CC BY
0УДК 62
Кайгер Р.Э.
магистрант
Донской государственный технический университет (г. Ростов-на-Дону, Россия)
РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПОВЕРКИ И ИССЛЕДОВАНИЯ ВЫСОКОТОЧНЫХ ЦИФРОВЫХ НИВЕЛИРОВ
Аннотация: в рамках текущей статьи представлена разработка методики поверки и исследования высокоточных цифровых нивелиров на примере исследования показателей рабочих значений модели Leica DNA03, при этом предложена усовершенствованная методика, учитывающая особенности цифровых нивелиров, такие как наличие программного обеспечения, различных электронных компонентов и специфических алгоритмов обработки данных. Результаты экспериментальных исследований, включающие количественные данные и сводную таблицу, подтвердили эффективность предложенной методики.
Ключевые слова: нивелир, цифровой нивелир, нивелирная рейка, калибровка, алгоритм обработки.
Введение.
Появившиеся, благодаря лавинообразному развитию цифровых технологий, высокоточные цифровые нивелиры (далее по тексту ВЦН), приобретают всё большую долю на современном рынке специализированного геодезического оборудования, главным образом за счёт того, что с их помощью обеспечивается высокая точность и достигается недоступная ранее эффективность процесса нивелирования. В этом контексте, регулярная поверка и исследование таких приборов необходимы для получения данных с гарантированным уровнем достоверности [4,8].
Все известные, на сегодня, традиционные методики поверки нивелиров основаны на физических измерениях, в основе которых лежит использование
всевозможного эталонного оборудования и последующее сравнение с ранее полученными контрольными значениями [7,8].
Вместе с тем, после появления на геодезическом рынке ВЦН, возникла необходимость учитывать всевозможные дополнительные факторы влияния, которые способны исказить точность конечных значений, в частности, требуется принимать во внимание текущее качество обработки данных, используемым в конкретном нивелире программным обеспечением, а также влияние, неиспользуемых ранее, электронных компонентов нивелира [5,7].
Специфика создания современных ВЦН подразумевает наличие интеграционных подходов использования оптических и электронных систем, что позволяет, в автоматическом режиме, считывать показатели рейки и с высокой скоростью обрабатывать все входящие данные, что, с одной стороны, заметно повышает эффективность геодезических работ, при этом, с другой стороны, вводит новые источники формирования погрешностей, которые связанны с используемыми алгоритмами распознавания изображений и технологиями цифровой обработки поступающих сигналов [3,5].
Целью исследования, осуществляемого в рамках текущей статьи, является разработка методики поверки и исследования работы ВЦН на примере модели Leica DNA03.
Методология исследования.
Используемая методология базируется на комплексном подходе, позволяющем всесторонне оценить производительность и стабильность нивелиров под воздействием различных эксплуатационных факторов, при этом использовался следующий ряд промежуточных методов [2,8,10]:
Калибровка оптической системы, осуществление которой проводилось с использованием эталонной рейки и специализированного стенда, что позволило обосновать применимость прибора и его оптических характеристик для точных измерений в реальных условиях.
Тестирование электронных компонентов ВЦН, при этом сама проверка осуществлялась через моделирование вероятных условий эксплуатации, в частности, смена температурных режимов окружающей среды в широком диапазоне, от экстремально низких до высоких, что достигалось за счёт использования климатической камеры.
Детальный анализ программного обеспечения, предназначенного для обработки данных ВЦН, при этом основной акцент ставился на проверке корректности алгоритмов распознавания и минимизации систематических ошибок, в частности, определялась способность ПО подстраиваться под изменяющиеся условия освещённости.
Проведение испытаний в условиях имитирующих реальные рабочие ситуации, с целью оценки устойчивости ВЦН к внешним воздействиям, в частности, изучалась реакция на наличие вибраций низкой частоты и повышенной влажности, что достигалось посредством использования климатической камеры и вибростенда.
В качестве испытательного образца, на котором проверялась действенность разработанной методики, выступал ВЦН модели Leica DNA03, широко используемый в современных геодезических работах, требующих максимальной точности, и демонстрирующий работоспособность в температурном диапазоне от от -20°C до +50°C [9].
Результаты и обсуждение.
Использование предложенной методики позволило комплексно оценить различные аспекты работы ВЦН, в частности, модели Leica DNA03, руководствуясь задачами выявления его точности и стабильности в разнообразных условиях эксплуатации, при этом, значимые выборки результатов, для удобства восприятия, отражены в сводной таблице 1.
Таблица 1. Результаты поверочных исследований нивелира Leica DNA03.
Параметр исследования Условия испытаний/Категория Измеренные значения Погрешность (мм) Краткий анализ результатов
Калибровка оптической системы Расстояния: от 10, до 100 м, шаг 10 м. 5,0005 -50,0050 мм от 0,0005 до 0,0050 Линейный рост погрешности с расстоянием.
Проверка электронных компонентов Температуры: от -20°С, до +50°С, шаг 10°С 9,990 -10,015 мм от -0,010 до +0,015 Линейный температурный дрейф.
Анализ программного обеспечения Освещённость: от 100%, до 5%, 0-10 ошибок/100 измерений 0,000 - 0,010 Увеличение ошибок и отклонений с уменьшением освещённости.
Испытания в различных условиях Влажность: от 50%, до 90%, Вибрации: от 0 Гц, до 5 Гц 10,000 -10,0050 мм 0,000 - 0,0050 Погрешность растёт с увеличением вибраций и влажности.
Как отражено в таблице 1, в первую очередь, была проанализирована калибровка оптической системы. В ходе исследования использовалась эталонная нивелирная линия длиной 100 метров, на которой, через каждые 10 метров, размещались нивелирные марки, при этом каждая высотная разность измерялась трижды, а полученные результаты агрегировались путём вычисления среднего значения, обнаруженная погрешность составила 0,0050 мм на расстоянии 100 метров, что находится в пределах требований действующего ГОСТа [1].
Следующий этап касался проверки электронных компонентов нивелира, исследование которых проводилось в специальной климатической камере, где температура варьировалась от -20°С до +50°С, с шагом в 10 градусов, при этом, на каждой температурной отметке проводились 100 измерений эталонной высотной разности 10 мм. Был выявлен линейный температурный дрейф: при
температурах ниже +20°C регистрировалась положительная погрешность, тогда как при более высоких температурах — отрицательная. Максимальное отклонение составило +0.015 мм при -20°C и -0.010 мм при +50°C, что позволяет говорить о необходимости внедрения дополнительной температурной коррекции в действующие алгоритмы обработки данных.
На следующем этапе исследовалось ПО, измерения осуществлялись при уровнях освещённости в 100%, 50% и 10% от исходных 10 000 Люксов, при этом, для измерений использовались эталонные инварные рейки. Обнаружено, что снижение освещённости спровоцировало возникновение и последующее увеличение числа ошибок распознавания данных, что однозначно указывает на необходимость совершенствования используемых алгоритмов, с возможной интеграцией адаптивных методов обработки изображений.
На завершающем этапе исследования проводились испытания в условиях смены частоты вибраций и уровня влажности, при этом было установлено, что погрешность увеличивается по мере роста частоты вибраций и уровня влажности, достигая максимума в 0.0050 мм в тот момент, когда условия испытаний соответствовали значениям частоты вибраций в 5 Гц и 90% влажности.
Обобщая вышеизложенную информацию, можно констатировать, что использованный комплекс методов поверки ВЦН позволяет проводить детальное исследование рабочих характеристик нивелира.
Заключение.
Разработанная методология поверки ВЦН показала свою жизнеспособность и надёжность, на примере проведения исследования работы нивелира модели Leica DNA03. Внедрение данной методики поверки позволит повысить надёжность геодезических измерений и эффективность использования ВЦН в сложных условиях эксплуатации.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. ГОСТ 24846-2019. Грунты. Методы измерения деформаций оснований зданий и сооружений;
2. Барышев, Ю. А. Современные цифровые измерительные приборы — это приборы или ИВК? / Ю. А. Барышев, Н. Н. Вострокнутов // Компетентность. -2019. - № 6. - С. 50-54. - БЭК ОБГОиУ;
3. Буюкян, С. П. Цифровой видеогидростатический нивелир / С. П. Буюкян, В. В. Галушков, И. Ю. Васютинский // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2019. - Т. 63, № 5. - С. 503-505. - ЭОГ 10.30533/0536-101Х-2019-63-5-503-505. - БЭК ЖМЬБУ;
4. Донченко, С. И. Технологические прорывы - очередная ступень точности измерений / С. И. Донченко // Альманах современной метрологии. - 2021. - № 2(26). - С. 8-10. - БЭК 1№У18ГГ;
5. Я.В. Мясников, О.В. Вшивкова Программное обеспечение измерительной системы для компарирования нивелирных реек, оборудованной многоэлементными приемниками излучения // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка. - 2023. - Т. 67, № 4. - С. 26-31. - ЭОГ 10.30533/01Л-2023-043. - БЭК ииУГОЯ;
6. Я.В. Райхерт, Г.В. Симонова Влияние температурных искажений на погрешность измерений // Интерэкспо Гео-Сибирь. - 2024. - Т. 6. - С. 223-228. -ЭОГ 10.33764/2618-981Х-2024-6-223-228. - БЭК РВОЛиК;
7. Сальников, В. Г. Совершенствование методики выполнения высокоточного нивелирования цифровыми нивелирами в условиях недостаточной освещенности штрихкодовых реек // Вестник СГУГиТ - 2020. - Т. 25, № 3. - С. 63-71. - ЭОГ 10.33764/2411-1759-2020-25-3-63-71. - БЭК КЛИКНИ;
8. Совершенствование схемы технологической поверки цифрового нивелира после его ремонта / Г. А. Уставич, Х. К. Ямбаев, Д. В. Бирюков [и др.] // Вестник СГУГиТ - 2023. - Т. 28, № 3. - С. 47-56. - ЭОГ 10.33764/2411-1759-2023-28-3-4756. - БЭК ТКБОЛ;
9. Leica DNA03/DNA10 / Руководство по эксплуатации / [Электронный ресурс] — URL: https://geoinstrukcii.ru/manual/tsifrovye-niveliry/leica/leica-dna03-dna10-pdf
Kaiger R.E.
Don State Technical University (Rostov-on-Don, Russia)
DEVELOPMENT OF TECHNIQUE FOR CHECKING AND RESEARCHING HIGH-PRECISION DIGITAL LEVELS
Abstract: within the framework of the current article, the development of a methodology for checking and researching high-precision digital levels is presented using the example of studying the performance indicators of the Leica DNA03 model, while an improved methodology is proposed that takes into account the features of digital levels, such as the presence of software, various electronic components and specific data processing algorithms. The results of experimental studies, including quantitative data and a summary table, confirmed the effectiveness of the proposed methodology.
Keywords: level, digital level, leveling rod, calibration, processing algorithm.
