Электронный тахеометр. Устройство, принцип работы и практическое использование

Добрый день, уважаемые посетители сайта НГК!

В этой небольшой статье мы коротко расскажем об устройстве современных электронных тахеометров и о принципах их работы. Также дадим практические советы, чтобы упростить и ускорить вашу работу с этим популярным геодезическим оборудованием. Не путайте, пожалуйста, этот геодезический измерительный инструмент с тахометром и тахиметром :)

Итак, начнем!

Тахеометр (от др.-греч. ταχύς, род. пад. ταχέος — «быстрый») — геодезический инструмент для измерения расстояний, горизонтальных и вертикальных углов. Он сочетает в себе функции теодолита, нивелира и дальномера. Способен определять высоту недоступного объекта (например, провис проводов), осуществлять измерения относительно базовой линии (важная функция при работе на строительном объекте), определять координаты, наклон зданий, а также решать множество других геодезических задач. Используется для определения координат и высот точек местности при топографической съёмке, при разбивочных работах, выносе на местность высот и координат проектных точек, прямых и обратных засечек, тригонометрического нивелирования и так далее. Роботизированные высокоточные модификации тахеометров используют для постоянного мониторинга зданий, бортов карьеров и т.д. 

Современные тахеометры отличаются друг от друга не только точностью и достоверностью получаемых данных, но и возможностями полевого программного обеспечения. По возможностям ПО тахеометры условно делят на инженерные и технические. Инженерные тахеометры как правило обладают более богатым функционалом - поддерживают использование различных систем координат, растровых и CAD подложек (DXF/DWG форматы), имеют возможность работы с картой, с цифровыми моделями рельефа, использовать BIM модели в формате IFC. Позволяют выполнять мониторинг и инспектирование резервуаров, определять вертикальность труб, инспектировать шахты и туннели, контролировать проведение горнотехнических работ и многое другое.

Внешний вид одного из самых популярных тахеометров Leica TS07

Для начала ознакомимся с внешним устройством тахеометра и его компонентами. 

Основные компоненты тахеометра Leica TS07

a) Коммуникационная панель имеет слоты для SD-карты, USB-флешки и для подключения USB-кабеля. Служит для обмена информацией - импорт и экспорт данных из прибора и в прибор с компьютера.

b) Оптический визир тахеометра используется для быстрого грубого наведения зрительной трубы на объект.

c) Съемная транспортировочная ручка с установочным винтом служит для переноса прибора. Может быть снята для измерений в зенит.  

d) Створоуказатель EGL (доступен опционально). Имеет мигающие красный и желтый светодиоды, которые используются для ускорения выноса в натуру. С их помощью "вешечник" может понять, в каком направлении необходимо переместить отражатель. Показывает приблизительное положение створа прибора. Диапазон работы от 5 до 150 метров. Точность позиционирования 5 см на 100 м. 

Пример использования створоуказателя при выносе в натуру

e) Объектив со встроенным дальномером (EDM). Выход лазерного луча дальномера.

f) Наводящий винт вертикального круга. Используется для наведения на объект по вертикали.  

g) Динамик служит для звуковых или голосовых подсказок оператору.

h) Клавиша Триггер для быстрых измерений без отрыва от наблюдаемого объекта.  

i) Интерфейсный порт RS232, размещенный за клавиатурой на вращающейся части. Служит для подключения через LEMO-кабель различных устройств, например компьютера, а также для передачи данных.  

j) Наводящий винт горизонтального круга служит для наведения на объект по горизонтали.

k) Клавиатура с дисплеем служат для ввода и отображения информации

Основные компоненты тахеометра Leica TS07. Продолжение.

l) Антенна LTE (доступна опционально) служит для обеспечения работы мобильного интернета на борту прибора.

m) Фокусировочное кольцо зрительной трубы служит для настройки резкости изображения объекта

n) Фокусировочное кольцо окуляра служит для настройки резкости сетки нитей

o) Крышка аккумуляторного отсека служит для извлечения аккумулятора

p) Подъемный винт трегера служит для горизонтирования (выравнивания) прибора

q) Стилус служит для работы с дисплеем  

r) Клавиатура с дисплеем

Принципиально любой тахеометр состоит из нескольких основных систем: угломерная система,  дальномерный блок, устройство для сохранения и обработки полевых данных. Благодаря использованию жидкокристаллического дисплея и клавиатуры с алфавитно-цифровыми и функциональными клавишами, можно легко выполнять измерения и управлять программным обеспечением электронного тахеометра.

Угломерная система тахеометра состоит из угломерных кругов (кодовых дисков) или лимбов и датчиков, которые считывают код с лимба. Лимб — (limbus — кайма, пояс) цилиндрическое или коническое кольцо или диск, разделённый штрихами на равные доли (градусы, минуты), служит для отсчёта углов. Применяется в различных угломерных инструментах. В электронных тахеометрах представляет собой стеклянный круг с нанесенной кодовой маской в виде концентрических кодовых дорожек с прозрачными и непрозрачными зонами. Используется два типа кругов - горизонтальный (во вращаемой нижней алидадной части прибора) и вертикальный. Таким образом происходит измерение горизонтальных и вертикальных углов. Измерения абсолютные, непрерывные, диаметральные. Обновление значений происходит каждые 0,1—0,3 с. 

Чаще всего на практике используются тахеометры с угловой точностью 1, 2, 3 и 5 угловых секунд. Для самых точных работ могут применяться тахеометры с угловой точностью 0,5 секунды. 

Горизонтальный и вертикальный круги тахеометра и его основные оси. SA - вертикальная ось вращения, KA - ось вращения зрительной трубы, ZA - визирная ось.

Любой тахеометр имеет вертикальную ось вращения прибора, ось вращения зрительной трубы, а также визирную ось. Современные электронные тахеометры имеют датчики угла наклона оси вращения прибора (компенсаторы наклона), которые позволяют автоматически исправлять отсчеты, введением поправок за угол наклона оси. Компенсатор часто называют "электронным уровнем". Обычные диапазоны работы компенсаторов от 2 до 5 угловых минут. Тахеометры имеют возможность автоматического исправления коллимационной ошибки при выполнении измерений направлений. 

Работа компенсатора оси вращения современного тахеометра

Основная часть дальномерного блока — это объектив со встроенным лазерным дальномером (EDM). В электронных тахеометрах используются те же принципы измерения расстояний, что и в светодальномерах. 

Дальномерный блок тахеометра

Измерения проводят на отражатели, установленные на вехе или штативе, на светоотражательные пленки или в безотражательном режиме на любые поверхности.

Точность линейных измерений в безотражательном режиме может быть разной у разных моделей тахеометров — от 2 мм + 2 мм на км. Точность измерений на отражатель от 0,5 мм + 1 мм на км до 5 мм + 5мм на км также в зависимости от модели.

ВАЖНО! Запрещается смотреть в объектив зрительной трубы при включенном приборе, это опасно для зрения. Нельзя использовать зрительную трубу для наблюдения солнца и других ярких источников излучения. Не пытайтесь самостоятельно разобрать или отремонтировать прибор, это опасно. Следует принять все меры для того, чтобы луч лазера не попадал в глаза людей напрямую или через оптику других приборов. Лазерный луч должен по возможности проходить значительно выше, либо ниже уровня глаз.

Современные тахеометры имеют фазовые или импульсные дальномеры. Принцип действия последних заключается в определении расстояния при помощи измерения времени, за которое лазерный луч проходит от тахеометра к отражателю и возвращается назад. Фазовый дальномер основан на методе сравнения фаз сигнала. Импульсный метод использует световой импульс для непосредственного измерения расстояния, в то время как метод измерения смещения фазы использует модулированный световой сигнал. Мощность импульса в импульсных дальномерах обычно намного больше, чем мощность излучения в фазовых дальномерах. Следовательно, импульсный метод может позволить измерить большие расстояния, чем фазовый метод. Импульсный метод немногим менее точный, чем фазовый метод, но с современным процессом обработки сигнала это отличие незначительно. В практике это различие не так важно, но есть преимущество в возможности измерения больших расстояний, которое имеет импульсный дальномер. Это делает его наиболее подходящим для большинства геодезических работ. Чем больше расстояние от излучателя, тем больше будет расходиться лазерный луч. 

Стоит с осторожностью относиться к результатам измерений в безотражательном режиме, проводимым сквозь ветки, листья и другие преграды, поскольку неизвестно, от какого объекта отразится луч, и, до какого объекта будет измерено расстояние. Кроме того, нужно помнить, что заявленные производителем точности измерений расстояний даны для измерений под прямым углом к поверхности. При изменении угла падения на более острый, точность может снижаться. Более подробно об измерениях тахеометром под углом в безотражательном режиме читайте в нашей статье.   

Пример этого эффекта смотрите в коротком видео: 

Вид в окуляр тахеометра. Сетка нитей.

Диапазон измерений расстояний тахеометром характеризуется минимальным и максимально возможным расстоянием. Точность и время измерений зависят от атмосферных условий, типа цели и окружающих условий во время наблюдений. Реальная дистанция, на которой тахеометр способен работать в безотражательном режиме, зависит от отражающей способности поверхности, на которую производится измерение – светлый и гладкие поверхности увиливают дистанцию работы тахеометра по сравнению с темными в несколько раз.

Видимые красные лучи лазеров тахеометров

В технических характеристиках тахеометра указываются диапазоны измерений на различные объекты (например, мини призма, стандартная призма, 3 призмы, светоотражающая пленка, безотражательный режим) в различных атмосферных условиях.

Например, для тахеометров Leica в руководстве пользователя даются значения измеряемого диапазона для трех различных типов условий:

Условия А - плотная дымка, видимость до 5 км; либо сильная освещенность и значительные колебания воздуха

Условия B - легкая дымка, видимость порядка 20 км; либо средняя освещенность, слабые колебания воздуха

Условия C - пасмурная погода, отсутствие дымки, видимость до 40 км; отсутствие колебаний воздуха

Диапазоны измеряемых тахеометром расстояний в различных условиях наблюдений

В тахеометрах Leica используются фазовые измерения красным лазером видимого глазом диапазона. Длина несущей волны 658 нм. Примерные размеры лазерного пятна на расстоянии 30 метров составляют 7 мм на 10 мм, на расстоянии в 50 метров 8 мм на 20 мм, а на расстоянии 100 м 16 мм на 25 мм.   

Пятно дальномера Leica TS07, расстояние 200 м        

Пятно дальномера китайского тахеометра, 200 м

Советы по измерению расстояний тахеометром

Расстояния измеряются с помощью лазерного луча видимого красного диапазона, который выходит по оптической оси из центра объектива.

• После запуска процесса измерений дальномер будет выполнять измерения до ближайшего объекта, расположенного в данный момент на пути распространения лазерного луча. При наличии временных препятствий на пути лазерного луча, таких как, например, проезжающий автомобиль, завеса сильного дождя, плотный туман или сильный снегопад, результатом измерений может стать расстояние до таких препятствий.

• Следите за тем, чтобы лазерный луч не попадал на объекты вблизи пути его распространения, например, на сильно отражающие поверхности.

• Это особенно важно в безотражательном режиме и при измерениях на отражающие марки.

• Не наводите одновременно два инструмента на один и тот же объект.

• Точные измерения на призму должны быть произведены в режиме "Точно+".

• Не выполняйте безотражательные измерения на сильно отражающие объекты, например, дорожные знаки. Такие измерения могут быть неточными. Дорожные знаки покрашены световозвращающей краской и по ним можно измерять в режиме "Марка".

• Поскольку процесс дальномерных измерений занимает немного времени, всегда есть возможность поймать момент, когда помех на пути распространения луча не будет.

Лазер видимого красного диапазона можно также использовать для измерений на специальные отражающие марки. В таких случаях нужно обеспечить попадание луча (в режиме "Марка") по перпендикуляру на отражающую полоску, которая должна быть хорошо закреплена на объекте.

• Обязательно проверяйте соответствие заданного значения постоянного слагаемого параметрам используемого отражателя.

Представленное на дисплее тахеометра наклонное расстояние может считаться надежным, если в него введены поправки ppm (мм/км), рассчитанные с учетом преобладающих во время выполнения измерений атмосферных условий. В состав поправок за атмосферу входят:

• Поправки за атмосферное давление

• Поправки за температуру воздуха

Влияние влажности на скорость света для волн оптического диапазона незначительно.

Для достижения максимальной точности дальномерных измерений атмосферные поправки следует определять так:

• Точность 1 ppm

• Температура должна определяться с точностью не хуже 1 °C

• Давление - до 3 мБар

Доступные режимы измерений тахеометром – однократное измерение, осреднение, треккинг (слежение) применяются в зависимости от поставленной задачи. 

А теперь давайте посмотрим на внутреннее устройство тахеометра. Любой современный тахеометр представляет собой довольно сложное оптико-механическое устройство.

Устройство роботизированного тахеометра Leica TS30

Ознакомиться с внутренними составными частями тахеометра (вертикальная ось, компенсатор, объектив, алидадная часть, горизонтальная ось, процессорная плата, коммуникационная панель, дальномер тахеометра) вы можете, посмотрев это короткое видео ниже: 

Что ещё важно знать для успешной работы с тахеометром?

Поверка тахеометров - совокупность операций, производимых с целью определения точностных характеристик тахеометра и их соответствия паспортным данным. На сегодняшний день иметь современные средства измерений — не значит выполнять все виды работ качественно и на высоком уровне. Срок действия поверки составляет 1 год. Проверить актуальность поверки вашего тахеометра можно самостоятельно по следующей ссылке: https://fgis.gost.ru/fundmetrology/cm/results

Юстировка тахеометров. Тахеометры разрабатываются, производятся и юстируются для обеспечения наивысшего качества измерений. Однако, резкие перепады температуры, сотрясения и удары способны вызвать изменения юстировочных значений и понизить точность измерений. По этой причине настоятельно рекомендуется периодически выполнять поверки и юстировки. Их можно выполнять в полевых условиях, соблюдая описанные далее процедуры. Эти процедуры сопровождаются подробными инструкциями, которым нужно неукоснительно следовать. Некоторые инструментальные погрешности могут юстироваться механическим путем.

Перечисленные ниже инструментальные погрешности можно поверять и юстировать с помощью электроники:

• Коллимационная ошибка.

• Место нуля и компенсатор.

• Продольная и поперечная ошибка компенсатора.

• Погрешность наклона оси вращения трубы.

Перед выпуском тахеометра инструментальные погрешности определяются и приводятся к нулю в заводских условиях. Как уже отмечалось, значения этих погрешностей изменяются во времени, поэтому настоятельно рекомендуется заново определять их в следующих ситуациях:

• Перед первым использованием тахеометра.

• Перед выполнением работ особо высокой точности.

• После длительной транспортировки.

• После длительных периодов работы или хранения.

• Если окружающая температура и температура, при которой проводилась последняя калибровка, различаются более чем на 10°C.

Прежде чем приступать к определению инструментальных ошибок тахеометра, инструмент должен быть отнивелирован с использованием электронного уровня. Трегер, штатив и место установки должны быть очень устойчивыми и не подвергаться вибрациям и другим внешним воздействиям. Тахеометр нужно защищать от прямых солнечных лучей, во избежание его нагрева. Не рекомендуется производить поверки при сильных колебаниях воздуха и атмосферной турбуленции. Наилучшие условия обычно рано утром или при затянутом облаками небе. Перед началом поверок необходимо дать тахеометру время на восприятие окружающей температуры. На каждый градус °C разницы между температурой хранения и текущей температурой, требуется около двух минут, но не менее 15 минут на всю температурную адаптацию.

Процедура выполнения юстировок тахеометра Leica дана в следующей статье. 

Рекомендации по продлению срока службы тахеометра смотрите в этой статье.   

Просушка и очистка тахеометра

• Удаляйте пыль с линз и отражателей.

• Ни в коем случае не касайтесь оптических деталей руками.

• Для протирки используйте только чистые, мягкие и неволокнистые куски ткани.

При необходимости можно смачивать их водой или чистым спиртом. Ни в коем случае не применяйте какие-либо другие жидкости, поскольку они могут повредить полимерные компоненты.

Сушить прибор, его транспортировочный контейнер, пенопластовые вкладыши и аксессуары рекомендуется при температуре не выше 40 C с обязательной последующей очисткой. Снимите крышку с батарейного отсека и высушите его. Не упаковывайте прибор, пока все не будет полностью просушено. При работе в поле не оставляйте транспортировочный контейнер открытым.

Как установить и сориентировать тахеометр читайте в другой нашей статье. А если вам нужна профессиональная поверка или юстировка тахеометра в Москве, можете обратиться в наш сервисный центр. У нас работают только сертифицированные инженеры на оборудовании высочайшего класса.

Как установить станцию и выполнить ориентирование в Leica Flexline смотрите в видео по ссылке. 

Спасибо что дочитали эту статью до конца! 

Надеемся она принесет пользу в вашей ежедневной работе с тахеометром.