Heft 8

Schriftenreihe des Studiengangs Geodäsie und Geoinformation
der Universität der Bundeswehr München

 


 

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Heft 8

Entwicklung und Erprobung eines Präzisionsneigungstisches zur Kalibrierung geodätischer Instrumente
Dissertation

Autor: A. Geiger

Hochschule der Bundeswehr München, Neubiberg, 1982
125 Seiten

Vollständiger Abdruck der vom Fachbereich Bauingenieur- und Vermessungswesen der Hochschule der Bundeswehr München zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation.

Vorsitzender:

Prof. Dr.-Ing. Albert Schödlbauer

1. Berichterstatter:

Prof. Dr.-Ing. Wilhelm Caspary

2. Berichterstatter:

Prof. Dr.-Ing. Klaus Schnädelbach, TU München

Die Dissertation wurde am 06.10.1982 bei der Hochschule der Bundeswehr München,
D-8014 Neubiberg, Werner-Heisenberg-Weg 39, eingereicht und durch den Fachbereich Bauingenieur- und Vermessungswesen am 20.12.1982 angenommen.

 


 

Inhalt

Teil A:
Entwicklung und Justierung des Präzisionsneigungstisches

Einleitung

Interferometrie

  • Interferenzerscheinungen
  • Michelson-Interferometer
  • Laserinterferometer
    • Allgemeines
    • Optischer Aufbau
    • Meßwerterfassung
  • Laserinterferometeranlage von Hewlett Packard
    • Optische Bauteile
    • Empfänger
    • Auswertegeräte
    • Automatischer Kompensator
    • Genauigkeit und Auflösung

Beschreibung des Neigungstisches

  • Zielsetzungen
  • Mechanischer Aufbau
  • Anordnung der Meßoptik
  • Bestimmung der Neigung

Justierung des Neigungstisches

  • Justierbedingungen
  • Justiermöglichkeiten
  • Justierverfahren
  • Durchführung der Justierung
    • Zusammenstellung der wichtigsten Justiervorgänge
    • Ausführliche Beschreibung der Justiermethoden
      • Horizontierung der Invarplatte
      • Vororientierung des Strahlengangs
      • Justierung der optischen Bauteile mit Autokollimation
      • Justierung der optischen Bauteile mit Autoreflexion
      • Ausrichten des Laserstrahls
  • Genauigkeit der Justierung
  • Messung des Reflektorenabstandes
    • Indirekte Messung mit drei Spiegelkeilen
    • Interferometrische Messung auf einer Komparatorbank
    • Zusammenstellung der Ergebnisse

Analyse der systematischen und zufälligen Fehler

  • Systematische Fehler
    • Einfluß windschiefer Meßstrahlen oder zueinander geneigter Reflektoren
    • Einfluß der Brechungskoeffizienten
    • Einfluß der Reflektorhöhen
    • Einfluß des Reflektorenabstandes
    • Zusammenstellung der systematischen Fehler
  • Zufällige Fehler
    • Systemgenauigkeit des Laserinterferometers
    • Einfluß der Temperatur auf den Abstand
    • Stabilität des Neigungstisches
    • Laserdrift
    • Zusammenstellung der zufälligen Fehler
  • Zusammenfassende Genauigkeitsabschätzung der Neigungsmessung

Umbau des Neigungstisches

  • Einbau gleicher Reflektoren und Interferometer
  • Einbau einer Invarplatte
  • Einbau eines Schrittmotors

 


 

Teil B:
Untersuchung und Kalibrierung geodätischer Instrumente

Kalibrierung eines photoelektrischen Autokollimators

  • Beschreibung des Instruments
  • Kalibrierung
    • Meßanordnung
    • Kalibrierung des gesamten Meßbereiches
    • Kalibrierung des Skalenwertes einer Bogenminute
  • Zusammenfassung der Ergebnisse

Kalibrierung elektronischer Neigungsmesser

  • Zielsetzung
  • Beschreibung der untersuchten Neigungsmesser
    • TESA Minilevel
    • SCHAEVITZ LSRP
  • Meßanordnung
  • Auswertemodell
  • Genauigkeit der Neigungsmesser
    • TESA Minilevel
    • SCHAEVITZ LSRP
  • Zusammenfassung der Ergebnisse

Kompensatoruntersuchungen an Sekundentheodolithen

  • Allgemeine Überlegungen
  • Wirkungsweise eines Kompensators
  • Einteilung der Kompensatoren
  • Anforderungen an Kompensatoren
  • Kompensatorfehler
    • Kompensationsfehler
    • Einspielfehler
    • Umkehrspanne
  • Bestimmung der Kompensatorfehler
    • Vorbemerkungen
    • Bestimmung der Zieleinstellfehler
    • Bestimmung der Koinzidenzfehler
    • Bestimmung der Kompensationsfehler
    • Bestimmung der Umkehrspanne
    • Bestimmung der mittleren Einspielfehler
  • Zusammenfassung der Ergebnisse

 


 

Zusammenfassung

 


 

Nachwort

Lebenslauf

Literaturverzeichnis

 


 

Zusammenfassung

Im ersten Teil der Arbeit werden die Gründe und Überlegungen, die zum Bau des Neigungstisches führten, ausführlich beschrieben. Der Neigungstisch ist hauptsächlich für die Kalibrierung von Libellen jeglicher Art (Flüssigkeitslibellen, elektronische Neigungsmesser) und von Kompensatoren in Nivellieren und Theodolithen gedacht. Für die Kompensatoruntersuchungen ist der Neigungstisch speziell mit einer Instrumentenaufnahme und einem Kollimator ausgestattet. Der Neigungstisch ist so konzipiert, daß alle Arten von Neigungsmessungen, sowohl relativ als auch absolut, durchgeführt werden können. Der Neigungsbereich ist besonders groß gewählt worden (~ ± 2 gon - wahlweise auch ~ ± 4 gon), um auch Instrumente, die große Neigungen zulassen, in ihrem gesamten Arbeitsbereich kalibrieren zu können.

Die Bestimmung der Neigungen wir auf die interferometrische Messung von Wegunterschieden zurückgeführt. Dazu wird ein Laserinterferometer von Hewlett Packard, Typ "Laser Transducer System 5501" verwendet. Durch dieses Lösungsprinzip, das einen sehr einfachen mechanischen Aufbau ermöglicht, können die Schwierigkeiten vermieden werden, die bei den herkömmlichen Libellenprüfern die Genauigkeit und besonders den zulässigen Neigungsbereich beschränken.

Um die angestrebte Genauigkeit einer Neigungsmessung von ±0,01mgon für den gesamten Meßbereich zu realisieren, muß der Neigungstisch sorgfältig justiert werden. Die dazu nötigen Verfahren werden ausführlich beschrieben. Von besonderer Wichtigkeit ist der Abstand zwischen den zwei Reflektoren, der den Maßstab der Neigungsmessung festlegt. Für die Bestimmung dieses Abstandes wurden zwei unabhängige Meßverfahren entwickelt.

Alle zufälligen und systematischen Fehlereinflüsse werden eingehend analysiert, um zu einer realistischen Schätzung der Genauigkeit der Neigungsmessungen zu gelangen. Es ergab sich die Standardabweichung einer Neigungsmessung von ±0,01mgon für einen Neigungswinkel a von kleiner gleich ± 1 gon.

In einem gesonderten Kapitel werden einige Verbesserungsvorschläge zum Umbau des Neigungstisches unterbreitet, die jedoch im Rahmen dieser Arbeit nicht mehr verwirklicht werden konnten. Insbesondere soll ein Schrittmotor eingebaut werden, so daß die Neigungsmessung vollkommen automatisch ablaufen kann. Bei Durchführung einer weiteren Umbaumaßnahme wird sich eine Genauigkeitssteigerung ergeben, so daß im gesamten Neigungsbereich von ± 2 gon mit einer Standardabweichung von ±0,01mgon gemessen werden kann.

Im zweiten Teil der Arbeit wird über Anwendungen des Neigungstisches berichtet.

Als erste Anwendung wurde ein photoelektrischer Autokollimator von Rank, Taylor, Hobson, Typ TA 53, kalibriert. Die Ergebnisse der Kalibrierungsmessungen zeigen, daß die Abweichungen von der Linearität der Kennlinie geringer sind als vom Hersteller angegeben. Bei Verwendung eines Maßstabsfaktors kann die Genauigkeit noch gesteigert werden.

Des weiteren wurden drei elektronische Neigungsmesser (zwei SCHAEVITZ, Typ LSRP, und eine TESA, Typ Minilevel) kalibriert. Sie wurden ausgewählt, da sie über rlativ große Meßbereiche und hohe Auflösungen verfügen. Die Messungen hatten zum Ziel, die Kennlinie und die Meßgenauigkeit zu bestimmen. Die Ergebnisse zeigten, daß die untersuchten Neigungsmesser nur in einem Teil ihrer Meßbereiche linear arbeiten. Wenn größere Neigungen gemessen werden, muß die Nichtlinearität der Kennlinie berücksichtigt werden.

Von je einem der vier gebräuchlichsten Sekundentheodolithen Zeiss Th2, Jenoptik Theo 010A, Wild T2 und Kern DKM2-A, wurden mit Hilfe des Neigungstisches die Kompensatorfehler bestimmt. Entsprechend der wichtigsten Fehlerursachen wurden diese in Kompensationsfehler, Umkehrspanne und Einspielfehler eingeteilt. Die Messungen ergaben keinerlei signifikante Kompensatorfehler.

Mit dem vorgestellten Präzisionsneigungstisch steht ein geodätisches Prüfinstrument zur Verfügung, das sich in jeder Hinsicht bestens bewährt hat. Wegen seiner hohen Genauigkeit und seines großen Meßbereiches lassen sich mit dem Neigungstisch alle derzeit bekannten Instrumente, die Winkel oder Neigungen kleiner gleich 2 gon messen, einfach, schnell, zuverlässig und präzise kalibrieren.

Neigungstisch.gif

Neigungstisch mit Laserinterferometeranlage, aus Geiger, A. [1982, S. 7]
 

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