Квадрант оптический что это
Оптический квадрант
На современном морском судне до сих пор можно найти секстант или даже два, правда используются они нечасто, в основном для поддержания практических навыков у судоводителей.
Длина шкалы секстанта составляет 1/6 от полного круга или 60°, название секстанта происходит от латинского слова sextans, род. sextantis — шестая часть.
В секстанте используется принцип совмещения изображений двух объектов при помощи двойного отражения одного из них. Этот принцип был изобретён Исааком Ньютоном в 1699 году, но не был опубликован. Два человека независимо изобрели секстант в 1730 году: английский математик Джон Хэдли и американский изобретатель Томас Годфри. Секстант вытеснил астролябию как главный навигационный инструмент.
Содержание
История
Стенной квадрант
Стенной квадрант был одним из важнейших наблюдательных инструментов дооптической астрономии. В странах исламского мира самыми крупными были стенные квадранты ал-Бируни (R = 7,5 м), Насир ад-Дина ат-Туси в Марагинской обсерватории (R = 6,5 м), а также гигантский инструмент обсерватории Улугбека в Самарканде (R = 40 м). Эти инструменты обеспечивали наивысшую точность измерений для своего времени. [3]
Преимущества
Главная особенность секстанта, которая позволила ему вытеснить астролябию, состоит в том, что при его использовании высота светила измеряется относительно горизонта, а не относительно самого инструмента. Это даёт бо́льшую точность. При наблюдении через секстант горизонт и светило совмещаются в одном поле зрения и остаются неподвижными относительно друг друга, даже если наблюдатель находится на качающемся корабле. Это происходит потому, что секстант показывает неподвижный горизонт прямо, а астрономический объект — сквозь два противоположных зеркала.
Устройство
Части секстанта смонтированы на раме, образованной двумя радиусами и дугой, которая называется лимбом. С помощью секстанта можно измерять углы до 140° влево от нулевого индекса и до 5° вправо, эти отметки находятся на лимбе. На левом радиусе неподвижно установлены малое зеркало и светофильтры. Половина поверхности малого зеркала прозрачна. В вершине рамы на подвижном радиусе, называемом алидадой, укреплено большое зеркало. На другом конце алидады укреплён отсчётный барабан, разделённый на 60 минутных делений. Один оборот барабана соответствует перемещению алидады на один градус. Труба вставляется в специальную стойку на раме секстанта.
Использование
Изображение в секстанте совмещает два вида. Первый — вид неба через зеркала. Второй — вид горизонта. Секстант используют, регулируя рычаг и установочный винт до тех пор, пока нижний край изображения светила не коснётся горизонта. Точный момент времени, в который проводится измерение, засекает помощник с часами. Затем угол возвышения считывается со шкалы, верньера и установочного винта и записывается вместе со временем.
После этого нужно преобразовать данные с помощью некоторых математических процедур. Самый простой метод — нарисовать равновозвышенный круг используемого астрономического объекта на глобусе. Пересечение этого круга с линией навигационного счисления или другим указателем даёт точное местоположение.
Секстант — чувствительный инструмент. Если его уронить, то дуга может погнуться. После падения он может потерять точность.
Регулировка
Ввиду чувствительности инструмента сбить его настройку очень легко. Поэтому необходима частая подстройка.
Есть четыре основных ошибки, устраняемые подстройкой.
Астрономический инструмент
Секстантом назывался также старинный астрономический инструмент. Именно этот инструмент (а не навигационный прибор) увековечен на небе астрономом Яном Гевелием в виде одноимённого созвездия.
Квадрант оптический – как пользоваться, преимущества
Специальные приборы вертикального проектирования – средства для переноса запланированных координат точек с одной горизонтальной высоты на другую, поэтому широко применяются при геодезических работах. Они позволяют точно рассчитать вертикальные оси сооружения.
Например, когда требуется увеличение этажности дома, строится:
Подробно о квадранте оптическом
Производители оборудования для инженерной геодезии и строительства выпускают разнообразные модификации средств измерения. Для расчетов можно использовать модель:
Современный инструмент может быть дополнен различными приспособлениями и дополнительными деталями для повышения функциональности. Есть комбинированные модели, где сочетаются возможности оптики и лазера. Они отличаются:
Одними из лучших в сегменте угломерных инструментов считаются оптические модели, обладающие отличным качеством, надежной конструкцией.
История эволюции угломерных приборов
Человеку издревле приходилось что-то измерять, для чего изобретались различные приспособления. Ученые древнего Вавилона первыми стали использовать термин «градус». Одновременно с градусом они ввели понятия минуты и секунды.
Клавдий Птолемей способствовал сохранению этих единиц для измерения, которые стали основой угломерных приборов.
Древние ученые для расчетов создали транспортир, но это средство измерения не подходило для работ на местности. Первый квадрант для определения параметров наклона поверхностей на местности описал в I веке до нашей эры как «диоптр» Герон Александрийский из Древней Греции. Этот инструмент и дал начало созданию науки геодезии.
С развитием технического прогресса для измерений прикладного характера появились экер, нивелир, теодолит, инклинометр, универсал, автоколлиматор. В астрономии – астролябия, октант, секстант, бэкстаф, для машиностроения — различные угломеры.
Все средства углового измерения позволяют определить наклон поверхности от горизонта по вертикали, расположение сооружений, других объектов относительно друг друга. Однако приборы ориентации, предназначенные для навигации, не подходят для машиностроения.
Рождение достаточно сложных оптических приборов началось в XVI-XVII веках, благодаря трудам ученых Рене Декарта, Пьера Ферма, Исаака Ньютона, Х. Гюйгенса, Галилея Галилео, Иогана Кеплера, других. Они объединили лучшие черты предшествующих инструментов и уникальные возможности оптики. Усовершенствованные средства измерения были значительно точнее, соответствовали требованиям, предъявляемым топографами и навигаторами.
Эффективное устройство для расчетов
Технический прогресс, а также возрастающая сложность задач оказали влияние на эволюцию оптико-механических приборов, в том числе на оптический квадрант – инструмент, где угломер совмещен с уровнем. Такое средство измерения состоит из надежного корпуса, составных элементов, оптики. Его функциональность основана на том, что горизонтальная линия независимо от степени отклонении основания задается при помощи продольного уровня цилиндрической формы. Определение выполняется при помощи расчетной системы прозрачного лимба из стекла. Как правильно пользоваться квадрантом определенной модели, можно узнать из паспорта инструмента.
Современные производители выпускают три вида оптических квадрантов, обладающие разными ценами делений – 2, 10, 60, которые позволяют выполнять измерения с большей точностью, чем устройства древнейших предшественников.
СТЕННОЙ КВАДРАНТ
В числе прототипов современных угломерных инструментов – квадрант. Его неподвижную конструкцию сооружали для астрономических исследований на стенах обсерваторий, как правило, в одной плоскости с меридианом. В средние века таким образом измеряли высоту планет над горизонтом при помощи градуированной дуги.
Такие изделия были громоздкими, но сложность их возведения вознаграждалась точностью результатов. История сохранила такие огромные настенные квадранты, которые использовали в странах Востока известные ученые ал-Бируни, Насир ад-Дина ат-Туси, Улугбека. Позже их заменили меридианными кругами.
КВАДРАНТ МЕХАНИЧЕСКИЙ
Измерения в дооптрической астрономии проводились механическими угломерными инструментами. Конструкции таких моделей основывались на формировании отвесной линии, получаемой при помощи струны, отягощенной грузом, или специального стержня.
Груз крепился на конец струны. Если струна располагалась вертикально, его могли поместить в воду или масло, чтобы повысить точность результатов. Современные геодезисты редко используют механический квадрант, предпочитая вести расчеты при помощи оптических и лазерных моделей.
Квадрант оптический повышает надежность измерений
Базовые элементы конструкции оптических моделей – основание, где закреплена направляющая планка. Внутри корпуса расположен неподвижный лимб из стекла и 1-градусными делениями. Параллельно лимбу вмонтирован диск. Он способен вращаться вокруг своей оси, которая совпадает с лимбовой осью. На нем расположены лупа, отсчетная шкала, уровень цилиндрической формы. Основание квадранта оснащено поперечным уровнем.
Небольшой оптический квадрант показывает уровень отклонения основания по отклонению пузырьков в стеклянном лимбу при помощи встроенного микрометра. Он позволяет определять вертикальное расположение плоскостей с погрешностью до 1 минуты.
Еще одна особенность инструмента в том, что продольный цилиндрический уровень позволяет задавать горизонтальную линию независимо от наклона основания.
Во время проведения расчета необходимо учитывать, что относительность ошибки по расположению точки, которая проектируется с помощью оптических инструментов, составляет 1:30000 – 1:50000 при 150-метровом расстоянии.
Каждый угломерный прибор обладает характерными особенностями. У оптического квадранта ко 30м это магнитное основание, благодаря которому он легко устанавливается на цилиндрические поверхности. Оснащение микроскопа двухкомпонентным объективом позволяет менять его увеличение.
Прибором удобно пользоваться:
Универсальным квадрантом ко 60м широко пользуются в различных отраслях. Его предел погрешности не более ±60, а масса — всего 3,5 кг. Магнитное основание позволяет устанавливать средство измерения на потолочные и наклонные поверхности.
Ко 60м с поверкой – гарантия точных параметров
Правильную работу угломерного инструмента обеспечивает регулярная поверка. В ходе нее выявляются, устраняются погрешности отсчета. Для модели квадранта ко 60м характерны:
Угломер КО 60М отличается от квадранта ко 60 магнитным основанием, что расширяет диапазон его размещения даже на потолке или сферической плоскости. В то же время оба изделия точно измеряют углы наклона, благодаря оснащению лимбами из стекла, отсчетными микроскопами.
Квадрант ко 10 – надежный и удобный
Цена деления квадранта Ко10 составляет 10”, позволяет измерять углы в диапазоне 0-360, по сравнению с моделью КО-1 дает более точные данные.
Он одинаково функционирует при любом свете, но в отличие от более современных моделей только при температурном режиме от + 40 до — 10 градусов и не более 80% влажности. Предел абсолютной погрешности изделия составляет ±10.
Надежный корпус защищает оптику и механические детали. Отечественные модели оснащаются оптическими микрометрами с двусторонним отсчетом, что исключает эксцентриситет лимба.
к 1 – прост, но эффективен
Механический угломер К 1 может измерять углы в вертикальной плоскости от 0 до 90 градусов, благодаря перемещению указателя по зубчатому сектору, где нанесены параметры углов.
В конструкцию прибора входит:
Измерения осуществляются, благодаря шкале, расположенной на зубчатом секторе, а параметры перемещения капсулы – насечек на движке. Весит прибор около 2 кг.
Разность показаний механического средства измерения при определении параметров одного и того же угла наклона плоскости по двум противоположным направлениям не должна составлять более половины деления угломера.
Астрономический инструмент
В линейке угломерных средств особое место занимают модели, применяемые в астрономии. Они с древности используются для расчетов высоты светил и расстояний от одной до другой планеты.
Самый примитивный вариант — плоская доска формой, равной четверти окружности. Рядом с центром круга крепилась передвигающаяся линейка, конец которой направлялся на небесный объект. Чем больше были размеры такого устройства и точнее вертикальная установка, тем более точными получались расчеты. Со временем характерной чертой конструкции таких приборов стала планка под телескоп. Для путешествий астрономы использовали переносные изделия, устанавливаемые на штативах, для постоянных обсерваторий — стенные.
Использование в разных отраслях
Оптические модели квадрантов созданы для измерений:
Высокоточные инструменты позволяют определить:
РЕГУЛИРОВКА
До получения расчетов при помощи оптического квадранта ко 60 необходимо проверить нулевую отметку, перпендикулярность опорных площадок. Для этого инструмент измерения располагают на поверхности и вращают диск так, чтобы пузырьки ампулы продольного уровня находились посередине.
Перевернув прибор на 180 градусов, с помощью наводящего винта добиваются того же результата. При правильной регулировке абсолютные значения обоих измерений будут одинаковыми, но отличаться по знакам.
При расположении средства измерения на высоте, когда не видно или неудобно следить за пузырьками лимба, можно использовать зеркало, отражающее изображение уровня. Если отклонение от нуля превышает ±20”, требуется юстировка, которую надо проводить по следующему порядку:
При несовпадении расчетных делений юстировка повторяется.
Транспортировка и хранение
Производители оборудования перед продажей консервируют все модели, чтобы защитить от коррозии. Инструменты транспортируются, хранятся в ящиках. Для перевозки можно использовать любой транспорт, кроме авиации.
При доставке и хранении квадранта ко 60м необходимо избегать:
Хранить ящики необходимо на складах:
Правила работы — как пользоваться
Угломерные изделия с оптикой используются для определения параметров вертикального расположения плоской поверхности или в форме цилиндра и ее установки под заданным углом к горизонтальной плоскости. Перед началом расчета при помощи квадранта ко 30м средство измерения устанавливается на проверяемую поверхность и регулируется.
При измерении числа градусов параметры фиксируются по рискам лимба. Минуты отсчитываются этой же риской по шкале микроскопа. При этом так же, как и при измерении квадрантом ко 60м, углы с условно отрицательным со знаком «-» измеряются по верхней шкале, а положительные со знаком «+» по нижней.
Преимущества оптических приборов
Благодаря высокоточным инструментам с оптикой легко выполняется расчет угла наклона любого объекта к горизонту. Их главное достоинство — возможность расчета наклона поверхности, установленной под любым углом к горизонту. В числе плюсов:
Существует два типа прибора:
Механический квадрант с уровнем используют для установки и определения угла наклона в вертикальной плоскости (угловой диапазон – 0-90 градусов). Конструктивно инструмент представляет собой рамку, опорные площадки которой взаимноперпендикулярны. Кроме того, конструкция включает направляющую дугу, зубчатый сектор и движок с ампулой. Зубчатый сектор необходим для того, чтобы выставлять направляющую дугу под конкретным углом к опорным площадкам. Дискретность этого сектора 0-25. Движок с ампулой находится на дуге и приводится в движение с помощью маховика. Месторасположение ампулы фиксируют при помощи винта и гайки, которые имеются на движке.
Используя механический квадрант, можно установить заданный угол наклона. Для этого на шкале зубчатого сектора выставляют приблизительное значение необходимого угла (уменьшенное и кратное 0-25). Вращая маховик движка, добиваются совпадения его риски с отметкой шкалы направляющей дуги, соответствующей требуемому значению угла. Далее инструмент размещают таким образом, чтобы его опорные площадки были на контрольной площадке установки. Наклоняя площадку установки, ловят момент, когда ампула будет в среднем положении, что будет означать – угол установлен.
Для измерения угла наклона прибор располагают опорной площадкой на соответствующую площадку установки. Движок ставят ближе к отметке 0-25 (если значение угла от 0 до 7-50) или к нулю (если углы 7-50-15-00). Направляющую дугу поднимают, отжав указатель риски, до тех пор, пока ампула не переместится к зубчатому сектору. Квадрант необходимо устанавливать так, чтобы было совпадение краев опорной площадки с рисками, имеющимися на контрольной площадке установки.
Прежде чем начинать работу с квадрантом, следует провести проверку нулевой установки и перпендикулярности опорных площадок. Проверка нулевой установки: опорную площадку квадранта со значком от 0 до 7-50 устанавливают на контрольную площадку установки, совмещая риски движка и указателями с нулевыми шкалами. Далее переворачивают квадрант на 180 градусов. Если ампула смещается от середины на величину, превышающую половину малого деления, то ее при помощи винта и гайки отводят в направлении середины на половину смещения и повторяют проверку.
Перпендикулярность опорных площадок проверяется следующим образом: по шкалам ставят угол 7-50, а квадрант располагают на установке любой опорной площадкой, и перемещают ампулу к середине. Далее квадрант переустанавливают другой опорной площадкой. Ампула при этом не должна сместиться от середины более чем на два малых деления.
Квадрант имеет достаточно широкую область использования. Так же как и индикаторный нутромер, механический квадрант применяют в строительстве, на заводах, в научно-исследовательских институтах и других сферах народного хозяйства.
Оптические уровень и квадрант
Оптический уровень (рис. 59) используют для измерения углов наклона поверхностей фундаментов. Механизм и оптическая часть уровня смонтированы на корпусе 12 и крышке 5 с лимбом 10. Последний снабжен точной шкалой, микрометрическим винтом и счетчиком оборотов 9. При установке корпуса 6 с ампулой 2 в горизонтальное положение изображения 7 обоих концов пузырька ампулы, отражаемые двумя призмами 8 на зеркале уровня в виде двух половинок, должны совпадать. Ампула закреплена в корпусе, подвешенном на плоской пружине 1. Угловое перемещение ампулы создается вращением микрометрического винта 11 через рычаг 3. Ось рычага 4 вращается в призме корпуса.
Рис. 59. Оптический уровень.
Техническая характеристика уровня
Цена деления, мм/м:
шкалы лимба. 0,01
счетчика оборотов. 1
Пределы измерения, мм/м. ±10
Погрешность прибора от начального положения, мм/м. ±0,01; ±0,02
Габариты, мм. 158x50x92
Масса, кг. 1,5
Оптический квадрант КО-1 (рис. 60) служит для измерения углов наклона и размещения под заданным углом к горизонту поверхностей фундаментов, контрольных площадок и др. Квадрант устанавливают на проверяемую поверхность и освобождают зажимной винт 1. Вращением крышки 3 пузырек продольного уровня 4 приводят примерно в среднее положение, точную установку пузырька производят регулировочным винтом 5, зажав винт 1. Положение пузырька можно наблюдать сверху и с тыльной стороны квадранта через зеркало 2. Угол наклона отсчитывают по шкале лимба через окуляр.
Рис. 60. Оптический квадрант КО-1.
Чтобы расположить поверхность фундамента под определенным углом к горизонту, освобождают зажимной винт и поворачивают крышку квадранта до совпадения риски указателя 6 с необходимым углом по шкале крышки. Зажимая винт и глядя в окуляр, регулировочным винтом совмещают риску угла с соответствующей риской нониуса. Затем устанавливают квадрант на поверхности фундамента так, чтобы пузырек поперечного уровня 7 занял среднее положение. Требуемый наклон поверхности фундамента получают, когда среднее положение займет пузырек продольного уровня.
Квадрант позволяет измерять углы с точностью до Г. Для установки квадранта на валы и трубы в его основании имеется V-абразный паз.
Для измерения углов наклона и установки под заданным углом к горизонтальной плоскости поверхностей фундаментов и контрольных площадок при постройке судов на стапеле применяют квадрант КО-10.
Оптический квадрант является оптико-механическим прибором, в котором угол наклона основания относительно цилиндрического пузырькового уровня отсчитывается по стеклянному лимбу с помощью оптического микрометра. Квадрант (рис. 61) состоит из корпуса, вращающейся крышки, на которой укреплены продольный и вспомогательный поперечный уровни. Поворот крышки на большой угол производят рукой при расстопоренном зажиме. Для грубого отсчета угла поворота служит шкала, нанесенная на крышке, и индекс. При измерении угла наклона к горизонту квадрант устанавливают на исследуемую поверхность и вращают крышку до тех пор, пока пузырек продольного уровня не займет среднее положение, после чего снимают показания в поле зрения микроскопа.
Рис. 61. Оптический квадрант КО-10.
По сравнению с квадрантом КО-1 квадрант КО-10 дает более высокую точность измерений. Технические характеристики оптических квадрантов КО-1 и КО-10 приведены в табл. 16.
| Характеристика | КО-1 | КО-10 |
| Цена деления: | ||
| наружной шкалы, ° | 1 | 5 |
| сетки микроскопа, « | 60 | 1 |
| продольного уровня, » на 2 мм | 30 | 10 |
| Габариты, мм | 138х85х150 | 150х125х220 |
| Масса, кг | 2 | 3 |
Перед началом измерений квадрант проверяют. Его устанавливают на гладкую поверхность, близкую к горизонтальной, освобождают винт 1 и вращают крышку квадранта до тех пор, пока пузырек продольного уровня не займет приблизительно среднее положение; винтом 5 доводят его точно до середины шкалы уровня, делая отсчет на лимбе через окуляр. Затем поворачивают квадрант на 180° и винтом снова приводят пузырек уровня точно на середину шкалы, делая новый отсчет. В правильно отрегулированном квадранте оба его показания должны быть равны по абсолютным значениям и различны по знакам.