Автоматизированный лазерный компаратор для поверки оборудования цифрового нивелирования

В 2016 г. для поверки штрих-кодовых реек в рабочем (вертикальном) положении по контракту между ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» и Финским геодезическим институтом изготовлен и введён в действие автоматизированный лазерный компаратор, предназначенный для поверки (калибровки) оборудования для цифрового нивелирования.
Компаратор размещён в специально оборудованном помещении, пристроенном к геодезической поверочной лаборатории геодезического полигона ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД» в с. Троице-Сельцо Мытищинского района Московской области (рис. 1).
Компаратор представляет собой из-мерительный комплекс в виде высокоточного оптико-электронного стенда, состоящего из отдельных механических, оптических и электронных блоков и уз-лов. Одной из особенностей конструкции компаратора является вертикальное позиционирование его составных частей, что обеспечивает проведение поверки нивелирной рейки в её рабочем (вертикальном) положении.

Рис. 1. Здание геодезической  поверочной лаборатории    Fig. 1. The building  of geodetic calibration laboratory

В состав измерительного комплекса компаратора входят:

• лазерный интерферометр; 
• модульная рама с направляющими рельсами; 
• конвейерная тележка с шарикоподшипниковыми каретками;
• ложементы с зажимами для поверяемой рейки;
  
• видеокамера (CCD-камера); противовес (гиря);
• система блоков;
• прямоугольная призма (отражатель); 
• светоделительная призма (сплиттер); 
• шаговый двигатель;
• осветительная лампа;
• управляемый кондиционер;
• цифровая метеорологическая станция; 
• источник бесперебойного питания; 
• компьютер.

Рис. 2. Принципиальная  схема компаратора   Fig. 2. Principal scheme of the comparator

Основными компонентами компаратора являются рама, лазерная измерительная система, компьютер с набором программ и подпрограмм, измерительная система для регистрации положения штрихов шкалы рейки, система для перемещения рейки (вверх и вниз), оборудование для контроля положения рейки и измерительные приборы для определения метеопараметров.

Деревянная рама высотой 8 м, расположенная на специальном фундаменте, формирует конструктивную основу всего оборудования и служит каркасом для стабилизации рейки в вертикальном положении и размещения механизмов для перемещения рейки в заданном направлении.

Лазерная измерительная система XL-80 фирмы «Renishaw» состоит из лазерной головки, светоделительной призмы (сплиттер), прямоугольной призмы (отражатель) и подставки с регулировочными винтами (рис. 3). Лазерный интерферометр имеет адаптер  и порт USB 2.0 для связи с компьютером.  Он может применяться с программой «Линейные измерения» (Linear Measurement), разработанной фирмой «Renishaw». Подпрограмма «Лазерный отсчёт» (Laser Reading) выдаёт расстояние в метрах с погрешностью до 0,01 ppm, а подпрограмма «Лазерная компенсация» (Laser Compensation) вычисляет поправку в длину волны лазерного излучения в зависимости от климатических факторов: температуры воздуха, давления  и относительной влажности.

В качестве измерительного микроскопа, фиксирующего границы штрихов шкалы рейки, используются цифровой нивелир  и видеокамера (ССD-камера), которая устанавливается соосно с окулярной частью нивелира. Камера связана с компьютером через порт USB 3.0 с помощью кабеля длиной 5 м. В процессе измерений видеосигналы камеры передаются на экран монитора. Чтобы обеспечить просмотр изображения шкалы рейки, ССD-камера применяется по программе «Средство просмотра» (Pylon Viewer); подпрограмма «Захват изображения» (Grab Image) обеспечивает нахождение (захват) изображения, создаёт серый фон картины.

Блок температурной информации установлен на пластиковом кронштейне с левой стороны от рамы компаратора на высоте  3 м от пола. Четыре температурных датчика расположены на разных высотах – 1; 2,5; 4  и 7 м. Каждый датчик связан с температурным блоком пятиметровым кабелем и через порт USB 2.0 – с компьютером. Подпрограмма «Температура» (Temperature) управляет данными, полученными из блока температуры, в соответствии с различными условиями измерений в процессе поверки рейки.

Рис. 3. Лазерная измерительная  система XL-80 фирмы «Renishaw» Fig. 3. Laser measuring system  XL-80 company “Renishaw”

Для перемещения рейки по вертикали создан специальный подъёмный механизм в виде линейного конвейера (транспортера). Линейный конвейер состоит из двух составных шестиметровых стальных рельс Х-образного сечения, тележки и шарикоподшипниковых кареток, скользящих по рельсам и несущих подставку для удержания рейки в рабочем положении. Для того чтобы объединить три части рельса (по 2 м каждая) в единый рельсовый путь и выровнять их должным образом, в конструкции механизма применяются семь регулировочных стальных пластин; они же используются для прикрепления линейного транспортера к раме компаратора. Шарикоподшипниковые каретки вместе с реечным суппортом поддерживают перемещение рейки вдоль рельсового транспортера с помощью шагового двигателя, ходового винта, зубчатых колес и зубчатой передачи. Шаговый двигатель Mdrive 34+ и трансформатор TDK-Lambda DDP30-24 (1,3 A) установлены в самой нижней части компаратора. Через интерфейс RS422 и порт USB 2.0 с предохранителем осуществляется связь шагового двигателя с компьютером. Управление шаговым двигателем производится подпрограммой «Один шаг» (One Step), способной управлять шаговым двигателем с разной скоростью, для разных направлений и задавать перемещения рейки на требуемый интервал.

Для своевременной остановки привода шагового двигателя на верхней и нижней частях компаратора установлены два электрических переключателя.

Управление работой всех составных блоков и узлов компаратора осуществляется с помощью компьютера Fujitsu серии Esprimo с 15-дюймовым монитором, процессором Intel Core 4-го поколения (тактовая частота 3,6 ГГц).  Компьютер снабжен шестью портами USB-связи.

Основные технические характеристики автоматизированного лазерного компаратора приведены в табл. 1.

Таблица 1 Основные технические  характеристики компаратора   Table 1. The main technical  characteristics of the comparator

На компараторе можно выполнять поверку нивелирных систем с штрих-кодовыми (bar-code) рейками, выпускаемых фирмами «Trimble», «Leica», «Topcon», а также и традиционных инварных штриховых реек с ценой деления шкал 5 и 10 мм.

Программное обеспечение компаратора позволяет производить поверку (калибровку) в следующих режимах:

• поверка только нивелирной рейки; 
• поверка только нивелирной системы; 
• совместная поверка нивелирной системы и рейки.

Совместная поверка цифрового нивелира и штрих-кодовой рейки допускается действующим национальным стандартом ГОСТ Р 8.792-2012 [1].
В табл. 2 показано, какие устройства, коммуникации и модули программы необходимы при разных режимах поверки (калибровки).

• определение размера пикселя CCD-камеры;
• измерение единственного (одинарного) интервала;
  
• определение погрешностей (поправок) положения штрихов рейки – основная программа измерений.
  

Перед началом измерений производятся подготовительные работы и вводятся параметры измерений, соответствующие вы-бранному режиму поверки. Эти операции выполняются в соответствии с руководством по эксплуатации лазерной измерительной системы XL-80 и стандартом СТО 02571830- 8.18-2017 [2]. Особой тщательности требуют процедуры по выравниванию рельсового пути, установке рейки по вертикали и юстировке отражательной призмы на пятке рейки.
Основная программа поверки (кали-бровки) рейки выполняется после определения размера пикселя и длины одинарного интервала (длины поверяемой шкалы). Измерения проводятся в автоматическом ре-жиме в двух направлениях: при движении рейки вверх (ход А) и обратно – при движении рейки вниз (ход В). При шаге поверки через 20 мм проверяются 126 штрихов, на что затрачивается в среднем 65 мин.
В файле измерений для каждого положения штриха фиксируются лазерные отсчёты, позиции штрихов в пикселях, полученные видеокамерой, погрешности лазерных измерений (по сходимости повторных измерений), температура помещения.
По результатам поверки компьютер выдает таблицу значений и график поправок шкалы рейки для каждого хода А и В, линию тренда, уравнение вида y = ax +b (рис. 4).  В случае, если измерения выполнены при различных значениях температуры в диапазоне от 10 до 35 ^оС, можно вычислить коэффициент линейного расширения материала, из которого изготовлена шкала рейки.
Как показывают исследования, к основным погрешностям при работе на компараторе следует отнести:

• погрешность из-за неточного определения размера пикселя;
• погрешность определения приборной поправки интерферометра;
  
• погрешность, вызванная изменением длины волны лазерного излучения под влиянием внешних условий;
  
• погрешность из-за нестабильности частоты гелия-неонового лазера;
  
• погрешность из-за неточного определения факторов внешней среды (атмосферного давления, влажности воздуха, температуры);
  
• погрешность из-за неточного соблюдения принципа Аббе;
  
• погрешность из-за непараллельности лазерного излучения и направления движения призмы, закрепленной на пятке рейки;
  
• погрешность из-за неточной установки рейки;
  
• погрешность установки CCD-камеры, вызванная эксцентричностью её положения и неточностью фокусировки изображения;
  
• погрешность определения положения края штриха рейки;
  
• погрешность из-за изменения длины рейки под влиянием изменений в натяжении инварной полосы;
  
• погрешность из-за неточного знания температурного коэффициента климатического датчика.
  

Таблица 2. Режимы, объекты и программы поверки    Table 2. Modes, objects and programs verification

Рис. 4. График поправок шкалы рейки     Fig. 4. The diagram corrections of rod scale

При поверке рейки с использованием лазерного компаратора положение штрихов шкалы рейки измеряется с помощью лазерного интерферометра в метрической системе единиц, а положение штрихов рейки – CCD-камерой в единицах пикселей. Поэтому метрологическое обеспечение работы компаратора заключается в проведении поверки лазерного интерферометра, поскольку именно интерферометр является ответственным за обеспечение точности линейных измерений. Кроме того, для преобразования пиксельных единиц в метрические требуется геометрическая калибровка CCD-камеры, которая осуществляется каждый раз перед началом поверки рейки на компараторе. В 2017 г. интерферометр XL-80 с комплектом климатического оборудования прошёл поверку в ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».

Наряду с практическим применением автоматизированного лазерного компаратора в поверочной практике, одной из ближайших задач при работе на компараторе является накопление статистических данных по исследованию стабильности его работы и изучению отдельных составляющих погрешностей измерений.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ГОСТ Р 8.792-2012. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Системы измерительные «Цифровой нивелир – кодовая рейка». Методика поверки. – М.: Стандартинформ, 2012. –23 с.
   
2. СТО 02571830-8.18-2017. Отраслевая система обеспечения единства измерений в сфере геодезии и картографии. Методика измерений при проведении поверки оборудования цифрового нивелирования с использованием автоматизированного лазерного компаратора». – М.: ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД», 2017. – 34 с.
   
3. Takalo M. (1999) Verification of automated calibration of precise levelling rods in Finland. Reports оf the Finnish Geodetic institute, 99, 7, 36 р.