CC BY
337
УДК 681.7 М.Н. Кистерева СГГ А, Новосибирск
О ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ ОПТИЧЕСКИМИ И ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫМИ ПРИБОРАМИ
В статье рассмотрены источники ошибок приборов.
M.N. Kistereva SSGA, Novosibirsk
ON THE ACCURACY OF MEASUREMENT BY OPTICAL AND OPTOELECTRONIC INSTRUMENTS
The sources of instruments errors are considered.
Измерения играют важную роль в разных направлениях науки и техники. Без них не обойтись при изучении размеров и формы земли, при проектировании, строительстве.
Принципиально все измерительные средства можно разделить на механические, оптико-механические, оптические, оптико-электронные,
радиотехнические. Основным критерием этой группы устройств является предельная погрешность измерения. В зависимости от назначения измерения выполняют с большей или меньшей точностью [1].
В результате измерений мы получаем значение величины, которое в зависимости от точности может быть больше или меньше истинного значения. Практика показывает, что безошибочных измерений не бывает.
На результат измерений оказывает влияние ряд условий. К ним относят: объект (что измеряют), субъект (кто измеряет), прибор (чем измеряют), метод (как измеряют) и среда (где измеряют). Это так называемый комплекс условий. Выбор лучших условий измерения может привести к повышению точности измерений. Отдельные составляющие комплекса условий можно изменять в зависимости от необходимой точности измерений. Но знать их абсолютно точно или достичь их полной неизменности практически невозможно [2].
В теории ошибок измерений изучают причины и законы распределения ошибок измерений, свойства ошибок и разрабатывают методику наблюдений, что помогает получить числовую характеристику размера с заданной точностью.
По методике измерений они могут быть:
1. Прямые или непосредственные, которые получают путем непосредственного сравнения искомой величины с единицей измерения;
2. Косвенные или посредственные, которые получают путем вычислений через другие измеренные величины [2].
По точности измерения разделяют на:
1. Равноточные (выполненные при практически неизменных условиях);
2. Не равноточные (выполненные при изменении комплекса условий).
По количеству измерений: необходимые и избыточные. В практике избыточные измерения играют чрезвычайно важную роль, позволяя выявить промахи в измерениях, повысить точность измеренных величин.
Ошибки измерений по своему происхождению делятся на инструментальные, личные, влияния внешней среды и методические.
Инструментальные ошибки возникают из-за несовершенства конструкций приборов, неточности изготовления отдельных узлов. Большое влияние на погрешность прибора оказывает выбор материала, его стабильность. Чем сложнее схема прибора, тем больше будет погрешностей. Как известно, конечная погрешность зависит от количества примененных в схеме прибора кинематических пар, количества звеньев, формы звеньев. Высокоточный прибор, в идеале, должен иметь минимальное число звеньев и кинематических пар [1].
Личные ошибки являются субъективными, т.к. вызваны личными особенностями наблюдающего, недостатками его органов чувств.
Обобщенной характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый предельными значениями допускаемых погрешностей, а также другими параметрами, влияющими на точность средств измерения. Значение параметров установлено стандартами на отдельные виды устройств измерений. Класс точности средств измерений не является непосредственным показателем точности измерений, так как точность зависит также от метода измерений и условий их выполнения.
Точность результатов измерений в полевых условиях, значительно ниже, чем инструментальная точность используемых приборов за счет влияния внешних условий, и в первую очередь вертикальной рефракции.
Атмосфера всегда находится в непрерывном движении из-за неодинакового нагревания различных участков земной поверхности и атмосферы. Турбулентность в атмосфере вызвана перемешиванием теплых и холодных масс воздуха. Вследствие этого возникают пульсации полей метеоэлементов -температуры, давления, влажности воздуха, скорости ветра. Турбулентность атмосферы вызывает флуктуации параметров электромагнитных волн, распространяющихся в атмосфере [3].
Турбулентность атмосферы характеризуется случайным изменением полей метеорологических элементов, которые приводят к случайному изменению показателя преломления п воздуха, что в свою очередь приводит к флуктуации параметров световой волны (амплитуды, частоты, фазы, направления и т.д.). В результате появляются искажения и погрешности при работе различных приборов, принцип действия которых основан на использовании электромагнитных волн. На практике широко используются лазерные приборы, и поэтому, работы связанные с прохождение луча в турбулентной атмосфере, важны как для разработчиков, так и для специалистов, работающих с этими приборами.
Колебания светового пучка обусловлены флуктуациями угла прихода световой волны. Под флуктуациями угла прихода понимаются случайные изменения угла между оптической осью приемного объектива и приходящим в объектив световым пучком. На основании теоретических и экспериментальных данных установлено, что среднее квадратическое значение флуктуации угла прихода 5адля горизонтальной трассы может быть вычислено по формуле 1 [3]:
5а = 2,84С\1 2Д ~1<р ак , (1)
где (р ая - числовая функция, зависящая от длины трассы и приемной апертуры; - структурная характеристика поля показателя преломления атмосферы вблизи земной поверхности, которая зависит от условий распространения светового пучка; Я - радиус объектива приемника.
В результаты измерений внешние условия начинают вносить значительные искажения при длине луча более 100 м.
Из-за турбулентности атмосферы происходит расплывание профиля средней интенсивности светового пучка, что вызывает падение интенсивности на оси пучка по сравнению с той, которая должна быть в однородной среде.
В современных высокоточных оптоэлектронных геодезических приборах для обеспечения высокой точности необходимо учитывать влияние рефракции, т.к. прямолинейное распространение света возможно лишь в идеальной среде. Под рефракцией понимают отклонение луча от своего прямолинейного направления. В атмосфере при переходе от одной неоднородности к другой лучи света в общем случае преломляются. Преломляющие свойства неоднородностей изменяются на малую величину и не имеют четких границ.
При работе с традиционными углоизмерительными приборами наведение на визирные цели осуществляется наблюдателем визуально, и этот процесс занимает время, влияние быстро протекающих атмосферных процессов усредняется. Из-за флуктуации показателя преломления происходят размытия и колебания изображения визирной цели. Искажения, имеющие более длительный период, вносят в результаты измерений систематические ошибки.
В цифровых теодолитах и электронных тахеометрах результаты измерений автоматически регистрируются, это дает более высокую производительность работ. Однако много времени занимают операции, производимые вручную (поиск цели и наведение на нее). Даже использование электронных тахеометров с автоматическим наведением на визирные цели требует много времени по сравнению со скоростью флуктуаций показателя преломлений в атмосфере. По этой причине каждое измерение угла содержит не только инструментальные погрешности измерений, но и ошибки, вызываемые влиянием быстротекущих и медленных атмосферных процессов, которые не усреднены за счет продолжительности измерений.
Современные электронные приборы более точны и удобны при снятии показаний, т.к. способствуют исключению субъективной ошибки наблюдателя.
При проведении измерений постоянно меняется весь комплекс условий. Это приводит к возникновению ошибок измерений. Истинные ошибки
включают в себя случайные и систематические. Однако систематические ошибки больше влияют на результат измерений, чем случайные [2].
Поэтому необходима разработка такой технологии выполнения измерений, которая до минимума снизит влияние систематических ошибок.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Лесных, И.В. К обоснованию точности / И.В. Лесных, Б.А. Пизюта, О.К. Ушаков // ХЦУ1 научно-техническая конференция преподавателей СГГА, посвященная 30-летию оптического факультета (институт оптики и оптических технологий): тез. докл. конф. Ч. 1. -Новосибирск: СГГА, 1996. - С. 20-22.
2. Дементьев, И.С. Современная геодезическая техника и ее применение / В.Е. Дементьев. - М.: Академический проект, 2008. - 591 с.
3. Войтенко, С.П. Геодезия. Теория вероятностей, математической статистики и ошибок в геодезических измерениях и расчетах: учеб. пособие / С.В. Войтенко, В.С. Заречный. - Краснодар: КубГТУ, 2008. - 228 с.
© М.Н. Кистерева, 2010
