Корзина
Leica Geosystems Kazakhstan (Лейка Геосистемс Казахстан)
+77273031717
+77172554466
Корзина

Анализ влияния геодезических штативов на точность измерений

Введение

При ежедневной работе топографа, принадлежности не оказывают влияние на точности, которые обычно требуется получить. Однако, при высокоточных измерениях или измерениях, которые выполняются продолжительное время, влияние аксессуаров становится значительным. Поэтому необходимо иметь информацию о таком влиянии.

В данной статье, оценивается влияние штативов на точность измерений. Требования к штативам определены Международным стандартом (ISO 12858-2), где приводятся два параметра: устойчивость к вертикальной деформации под нагрузкой и жесткость при кручении. В дополнение к этим требованиям Leica Geosystems также оценивает горизонтальный сдвиг. В описываемом исследовании, все три свойства проверялись на разных штативах. Результаты исследований использовались для формулировки рекомендаций пользователям по выбору штатива для различных типов инструментов и различных задач.

Все тесты проводились в условиях стабильности в лаборатории для достижения максимально возможной сравнимости результатов. Влияние температуры и влажности не рассматривалось. Для получения сравнимых результатов, все зажимы на штативах были затянуты с одинаковым усилием с помощью гаечного ключа с ограничением по крутящему моменту.

Оценивались по два штатива каждого типа, выпускаемого Leica Geosystems. Для сравнения в линейку исследованных штативов были включены штативы из стекловолокна Trimax Crane Enterprises. Результаты тестов были одинаковы для обоих штативов из каждой группы.

В таблице ниже приведены сравнительные характеристики анализируемых моделей штативов:

 

GST120-9

CTP101

Trimax

GST05

GST05L

CTP103

Материал

Бук

Сосна

Стекловолокно

Сосна

Алюминий

Алюминий

Пропитка поверхности

Масло и краска

Краска

Нет

ПВХ покрытие

Нет

Нет

Зажимы на ножках

Боковые винты

Боковые винты

Зажимы

Центральные винты

Центральные винты

Боковые винты

Производитель

Венгрия

Китай

США

Венгрия

Венгрия

Китай

Вес

6,4 кг

5,7 кг

7,4 кг

5,6 кг

4,6 кг

4,5 кг

Максимальная высота

180 см

166 см

175 см

176 см

176 см

167 см

Классификация ISO

Тяжелый

Тяжелый

Тяжелый

Легкий

Легкий

Легкий

В соответствии со стандартом ISO, штативы могут быть классифицированы как тяжелые или легкие. Тяжелый штатив должен иметь вес, превышающий 5,5 кг. Такие штативы предназначены для использования с инструментом массой до 15 кг.  Легкие штативы подходят только для инструментов весом менее 5 кг. Для инструментов Leica – это тахеометр Builder, GPS-антенны и отражатели.

Устойчивость к вертикальной деформации

Стандарт ISO определяет, что положение головки штатива не может иметь вертикального смещения более 0,05 мм, при условии установки на штатив прибора, вес которого в два раза превышает максимальный. Следовательно, при исследовании тяжелых штативов для тестирования должен использоваться груз в 30 кг. Для легких штативов GST05, GST05L, CTP103 – 10 кг.

Описанные вертикальные деформации до 0,05 мм являются очень малыми, их влияние на точность угловых измерений тахеометрами незначительно. Однако, для точного нивелирования, устойчивость штатива по высоте должна быть учтена.

Принимая во внимание требуемую точность измерений и возможность автоматизации, для измерения деформаций использовался цифровой нивелир Leica DNA03. Измерения выполнялись по специальной инварной линейке (шкале) GWCL60, прикрепленной к становому винту штатива. Первоначально были выполнены 100 измерений, когда штатив был без нагрузки. С помощью блока, груз аккуратно опускали на головку штатива. После 400 измерений под нагрузкой, груз удаляли.

Результаты исследований

Тяжелые штативы. Штатив GST120-9 показал наилучший результат по устойчивости к вертикальной деформации – 0,02 мм. CTP101 также показал хороший результат – 0,03 мм. У СТР101 ножки на 14 см короче, по сравнению с GST120-9, что обеспечивает ему хорошую стабильность.

Trimax показал максимальную деформацию – 0,05 мм. Это значение лежит в пределах допустимых по стандарту ISO. Исследованный штатив имеет зажимы, в отличии от штативов Leica, в которых используются винты. Зажимы могут быть причиной меньшей стабильности.

Легкие штативы. Для легких штативов наилучшие результаты у штатива GST05. Под нагрузкой 10 кг, деформация составила 0,02 мм. Деформация GST05L составила  0,03 мм/ Деформация CTP103 составила также 0,03 мм. Хотя это недорогое изделие рекомендовано для использования при низкоточных измерениях, критерий ISО также выполняется.

Жесткость при кручении

Вращение инструмента вызывает увлекание в горизонтальной плоскости головки штатива. Жесткость при кручении – это характеристика штатива поглощать такие вращения, возвращаясь в первоначальное положение, когда инструмент неподвижен. Способность штатив возвращается в первоначальное положение, известна как запаздывание (гистерезис).

В соответствии со стандартом ISО, максимально допустимый гистерезис для тяжелых штативов ― 3², а для легких ― 10². Для получения более реальных результатов, в тестировании использовался моторизованный инструмент. Использовался электронный тахеометр Leica TPS1200, который вызывал горизонтальный крутящий момент 56 Нсм при ускорении и торможении. Используя бортовую программу «Круговые приемы», выполнялись автоматические измерения на две призмы. Это обеспечивало вращение в обоих направлениях непрерывно в течение всего времени наблюдений. Результаты записывались в течение минимум 200 секунд.

Для измерения жесткости при кручении, для мониторинга деформаций по принципу автоколлимации был использован электронный коллиматор. Выходная частота 16 Гц гарантировала быстрое слежение за деформациями.

Специально изготовленная пластина была установлена между головкой штатива и трегером. Измерения выполнялись на зеркало, смонтированное на пластине. Второе зеркало было установлено на трегере. Это позволило выполнить дополнительные измерения, которые определяют совместное влияние штатива и трегера на инструментальную точность.

Результаты теста

Большая амплитуда на графике соответствует моменту ускорения и торможения вращающегося прибора. Поскольку в этот момент не выполняется никаких угловых измерений, это влияние может быть проигнорировано. Значение гистерезиса определяется исследованием максимальных значений, когда указанные выше всплески исключены.

Результаты показывают разницу в стабильности между тяжелыми и легкими штативами. Легкие обнаруживают ошибки в несколько раз больше. А стеклопластиковые и алюминиевые показывают линейный тренд. Это означает, что инструмент непрерывно теряет ориентацию со временем.

Тяжелые штативы. Из всех исследованных штативов GST120-9 имеет наименьший гистерезис в 0,6². В процессе измерений пластина на головке штативы оставалась чрезвычайно устойчивой. Штатив СТР101 показал подобные результаты с низкой амплитудой в 0,9². Амплитуду в 1,8², то есть в два раза хуже по сравнению с другими тяжелыми штативами, показал штатив Trimax. Линейный тренд показывает, что гистерезис постоянно увеличивается в течение времени установки прибора.

Легкие штативы Из легких штативов наиболее стабильным к гистерезису показал себя GST05 (2,4²). Оба алюминиевых штатива имеют большие отклонения в стабильности при вращении. После 200 секунд, GST05L показал гистерезис – 3,3², а СТР103 ― 9². Это значение – предельное по стандарту ISO для легких штативов.

Горизонтальный сдвиг

Это параметр, который показывает, как ориентировка изменяется с течением времени. Эта характеристика не является требованием ISO, но Leica проверяет свои штативы по этому показателю, ради гарантии качества.

Был использован тот же метод, что и в исследовании жесткости при кручении, но время исследования было увеличено до 3 часов (минимум). Для уменьшения количества данных, частота коллиматора была уменьшена до 0,5 Гц.

Тахеометр вновь был установлен на трегере. Однако, в процессе измерений, инструмент оставался неподвижным. Следовательно, не подвергал штатив вращающему воздействию. Сдвижение штатива обусловлено только весом инструмента.

 Результаты тестов

Штативы из алюминия и стекловолокна теряют ориентировку с течением времени. Это продолжается примерно первые 20 минут. После истечения этого времени, штатив Trimax становится стабильным. Алюминиевые штативы продолжают терять ориентировку, но медленнее.

Тяжелые штативы. Штатив CTP101 испытывает наименьший сдвиг, максимум 1,2². Для штатива GST120-9 постоянное линейное смещение имеет место в течение всего периода измерений. Тем не менее, изменение остается малым – 2,1² через 3 часа. Trimax смещается быстро и сразу после установки, на величину 3,6² в течение первых 10 минут. Однако после примерно 20 минут становится стабильным – 4,2².

Легкие штативы. GST05 показал наилучшие результаты по всем трем тестам (смещение менее 0,9²). Алюминиевые штативы продолжают деформироваться на протяжении всего времени измерений. После 3-х часов GST05L смещается на 6,9² а СТР103 на 2,7².

Рекомендации пользователям

В таблице ниже суммированы результаты всех тестов. Показаны максимальные ошибки, полученные за время измерений. Для определения общего влияния на точность тахеометра, значения гистерезиса для трегеров, также включены в таблицу. Leica Geosystems рекомендует использовать трегер GDF121 (1²) для тяжелых штативов и GDF111-1 (3²) для легких. Суммарная оценка показывает, что штативы и трегеры оказывают значительное влияние на точность угловых измерений.

Название

GST120-9

CTP101

Trimax

GST05

GST05L

CTP103

Инструмент Leica для которого штатив стабилен

Все тахеометры

Все тахеометры

Тахеометры с точностью менее 5²

GPS-антенны и призмы

Нивелиры,

Призмы

Нивелиры, призмы

Материал

Бук

Сосна

Стеклопластик

Сосна

Алюминий

Алюминий

Классификация ISO

Тяжелый

Тяжелый

Тяжелой

Легкий

Легкий

Легкий

Стабильность по высоте

0,02 мм

0,03 мм

0,05 мм

0,02 мм

0,03 мм

0,03 мм

Гистерезис штатива

10²

Гистерезис трегера

Максимально возможное влияние

13²

Горизонтальный сдвиг после 3 часов

Наиболее стабильными являются штативы, изготовленные из дерева. Штатив GST120-9 показал наилучшую стабильность и безусловно подходит для любых тахеометров Leica.

Штатив GST05 имеет минимальный горизонтальный сдвиг за продолжительный период времени, это делает его идеальным для установки GPS-антенн и визирных целей.

Алюминиевые штативы показали хорошую стабильность по высоте, но достаточно низкую способность сохранять ориентировку, поэтому следует избегать их использования с приборами для угловых измерений. Но поскольку алюминиевые штативы дешевле, легче и дольше служат, их рекомендуется использовать при нивелировании.

Алюминиевые и стеклопластиковые штативы показали значительный сдвиг в первые 20 минут после установки, поэтому для получения надежных результатов измерений, следует это учитывать и начинать измерения через 20 минут после установки прибора, также следует регулярно проверять ориентировку в процессе измерений.

Все тесты проводились в лабораторных условиях. Однако в полевых условиях такие факторы как температура, влажность, тип грунта, ветер и др. оказывают дополнительное отрицательное влияние на стабильность штативов. С течением времени можно также ожидать снижения стабильности штатива. Поэтому, влияние штатива и трегера должно всегда приниматься во внимание, при оценке угловой точности, которую требуется достигнуть.

Используя значения из таблицы, вы можете выбрать штатив, который наилучшим образом подойдет для конкретной задачи. При высокоточных измерениях, выполняемых длительно, рекомендуется использовать не штатив, а бетонный пилон. В качестве альтернативы, при высокоточных измерениях необходимо учитывать все ошибки, описанные в данной статье.

Источник

Статья представляет собой перевод автореферата диссертации, выполненной в Техническом университете Вены на кафедре инженерной геодезии Даниэлем Ниндлом в 2006. Руководителем исследований являлся Мирко Вейбкинг – сотрудник компании Leica Geosystems AG. Целью работы являлся анализ влияния штативов и трегеров на инструментальную точность. Результаты анализа влияния трегеров за краткостью в статье не приводятся.

 

RUS

http://www.geometer-center.ru/stati/63

ENG

 http://www.techitt.com/LogosCatalogos/leica_acessorios_tripes_ed2009_2010.pdf?random=1669904344

Источник

Предыдущие статьи