклонений точек
от створа при изучении горизонтальных смещений оснований гидротехниче-
ских сооружений. — «Геодезия в картография», № 1, 1958, с. 35—40.
26.	Г у к а й л о М. Я. Автоколлимация. Киев — Москва, Маш г из,
1963, 108 с.
27.	Г у к а й л о М. Я. Основные принципы конструирования опти-
ческих контрольно-юстировочных приборов. Москва — Киев, Машгнз,
1959, 125 с.
28.	Д а н и л е в н ч Ф. М., Никитин В. А. Катетометры. Л.,
«Машиностроение», 1970, 80 с.
29.	Д е й м л н х Ф. Геодезическое инструментоведение. М., «Недра»,
1970, 584 с.
30.	Д у р е й к о Г. В. О применении новых инструментов при створ-
ных наблюдениях. — Известия вувов, «Геодезия и аэрофотосъемка», № 4,
1958, 163 с.
31.	Д ь я ч е н к о К. К. Особенности конструкции и основные харак-
теристики электромагнита Ереванского синхротрона. —Труды Всесоюзного
совещания по ускорителям заряженных частиц. М., 1970, т. 1, с. 195—
211.
Литература
325
32.	Закатов П. С. Курс высшей геодезии. М., «Недра»! 1964,
405 с.
33.	И н с т р у к ц и я о построении Государственной геодезической
сети СССР. М., «Недра», 1966, 458 с.
34.	Инструкция по нивелированию I, II, III и IV классов. M.f
«Недра», 1974, 160 с.
35.	Иордан В., Эггерт О., Кнейссль М. Руководство по
высшей геодезии. М., Ге оде з из дат, т. 2, 1962, 263 с.
36.	К а в у н е ц Д. Н. Гидростатическое нивелирование на строитель-
ной площадке. М., Ге о дез из дат, 1961, 68 с.
37,	К а ты с Г. П. Оптико-электронная обработка информации. М.,
«Машиностроение», 1973, 447 с.
38.	К а я к Л. К. Эталоны длины и результаты их сличения.—Труды
ВНИИМ, вып. 47 (107), Стандартгиз, 1961, с. 23—38.
39.	К а я к Л. К., Тропниин С. И. Трндцатиметровый интер-
ференционный компаратор ВНИИМ.—Труды ВНИИМ, вып. 47 (107). Стан-
дартгиз, 1961, с. 92—112.
40.	К и с с а м Ф. Оптические приборы для точных измерений крупно-
габаритных изделий (пер. с английского). М.—Л., «Машиностроение»,
1966, 167 с.
41.	Клейн Г. К.,Смиренкии П. П. Основания и фундаменты.
М., «Высшая школа», 1961, 212 с.
42.	К л и м о в О. Д. Применение принципа автоколлимации при
исследовании астрономо-геодезических инструментов. — Известия вузов,
«Геодезия и аэрофотосъемка», вып. *4, 1962, с. 27—37.
43.	Клюшии Е. Б. О возможности измерения скорости света с по-
мощью ОКГ. — В сб.: «Вопросы атомной науки к техники, серия «Проекти-
рование» (ЦНИИатоминформ), вып. 4, 1971, с. 98—103.
44.	Клюшин Е. Б. О некоторых источниках ошибок измерений
радиодальномером типа «теллурометр». — Известия вузов, «Геодезия и аэро-
фотосъемка», вып. 2, 1965, с. 59—65.
45.	К л ю ш и и Е. Б. Полевые испытания лазерного дальномера. —
В сб.: «Вопросы атомной науки и техники», серия «Проектирование» (ЦНИИ-
атоминформ), вып. 5, 1962, с. 30—34.
46.	К л ю ш и п Е. Б., Новак В. Е., О к у п е в Д. В. Автома-
тизация измерений струнным отвесом. — В сб.: «Вопросы атомной науки
и техники», серия «Проектирование» (ЦНИИатоминформ), вып. 2, 1970,
с. 58-62.
47.	К л ю ш и и Е. Б., Новак В. Е., Окунев Д. В. Способ
измерения взаимных смещений наблюдаемых точек замкнутого контура*
Авт. свид. № 241713. Бюл. изобретений, № 14, 1969.
48.	К о в а л е в Н. В. Система обеспечения прецизионной установки
элементов конструкции линейного ускорителя И-100.—Труды Всесоюзного
совещания по ускорителям заряженных частиц. М., 1970, т. II, с. 237—243,
49.	К о з л о в Л. А. Центрир. Авт. свид. на изобретение № 301531.
Бюл. изобретений, № 14, 1971.
326
Литература
50.	Коломийцев Ю. В. Оптические приборы для измерения
линейных и угловых величин в машиностроении. М., «Машиностроение»,
1964, 254 с.
51.	К о м а р Е. Г. Ускорители заряженных частиц, М., Атомиздат,
1964, 388 с.
52.	К о м а р о в с к и п А. Н. Строительные конструкции ускорите-
лей. М., Атомиздат, 1958, 265 с.
53.	Кондрашков А. В. Интерференция света и ее применение
в геодезии. М., Геодезиздат, 1956, 194 с.
54.	Кондрашков А. В. Электрооптические светодальномеры. М.»
Геодезиздат, 1959, 248 с.
55.	К о н д р а ш к о в А. В. О точности эталонирования ипварных
проволок на интерференционном и оптико-механическом компараторах
МИИГАиК. —Труды МИИГАиК, вып. 36, 1959, с. 76—83.
56.	Кузнецов Г. И. Субъективные систематические ошибки опре-
деления уклонений точек створа по методу подвижной марки. — Известия
вузов, «Геодезия и аэрофотосъемка», № 4, 1968, с. 43—50»
57.	Л а н д с б е р г Г. С. Оптика. Л., Гостехиздат, 1957, 631 с.
58.	Лебедев Н. Н. Курс инженерной геодезии. М., «Недра».
1974, 360 с.
59.	Л е б е д е в Н. Н. Сети из вытянутых треугольников с измерен-
ными высотами. М., «Недра», 1958, 64 с.
60.	Лебедев Н. Н., Мещеряков А. В. Оптический центриро
вочный прибор высокой точности. — Известия вузов, «Геодезия и аэрофото-
съемка», вып. 3, 1964, с. 48—53.
61.	Л е в и н Б. М. Новые приборы для контроля прямолинейности
и соосности. — В сб.: «Методы и приборы для измерения длин п углов
(Рефераты докладов на научно-технической конференции), Л., ГОИ, 1966,
с. 8—9.
62.	Л е в и н Б. М. Оптическая струна «ДП-477». Л., «Знание»,
1966, 17 с.
63.	Л е в ч у к Г. П. Курс инженерной геодезии. М., «Недра», 1970,
411 с.
64.	Л е в ч у к Г. П., Гирш бе р г М. А. Высокоточная выверка
направляющих путем автоматических линий большого протяжения.—Труды
МИИГАиК, вып. 38, I960, 95 с.
65.	Л е в ч у к Г. П., Ф р о л о в Ю. Н. О точности коллиматорного
метода измерений. — «Геодезия и картография», Лй 4, 1967, с. 14—17.
66.	Л и в и н г с т о н М. С. Особенности проекта ускорителя на
200 ГЭВ. — Труды Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных
частиц (1968 г.), т. 1. М-, ВИНИТИ, 1970, с. 145—157.
67.	М а к а р о в Н. П. Геодезическая гравиметрия. М., «Недра»,
1968, 408 с.
68.	Марин В. А., Данилевич Ф. М., Никитин В. А. При-
бор ППС-11 для контроля прямолинейности и соосности изделий. — «Измери-
тельная техника», № 5, 1969, с. 48—50.
Литература
327
69.	Ма ртынов В. Ф., Коротков С. А., Наумова Л. Г.
Способ определения перемещения светового поляризованного луча. — В ки.:
«Применение газовых лазеров в геодезии». М., ЦНИИ «Электроника», вып. 1,
1972, с. 32-34.
70.	М а р ф е н к о С. В. Исследование точности струнно-оптического
метода разбивки сооружений. — Известия вузов, «Геодезия и аэрофотосъемка» ь
As 1, 1966, с. 51-57.
71.	М а р ф е н к о С. В. Кольцевые сети триангуляции при высокоточ-
ной геодезической разбивке сооружений. Известия вузов, «Геодезия и аэро-
фотосъемка», № 5, 1965, с. 21—31.
72.	М а р ф е н к о С. В. О точности визирования.—Труды МИИГАиК,
вып. 36, 1959, с. 13.
73.	М е л ь и и к о в Н. П. Антенные сооружения, серия «Строитель-
ство и архитектура», № 12. М., «Знание», 1969, 47 с.
74.	МещаискийФ. Л., Муравлев О. Ф. Способ точного опре'
деления направления коротких линий. — В сб.: «Вопросы атомной науки
и техники», серия «Проектирование» (ЦНИИатоминформ), вып. 2, 1970,
с. 16-21.
75.	М и н ц А. Л. Кибернетический ускоритель на 1000 миллиардов
электрои-вольт.—«Природа», № 4. М., «Наука», 1968, с. 8—15.
76.	М и х а й л о в В. С. Рефрактометр. Авт. свид, № 340948. Бюл.
изобретений, № 18, 1972.
77.	М и х е л е в Д. Ш. Применение измерительных машин для гео-
дезических целей. Информационный бюллетень ЦТИСИЗ Госстроя РСФСР
№ 2 (19). М., Стройиздат, 1970, с. 37—43.
78.	М о в с е с я и Р. А., К л ю ш и я Е. Б., Кроль В. К. Ана-
лиз погрешностей измерения расстояний светодальномером ДВСД. — Сб. тру-
дов ЕрПИ, серия «Архитектура», т. 25, вып. 2, часть II. Ереван, 1971,
с. 43-55.
79.	М о в с е с я н Р. А., Илюшин Е. Б., Кроль В. К. Лабо-
раторные исследования макета дифференциального высокоточного свето-
дальномер а ДВСД-1. —Сб. трудов ЕрПИ, серия «Архитектура», т. 25, вып. 2Г
часть II. Ереван, 1971, с. 56—62.
80.	Мовсесян Р. А,, К р о л ь В. К., П а п я н В. А. Дифферен-
циальный высокоточный светодальномер. — Сб. трудов ЕрПИ, серия «Архи-
тектура», т. 25, вып. 2, часть II. Ереван, 1971, с. 32—42.
81.	М о в с е с я н Р. А., Новак В. Е., Кроль В. К. Диффе-
ренциальный высокоточный светодальномер. — В сб.: «Вопросы атомной
науки и техники», серия «Проектирование», вып. 5, 1972, с. 21—24 (ЦНИИ-
атоминформ).
82.	М у р’а’вЧ ев М. С. Геодезические работы особо высокой точ-
ности при монтаже крупногабаритных машин. —Известия вузов, «Геодезия
и аэрофотосъемка», № 6, 1958, с. 39—66.
83.	Муравьев М. С, О реперах особо высокой устойчи-
вости. — Известия^вузов, «Геодезия и аэрофотосъемка», вып. 3, 1958,.
с. 33-42.
328
Литература
84.	Муравьев М. С. Современные требования инженерной геодезии
к конструированию геодезических инструментов. — Известия вузов, «Гео-
дезия и аэрофотосъемка», вып. 2, 1959, с. 15—23.
85.	Наз а ров А. М., Рязанцев Г. Е. Компарироваиие руле-
ток с использованием высокоточного уровенного динамостата. — В сб.:
«Вопросы атомной науки и техники», серия «Проектирование» (ЦНИИатом-
информ), вып, 5, 1972, с. 93—96.
86.	Н а з а р о в В. М. Новый полевой интерференционный компаратор
и результаты его испытаний. —Труды ЦНИИГАиК, вып. 85,1951, с. 123—139.
87.	Новак В. Е. Использование специального устройства для из-
мерений микродеформацнй земной поверхности. — Известия вузов, «Геология
и разведка», № 12, 1965, с. 71—77.
88.	Н о в а к В. Е., Рязанцев Г. Е. Планово-высотный глубин-
ный биметаллический геодезический знак. Авт. свидетельство на изобрете-
ние № 263176, Бюл. изобретений, № 7, 1970.
89.	Н о в а к В. Е., С о л о в ь е в А. Н. О требованиях к геодези-
ческим знакам при выборе нх для изучения микродвижений горных пород.
Информационный бюллетень ЦТИСИЗ, 1 (14), М., Стройна дат, 1969, с,
с. 18—27.
90.	Новак В. Е., С п р а в н и к о в Е. А. Глубинный репер. Авт.
свидетельство на изобретение № 185501, Бюл. изобретений, № 17, 1966.
91.	Н о в а к В. Е., Я м б а е в X. К., Горелов В. А, Установка
физического оборудования технологических каналов галереи Серпуховского
ускорителя. — В сб.: «Вопросы атомной науки и техники», серия «Проек-
тирование» (ЦНИИатоминформ), вып. 4, 1971, с. 65—71.
92.	Новый лазерный дальномер — «Электроника», т, 42, № 11, 1969,
с. 53-54.
93.	Опыты с газовыми лазерами. — Вестник Ленинградского универ-
ситета № 10, серия «Физика и химия», вып. 2, 1964, 117 с.
94.	П а р и й с к и й Ю. Н., X а й кин С. Э. О требованиях, которые
должны быть предъявлены к большим радиотелескопам с точки зрения задач
радиоастрономии,—Известия ГАО в Пулкове, № 164, 1960, с. 27—30.
95.	П и с к у н о в М. Е. Наблюдения за устойчивостью глубинного
репера МИИГАиК. —Известия вузов, «Геодезия и аэрофотосъемка», вып. 5,
1958, с. 107-116.
96.	Приборостроение и средства автоматики. Под общей
редакцией проф. Гаврилова А. Н. М,, «Машгиз», 1963, т. 1, 568 с.
97.	П р и л е п и н М. Т., Г о л у б е в А. Н. Оптические квантовые
генераторы в геодезических измерениях. М., «Недра», 1972, 168 с.
98.	П р и ш е л ь ц е в В. И. Геофизика. М., Геодезиздат, 1946, 320 е.
99,	П р о в о р о в К. Л., Носков Ф. Л. Радиогеодезня. М.,
«Недра», 1965, 352 с.
100.	Рязанцев Г. Е. Определение величины радиальных смеще-
ний пунктов специальных кольцевых сетей по результатам повторных изме-
рений. — В сб.: «Вопросы атомной науки н техники», серия «Проектирова-
ние» (ЦНИИатоминформ), вып. 5, 1972, с. 81—84.
Литература
32»
101.	Рязанцев Г. Е., Т о и а х и и Ю. В. Исследования ошибок
определения температуры инварных проволок. — В сб.: «Вопросы атомной
науки и техники», серия «Проектирование» (ЦНИИатоминформ), вып. 5,
1972, с. 103—106.
102.	Рязанцев Г. Е., Штор и В. В., Н а з а р о в А. М. Воз-
можности повышения точности инженерной полигонометрии с короткими
сторонами. — В сб.: «Вопросы атомной науки и техники», серия «Проекти-
рование», (ЦНИИатоминформ), вып. 2, 1970, с. 85—92.
103.	Рязанцев Г. Е., Шторм В. В., Назаров А. М. Ре-
зультаты производственных исследований оптического центрировочного
прибора PZL. — В сб.: «Вопросы атомной науки и техники», серия «Проек-
тирование» (ЦНИИатоминформ), вып. 2, 1970, с. 79—85.
104.	Рубинов А. Д. Измерение больших размеров в машинострое-
нии. М.—Л., Машгиз, 1959, 183 с.
105.	С и и к и и Г. С., Л у к и н И. В., С и к о р а С. В. Скорости
распространении электромагнитных волн (скорости света) с помощью интер-
ферометра. — Труды ХГНИИМ, вып. 2, 1969, с. 4—45.
106.	Сикора С. В., С и и к и и Г. С. Активный лазерный интер-
ферометр. — Труды ХГНИИМ, вып. 2, 1969, с. 104—113.
107.	Солдатов Ю. И. О следящем оптико-фотоэлектрическом
устройстве с разделением поли зрения зеркальной пирамидой. — «Оптико-
механическая промышленность», № 1, 1968, с. 31—35.
108.	Соловейчик Я. С. Проверка прямолинейности длинных на-
правляющих. — Сборник работ ЭНИМС, вып. 3, 1949.
109.	Старостин А. М. Об исследовании цапф переносных пассаж-
ных инструментов. — Труды ЦНИИГАиК, вып. 87, 1952.
110.	Хайкин С. Э., Кайдановский Н. Л. К вопросу
о международном радиотелескопе. — Известия ГАО в Пулкове, № 182,1967.
111.	X а й к и и С. Э., Кайдановский Н. Л., Есепки-
н а Н. А. Большой Пулковский радиотелескоп. — Известия ГАО в Пул-
кове, № 164, 1970, с. 3—25.
112.	X а й к и и С. Э., Кайдановский Н. Л., Парий-
с к и й Ю. А. Радиотелескоп «РАТАН-600». — Известия ГАО в Пул-
кове, № 188, 1971, с. 3—12.
113.	X е с е д Е. А., Пономаренко Е. А. Прецизионная юсти-
ровка ускоряющих и фокусирующих элементов в линейных ускорителях
ионов на большие энергии.—Труды Всесоюзного совещания по ускорителям
частиц. М., 1970, с. 244—247.
114.	Цытович Ю. А. Механика грунтов. М., Госстройиэдат, 1963,
636 с.
115.	Чеботарев А. С. Способ наименьших квадратов с основами
теории вероятностей. М., Геодезиздат, 1958, 605 с.
116.	Чеботарев А. С., Селиханович В. Г., Соколов М. Н.
Геодезии, ч. II. М., Геодезиздат, 1963, 614 с.
117.	Черемисин М. С. Геодезические работы при монтаже Брукха-
ве в с кого ускорителя (США).—«Геодезия и картография», № 12, 1959. с. 59.
330
Литература
118.	Шарова Е. Е. Исследование некоторых методов проверки
прямолинейности направляющих станин.—Труды ВНИИМ, вып. 47 (107)
М,—Л., Стапдартгиз, 1961, с. 167—176.
119.	Шерк лифф У. Поляризованный свет. М., «Мир», 1965, 264).
120.	Шилов А. Ф., М о и а к И. С., К о б а к И. А. Установка для
измерения глубины модуляции излучения в полюсе до 2 ГГЦ. — Журнал при-
кладной спектроскопии, вып. 5, 1967.
121.	Шторм В. В., Козлов Л. А., Жидков А. А. Струнно-
оптический метод створных измерении с подвеской проволоки. — В со.:
-«Вопросы атомной науки и техники», серия «Проектирование» (ЦНИИатом-
информ), вып, 5, 1972, с. 100—103,
122.	Я м б а е в X. К. Исследование оптико-механического и опти-
ческого методов створных измерений.— Сб. трудов ЕрПИ, серпя «Архитек-
тура», вып. 25, 1970, с. 77—78,
123.	Ям ба ев X, К. Некоторые результаты исследований дифрак
цнонного метода створения. — Научно-технический сборник «Инженерная
геодезия», № 6, Киев, 1969, с. 38—46,
124,	Я м б а е в X. К. Некоторые результаты исследований лазерного
интерференционного створофиксатора. — В сб.: «Вопросы атомной науки
и техники», серия «Проектирование» (ЦНИИатоминформ), вып. 3, 1970,
с. 92—97.
125.	Boekel s-Senkungsmesser «Vermessungtechn. —
Rundschau», N 11, 1966, S. 18—21.
126.	Froome K. D„ Bradsell R. H. A new method for the
measurement of distance up to 5000 ft by means of a modulated light beam.
J. Sci. Instr., 43, 1966, S. 129-133.
127.	Froome K. D., Bradsell R. H. Distans measurement by
means of a light ray modulated at a microwave frequency. J. Sci. Instr., 38,
1961, p. 458-462.
128.	EujiokaT., Uchiyama T., Kobayashi M. A range
finder using a laser beam as a delay line of an oscillator. IEEE journal of Quna-
tum electronics, QE-5, N 6, 1969,
129.	Sinclair D., G i v e n s M. P. Determination of the velocity
of light using the laser as a source. J. Opt. Soc. Am., 54, N 6, 1964.
130.	Wedzony lozef Tadeusz. Stacjonarny niwelator hydro Statyczny
ze zdalnym impulsowym obczytem. «Przegl. geod.», 39, N 10, 1967, 390—393.
Оглавление
Стр.
Предисловие ............................................ 3-
Введение ................................................ 5
Глава I. Общие сведения о некоторых современных преци-
зионных сооружениях .................................... &
§ 1.	Краткая инженерно-строительная ха-
рактеристика ускорителей................... 9
§ 2.	Конструктивно-технологические осо-
бенности и требования к точности
сборки основных элементов современ-
ных ускорителен .......................... 13
§ 3.	Конструктивно-технологические осо-
бенности н требования к точности
сборки отражающих элементов радио-
телескопов ............................... 15
Глава II. Геодезическая основа сооружений................. 19
§ 4.	Принципиальные положения построе-
ния опорных геодеавческих сетей . .	19
§ 5.	*Основиые схемы построения планово-
высотных опорных сетей сооружения	23
1.	Геодезические опорные сети вытя-
нутой формы .... ................ 23
2.	Геодезические опорные сети ради-
ально-кольцевой и кольцевой фор-
мы ................................ 27
§ 6.	Закрепление пунктов опорной геодези-
ческой основы ........................... 38
1.	Выбор глубины	заложения знаков	38
332
Оглавление
2.	Конструкции глубинных геодезиче-
ских знаков........................ 41
§ 7.	Соотношение точности угловых и ли-
нейных измерений ....................... С>3
§ 8.	Испытание проектов построений спе-
циальных сетей геодезического обосно-
вания методом математического моде-
лирования ............................... 77
§ 9.	Оценка точности радиусов кольцевых
сетей ................................... 81
Глава III. Линейные измерения ........................ 86
§ 10.	Измерение линяй мерными жезлами. 86
1.	Жезлы с жестким мерным те-
лом .............................   87
2.	Жезлы с гибким мерным телом . .	92
§ 11.	Измерение линии мерными проволо-
ками ................................... 94
§12.	Методы эталонирования мерных при-
боров .................................. 99
§ 13.	Автоматизация линейных измерений 106
Глава IV. Применение муарового эффекта в высокоточных
геодезических измерениях .................................146
§ 14.	Основные методы ................ 146
§ 15.	Применение муарового эффекта . . .	148
Глава V. Современные способы автоматизации визирования
в геодезических измерениях.............................157
§16.	Дистанционно-управляемая подвиж-
ная марка.............................. 157
Оглавление
333
§ 17.	Современные способы автоматизация
визирования ............................. 159
Глава VI. Высокоточное нивелирование..................173
§ 18.	Особенности высокоточного геометри-
ческого нивелирования .................. 173
§ 19.	Высокоточное гидростатическое ни-
велирование ............................ 185
1.	Основы метода гидростатического
нивелирования ...................... 185
2.	Основные источники ошибок гидро-
статического нивелирования . .	188
3.	Гидростатическая система ниве-
лирования с дистанционным съемом
информации.......................... 199
§ 20.	Микронивелирование ................ 203
Глава VII. Высокоточные створные измерения...........207
$	21. Струнные и струнно-оптические спо-
собы и приборы створных измерений 207
$	22. Способы и приборы оптического ство-
рения ................................. 215
1.	Оптические способы........... 215
2.	Коллиматорный и автоколлима-
цяонный способы створных из-
мерении ........................ 233
§ 23.	Дифракционный способ створных из-
мерений ............................... 236
1.	Основы метода............. 236
2.	Дифракционный	створофнксатор	.	240
3.	Определение оптимальных параме-
тров двухщелевой	марки	....	241
334
Оглавление
§ 24.	Высокоточные створные измерения
с использованием оптических кванто-
вых генераторов ....................... 24&
1.	Лучевые лазерные створофикса-
торы ............................. 248
2.	Дифракционный способ створных
измерений с применением лазеров 24$
3.	Створ оф икса торы на основе актив-
ного формирования светового пуч-
ка в оптическом резонаторе . . .	250
4.	Лазерный интерференционный
створофиксатор ................... 251
Глава VIII. Передача плановых координат на различные
горизонты работ.........................................262
§ 25.	Методы и приборы механического и
оптико-механического проектирования 262
§ 26.	Оптические центрировочные приборы 270
1.	Оптический проектирующий при-
бор ОПП-2 ......................... 272
2.	Прецизионный лотаппарат ....	273
3.	Оптический центрнровочный при-
бор с уровнем (ОЦПУ)...............	275
4.	Оптический центрировочный при-
бор с подвижной трубой (ОЦПП) 276
5.	Оптические центрировочные при-
боры с самоустанавливающейся ли-
нией визирования (ОЦП) ....	277
6.	Оптический центрировочный при-
бор PZL фирмы «Карл Цейсс»
(Иена) с насадкой.................. 278
7.	Оптические центрировочные при-
боры «Надир» и «Зенит»............	279
8.	Зеркальный оптический отвес . .	281
9.	Марка для центрировочных работ 283
Оглавление
335
Глава IX. Геодезические работы при высокоточной монтаже
и контроле технологического оборудования .................285
§ 27.	Методы и приборы, применяемые прн
сборке отдельных элементов в круп*
ные блоки .............................. 285
§ 28.	Методы и приборы, применяемые при
монтаже и контроле крупных блоков
в единый технологический комплекс 300
Глава X. Применение приборов метрологической и машино-
строительной измерительной техники для высокоточных ра-
бот ....................................................304
§ 29.	Измерительные машины и микроскопы 304
§ 30.	Коллиматоры, автоколлиматоры, ин-
терферометры, приборы поверки со-
осности, катетометры.................. 310
Список литературы ....................................322
Василий Дмитриевич Большаков,
Игорь Юрьевич Васютинский,
Евгений Борисович Илюшин,
Николай Никитич Лебедев,
Виктор Евгеньевич Новак,
Матвей Егорович Пискунов,
Геннадий Евгеньевич Ряванцев,
Харьес Каюмович Ямбаев
МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ
ВЫСОКОТОЧНЫХ
ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ
В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
Редактор издательства Ф. И. Хромчеяхо
Оформление художника В. М. Лукьянова
Художественный редактор В. В. Евдокимов
Технические редакторы Л. Г. Лаврентьева,
В. В. Соколова
Корректор И. Я. Таране ва
Сдано в набор 23/VII 1975 г.
Подписано в печать 13/11 19761г.
Т-01666. Формат 60 х 90«/1». Бумага М 1.
Печ. л. 21,0. Уч.-иад. л. 20.23.
Тираж 9000 ака. Закав Л9 437/4974—15.
Цена 1 р. 35 н.
Издательство «Недра», 103633, Москва,
К-12, Третьяковский проезд, 1/19.
Ленинградская типография Я» 6
Союэполиграфпрома при Государственном
комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиграфии
и книжной торговли.
196006, Ленинград, Московский пр., 91.