Heft 8/1982

Schriftenreihe
des Instituts für Geodäsie



Heft 8/1982

GEIGER, Axel

Entwicklung und Erprobung eines Präzisionsneigungstisches zur Kalibrierung geodätischer Instrumente

Dissertation
124 S.

ISSN:  0173-1009

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung


 

 

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.

Promotionsausschuß:  
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.
 



Inhaltsverzeichnis

Teil A:
Entwicklung und Justierung des Präszisionsneigungstisches

 
1.  Einleitung 6
 
2.  Interferometrie 9
     2.1  Interferenzerscheinungen 9
     2.2  Michelson-Interferometer 9
     2.3  Laserinterferometer 10
     2.4  Laserinterferometeranlage von Hewlett Packard 14
 
3.  Beschreibung des Neigungstisches 20
     3.1  Zielsetzungen 20
     3.2  Mechanischer Aufbau 21
     3.3  Anordnung der Meßoptik 24
     3.4  Bestimmung der Neigung 25
 
4.  Justierung des Neigungstisches 32
     4.1  Justierbedingungen 32
     4.2  Justiermöglichkeiten 34
     4.3  Justierverfahren 35
     4.4  Durchführung der Justierung 36
     4.5  Genauigkeit der Justierung 44
     4.6  Messung des Reflektorenabstandes 45
 
5.  Analyse der systematischen und zufälligen Fehler 61
     5.1  Systematische Fehler 61
     5.2  Zufällige Fehler 68
     5.3  Zusammenfassende Genauigkeitsabschätzung der
            Neigungsmessung

73
 
6.  Umbau des Neigungstisches 75
     6.1  Einbau gleicher Reflektoren und Interferometer 75
     6.2  Einbau einer Invarplatte 76
     6.3  Einbau eines Schrittmotors 76
 

Teil B:
Untersuchung und Kalibrierung geodätischer Instrumente

 
 
7.  Kalibrierung eines photoelektrischen Autokollimators 78
     7.1  Beschreibung des Instrumentes 79
     7.2  Kalibrierung 80
     7.3  Zusammenfassung der Ergebnisse 84
 
8.  Kalibrierung elektronischer Neigungsmesser 86
     8.1  Zielsetzung 86
     8.2  Beschreibung der untersuchten Neigungsmesser 86
     8.3  Meßanordnung 90
     8.4  Auswertemodell 90
     8.5  Genauigkeit der Neigungsmesser 91
     8.6  Zusammenfassung der Ergebnisse 96
 
9.  Kompensatoruntersuchungen an Sekundentheodoliten 98
     9.1  Allgemeine Überlegungen 98
     9.2  Wirkungsweise eines Kompensators 99
     9.3  Einteilung der Kompensatoren 101
     9.4  Anforderungen an Kompensatoren 102
     9.5  Kompensatorfehler 103
     9.6  Bestimmung der Kompensatorfehler 105
     9.7  Zusammenfassung der Ergebnisse 113
 
10.  Zusammenfassung 114
 
Nachwort 117
Lebenslauf 118
Literaturverzeichnis 119

 


 
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 Theodoliten 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 wird 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 ± 0,01 mgon 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 ± 0,01 mgon für einen Neigungswinkel α von ≤ ± 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 ± 0,01 mgon 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 Kalibnrierungsmessungen 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 relativ 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 Sekundentheodoliten 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 ≤ 2 gon messen, einfach, schnell, zuverlässig und präzise kalibrieren.

Seitenansicht des Neigungstisches mit Theodolit
und elektronischen Neigungsmessern
(Abb. 10, S. 24)
 


 
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