Development and research of the test bench for the angle calibration of geodetic instruments ; Geodezinių kampų matavimo prietaisų kalibravimo įrangos kūrimas ir tyrimas

VILNIUS GEDIMINAS TECHNICAL UNIVERSITY
Domantas BRUČAS
DEVELOPMENT AND RESEARCH
OF THE TEST BENCH FOR THE
ANGLE CALIBRATION OF
GEODETIC INSTRUMENTS
Doctoral Dissertation
Technological Sciences, Measurement Engineering (10T)
Vilnius 2008 Doctoral dissertation was prepared at Vilnius Gediminas Technical University in
2004–2008.
Scientific Supervisor
Prof Dr Habil Vytautas Giniotis (Vilnius Gediminas Technical University,
Technological Sciences, Measurement Engineering – 10T).

















http://leidykla.vgtu.lt
VGTU leidyklos TECHNIKA 1451 M mokslo literatūros knyga







ISBN 978-9955-28-225-9

© Bručas, D., 2008
VILNIAUS GEDIMINO TECHNIKOS UNIVERSITETAS
Domantas BRUČAS
GEODEZINIŲ KAMPŲ
MATAVIMO PRIETAISŲ
KALIBRAVIMO ĮRANGOS
KŪRIMAS IR TYRIMAS
Daktaro disertacija
Technologijos mokslai, matavimų inžinerija (10T)
Vilnius 2008
Abstract
The main idea of current PhD thesis is an accuracy analysis of testing and
calibration of geodetic instruments. The object of investigation is an analysis of
means and methods for testing and calibration of geodetic instruments for plane
angle measurement, development of such calibration equipment, its accuracy
investigation and the research of its accuracy increasing possibilities. These
objects are important for successful testing or calibration of geodetic instruments
for angle measuring which is essential in ensuring the precision of measurements
taken in surveying, construction, mechanical engineering, etc.
There are several main goals of the presented work. First one is an analysis
of the angle measuring methods and devices suitable for the testing and
calibration of geodetic instruments, according to the results of the mentioned
analysis the second task can be formulated – creation of a multi-reference plane
angle testing and calibration equipment at Institute of Geodesy, Vilnius
Gediminas Technical University and investigate the parameters of its accuracy.
The third task is to investigate the accuracy increasing possibilities of the
equipment, and implementation some of them into the practice.
The thesis consists of four chapters, introduction, conclusions, list of
references and appendixes.
Introduction is dedicated for an introduction to the problem and its
topicality. There are also formulated purposes and tasks of the work; the used
methods and novelty of solutions are described; author‘s publications and
structure of the thesis are presented.
First chapter covers an analysis of most used means and methods of
precise plane angle measurement which can be implemented in the testing and
calibration of geodetic instruments with the most attention paid to the precision,
automation and calibration possibilities. The analysis involves both classical
means such as circular scale/microscope(s) or polygon/autocollimator measu-
rements and the modern means as “ring laser” or precise angular encoders.
In the second chapter the multi-reference test rig created and based on the
research described in the first chapter is described, with most of the attention
being paid to the technical decisions implemented in the device.
In the third chapter the statistical and spectral analysis of accuracy of the
test rig based on the results of the measurements is presented. According to the
analysis performed, there are methods for accuracy increasing (namely moder-
nized scale calibration method) proposed in the fourth chapter, with method
practical implementation test results statistically analysed.
The results of the researche were published in 7 reviewed scientific
periodical and 2 other publications. There were 3 presentations made at the
conferences in Lithuania.
Reziumė
Disertacijoje nagrinėjamos geodezinių kampus matuojančių prietaisų
patikros bei kalibravimo metodai bei priemonės. Pagrindinis tyrimo objektas yra
geodezinių prietaisų tikslumo parametrų matavimo būdų ir priemonių analizė,
kalibravimo įrenginio kūrimas, jo tikslumo charakteristikų tyrimas bei įrenginio
tobulinimas. Šie objektai yra svarbūs vykdant geodezinių prietaisų kalibravimą,
kas savo ruožtu yra labai svarbu užtikrinant reikiamą šių prietaisų matavimų
tikslumą geodezijoje, statybose, mašinų gamyboje ir t. t.
Pagrindinis disertacijos tikslas – geodezinių kampų matavimo prietaisų
kalibravimo galimybių analizė ir sukurto kalibravimo įrenginio tikslumo para-
metrų tyrimas.
Darbe sprendžiami keli pagrindiniai uždaviniai: plokščiųjų kampų mata-
vimo metodų bei įrenginių, tinkamų geodeziniams prietaisams kalibruoti,
analizė; daugiaetalonio kampų kalibravimo stendo kūrimas Vilniaus Gedimino
technikos universiteto Geodezijos institute bei jo tikslumo charakteristikų tyri-
mas; stendo tikslumo didinimo galimybių bei priemonių tyrimas, ir apskritiminių
skalių kalibravimo būdų tobulinimas.
Disertaciją sudaro šeši skyriai, įvadas, išvados, literatūros sąrašas bei
priedai.
Įvade nagrinėjamas problemos aktualumas, formuluojamas darbo tikslas
bei uždaviniai, aprašomas mokslinis darbo naujumas, pristatomi autoriaus
pranešimai ir publikacijos, disertacijos struktūra.
Pirmasis skyrius skirtas labiausiai paplitusių plokščiųjų kampų matavimo
būdų bei priemonių tinkamų geodeziniams prietaisams kalibruoti apžvalgai,
daugiausiai dėmesio skiriant priemonių tikslumui, automatizavimo bei kalibra-
vimo galimybėms. Apžvalga apima tiek klasikines priemones, tokias kaip apskri-
timinės skalė/mikroskopas(ai) ar daugiakampė prizmė/autokolimatorius, tiek
modernias, kaip „žiedinis lazeris“ ar preciziniai kampo keitikliai.
Antrajame skyriuje pateiktas daugiaetalonio kampų patikros bei kalib-
ravimo stendo, sukurto remiantis analize, aprašyta antrajame skyriuje, konst-
rukcija bei veikimo principas, daugiausiai dėmesio skiriant inžineriniams bei
techniniams sprendimams pritaikytiems stende.
Trečiajame skyriuje pateikta statistinė bei spektrinė sukurtojo stendo eks-
perimentinių matavimų tikslumo analizė. Remiantis šia analize ketvirtajame sky-
riuje pasiūlyti stendo tikslumo didinimo būdai bei priemonės, – patobulintas
apskritiminių skalių kalibravimo metodas, – su praktiniu metodo pritaikymu bei
matavimo rezultatų statistine bei spektrine analize.
Disertacijos tema paskelbtos 7 publikacijos recenzuojamuose periodi-
niuose mokslo leidiniuose bei 2 kituose leidiniuose. Skaityti 3 pranešimai Lietu-
vos ir tarptautinėse konferencijose.

Contents

Introduction ......................................................................................................... 1
1. Review and Analysis of Angle Measuring Instruments and Equipment
Calibration ...................................................................................................... 5
1.1. Analysis of Accuracy Parameters of Angle Measuring Instruments........... 5
1.2. Polygon/Autocollimator .............................................................................. 7
1.2.1. Principle of Operation ........................................................................... 7
1.2.2. Multiangular Prism Calibration Method ............................................. 11
1.2.3. Main Technical Features of the Polygon/Autocollimator Means of
Measure................................................................................................ 13
1.3. Precision Index Table................................................................................ 14
1.3.1. Principle of Action .............................................................................. 14
1.3.2. Main Technical Features of the Precision Index Means of Measure .. 16
1.4. Angle Measurements Taken by the Visual Scale/Microscope(s).............. 16
1.4.1. Principle of Action and Main Features................................................ 16
1.4.2. Circular Scales Calibration Methods................................................... 18
1.4.3. Main Technical Features of the Circular Scale/Microscope(s)
Means of Measure................................................................................ 24
1.5. Angular Encoders...................................................................................... 25
1.5.1. Principle of Action and Main Features................................................ 25
1.5.2. Some Examples of Photoelectric Encoders Applications ................... 29
1.5.3. Main Technical Features of the Photoelectric Angular Encoder
Means of Measure................................................................................ 32
1.6. Ring Laser ................................................................................................. 33
1.6.1. Principle of Action .............................................................................. 33
1.6.2. Main Technical Features of the „Ring Laser“ Means of Measure ...... 34
1.7. Main Technical Features of All the Mentioned Means of Measure.......... 35
st1.8. Conclusions of the 1 Chapter................................................................... 35
2. Design and Technical Parameters of the Bench for Testing Angle
Measuring Devices............................................