Оптические нивелиры, классификация и их устройство

Одними из самых известных и популярных в своей области, простых в обращении и точных геодезических приборов считаются оптические нивелиры. Основной принцип, задействованный в конструкциях вообще всех видов нивелиров, заключается в передаче на расстояние горизонтального луча, необходимого для его практического применения. Этот принцип применяется через осуществление взаимосвязи геометрических условий и оптической системы в конструкции прибора. По всей видимости, и способ измерений с применением этого инструмента получил его наименование, а именно геометрическое нивелирование.

Оптические нивелиры позволяют нам:

• измерять превышение между точками относительно горизонтального луча, проходящего через визирную ось трубы;
• определять отклонение от горизонтального луча измеряемых плоскостей и всевозможных поверхностей;
• устанавливать высотные отметки точек относительно отсчетной системы координат (абсолютной, условной).

Классификация оптических нивелиров

В современном приборостроении и геодезии соответственно выпускаются и применяются оптические нивелиры, которые можно позволить классифицировать на два вида:

• оптико-механические;
• оптико-электронные, еще их называют цифровыми.

И в тех и других устройствах существующие системы наблюдения и ориентирования имеют одинаковую связь между оптикой и геометрией. Ориентирование обеспечивается через визирную ось относительно отвесной линии. Наблюдение осуществляется через зрительную трубу и механизм наведения. А вот отличие между ними заключается в отсчетных системах соответственно визуальной и электронной.   

Оптические нивелиры также различают по степени точности. Среди них можно выделить:

• высокоточные;
• точные;
• технической точности.

В соответствии с государственными стандартами к высокоточной группе относятся приборы со среднеквадратической погрешностью не более 0,5мм при проведении одного километра двойного хода. К ним относятся ранее изготовленные оптико-механические нивелиры Ni-002 (Цейс), Н-0,5 и современные цифровые, например SDL-1X (SOKKIA).

К точным нивелирам относятся инструменты со среднеквадратической погрешностью (СКП) до 3-х мм и наименованиями Н-3, Н-3К и многие современные марки ведущих иностранных производителей.

Технической точности считаются инструменты со среднеквадратической ошибкой не более десяти миллиметров, например, такой, как Н-10КЛ.

Еще, все производимые сегодня оптические нивелиры в зависимости от приведения визирного луча к горизонтали можно разделить на два вида:

• с цилиндрическим установочным уровнем визирной оси, которая выводится в горизонтальное положение так называемым элевационным винтом, соединенным с уровнем (Н-3);
• с самоустанавливающимся визирным лучом при помощи компенсаторов, автоматически выставляющих его в горизонтальную плоскость (Н-3К).

Все современные приборы сейчас изготавливаются большей частью с компенсаторами, позволяющими увеличивать производительность труда полевых работ.

Устройство оптического нивелира

Классическое устройство нивелира можно показать на такой широко используемой марке приборов как Н-3. В его составе необходимо выделить основные узлы, показанные на рисунке.

 

Рис. 1. Устройство.

 

На рисунке можно увидеть следующие детали и узлы оптического нивелира:

• зрительная труба, предназначенная для наведения на рейку (1);
• окуляр, часть оптической системы, предназначенная для наблюдения (2);
• объектив, часть оптической системы, предназначенная для получения увеличенного изображения объектов (3);
• трегер или другими словами подставка для размещения в нем самого прибора (4);
• подъемные винты, служащие приведению инструмента в рабочее состояние, совпадающее с отвесной линией (5);
• пластина, нижняя часть подставки, предающая жесткости всей ее конструкции и устойчивости подъемных винтов (6);
• закрепительный винт прибора, предназначенный для фиксации зрительной трубы после грубого наведения на рейку (7);
• цилиндрический уровень, соединенный с трубой и служащий для установления визирного луча в горизонтальное положение (8).
• место установки юстировочных винтов, предназначенных для исправления положения цилиндрического уровня (9);
• визир, расположенная сверху трубы деталь для ориентировочного наведения на рейку (10);
• фокусировка (кремальера), предназначенный для фокусирования (придания резкости изображению) механизм, (11);
• наводящий (микрометренный) винт, служащий точному наведению зрительной трубы на рейку (12);
• круглый уровень, показывающий положение прибора относительно отвесной линии (13);
• юстировочные винты круглого уровня, для исправления положения уровня (14);
• элевационный винт, выводящий цилиндрический уровень на середину и связывающий его с визирным лучом (15).

Основные геометрические условия

Для работоспособности оптического нивелира требуется соблюдение геометрических условий, предусмотренных конструкцией самого прибора. Геометрическая схема прибора, в упрощенном виде представлена на приведенном ниже рисунке.

 

Рис.2. Геометрическая схема.

Элементы геометрической схемы представляют совокупность невидимых вертикальных и горизонтальных линий основных узлов и деталей инструмента:

• (N – N) – вертикальная линия, представляющая ось круглого уровня;
• (V – V) – линия, изображающая вертикальную ось вращения прибора;
• (Z – Z) – визирный луч, проходящий через центр окуляра и объектива;
• (L – L) – горизонтальная ось цилиндрического уровня;
• (K – K) - вертикальная ось автоматического компенсатора.

Основные детали и конструкции оптических нивелиров геометрически связаны между собой и их элементами (осями). Все конструктивные геометрические условия приборов проверяются во время проведения поверок нивелира. К ним относятся:

• поверка круглого уровня, ее условие состоит в параллельности оси круглого уровня и невидимой оси вращения прибора;
• поверка сетки нитей, ее условие состоит в вертикальности оси сетки нитей;
• поверка по определению угла і, суть которой заключается в параллельности визирного луча и горизонтальной оси цилиндрического установочного уровня;
• поверка компенсатора, ее условие состоит в горизонтальности визирного луча.

Дополнительные принадлежности

Для проведения измерений с помощью оптических нивелиров используются дополнительные принадлежности:

• штативы;
• рейки.

Штативы необходимы для установки и жесткого крепления конструкции прибора, приведение его в рабочее положение и собственно выполнение измерений. Нивелирные штативы бывают деревянные, фиберглассовые, алюминиевые и обычно они легкие по весу и с меньшими головками крепления.

Рейки могут быть различной длины, изготовлены из разного материала с разграфленной шкалой на их поверхностях. В обозначения нивелирных реек, например РН-3-3000СП, входят:

• сокращенное наименование (РН – рейка нивелирная);
• первая цифра (3), означающая точность измерений в мм;
• второе число (3000) означает длину в мм;
• СП – сокращение означающее: складную конструкцию и прямое изображение.

Существуют различные виды реек:

• деревянные складные двухсторонние;
• алюминиевые выдвижные, с накладным круглым уровнем ;
• инварные, повышенной точности.

Длина реек колеблется в пределах от одного до пяти метров. Деления на них бывают миллиметровые с одной стороны и сантиметровые Е-образные с другой или с обеих сторон сантиметровыми одновременно, но с чередованием цвета (красная, черная). Они могут быть штриховыми и с инварной проволокой для цифровых нивелиров. Вся градуировка на рейках, нанесенная краской, перед вводом ее в эксплуатацию должна быть исследована и соответствовать требованиям предельных отклонений метрового отрезка и длин делений шкал.