Разработка нивелира Leica Roteo-35

                             Введение

     Необходимость определения превышения одной точки земной поверхности над другой появилась очень давно и была вызвана жизненными потребностями человека. Впервые нивелирование стало применяться в Египте и Месопотамии, так как здесь производились работы по орошению и строительству каналов, требующие соблюдения определенного уклона. Приборы для геометрического нивелирования того времени были несложными. Отвес и поверхность воды определяли вертикальное и горизонтальное направления. Простейшую линейку и диоптры использовали для визирования на цели. Наиболее интересным представляется "Хоробатес" Витрува, который в известной мере использовал для этого принцип сообщающихся сосудов и подвижные щели для наведения на предмет. С древних времен известно нивелирование в Китае, где в XIX вв. до н. э. с этой целью автоматизировал приведение линии визирования в горизонтальное положение, применяли рейки с подвижными целиками. Применялось нивелирование также в Греции и арабских странах. Героном в трактате "О диоптрах" описан прибор для нивелирования, состоящий из изогнутой трубки, заполненной водой. Позже он был видоизменен и назван гидростатическим нивелиром. Принцип его остался тот же, только трубка (длиной 1 м и диаметром 4 см) была изготовлена из металла и имела посередине гильзу, для насадки на цапфу штатива, а в загнутые перпендикулярно концы трубки вставляли два стеклянных цилиндра одинакового диаметра. Визировали поверх подкрашенной жидкости или менисков ртути, заполняющих сообщающиеся сосуды. Наиболее удобным и практичным был гидростатический нивелир, сконструированный на принципе закрытых сообщающихся сосудов, которые имели либо* округлую, либо прямоугольную форму и могли устанавливаться в рабочее положение на штативе (в виде шеста) или свободно подвешиваться. Способом гидростатического нивелирования с успехом пользовались римляне при прокладке большого наземного водопровода, о существовании которого говорят сохранившиеся до настоящего времени акведуки. Следует отметить, что, несмотря на примитивность всех способов и приборов для геометрического нивелирования, точность выполнения работ была достаточно высока для того времени. Например, Херри указывает, что при археологических раскопках обнаружены пирамиды, подножия которых имеют разницу по высоте 2 см на 90 м длины, т. е. точность нивелирования составляла 0,02 %. Примером умелого проведения точного нивелирования может служить канал между Нилом и Красным морем, который был построен в 250 г. до н. э. и использовался даже спустя 600 лет. Не менее убедительный пример  это канал, соединяющий Красное и Средиземное моря. Он был сооружен за 6 веков до начала нашей эры. Применялся в то время нивелир в виде шестиметрового желоба, наполненного водой. Для определения высот точек к концам желоба подвешивались отвесы.

 С развитием общества и всесторонней хозяйственной деятельности повышались требования к точности и скорости производства нивелирных работ. В связи с этим развивались и совершенствовались конструкции приборов. Ввиду того, что более быстрый темп работ обеспечивали в то время гидростатические нивелиры,.позволяющие автоматически устанавливать линию визирования в горизонтальное положение, то именно они получили широкое распространение и дальнейшее развитие. Основные усовершенствования этих нивелиров касались повышения точности визирования. Уже в средние века нашей эры появляется новый гидростатический нивелир с самоустанавливающейся линией визирования, отличающийся более высокой точностью.

      Все гидростатические нивелиры позволяли не только автоматически устанавливать визирную ось в горизонтальное положение, но и обладали еще одним достоинством, а именно, они не нуждались в поверках.

     Не меньший интерес представляют так называемые маятниковые нивелиры. Один из них представляет собой металлическую рамку, подвешенную как свободный маятник на крючке шеста, служащего в качестве штатива. На рамке имеются диоптры для визирования и шкала уклонов (в тысячных) для определения или выноса в натуру уклонов. Этот нивелир имел одну основную поверку, которая выполнялась двойным нивелированием. Для исправления ошибки диоптры делались подвижными. Во втором типе маятникового нивелира в качестве горизонтальной нити для отсчитывания по рейке использовалось повернутое на 90° изображение отвеса. Поворот изображения получался за счет применения специальной призмы. Поскольку отвес занимает всегда вертикальное положение, то его изображение будет также всегда горизонтальным, позволяющим выполнять геометрическое нивелирование. Применение подобных нивелиров обеспечивает точность около 0,5 м на 1 км.

              Изобретение в 1609 г. зрительной трубы означало также прогресс в разработке нивелиров. Вместо маятниковых приборов с диоптрами начинают появляться маятниковые нивелиры со зрительной трубой. Например, маятниковый ватерпас Пикара состоял из зрительной трубы и коробки с маятником, имевшим длину 1,3 м. Под зрительной трубой находился дугообразный стержень, который скользил по опорам, давая возможность привести маятник в отвесное положение и тем самым привести трубу в горизонтальное положение. Опоры укреплялись на переносной подставке. Таким прибором можно измерять углы наклона визирной линии, пользуясь транспортиром с минутными делениями. Нивелиры подобного типа создавались и в России. При Петре I существовала оптическая мастерская, занимавшаяся изготовлением геодезических приборов. В 1748 г. в "Санкт-петербургских ведомостях" был помещен "Реестр тем инструментам, которые в инструментальной палате при Академии Наук делаются и по нижеописанной цене продаются", из которого видно, что наряду с другими инструментами мастерская выпускала в этот период "ватерпасы с прешпективной трубкой в футляре" (т. е. нивелиры). Зрительная труба приводилась в горизонтальное положение при помощи отвеса или маятника. В обоих приборах почти полностью была устранена автоматическая установка линии визирования в горизонтальное положение. В этом отношении выгодно отличаются нивелиры Ремера (рис. 3,6) и 1790 года (рис. 3,в). Благодаря наличию маятниковой подвески зрительной трубы они обладали известными преимуществами. Кроме того, для предохранения от воздействия внешних условий и устранения колебаний зрительной трубы нивелиры были помещены в кожух и снабжены .специальными жидкостными демпферами. У таких нивелиров возникает необходимость дополнительной юстировки прибора, так как из-за смещения окуляра при перефокусировке происходит смещение центра тяжести системы.

             Дальнейшие исследования привели к созданию приборов с искусственным горизонтом. В них зрительная труба устанавливается в горизонтальное положение по индексу, в качестве которого используется зеркальное изображение, получаемое при отражении от поверхности налитой в сосуд ртути. Например, в нивелире Клода и Дрианкура (1900 г.) горизонтальность визирной линии достигалась совмещением прямого и обратного изображений источника света или освещенной щели. Пентапризма перекрывала половину поля зрения, позволяя наблюдать одновременно и отсчетный индекс, и рейку. В ртутном нивелире Вильда горизонтальность визирного луча контролировалась по совпадению прямого и отраженного изображений сетки. Большая чувствительность к вибрациям и быстрое окисление поверхности ртути не позволили использовать принцип искусственного горизонта на практике. К тому же этот тип нивелиров не полностью автоматизировал, и совмещал процесс наблюдений объекта и контроля горизонтальности линии визирования.

                Необходимость сооружения сложных промышленных, гражданских и других объектов, а также различные исследования движений земной коры требовали все более высокой точности выполнения нивелирных работ. В этих условиях вопрос об автоматическом приведении линии визирования в горизонтальное положение стоял менее остро, и потому в практику геодезических работ прочно вошли нивелиры с цилиндрическими уровнями, изобретенными еще в 1660 г. и позволявшими с высокой точностью приводить визирную ось зрительной трубы в горизонтальное положение. Уровенные нивелиры нашли широкое,применение в практике топографо-геодезических работ. Теперь задача состоит в том, чтобы автоматизировать процесс приведения линии визирования в горизонтальное положение, сохранив или даже повысив при этом точность. Уже с 30-х годов XX в. учеными, инженерами, конструкторами принято это новое направление в автоматизации приборов для производства геометрического нивелирования. В основе нового направления лежит принцип автоматической установки в горизонтальное положение не всего нивелира или его зрительной трубы, а только линии визирования. Для таких целей используются специальные устройства, называемые компенсаторами или стабилизаторами и отличающиеся легкостью, компактностью и удобством. Компенсаторы автоматически исключают даже незначительные отклонения визирной оси от горизонтального положения, вызванные внешними условиями, что устраняет трудоемкий и утомительный процесс точной установки уровня, освобождает наблюдателя от необходимости контроля и корректирования положения пузырька уровня во время отсчитывания. В этом основное преимущество нивелиров с самоустанавливающейся линией визирования. Получаемая на практике точность подтверждает правильность выбранного пути в вопросе автоматизации нивелирных работ.

              Основоположником теории стабилизации визирного луча по праву можно считать советского ученого проф. В.. Н. Чуриловского. С 1937 по 1940 г. им было теоретически разработано несколько типов стабилизаторов, послуживших основой для дальнейших исследований в этой области. Приоритет советских ученых в области конструирования нивелиров с компенсаторами подтверждается также тем, что в СССР уже в 1945 г, был создан и внедрен в практику нивелир с самоустанавливающейся линией визирования НС-2, предложенный старшим научным сотрудником Центрального научно-исследовательского института геодезии, аэросъемки и картографии Г. Ю. Стодолкевичем.

                  К настоящему времени в различных странах разработано их серийно выпускается несколько десятков типов нивелиров с компенсаторами. Многие из них характеризуются очень высокой точностью, компактностью и оригинальностью примененного способа компенсации угла наклона зрительной трубы.

                Дальнейшее развитие получили теоретические исследования. В СССР впервые в мировой практике разработаны и исследованы подвески на шарикоподшипниках и многоступенчатые (многозвенные) компенсаторы, позволившие расширить диапазон компенсации и о ней. Разработана методика расчета магнитных демпферов. Народное предприятие "Карл- Цейсс" (ГДР) выпускает нивелиры с компенсаторами, отличающиеся высокой степенью их сервисного исполнения и возможностью визирования на заднюю и переднюю рейки с одного места наблюдателя. Большой вклад в развитие двустороннего визирования и теорию жидкостных компенсаторов внесен советскими учеными Н. А. Гусевым, Ю. И. Беспаловым.

              Современный этап развития нивелиров с компенсаторами характеризуется дальнейшей автоматизацией процессов визирования (лазерные нивелиры), отсчитывания (кодовые нивелиры).Поэтому Я решил разработать лазерный нивелир. 
 

Разработка  лазерного нивелира по прототипу Leica Roteo-35

1)Внешний вид: 

2)Общая характеристика прибора:

          Мой лазерный нивелир будет  создан для внутренних работ. Прибор можно устанавливать на потолке, на стенах, на полу или на штативе. Нивелир может быть использован для различных видов работ внутри помещений, когда требуется горизонтально установить или выровнять различные объекты.

         Специальный кронштейн с электромеханическим приводом позволит легко вынести рабочую отметку с миллиметровой точностью при помощи пульта дистанционного управления. Ротационный лазер самостоятельно установится в горизонтальной плоскости, компенсируя собственный наклон в пределах 4,5°. Режим сканирования позволит улучшить видимость лазерного луча в условиях повышенной освещенности.

3)Основные особенности прибора: 
 

• Вертикальный лазерный луч будет  использоваться для установки над опорной точкой и построения прямого угла.
• Функция самогоризонтирования обеспечит простоту установки лазера в правильное положение.
• Время работы на алкалиновых батарейках будет до 160 часов, а от перезаряжаемых аккумуляторов до 40 часов непрерывной работы.
• Прочная алюминиевая решетка надежно защитит вращающуюся головку лазера от повреждений.
• Крепление с электромеханическим приводом упростит вынос рабочих отметок с миллиметровой точностью.

4)Возможности прибора: 

5)Преимущества  прибора: