Инженерная геодезия

22.3. СПОСОБЫ ВЫВЕРКИ ПРЯМОЛИНЕЙНОСТИ

Выверка прямолинейности в основном относится к работам по установке и контролю положения технологического оборудования. При этом имеется в виду установка в заданном створе фиксированных на обрудовании точек, совпадающих с геометрическими и технологическими осями.

К широко известным способам выверки прямолинейности - струнному и оптическому - относят также коллиматорный, автоколлимационный, дифракционный и лучевой способы.

Коллиматорный способ применяют в основном при выверке прямолинейности направляющих путей и конвейерных линий большой протяженности или при установке оборудования в проектное положение по базовым точкам.

Коллиматорная система состоит из зрительной трубы 1 (рис. 22.3) с окулярным микрометром 2 и коллиматора 3, задающего параллельный световой пучок. Сетка нитей 4 коллиматора расположена в его фокальной плоскости и освещается сзади точечным источником света. Изображение этой сетки получается в фокальной

312

Рис. 22.3. Схема коллиматорного способа выверки прямолинейности

плоскости зрительной трубы, сфокусированной на бесконечность, и налагается на изображение сетки нитей окулярного микрометра. При перемещении коллиматора параллельно визирной оси трубы, ориентированной по створу монтажной оси на второй коллиматор (марку), световой пучок не будет изменять своего направления и изображение сетки коллиматора относительно сетки трубы будет оставаться неподвижным. При повороте или наклоне коллиматора на некоторый угол θ, на этот же угол от визирной оси отклонится световой пучок, вызывая смещение изображения сетки коллиматора в фокальной плоскости зрительной трубы. Угол θ можно измерить окулярным микрометром. Зная расстояние b (база прибора) между опорными точками 5, которыми коллиматор контактируется с выверяемой плоскостью, определяют линейную величину у отклонения оси коллиматора от заданного направления по формуле

Средняя квадратическая ошибка т_y определения смещения может быть подсчитана по формуле

Из формулы (22.9) следует, что точность определения смещения коллиматорным способом не зависит от расстояния до наблюдаемых точек, но до известного предела, так как при больших удалениях коллиматора от зрительной трубы ухудшаются условия наблюдений и увеличивается ошибка измерения угла θ. В благоприятных условиях при расстоянии до 200 м и базе коллиматора 1 м ошибка определения смещения составляет 0,005 - 0,01 мм.

При выверке прямолинейности целой линии длиной L путем последовательных п перестановок коллиматора суммарная ошибка отклонения от прямой в конечной точке может быть выражена формулой

313

Приняв m_θ = 0,5’’; b = 1000 м; L = 100 м (при n = 100), получим m_yL = 0,05 мм.

При перемещении коллиматора от точки к точке передняя и задняя опоры должны последовательно контактироваться с одними и теми же точками. Кроме того, частота обработки поверхности выверяемого оборудования должна соответствовать точности способа. Практически эти условия выполнить трудно, поэтому фактическая ошибка измерений получается несколько большей, чем подсчитанная по формуле (22.10).

В способе автоколлимации зрительная труба совмещена с коллиматором, образуя единый автоколлимационный прибор. Автоколлимационные приборы изготавливают в основном на базе серийных теодолитов и нивелиров с добавлением специального автоколлимационного окуляра, формирующего изображение светящейся сетки нитей. Примером может служить выпускаемый в России автоколлимационный теодолит 3Т2А. Снабжены так же автоколлимационным окуляром специальные алиниометры.

Принцип способа автоколлимации основан на получении изображения, образованного световым пучком, вышедшим из автоколлиматора и отраженным от отражателя, установленного на выверяемом оборудовании. Если в качестве отражателя используют хорошо шлифованное плоское зеркало, а трубу автоколлиматора фокусируют на бесконечность, то получают автоколлимацию параллельного светового пучка, при сферическом отражателе - автоколлимацию сходящегося светового пучка. В зависимости рт этого выверка прямолинейности может осуществляться двумя путями.

1. В параллельном пучке угол отклонения изображения, отраженного от плоского отражателя, измеряется оптическим микрометром автоколлимационной трубы. Схема автоколлиматорного способа аналогична коллиматорной схеме, с той лишь разницей, что чувствительность автоколлимации вдвое выше, так как при повороте отражателя на некоторый угол автоколлимационное изображение отклоняется на двойной угол (рис. 22.4, а). Отсюда, при одинаковых условиях ошибка автоколлимационного способа вдвое меньше ошибки коллиматорного.
2. В сходящемся пучке (рис. 22.4, б) труба фокусируется на зеркально-линзовый отражатель (ЗЛО), состоящий из плоского зеркала 1, помещенного в фокусе объектива 2, и защитного стекла 3. Эта система чувствительна к линейному смещению отражателя перпендикулярно створу. Величина смещения измеряется непосредственно окулярным микрометром трубы или при помощи отсчетного устройства, если им снабжен отражатель.

314

Рис. 22.4. Схемы автоколлимационного способа выверки прямолинейности

К недостатку автоколлимационного способа выверки прямолинейности следует отнести возрастающие потери яркости изображения с увеличением расстояний до отражателя. Применение лазеров увеличивает дальность действия способа.

Помимо выверки прямолинейности, автоколлимацию с успехом используют для точной передачи азимутов (дирекционных углов) в ходах с очень короткими сторонами, равными нескольким метрам. Такие ходы могут прокладываться в закрытых помещениях для эталонирования гироскопов, в галереях гидростанции, в шахтах различного назначения и т. д. В качестве визирных целей в таких ходах применяют плоские зеркала; угловые измерения выполняют автоколлимационным теодолитом.

Дифракционный способ основан на известном интерференционном опыте Юнга с дифракцией от двух щелей. Свет от точечного источника 1 после прохождения узкой щели d₁ марки М₁ (рис. 22.5) попадает на спектральную двухщелевую марку М₂. Вследствие дифракции от щелей d₂ световой пучок загибается в область геометрической тени и, будучи когерентным, интерферирует. В пространстве после спектральной марки возникает интерференционная картина с ярко выраженной осью симметрии. Интерференционная картина рассматривается относительно сетки нитей приемника света 2. При монохроматическом пучке света наблюдатель видит одноцветную картину, состоящую из параллельных светлых полос, разделенных темными промежутками. Центральная полоса является самой яркой. Если интерференционная картина создается белым светом, то все полосы, кроме центральной, окрашены в различные цвета спектра.

Центр одиночной щели, оси симметрии спектральной марки и интерференционной картины всегда находятся на одной прямой.

315

Рис. 22.5. Схема дифракционного способа выверки прямолинейности

Это свойство и используется для выверки прямолинейности. При поперечном створу смещении спектральной марки соответственно смещается центр интерференционной картины. Если спектральная марка снабжена отсчетным устройством, то, совмещая центр интерференционной картины с биссектором сетки нитей приемника света при двух, отличающихся на 180°, положениях спектральной марки и производя при этом отсчеты, можно определить величину отклонения от створа. Марка с одиночной щелью и приемник света устанавливаются на знаках закрепления монтажной оси, спектральная марка - на оборудовании.

Размеры щелей обеих марок и расстояние между щелями спектральной марки рассчитывают, исходя из условия получения резкой интерференционной картины и необходимой ширины ее полосы.

Приборная точность дифракционного способа характеризуется средней квадратической ошибкой 0,05 - 0,1 мм на 100 м. Способ очень чувствителен к внешним условиям.

Увеличение дальности дифракционного способа и автоматизация процесса измерений при сохранении высокой точности стали возможны с появлением лазерных интерференционных створофиксаторов (ЛИСТ). В этих приборах в качестве источника излучения большой мощности и высокой когерентности используется лазер, а интерференционное изображение формируется специальными дифракционными линзами, называемыми зонными пластинками. В качестве приемных используются фотоэлектронные регистрирующие устройства (ФЭРУ) различного вида.

В практике выверки прямолинейности широкое распространение получил так называемый лучевой способ. Он основан на применении

316

узкого лазерного пучка, задающего положение опорной прямой. Для этого используют различные лазерные визиры и указатели направлений. Положение контролируемых точек определяется с помощью фотоэлектронных регистрирующих устройств.

317