Устройство теодолита

Теодолит – это геодезический прибор для измерения горизонтальных и вертикальных углов. Большинство теодолитов позволяют измерять магнитные азимуты с помощью буссоли и расстояния нитяным дальномером.

Теодолит состоит из следующих основных частей.

1.Нижняя неподвижная часть - подставка с тремя подъемными винтами; 2.Горизонтальный градуированный круг – лимб – закрыт защитным кожухом, его ось вращения входит в подставку.

3.Верхняя подвижная часть – алидада. На ней расположены:

4.Цилиндрический уровень; 5.Две вертикальные колонки – подставки оси вращения зрительной трубы;

6.Зрительная труба;

7. Вертикальный градуированный круг;

8.Отсчетное устройство (микроскоп);

9.Фокусирующий винт – кремальера 10.Винты: а) подъемные; б) закрепительные и наводящие винты лимба, алидады, зрительной трубы; в) исправительные – уровня, сетки нитей.

Подставка - нижняя неподвижная часть теодолита, состоит из основания (плиты) теодолита и трегера с тремя подъемными винтами, скрепленного с основанием посредством плоской пружины. В середине основания имеется отверстие с резьбой для скрепления его со штативом (треногой) с помощью станового винта. В отверстие в середине трегера входит ось лимба, неразъемно соединенная с ним. В трегере имеются закрепительный и наводящий винты лимба. Три подъемных винта позволяют наклонять теодолит в небольших пределах.

Основной частью теодолита является лимб. Он представляет собой плоское стеклянное кольцо с цилиндрической осью, которая входит в отверстие в подставке (трегере). По внешнему краю кольца нанесены градусные штрихи и оцифрованы от 0 до 359 в направлении по ходу часовой стрелки. У некоторых теодолитов градусные деления разделены еще через 30’, 20’; 10’или 5’. Наименьшее деление лимба в градусной мере называется ценой деления лимба. В теодолитах Т30 и 3Т30 цена деления лимба 10’, а в теодолитах 2Т30 и 4Т 30 равна 1^о. Центр лимба совпадает с вертикальной геометрической осью ZZ теодолита. Для предохранения от механических повреждений, загрязнения и воздействия внешней среды (влаги, пыли и т.п.) лимб закрыт металлическим кожухом. Лимб фиксируется в произвольном положении зажимным винтом и может перемещаться в небольших пределах наводящим винтом, расположенными в подставке. РАСПОЛОЖЕННЫМ В ПОДСТАВКЕ

Алидада– верхняя подвижная часть теодолита, вращающаяся вокруг вертикальной геометрической оси лимба. Ось вращения алидады входит в полую ось лимба, обе оси находятся на одной вертикальной линии. Ось вращения алидады называют основной или вертикальной осью теодолита. На алидаде расположены: две колонки (подставки трубы), несущие ось вращения зрительной трубы; зрительная труба; вертикальный круг; цилиндрический уровень; элементы отсчетного устройства. Алидада совместно со зрительной трубой служит для совмещения вертикальной (коллимационной) плоскости со стороной измеряемого угла и фиксирования этого направления. Алидада вместе с лимбом закрыты одним металлическим кожухом. Колонки полые внутри, в одной из них расположены оптические элементы отсчетного устройства. На этой колонке сбоку имеется отверстие со стеклом, закрываемое крышкой с зеркалом для освещения угломерных кругов и отсчетного устройства алидады. Зеркало можно поворачивать вокруг его оси и наклонять для направления светового луча внутрь колонки и освещения кругов. В верхней части одной колонки находится закрытый кожухом вертикальный круг. На другой колонке в нижней части укреплен цилиндрический уровень, а в верхней – кремальера - фокусирующий винт с большой головкой.

Зрительная труба теодолита скреплена с осью ее вращения, Она предназначена для визирования (наведения) на удаленные предметы и увеличения изображения их. В современных геодезических приборах зрительные трубы имеют внутреннюю фокусировку. Их достоинство - высокое качество изображения предметов при постоянстве длины и малых размерах трубы. Зрительная труба представляет собой металлическую цилиндрическую трубку, внутри которой укреплены объектив, окуляр и сетка нитей, а между ними помещена фокусирующая линза в оправе, которая при вращении кремальеры совершает поступательное движение вдоль оптической оси, изменяя фокусное расстояние объектива. Изображение предмета проецируется на плоскость сетки нитей в перевернутом виде и рассматривается через окуляр в увеличенном виде. В зрительных трубах геодезических приборов с 1990г. устанавливают оборачивающий блок (призма Аббе) создающий прямое изображение предмета. Сетка нитей служит для точного наведения на предмет (цель). Она представляет собой взаимно перпендикулярные штрихи награвированные на стеклянной пластинке, помещенной в оправу в окулярной части трубы. Штрихи традиционно называют нитями. Сетку нитей можно перемещать в двух взаимно перпендикулярных направлениях и поворачивать вокруг оптической оси с помощью четырех исправительных винтов. Два коротких горизонтальных штриха сетки называются дальномерными, относятся к нитяному дальномеру, предназначены для измерения расстояний. Одна половина вертикального штриха одинарная, другая - двойная, называется биссектор.

При производстве измерений сетка нитей должна быть отчетливо (резко) видна. Для этого в окуляре имеется диоптрийное кольцо, вращением которого достигается резкость изображения сетки нитей разными наблюдателями в пределах ±5 диоптрий. Это действие называется «установка трубы по глазу».Изображение наблюдаемого предмета должно быть совмещено с плоскостью сетки нитей. Это осуществляется перемещением фокусирующей линзы с помощью кремальеры и называется фокусированием или «установкой трубы по предмету».При неточном совмещении изображения предмета с плоскостью сетки нитей возникает явление параллакса, т.е. двоения изображения, которое выявляется перемещением глаза относительно окуляра. При этом центр сетки нитей будет проектироваться на разные точки изображения предмета. Параллакс устраняется небольшим поворотом кремальеры. При наличии параллакса измерения выполнять нельзя, так как это вызывает ошибку визирования.

Мнимая прямая, проходящая через центр сетки нитей и оптический центр объектива, называется визирной осью. Наведение зрительной трубы на цель (предмет) называют визированием, а линию, соединяющую глаз наблюдателя, визирную ось и наблюдаемую точку – визирным лучом или визирной линией.

Зрительная труба наглухо скреплена с горизонтальной осью ее вращения, которая лежит на колонках. Ось вращения зрительной трубы называют горизонтальной осью теодолита. Визирная ось проходит через пересечение вертикальной оси теодолита с горизонтальной осью вращения трубы и перпендикулярна к ней. Зрительная труба может быть повернута вокруг горизонтальной оси на 360°. Такой поворот называют «переводом трубы через зенит». При вращении зрительной трубы визирная ось воспроизводит вертикальную мнимую плоскость, называемую коллимационной плоскостью. Зрительная труба при вращении алидады может быть повернута на 180° вокруг вертикальной оси теодолита. В результате поворота алидады и перевода трубы через зенит вертикальный круг может располагаться слева или справа от трубы при рассматривании со стороны окуляра. Положение теодолита, когда вертикальный круг располагается слева от трубы, называют «круг лево»,сокращенно обозначают КЛ, а при расположении его справа – «круг право», обозначают КП или просто Л и П.

Зрительные трубы характеризуются увеличением, полем зрения, разрешающей способностью и яркостью изображения. Увеличением uтрубы называется отношение угла b, под которым изображение предмета видно в трубу, к углу a, под которым предмет виден невооруженным глазом u = b/a. Практически увеличение трубы принимается равным отношению фокусного расстояния объектива к фокусному расстоянию окуляра u =¦_об/¦_ок.. Трубы геодезических приборов имеют увеличение о 15 до 65 крат. Поле зрения трубы – это пространство, видимое в трубу при неподвижном ее положении. Оно определяется углом зрения e, вершина которого находится в оптическом центре объектива, а стороны опираются на диаметр диафрагмы e = 38°,2 / u, бывают от 30’ до 2°. Разрешающей способностью трубы m_u, или точностью визирования, называется отношение критического угла зрения, равного 60”, к увеличению. Она связана с разрешающей способностью глаза человека или критическим углом зрения, под которым человеческий глаз различает отрезок минимальной длины 0,1мм с расстояния наилучшего зрения примерно 25см. m_u = a_крит/u = 60”/u При увеличении 20 крат разрешающая способность равна 3.” Яркость изображения характеризуется количеством света, приходящегося на каждый квадратный миллиметр этого изображения в одну секунду. Зрительные трубы характеризует относительная яркость J – отношение яркости при наблюдении с помощью зрительной трубы E₁ к яркости Eo при наблюдении невооруженным глазом: J = E₁/Eo. Или J = q D² / d²u², где D - диаметр входного отверстия объектива; d – диаметр зрачка глаза; q – коэффициент пропускания света системой, u - увеличение трубы.

Вертикальный круг предназначен для измерения вертикальных углов (углов наклона). Он наглухо скреплен с осью вращения зрительной трубы на одном из ее концов и вращается вместе с трубой. Вертикальный круг разделен штрихами на деления. Градусные штрихи оцифрованы. Оцифровка градусных штрихов в разных теодолитах не одинаковая. В теодолитах Т30 и 3Т30 оцифровка круговая, от 0 до 359, а в теодолитах 2Т30 и 4Т30 - секторная: в одном секторе от 0 до 75, в другом, смежном. от -0 до – 75. В теодолитах с секторной оцифровкой при положении теодолита «круг лево» (основном) знаки подписанных углов соответствуют знакам углов наклона местности, т.е. при наклоне трубы вверх - положительные, а при наклоне вниз – отрицательные, а при положении «круг право» - наоборот, при наклоне вверх – отрицательные, а вниз - положительные. Алидада вертикального круга неподвижна. В теодолитах с круговой оцифровкой она представляет собой неподвижный штрих - отсчетный индекс, фиксирующий горизонтальную плоскость, проходящую через центр вертикального круга. В теодолитах с секторной оцифровкой алидада представляет собой шкалу, нулевой штрих которой фиксирует горизонтальную плоскость. Некоторые теодолиты имеют цилиндрический уровень при алидаде вертикального круга для установки отсчетного индекса в горизонтальной плоскости, другие - компенсатор - специальное устройство, автоматически устанавливающее отсчетный индекс в горизонтальной плоскости, заменяет уровень. В теодолитах серии Т30 нет уровня при алидаде вертикального круга, его роль выполняет уровень на алидаде горизонтального круга, ось которого параллельна коллимационной плоскости.

Цилиндрический уровень укреплен в нижней части одной из колонок. Он служит для приведения в отвесное положение вертикальной оси вращения теодолита с помощью подъемных винтов. Завод-изготовитель гарантирует перпендикулярность плоскости лимба к основной оси прибора, поэтому, после приведения ее в отвесное положение, лимб автоматически устанавливается в горизонтальной плоскости – необходимое условие при измерении горизонтального угла. Цилиндрический уровень представляет собой стеклянную трубку, в которой верхняя часть внутренней поверхности имеет сферическую форму большого радиуса (от 3,5м до 200м). Трубку наполняют легкой жидкостью (этиловым эфиром или смесью его со спиртом), нагретой до 60°С и запаивают. Запаянную трубку называют ампулой. После охлаждения жидкость сжимается и в ампуле образуется небольшое пространство, заполненное парами жидкости, его называют пузырьком уровня. Ампулу помещают в металлическую оправу и закрепляют в ней гипсом или другим способом. Оправу с ампулой помещают в защитный корпус так, что один конец оправы шарнирно соединен с корпусом, а другой может перемещаться в вертикальном направлении в небольших пределах юстировочными винтами. Корпус уровня крепится на защитном кожухе алидады в горизонтальном положении. В средней открытой части оправы на наружной поверхности ампулы нанесены штрихи через 2мм, отрезки между которыми называются делениями уровня. Средняя точка шкалы делений называется нульпунктом. Когда концы пузырька располагаются симметрично относительно середины шкалы, то пузырек находится в нульпункте. Мнимая прямая, касательная к внутренней поверхности ампулы в нульпункте, называется осью цилиндрического уровня.Пузырек уровня в ампуле всегда стремится занять наивысшее положение. По положению пузырька можно судить о положении оси уровня относительно горизонта. Когда пузырек находится в нульпункте, ось уровня занимает горизонтальное положение, а линия перпендикулярная к ней - отвесное. Это свойство используется для приведения отдельных частей теодолита в горизонтальное положение, а оси вращения – в отвесное.

Уровни характеризуются ценой деления и чувствительностью. Ценой деления t уровняназывается угол наклона его оси в секундах при смещении пузырька на одно деление:. t” = l *r” /R = 412,53/ R(м), где l – длина деления, равная обычно 2мм; R – радиус кривизны внутренней поверхности ампулы уровня; r - радиан, равен 57°,3. . t может быть от 1”до 60”, в технических теодолитах - от 45” до 60” (R = 7 ¸10м). Чем больше радиус ампулы, тем чувствительнее уровень.

Под чувствительностью уровня понимают наименьшее линейное перемещение пузырька, соответствующее минимальному углу наклона оси уровня, заметное невооруженным глазом, равное 0,1 деления или 0,2мм. Она зависит от радиуса кривизны внутренней поверхности ампулы, качества шлифовки и температуры воздуха.

Отсчетное устройство служит для оценки доли градуса между градусным штрихом и отсчетным штрихом алидады. Оно состоит из устройства для оценки доли наименьшего деления лимба и микроскопа для увеличения его делений. В теодолитах разной точности имеет разную конструкцию. В качестве отсчетных устройств используются: верньеры(в теодолитах с металлическими кругами); штриховые и шкаловые микроскопы; оптические микрометры (в оптических теодолитах ОТ02,Т1,Т2); микроскопы-микрометры (в теодолитах ТТ2/6 и АУ). В теодолитах Т30 и 3Т30 используется штриховой микроскоп, а в теодолитах 2Т30, 4Т30, Т15, Т5, 2Т5К – шкаловой микроскоп. Основной частью отсчетных устройств оптических теодолитов является оптическая система, с помощью которой освещаются лимб и вертикальный круг и их изображение передается в поле зрения отсчетного микроскопа. Дуга лимба между двумя соседними штрихами, выраженная в угловой мере, называется ценой деления лимбаl, она может быть 1°, 30’, 20’ 10’. В теодолитах применяютвизуальную, фотографическую и автоматическую системы отсчета. Наиболее распространена визуальная системы отсчета,. Она основана на способности глаза определять совпадение штрихов одной шкалы со штрихами другой, либо симметричность расположения штрихов шкал, а также оценивать доли промежутка между штрихами. В технических теодолитах отсчетное устройство состоит из зеркала подсветки на колонке, оптической системы внутри колонки и отсчетного микроскопа в виде маленькой трубки рядом со зрительной трубой.

В поле зрения штрихового микроскопа теодолитов Т30 и 3Т30, разделенного на две половины: нижнюю и верхнюю, относящиеся соответственно к горизонтальному и вертикальному кругам, видны неподвижный отсчетный штрих на алидаде – отсчетный индекс, штрихи делений с ценой деления l=10’ и подписи градусных штрихов лимба и вертикального круга (изображается противоположная часть лимба).

Рис 5. 4.. Поле зрения шкалового микроскопа Рис5.3. Сетка нитей

Отсчет по горизонтальному кругу 101° 42’,5. Отсчет по вертикальному кругу - 2° 39¢.

Обычно отсчетный штрих оказывается между двумя соседними градусными штрихами лимба и вертикального круга, которые принято называть младшим и старшим. При отсчитывании по кругам начальным является младший градусный штрих. Отсчет по кругам теодолита Т30 складывается из числа градусов N подписанных у младшего штриха, числа минут целых делений лимба n между младшим градусным штрихом и отсчетным индексом алидады и доли Dl неполного деления лимба между последним штрихом целого деления и отсчетным индексом, оцениваемой на глаз до 0,1 деления круга, т.е.1’: а = N° +l*n + Dl.

В поле зрения шкалового микроскопа (2Т30 и4Т30) видны разделенные горизонтальной полосой две шкалы с подписанными крайними штрихами и оцифрованные штрихи горизонтального и вертикального кругов. Нижняя шкала относится к горизонтальному кругу, верхняя к вертикальному кругу, обозначены в светлых треугольниках буквами « г» и «в». Шкалы неподвижные, находятся на алидаде, длина их равна длине дуги круга в 1°. Шкалы разделены на 12 (у других теодолитов на 30 или 60) частей (долей) с ценой деления шкал в минутах 5’. Крайние штрихи шкал оцифрованы: на шкале горизонтального круга левый штрих 0, а правый 6. Для упрощения отсчитывания каждый второй штрих шкалы, соответствующий 10′, удлинен. Удлинением выделен и 30-минутный штрих. На шкале вертикального круга оцифровка двойная: вверху штрихов слева 0, справа 6, внизу штрихов справа -0, слева -6. Нулевой штрих горизонтального круга расположен в коллимационной плоскости, а вертикального круга – в горизонтальной плоскости. При оценке доли градуса начальными служат нулевые штрихи шкал (0 и -0), а отсчетным индексом – градусные штрихи лимба и вертикального круга.

Отсчет по кругам складывается из подписанного числа градусов N штриха, накладывающегося (пересекающего) шкалу, числа минут, получаемых умножением числа n целых делений шкалы между нулевым штрихом и градусным штрихом на цену деления шкалы l’и минут доли Dl ’неполного деления шкалы, оцениваемой на глаз в десятых долях наименьшего деления шкалы: a = N° + n* l’+ Dl’. При отсчете по горизонтальному кругу и положительных (без знака) углов по вертикальному кругу число минут по шкале считают слева направо от 0 до 6. Если на вертикальном круге градусный штрих имеет знак минус ( - ), то число минут по шкале считают справа налево, в направлении от – 0 к – 6.

Органы управления и регулировки – винты трех видов. Для фиксирования подвижных частей в каком-либо (произвольном) положении теодолит снабжен закрепительнымивинтами с головками небольших размеров, а для точного и плавного наведения на цель (предмет) – наводящими винтами с головкой больших размеров, чем закрепительные. При этом наводящие винты перемещают соответствующие части теодолита в небольших пределах только при закрепленных закрепительных винтах. Наводящие винты имеют мелкую резьбу, поэтому их называют также микрометренными.

Кроме них имеются юстировочные(регулировочные или исправительные) винты, с помощью которых приводят отдельные части и оси теодолита в соответствие с геометрическими условиями. Они расположены на цилиндрическом уровне и сетке нитей, имеют малые размеры и отверстия в головке для вращения их шпилькой.

В комплект теодолита входят штатив, отвес и ориентир-буссоль.

Штатив служит для установки теодолита над точкой местности – вершиной измеряемого угла. Он представляет собой треногу с раздвижными ножками (иногда цельными) шарнирно соединенными с металлической головкой, имеющей становой винт для скрепления теодолита со штативом. Высоту штатива изменяют выдвижением ножек, после чего их закрепляют винтами. Для транспортирования ножки вдвигают до упора, закрепляют части ножек винтами и стягивают ремнем. Для переноски штатива за спиной или на плече служит регулируемый по длине ремень.

Отвес предназначен для установки (совмещения) вертикальной оси вращения теодолита (центра лимба) на отвесной линии проходящей через вершину измеряемого угла, т.е. для центрирования теодолита. В некоторых теодолитах встроен оптический центрир, заменяющий отвес.

Ориентир-буссоль служит для ориентирования теодолита по магнитному меридиану и измерения магнитных азимутов направлений. Она имеет вид продолговатой коробочки, устанавливается в паз сбоку вертикального круга и закрепляется винтом.

На корпусе зрительной трубы имеется приспособление для приближенного (грубого) наведения ее на цель – коллиматорный визир. При пользовании визиром глаз должен быть на расстоянии 25 – 30см от него.

Теодолит помещен в футляр, имеющий вид коробки или колпака. Футляр в виде колпака скреплен с основанием (плитой) теодолита крючками, которые при повороте рукояток замка снаружи футляра входят в ушки на основании теодолита. Для извлечения теодолита из футляра необходимо большими пальцами рук оттянуть в стороны пружины-фиксаторы замков, повернуть рукоятки замков по направлению стрелок (правую вперед, а левую назад, к себе) вниз и снять футляр. Для упаковки теодолита необходимо: установить наводящие винты в среднее положение, зрительную трубу – в надир (объективом вниз). Совместить метки на колонке теодолита и основании, закрепить все вращающиеся части. Завинтить до ограничения подъемные винты, окуляры зрительной трубы и отсчетного микроскопа. Закрепить буссоль на дне футляра. Установить рукоятки замков на футляре в горизонтальное положение. Надеть футляр на теодолит так, чтобы выступ на внутренней боковой части футляра вошел в паз (вырез) на основании и, слегка нажимая на футляр сверху, закрыть замки, повернув рукоятки замков вверх. Для переноски теодолита служит ремень на колпаке. В последних модификациях теодолиты хранят в укладочных ящиках (коробках), имеющих углубления для отдельных частей теодолита. Для переноски снабжены ремнями.

Теодолит снабжен окулярными насадками, надеваемыми на окуляры трубы и отсчетного микроскопа. Они применяются для удобства наблюдения предметов, расположенных под углами более 45° к горизонту и центрирования теодолита над точкой с помощью зрительной трубы, установленной в надир. Представляет собой призму, изменяющую направление визирной оси на 80°, заключенную в оправу.