Elektroniczne Techniki Pomiarowe

Temat: Podstawowe parametry fali harmonicznej

A w nim: Graficzne i opisowe przedstawienie podstawowych parametrów i własności fali harmonicznej.

W większości przyrządów geodezyjnych takich jak dalmierze, teodolity elektroniczne, odbiorniki GPS stosuje się jako wzorzec pomiarowy sinusoidalną falę elektromagnetyczną.

Podstawowe parametry i zależności opisujące ją podane zostały poniżej:




















Rys.1 Podstawowe parametry fali harmonicznej

T – okres, czas jednego pełnego obiegu wektora A
– prędkość (częstotliwość) kołowa, zwykle podawana w [rad/sek]
f – częstotliwość, zwykle podawana w jednostkach [Hz];
A – wektor wirujący wokół okręgu. Podobny wektor tworzy ramka obracająca się w polu magnetycznym między biegunami N i S, co powoduje wytworzenie prądu przemiennego.
– kąt fazowy lub faza

Zależności łączące powyższe parametry:

Prędkość fal elektromagnetycznych w próżni równa się prędkości światła „c”. Prędkość światła równa jest . Prędkość fal elektromagnetycznych w innym ośrodku niż próżnia obliczamy ze wzoru:

(dla fali elektromagnetycznej lub prądu elektrycznego)

gdzie: n - współczynnik załamania lub gęstości. Nie jest stały i zależy od temperatury, ciśnienia i prężności pary wodnej.
Długość fali obliczamy ze wzorów:

Wynika z tego, że im mniejsza częstotliwość tym dłuższa fala. Im krótsza fala tym mniejszy jest jej zasięg. Fale dłuższe trafiając na przeszkodę mogą się na niej uginać a trafiając na teren mogą się od niego odbijać. Jest to szkodliwe, dlatego w geodezji stosujemy fale mikrofalowe a nie fale radiowe. Im większa częstotliwość tym bardziej fale mogą rozchodzić się prostoliniowo.
Zakres fal optycznych wykorzystywany jest w geodezyjnych dalmierzach elektronicznych (elektrooptycznych). Stosujemy je, ponieważ fale te rozchodzą się prostoliniowo (światło rozchodzi się po linii prostej). Gdy natrafią na przeszkodę to zostaną zatrzymane, a nie załamane.

Literatura:

A. Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne", Warszawa 1991

A. Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji", Kraków 1995

K. Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji", Warszawa 1987

J. Tatarczyk "Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej", skrypt AGH, Kraków 1984



Temat: Dalmierze elektromagnetyczne – zasada działania i klasyfikacja

A w nim: Klasyfikacja dalmierzy elektromagnetycznych. Zasada działania dalmierzy impulsowych i fazowych.



Klasyfikacja dalmierzy może być dokonywana przy założeniu rozmaitych kryteriów. Zazwyczaj przyjmuje się dwa:

a) elektromagnetyczne
b) ultradźwiękowe

a) impulsowe, których fala pomiarowa jest w formie pojedynczych impulsów
b) fazowe, których sygnał pomiarowy jest ciągłą falą harmoniczną.

Coraz częściej stosuje się dalmierze, które łączą cechy dalmierzy impulsowych i fazowych. Dzieje się tak dlatego, gdyż dalmierze impulsowe pozwalają na bezlustrowy pomiar a fazowe są dokładniejsze. Dalmierzem fazowym nie można pomierzyć odległości przy stosowaniu jednej częstotliwości fali.

Zasada działania dalmierzy:

Pomiar odległości D sprowadza się do pomiaru czasu , w ciągu którego sygnał pomiarowy emitowany z punktu A przebywa drogę 2D równą 2AB

Można, zatem napisać:




















Rys.1 Prosty schemat zasady działania dalmierza geodezyjnego

Zasada działania dalmierza impulsowego:

W dalmierzach impulsowych mierzony jest czas od momentu wyjścia konkretnego impulsu do jego powrotu. Czas ten jest mierzony bezpośrednio w precyzyjnych zegarach znajdujących się w dalmierzu.

Po przyjęciu, że prędkość fali elektromagnetycznej jest równa v=300000 km/s i założeniu błędu pomiaru długości 1 mm, otrzymamy, że zegar dalmierza powinien mierzyć czas z częstotliwością:

Schemat blokowy działania dalmierza impulsowego

Rys.2 Schemat blokowy działania dalmierza impulsowego

Dalmierze fazowe




















Rys.3 Rozchodzenie się sygnału w przypadku dalmierza fazowego

Równanie fali sinusoidalnej wygląda następująco:

Fala emitowan i odbita różnią się przesunięciem fazowym związanym z czasem t-
– czas przejścia fali tam i z powrotem

Znając odległość D to możemy wyznaczyć:

gdzie: o-fala wyjściowa (u nas o=0)

Przy założeniu, że:

Zatem różnice faz można zapisać jako:

Po przekształceniu otrymujemy:

Mierzona odległość D jest funkcją prędkości rozchodzenia się fali, różnicy faz i częstości kołowej

- odległość D można określić mając długość wzorcową fali

W dalmierzach fazowych nie możemy obliczyć całkowitej ilości odłożeń fali wzorcowej. Jest to problem dalmierzy fazowych, który rozwiązuje się poprzez pomiar na różnych częstotliwościach wzorcowych.

Ostatecznie otrzymujemy:

A wzór na różnice faz sygnału wyjściowego i odebranego wygląda następująco:

Schemat działania dalmierza fazowego

Rys.4 Schemat blokowy działania dalmierza fazowego

Literatura:

A. Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne", Warszawa 1991

A. Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji", Kraków 1995

K. Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji", Warszawa 1987

J. Tatarczyk "Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej", skrypt AGH, Kraków 1984





Temat: Dokładność pomiaru odległości dalmierzami elektrooptycznymi. Wpływ warunków meteorologicznych

A w nim: Analiza dokładności pomiaru odległości dalmierzami impulsowymi i fazowymi. Ocena wpływu warunków meteorologicznych na otrzymane wyniki.

Dalmierze impulsowe

Po zróżniczkowaniu wzoru na obliczenie odległości dalmierzem impulsowym obliczyć możemy dokładność takiego pomiaru:

gdzie:c – prędkość rozchodzenia się światła w próżni
n - współczynnik załamania ośrodka
– czas mierzony od wyjścia do powrotu impulsu

Składnik można pominąć, bo wyznaczany jest z błędem:

gdzie, za prędkość fali elektromagnetycznej przyjmujemy:

Z tego wynika, że na dokładność pomiaru dalmierzem impulsowym wpływa dokładność określenia współczynnika załamania n oraz dokładność określenia czasu przebiegu impulsu.

Dalmierze fazowe

Analogiczną analizę można przeprowadzić dla dalmierzy fazowych.
Mierzona odległość przy ich użyciu wyznaczana jest ze wzoru:

gdzie: -długość fali wzorcowej
Wzór przypomina ten, z którego wyznaczamy długość mierzoną taśmą, czyli jako sumę ilości odłożeń i reszty.

, ponieważ liczba odłożeń jest określana bezbłędnie

Po uproszczeniu dostajemy postać wzoru na błąd standardowy dalmierza:

Współczynnik B zależy od dokładności fazomierza oraz dokładności określenia stałej dalmierza. Wartość współczynnika A jest funkcją stałości częstotliwości wzorcowej.

Wpływ warunków meteorologicznych w dalmierzach

Prędkość rozchodzenia się fali elektromagnetycznej w powietrzu zależy od współczynnika załamania „n” ośrodka, który obejmuje obszar między punktami A i B mierzonej odległości.

Rys.1 Warstwowy model atmosfery wypełniający przestrzeń między punktami A i B

n(x) -nieznana jest postać tej funkcji, dlatego obieramy jej wartość przybliżoną ze wzoru:

przy czym ni jest wyliczane dla (ti, pi, ei, i). Jest to funkcja punktowa, a nie ciągła. Przy odpowiednim zagęszczeniu pomiarów (ti, pi, ei oraz i) możemy otrzymać wartość porównywalną z n(x).

W praktyce temperaturę, ciśnienie i prężność pary wodnej mierzymy:

W praktyce przy krótszych odległościach stosuje się dalsze uproszczenie, gdzie współczynnik „n” wyznacza się ze średnich wartości pomierzonej temperatury, ciśnienia i prężności pary wodnej

Wzory empiryczne na współczynnik załamania fal elektromagnetycznych w powietrzu:

a) do mikrofal stosuje się wzór Essena-Froome'a:

gdzie:T-temperatura w [K]
p,e – wyrażone w [mm Hg]

Po zróżniczkowaniu powyższego wzoru ze względu na temperaturę, ciśnienie i prężność pary wodnej dla u>1 otrzymamy:



Wynika z tego, żę:

Stwierdzić można, więc, że decydujący wpływ na błąd pomiaru długości ma wartość wyznaczenia prężności pary wodnej

Wzór Essena-Froome'a jest zalecany przez MUGG do przeprowadzania obliczeń

Wzory na współczynnik załamania dla fal optycznych

Wzór Kohlrauscha:

Gdzie: -współczynnik rozszerzalności termicznej powietrza. Zwykle przyjmuje się, że wynosi on ?=0,003661
t - temperatura w stopniach Celsjusza
p,e – określone w mm Hg

Wzór Barrella i Sears'a:

-długość fali nośnej (optycznej)

Kolejność obliczeń przy tych dalmierzach jest następująca. Najpierw stosujemy wzór Barella i Sears'a wstawiając do niego długość fali nośnej podawanej przez producenta. Następnie obliczamy ng wstawiając średnie wartości temperatury ciśnienia i prężności pary wodnej oraz obliczamy ng0

Po zróżniczkowaniu podanych wzorów ze względu na występujące zmienne otrzymamy wartości:




Dla fal optycznych zmiana wartości prężności pary wodnej jest wielkością bardzo małą, którą można pominąć.
Ciśnienie zmienia się o 1 mm Hg na 10 metrów wzrostu wysokości, czyli dla wysokości 300 metrów będzie się różnić o 15 mm Hg. Jeżeli tej różnicy nie uwzględnimy to popełnimy błąd 6 mm/km.

Podane wzory w nowoczesnych tachimetrach elektronicznych są „zaszyte” w pamięci procesorów. Po wprowadzeniu pomierzonych (uśrednionych) wartości temperatury i ciśnienia w czasie pomiarów przemnażają one pomierzoną przez dalmierz odległość.

Do pewnej grupy dalmierzy należy wprowadzić do procesora wartości współczynników skali (przeliczeniowych) odczytanych z tabel lub nomogramów na podstawie określonej temperatury i ciśnienia.

Literatura:

A. Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne", Warszawa 1991

A. Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji", Kraków 1995

K. Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji", Warszawa 1987

J. Tatarczyk "Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej", skrypt AGH, Kraków 1984

Temat: Komparacja dalmierzy elektromagnetycznych

A w nim: Błędy związane z pomiarem długości dalmierzem elektromagnetycznym. Wyznaczenie poprawki stałej dodawania k, poprawki ze względu na zmianę częstotliwości wzorcowej oraz poprawki z tytułu wystąpienia błędu cyklicznego.

Komparacja dalmierzy elektromagnetycznych
Stosując w pomiarach odległości dalmierze elektromagnetyczne musimy uwzględniać wpływy błędów przypadkowych i systematycznych, które obciążają wyniki tych pomiarów. Ogólnie można powiedzieć, że błędy te związane są z samym dalmierzem oraz z wpływem środowiska na sygnał pomiarowy. Te ostatnie zostały omówione na poprzednim wykładzie.

Wyróżnić można następujące błędy instrumentalne:

Charakterystyka błędów przypadkowych i systematycznych niezwiązanych z instrumentem:

Celem komparacji jest wyznaczenie błędów systematycznych pochodzenia instrumentalnego, które mogą być wyeliminowane z pomiarów poprzez wprowadzenie do nich poprawek wyznaczonych w procesie komparacji.

W praktyce wyznacza się trzy rodzaje poprawek:
1. Poprawkę stałej dodawania k
2. Poprawkę ze względu na zmianę częstotliwości wzorcowej od jej wartości nominalnej
3. Poprawkę ze względu na błąd cykliczny, która może występować tylko w dalmierzach fazowych

Ad.1 Poprawka stałej dodawania k
Ogólny wzór na obliczenie odległości pomierzonej dalmierzem wygląda następująco:

Stała k łączy ze sobą wpływ różnicy między centrem mechanicznym dalmierza, a jego centrem elektronicznym. Najczęściej wartość stałej k wyznacza się na krótkim odcinku poprzez porównanie odległości pomierzonej i długości wyznaczonej inną metodą, zazwyczaj o rząd dokładniejszą. Odcinek, na którym wykonywane są pomiary powinien mieć około 5-10 metrów. Wartość stałej dodawania obliczamy wówczas ze wzoru:

Pewniejszym sposobem wyznaczenia stałej k jest pomiar odległości 2-3 odcinków o długościach różniących się o 1-2 metry. Najlepiej, jeżeli są to np. odcinki odpowiednio w odległości 10,12 i 15 metrów od instrumentu.

Jeżeli nie znamy długości odcinka z dokładnością o rząd wyższą możemy zastosować inną metodę wyznaczania stałej k. Polega ona na pomiarze długości odcinka AB, na który wtycza się dodatkowo punkt C. Przedstawione to zostało na rysunku obok.

Rys.1 Sposób wykonania bazy pomiarowej

Mierzymy w dwóch kierunkach odcinki AC, CB i AB. Możemy wówczas zapisać prostą zależność łączącą wyniki pomiarów i stałą k dalmierza:

(AC+k)+(CB+k)=AB+k

Z czego po uproszczeniu otrzymujemy wzór na stałą dodawania k:

k=AB-(AC+CB)

Ad.2 Wyznaczenie błędu cyklicznego

Błąd cykliczny wynika z tzw. sprzężeń pasożytniczych występujących między częścią nadawczą a częścią odbiorczą dalmierza. Na sygnał powracający nałożony jest niejako sygnał zakłócający o tej samej częstotliwości. Błąd cykliczny pojawia się także w elektrycznym przesuwniku fazy.
Wartość błędu cyklicznego określamy w następujący sposób. Tworzymy bazę AB, na którą wtyczamy punkt C. Odcinek CB powinien być równy lub trochę dłuższy od połowy długości „przymiaru” podstawowego ? dalmierza. Odcinek ten należy podzielić na dziesięć równych części, których długość równa jest Pomiary dalmiercze na tej bazie wykonujemy tylko na podstawowej częstotliwości wzorcowej. Obliczamy odchyłki długości pomierzonych od ich nominalnych wartości określonych z o rząd większą dokładnością. Jeżeli odchyłki te dla wszystkich długości są podobne to wartość ta jest stałą dodawania k dalmierza a błąd cykliczny nie występuje. Wówczas, gdy odchyłki są różne rysujemy wykres, na którym przedstawiamy zmiany. Na poniższym rysunku znajduje się przykład takiego wykresu. Służy on do określania poprawek długości dla różnych długości z tytułu błędu cyklicznego.

Rys.3 Wykres będący wynikiem wyznaczenia poprawek z tytułu błędu cyklicznego



Ad.3 Błąd zmiany częstotliwości

Pod wpływem różnych czynników, głównie jednak na skutek starzenia się kwarcu, częstotliwość wzorcowa dalmierza ulega zmianie. Powoduje to zmianę skali mierzonych nim długości. Możemy to zapisać następująco:

gdzie: -zmiana częstotliwości wzorcowej

-częstotliwość wzorcowa nominalna(znana jest z metryki)

-częstotliwość wzorcowa w czasie pomiaru

W procesie komparacji chodzi zatem o wyznaczenie wartości df. Wykonuje się to poprzez porównanie aktualnej częstotliwości wzorcowej dalmierza fwp z częstotliwością wytwarzaną przez odpowiedni generator. Tego rodzaju bezpośredni pomiar wykonuje się w laboratoriach odpowiednich instytucji. Komparację częstotliwości można realizować także w warunkach polowych przez porównanie aktualnej jej wartości z tzw. krajowym wzorcem częstotliwości fal radiowych emitowanych regularnie przez niektóre radiostacje. Poprawkę z tytułu zmian częstotliwości podaje Polskie Radio codziennie o 12:00.

Obowiązujące przepisy nakładają na użytkowników dalmierzy obowiązek ich okresowej kontroli. W jej wyniku dalmierz uzyskuje tzw. Metrykę. Do wykonywania kontroli, którą nazywamy komparacją dalmierza zostały upoważnione w Polsce Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie oraz kilka instytucji, które założyły i utrymują tzw. Komparatory polowe. Komparatory polowe są to zbiory punktów zestabilizowanych w terenie w linii prostej w postaci postumentów betonowych., których trzon osadzony jest poniżej poziomu zamarzania gruntu. Długości baz takich komparatorów osiągają wartość 1,5 kilometra, a długości odcinków zawarte w tym zakresie wahają się od kilku do kilkunastu metrów. Odcinki komparatorów są wyznaczane i znane z dokładnością o rząd większą niż posiadają badane na nich instrumenty.

Literatura:

A. Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne", Warszawa 1991

A. Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji", Kraków 1995

K. Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji", Warszawa 1987

Temat: Funkcjonowanie wybranych modułów operacyjnych dalmierzy

A w nim: Wewnętrzna linia przesyłowa, specjalne tryby pracy fazomierza oraz sterowanie pracą dalmierza przez procesor.

Wewnętrzna linia optyczna

W dalmierzach elektromagnetycznych tory sygnałów elektrycznych fal pomiarowych doznają dodatkowych przesunięć na elementach elektronicznych samego dalmierza. W celu wyeliminowania tych przesunięć, które wprowadzają do pomiarów odległości błędy, dokonuje się dodatkowego pomiaru różnicy faz na znanej drodze wewnętrznej D lo w układzie nazywanym linią skalowania L s lub wewnętrzną linią optyczną.

Rys.1 Schemat dalmierza z przedstawioną wewnętrzną linią przesyłową LS.

Proces pomiarowy tej długości Ls jest wykonywany zawsze przez dalmierz i nie może być ona ustalona jako stała dodawania, gdyż zmienia się w czasie i zależy od temperatury urządzenia. Zmiana obiegu sygnału pomiarowego z wewnętrznego na zewnętrzny i na odwrót odbywa się za pomocą przełącznika zmieniającego położenie zwierciadeł, który uruchamiany jest automatycznie przez sygnał z mikroprocesora sterującego pomiarem. Przełączania te muszą być wykonywane szybko (poniżej 1s) ze względu na zmiany czasowe Ls .
Aby wyniki pomiarów na zewnętrznej linii optycznej mogły dawać właściwą poprawkę w trakcie pomiarów Dzs i D (odległość zewnętrzna) muszą być najpierw zrównane amplitudy obydwu sygnałów. Przy małych odległościach D, kiedy sygnał zewnętrzny jest silniejszy, poziom jego natężenia jest regulowany do poziomu z obiegu wewnętrznego przez tłumienie na torze wewnętrznym. Przy dużych odległościach sygnał z zewnątrz jest słabszy, regulowany jest więc poziom natężenia sygnału na linii LS . W nowoczesnych dalmierzach zrównywanie amplitud wykonywane jest automatycznie. Mikroprocesor blokuje a następnie włącza system pomiarowy po otrzymaniu informacji o wyrównaniu tych amplitud.



Specjalne tryby pracy fazomierza

Sterowanie pracą dalmierza przez procesor
Do najważniejszych funkcji mikroprocesora w dalmierzu należą:

Oprócz wymienionych powyżej funkcji mikroprocesorów związanych z pomiarem spełniają one także wiele funkcji dodatkowych. Polegają one na wprowadzaniu do mierzonej odległości poprawek oraz obliczeń redukcyjnych i innych.
Do tych funkcji można zaliczyć (funkcje nie związane z samym pomiarem)

Wiele współczesnych dalmierzy ma rozbudowane oprogramowanie umożliwiające obliczanie współrzędnych stanowiska tachimetru lub współrzędnych punktów celu oraz wektorów, które łączą te punkty.

Tendencje w rozwoju konstrukcji dalmierzy

Aktualne tendencje polegają na wykorzystaniu najnowszych produktów elektroniki tj. włączenie ich do poszczególnych bloków konstrukcyjnych dalmierza. Uzyskuje się przez to zmniejszenie ciężaru i gabarytów, chociaż w tym zakresie osiągnięto już optimum i niewiele w najbliższej przyszłości należy oczekiwać

Literatura:

A. Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne", Warszawa 1991

A. Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji", Kraków 1995

K. Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji", Warszawa 1987

J. Tatarczyk "Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej", skrypt AGH, Kraków 1984



Temat: Elektroniczne systemy pomiaru kątów

A w nim: Charakterystyka elektronicznych systemów pomiaru kątów - kodowego, impuslowego i dynamicznego.


Dotychczasowe systemy pomiaru kątów lub kierunków wykorzystywały optyczne urządzenia, które pozycjonowały położenie osi celowej lunety na kręgu poziomym. Wykonanie odczytu w danym systemie optycznym określało kierunek osi celowej względem zera kręgu poziomego. Kąt określony był z różnicy odczytów dwóch kierunków. Dążąc jednak do jak największej automatyzacji pomiarów niezbędne okazało się zastosowanie elektronicznych systemów pomiaru kątów. Pozwoliły one na wykluczenie odczytu kierunku przez obserwatora zwiększając w ten sposób wydajność pomiarów. Dodatkowo umożliwiły one rejestracje oraz automatyczne opracowanie wyników pomiarów. Elektroniczne system pomiaru kierunków wymagają zastosowania przetworników zamieniających mierzony kierunek na odpowiednie sygnały elektroniczne. Sygnały elektroniczne powinny zostać przetworzone w taki sposób, aby uzyskać wielkości dogodne do obliczania, wyświetlania i rejestracji kierunków.

Rys. 1 Tarcza kodowa

W istniejących i stosowanych aktualnie systemach elektronicznych można wyróżnić dwa rodzaje przetworników typu kąt-napięcie (natężenie):
Grupa I – przetworniki położenia, każdemu położeniu lunety teodolitu odpowiada jednoznacznie określony stan napięcia. Należą do tej grupy przetworniki kodowe.
Grupa II – przetworniki kąta, odpowiednim zmianom położenia lunety odpowiada ściśle określona liczba impulsów – przetworniki impulsowe.

Systemy kodowe pomiaru kierunków
W jednoznaczny sposób wyświetlają położenie osi lunety do położenia zerowego(system bezwzględny). Najistotniejszym elementem systemu jest tarcza kodowa zastępująca krąg poziomy w teodolicie(patrz rys.1). Sprężona jest z alidadą teodolitu, na której jest luneta. Na tarczy kodowej znajduje się wiele koncentrycznych ścieżek o różnych średnicach, przy czym na każdej z tych ścieżek znajduje się na przemian ległe pola jasne i ciemne. Uzyskanie odpowiedniej dokładności odczytu kierunku wymaga zastosowania tarczy kodowej z odpowiednią liczbą ścieżek, z których ostatnia musi być podzielona na pola o bardzo małych odstępach. Na przykład chcąc uzyskać dokładność 1cc ilość ścieżek musiałaby wynosić 222. Przy średnicy koła 13 cm szerokość ścieżki musiałaby być równa 0,097µm. Wykonanie tak drobnego podziału jest niemożliwe. W praktyce uzyskano najwyżej 12 ścieżek, co daje dokładność 10c pomiaru kierunku. Istnieje, więc bariera technologiczna, która powoduje, że ten system jest stosowany w wielu teodolitach najwyżej do pomiaru zgrubnego.


Zasada działania
W nieruchomej części teodolitu znajduje się czytnik w postaci matrycy fotoelektrod i fotodiód, które oświetlają fotodetektory równoległą wiązką optyczną (rys.2).
























Rys. 2 Zasada funkcjonowania czytnika fotodiodowego



Wiązka przepuszczana przez pola przeźroczyste kręgu wzbudza w odpowiedniej diodzie sygnał elektryczny (napięcie). Sygnał nie powstanie, gdy na drodze wiązki znajdzie się pole nieprzeźroczyste. W każdym fotodetektorze powstać mogą, więc dwa stany kodu dwójkowego. Gdy połączymy wszystkie odczyty z matrycy fotodetektorów otrzymamy odczyt kierunku w kodzie dwójkowym.

Systemy impulsowe pomiaru kierunków
W odróżnieniu od systemu kodowego zastosowano w nim tarcze z jedną ścieżką zawierającą N równych interwałów oraz czytnik impulsów, generowanych w trakcie obrotu tarczy. Tarcza i czytnik tworzą tzw. impulsowy przetwornik kąta. Przetwornik taki może działać na zasadzie galwanicznej, magnetycznej lub optycznej. W przyrządach geodezyjnych stosowane są tylko przetworniki optyczne ze względu na swoją najwyższą dokładność.
W przetworniku ścieżka kręgu podziałowego zawiera N pól przeźroczystych oddzielonych od siebie polami nieprzeźroczystymi. Przy czym podstawową działką systemu jest tak zwany inkrement o szerokości 2N (pole przeźroczyste i nieprzeźroczyste). Wartość kątowa takiego inkrementu równa się 400g/N. Sygnał elektryczny, który powstaje w fotodiodzie, jest najpierw wzmacniany a następnie przekształcany w przebieg prostokątny. Ten po zróżniczkowaniu zamieniany jest na przebieg impulsowy (Rys. 3).






























Rys. 3 Przebieg obróbki sygnału elektrycznego z fotodiody






Ilość impulsów zliczana jest przez licznik. Na jej podstawie wyznacza się

wartość kąta na podstawie zależności: .
Współczesne teodolity elektroniczne zawierają do 100 rysek na 1 milimetr obwodu tarczy, co daje ok. 20 000 rysek na średnicy tarczy ok. 636 mm. Jedno pole pomiarowe jest równe 2c Dokładność takiego pomiaru zwiększa pomiar reszty d. Tą resztę dopełniającą wartość zgrubną kąta wyznacza się drogą interpolacji np. w jednym z rozwiązań może byćzagęszczanie impulsów szpilkowych impulsami o większej rozdzielczości. Wtedy stosując n-krotne jej zwiększanie kąt wyznaczamy ze wzoru:
Opisany powyżej sposób pomiaru nie pozwala na określenie kierunku ruchu tarczy. Gdy zmienilibyśmy ten kierunek na przeciwny impulsy zliczane były by w dalszym ciągu powiększając wynik, co nie byłoby zgodne z prawdą. Dlatego przy impulsowym pomiarze kierunków niezbędne jest zastosowanie rozwiązania konstrukcyjnego pozwalającego na wykrycie kierunku ruchu oraz uwzględnienie go w wynikach. Przykładem może być zastosowanie tarczy z dwoma identycznymi ścieżkami rysek impulsowych – zasadniczej A i pomocniczej D (Rys.4).




















Rys. 4 Schemat zastosowania tarczy z dwoma identycznymi ścieżkami rysek impulsowych





Interwały ścieżki pomocniczej D przesunięte są względem A o 1 ich długości 2r. Dzięki temu po przekształceniach sygnałów z obu ścieżek uzyskuje się różny przebieg dla różnych kierunków ruchu alidady. Zastosowanie tego rozwiązania pozwala dodatkowo na czterokrotne zwiększenie rozdzielczości.

Dynamiczny system pomiaru kątów
System ten jest systemem impulsowym, składającym się z wirującej tarczy z naniesionymi polami przeźroczystymi i nieprzeźroczystymi oraz dwóch czytników fotoelektrycznych określających bezwzględne położenie obydwu ramion mierzonego kąta (Rys.5).
Pomiar kąta składa się z pomiaru zgrubnego i dokładnego. Do pomiaru zgrubnego na tarczy umieszczony jest dodatkowy element, który uruchamia system w momencie przejścia przez pierwszy czytnik i zamyka przy przejściu przez drugi. Zliczane są przy tym całkowite ilości interwałów pomiarowych. Pomiar precyzyjny jest w zasadzie pomiarem różnicy czasów między sinusoidalnymi sygnałami pomiarowymi powstającymi w obu czytnikach – jednym nieruchomym związanym ze spodarką i drugim ruchomym związanym z lunetą. Różnica czasów określona jest pośrednio jako różnica kątów fazowych jak w fazomierzach cyfrowych dalmierzy elektronicznych. Dzięki temu, że różnica faz jest uśredniana z kilku tysięcy okresów to dokładność tego systemu jest w zasadzie większa od klasycznych systemów impulsowych.


























Rys. 4 Schemat zastosowania tarczy z dwoma identycznymi ścieżkami rysek impulsowych

Nie trzeba przy tym stosować zwiększonej rozdzielczości przez zwiększenie częstotliwości zliczania impulsów. Jest to układ prosty. W systemie tym określone jest położenie kierunkowe osi celowej względem czytnika nieruchomego, które odpowiada jak gdyby położeniu kręgu poziomego w optycznych teodolitach.



Temat: Niwelatory kodowe

Rys . 2 Niwelator kodowy Leica Na 2002
A w nim: Opis niwelatorów kodowych oraz niwelatorów laserowych
Coraz powszechniej w użyciu spotyka się niwelatory kodowe, które coraz bardziej wypierają z rynku niwelatory klasyczne. Wynika to z ich większej wydajności oraz możliwości automatyzacji pomiarów i opracowania wyników.

















Wszystkie modele niwelatorów cyfrowych działają na podobnej zasadzie. Wxe wszystkich oś celowa ustawiona jest w kierunku poziomym dzięki układom kompensacyjnym. Różnią się od niwelatorów tradycyjnych sposobem identyfikacji odczytu położenia osi celowej na łacie, który wykonywany jest metodą optoelektroniczną. Aby to było możliwe w lunecie każdego niwelatora zamontowany jest przetwornik optoelektroniczny obrazu łaty. Stosuje się łaty z podziałem w formie specjalnego kodu, który złożony jest z naprzemianległych pól jasnych i ciemnych o różnej grubości. W przypadku niwelatora Ni 2002 każde pole ma szerokość k=2,025 mm.
Odczyt położenia osi celowej na takiej łacie odbywa się na zasadzie porównania dwóch obrazów. Łaty zrzutowanej przez układ optyczny na matrycę kamery cyfrowej CCD i wzorca wprowadzonego do mikroprocesora przez producenta. Porównywanie odbywa się metodą korelacji przetwarzanego sygnału pomiarowego z sygnałem wzorcowym.

Rys. 3 Pomiar niwelatorem Leica DNA10
W procesie tym pożądana jest znajomość odległości ogniskowania d(odległość niwelatora od łaty), która z dokładnością do 1 decymetra wyznaczana jest w niwelatorze z analizy położenia soczewki ogniskującej układu optycznego. Dlatego też, w czasie pomiarów należy zawsze pamiętać, aby nastawiać obraz łaty „na ostrość”. W niwelatorze cyfrowym zastosowano czujnik położenia soczewki ogniskującej, względem stałego punktu odniesienia, z którego jest wyznaczana odległość do łaty. Znajomość odległości przyśpiesza wykonywanie korelacji. Dwuwymiarowa funkcja korelacji między obydwoma sygnałami jest funkcją zależną od położenia osi celowej na łacie niwelacyjnej i odległości do łaty. Aby znaleźć maksimum korelacji trzeba przeanalizować całe pole pomiarowe w zakresie wysokości od 0 do 4,05 (bo taka jest wysokość łaty) oraz w zakresie odległości od minimalnej do maksymalnej celowej.
Liczba obliczeń w celu rozwiązania korelacji została zredukowana poprzez zastosowanie dwóch etapów interpolacji – korelacji zgrubnej i dokładnej. W korelacji zgrubnej wykorzystywana jest odległość wyznaczona z położenia soczewki ogniskującej. W jej wyniku powstaje pole do udokładnienia odczytu w korelacji dokładnej, w wyniku której zostaje zidentyfikowany odczyt odpowiadający odległości od zera łaty do osi celowej niwelatora.
Prawie każdy niwelator kodowy pozwala na eksport danych do komputera za pomocą odpowiedniego portu lub karty pamięci. Dzięki temu możliwe jest bezpośrednie przeniesienie odpowiednio sformatowanych wyników do programu komputerowego oraz ich archiwizacja. Oprogramowanie niwelatorów kodowych udostępnia wiele trybów pomiarów, jak również pozwala na wykonanie obliczeń oraz kalibracje instrumentu. Tu inwencja należy do producentów, którzy prześcigają się w wymyślaniu i udoskonalaniu swojego oprogramowania. W przypadku, gdy niemożliwy jest pomiar lub baterie wyczerpały się, możliwy jest zwykły pomiar dzięki temu, że łaty zwykle mają z drugiej strony podział klasyczny. Oczywiście, odbija się to na dokładności, która wówczas dorównuje niwelacji technicznej.

Na wykonywanie odczytów niwelatorami kodowymi mają wpływ warunki zewnętrzne, takie jak:
-turbulencja powietrza w wysokich temperaturach
-drgania kompensatora wywołane silnym wiatrem
-niejednorodne oświetlenie łaty(w warunkach dołowych lampa górnicza nie wystarcza, bo światło nie jest równomierne i oświetla fragment łaty)
-zasłonięcie części łaty (może uniemożliwić pomiar nawet, gdy zasłonięta jest część łaty, w którą nie celujemy. Widoczne musi być minimalnie 30 cm łaty)


Dokładność pomiaru zależy od oddziaływania wewnętrznego i zewnętrznego, czyli:
-dokładność wyznaczenia pozycji względnej
-skali obrazu łaty kodowej
-jakość oświetlenia
-wyboru programu pomiarowego i jego dokładności
-dokładności i sposobu ustawienia łaty

Do zalet niwelatorów cyfrowych zaliczyć należy:
-większą efektywność pomiarów dzięki automatyzacji
-wykluczenie z pomiarów błędów grubych popełnianych przez obserwatora podczas wykonywania odczytu
-możliwość prowadzenia pomiarów w warunkach niestabilnych przy zastosowaniu odpowiedniego trybu pracy
-automatyczna kontrola poprawności i dokładności pomiarów

Temat: Niwelatory laserowe

Niwelatory laserowe są instrumentami, które pozwalają na wizualizacje płaszczyzny poziomej bądź nachylonej pod odpowiednim kątem. Odbywa się to dzięki wiązce laserowej, która z dużą prędkością obracana jest wokół osi głównej instrumentu. Możliwy jest, więc bezpośredni odczyt z łaty przez osobę trzymającą ją.Wykorzystuje się do tego także specjalne fotodetektory, które pozwalają na zwiększenie dokładności pomiarów a czasem są one niezbędne, gdy wiązka laserowa nie jest widoczna. Niwelatory pracujące na świetle niewidzialnym ??? (780) mają większy zasięg i częściej stosowane są w terenie otwartym. Większość niwelatorów laserowych wyposażonych jest w kolimator, który zdecydowanie przyśpiesza pracę przy wyznaczaniu płaszczyzn poziomych.


















Rys.4 Niwelator laserowy wykorzystany do sterowania pracą maszyn

Instrument ten znajduje szerokie zastosowanie na budowach, w robotach ziemnych oraz pracach tyczeniowych. Są one także wykorzystywane przy sterowaniu maszynami.

Rys.5 Sposoby zastosowania przemysłowego niwelatora laserowego

Literatura:

A.Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne"

A.Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji"

Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji"

Temat: Podstawowe wiadomości o laserach.

A w nim: Przypomnienie zasad funkcjonowania laserów. Omówienie cech światła laserowego. Wykorzystanie laserów w geodezji.

Warunki uzyskania akcji laserowej:

1. Obecność stanów niestabilnych w materiałach.

Nie wszystkie materiały nadają się na lasery. Akcję laserową możemy uzyskać tylko w takich materiałach, w których istnieją poziomy niestabilne , tj. takie, w których czas życia jest co najmniej o rząd wielkości dłuższy, niż na innych poziomach energetycznych.

Rys.1 Emisja spontaniczna i wymuszona

2.Pompowanie atomów do stanów metastabilnych.

Ze względu na naturalną skłonność otaczających nas pierwiastków i struktur do przebywania w stanach energetycznych podstawowych, należy je wzbudzić do wyższych poziomów przez dostarczenie im energii. Czynność ta zwana jest pompowaniem.

Rys.2 Rezonator Fabry-Perota

Rys.3 Pompowanie w laserze półprzewodnikowym

 

3.Inwersja obsadzeń.

Przez inwersję obsadzeń rozumie się przeniesienie elektronów z poziomów wyższych na poziom metatrwały, w taki sposób aby zyskać na nim ilościową przewagę elektronów nad poziomem o wyższej energii.

Rys.4 Inwersja obsadzeń

 

4.Emisja wymuszona.

Zjawisko emisji wymuszonej zostało opisane przez A.Einsteina i polega ono na emisji fotonów z danego układu spowodowanej przejściem przez układ fotonów wymuszających o określonej energii.

E=hv

gdzie:
h – stała Plancka
v – częstotliwość fotonu

Cechy emisji wymuszonej:

5.Optyczne sprzężenie zwrotne.

Optyczne sprzężenie zwrotne zapewnia generowanie wiązki laserowej o dużych mocach, które mogą opuścić układ i być wykorzystane w celach użytkowych.

 

Klasyfikacja laserów

1.Lasery na ciele stałym (neodymowy, rubinowy)
2.Lasery gazowe

3.Lasery barwnikowe (barwnik organiczny w ciekłym roztworze)
4.Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe)
5.Lasery światłowodowe
6.Lasery na swobodnych elektronach (FEL)



Cechy światła laserowego

 

Z samego zjawiska emisji wymuszonej wynikają następujące, podstawowe cechy światła laserowego:

1.Monochromatyczność – ciąg falowy ma tę samą długość fali

2.Równoległość promieniowania

3.Uporządkowanie czasowo-przestrzenne emitowanej fali, które nazywamy koherencją lub spójnością
Rozróżniamy spójność przestrzenną i czasową. Światło spójne jest skłonne do interferencji tzn. ,że dwa ciągi falowe wyodrębnione z wiązki takiego światła interferują ze sobą. Jeśli interferują dwa ciągi falowe emitowane z różnych punktów lasera to mówimy o spójności przestrzennej. Jeśli interferują ciągi falowe emitowane z tego samego punktu lasera ale w różnym czasie, to mówimy o spójności czasowej. Eksperyment, którym możemy sprawdzić czy laser emituje promieniowanie spójne (spójność przestrzenna) jest doświadczenie z oświetleniem wiązką laserową dwóch szczelin.

Rys.5 Interferometr Michelsona


Natężenie światła w punkcie P:

 

gdzie:
I – natężenie w punkcie P pochodzące od wiązki 1 i 2
Ip – natężenie całkowite w punkcie P
– współczynnik koherencji prążków interferencyjnych
– różnica faz między promieniami r 1 i r 2

Spójność czasową można wykazać poprzez przeprowadzenie eksperymentu z interferometrem Michelsona.

Rys.6 Interferometr Michelsona



Klasyfikacja funkcji i zastosowania laserów w geodezji

Funkcje

1.Wizualizacja w przestrzeni linii, płaszczyzn i punktów pomiarowych

a) poziomych

b) pionowych

c) dowolnie nachylone

2. Źródła fali nośnej i pomiarowej w dalmierzach optoelektrycznych

3.Sterowanie położeniem, kierunkiem i pracą maszyn

Literatura:

A.Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne"

A.Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji"

Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji"







Temat: Konstrukcje przyrządów laserowych.

A w nim: Konstrukcje geodezyjnych przyrządów laserowych. Metody detekcji wiązki laserowej.

Pierwszymi konstrukcjami są typowe urządzenia laserowe składające się z lasera i lunety kolimacyjnej (teleskopowej) ogniskującej. W zależności od sposobu ukierunkowania wiązki w przestrzeni przez takie urządzenie wyróżniamy w tej grupie:

Ta grupa rozwiązań, szczególnie zaś wskaźniki laserowe, jest najczęściej stosowana w geodezji górniczej do nadawania kierunku wyrobisk, gdyż koszt zakupu tych urządzeń jest znacznie mniejszy od kosztu teodolitu laserowego oraz dzięki temu iż istnieje możliwość lepszego zabezpieczenia takiego wskaźnika przed wpływami atmosfery wyrobiska (zawilgocenie, zapylenie)

Drugą tendencją konstrukcji jest łączenie klasycznych przyrządów optycznych z laserami. Stosuje się tu cztery rozwiązania:

 

Cel stosowania laserów

Detekcja – rozumiemy przez to wyznaczanie współrzędnych środka wiązki laserowej. Są trzy metody detekcji:

1) wizualna – polega na ustaleniu środka wiązki za pomocą wzroku. Należy plamkę aproksymować do regularnego kształtu i wyznaczyć środek (koła lub elipsy). Błąd średni detekcji wizualnej m = ±(1-2 mm/100 m). Do detekcji wizualnej stosujemy specjalne ekrany obserwacyjne z naniesionym na nich podziałem.

2) fotoelektryczna – polega na zastosowaniu jako urządzeń odbiorczych fotoprzetworników (fotodiody, fotogniwa, fototranzystory) są to urządzenia zamieniające energię świetlną na prąd elektryczny. Gdy wiązka przemieszcza się to indukowany jest prąd – wartość prądu informuje o wartości przesunięcia osi wiązki. Dokładność metody zależy od:

Możliwe są do osiągnięcia dokładności do setnych części milimetra.
Układy takie można stosować do systemów pomiarowych rejestrujących zmianę położenia środka wiązki w czasie. Wykorzystuje się przy tym zasadę, że wartość prądów różnicowych jest proporcjonalna do przemieszczeń środka wiązki laserowej od położenia centralnego. Zależność między wartościami prądów a przemieszczeniem ustalana jest na drodze pomiarów testowych.
Rozkład natężenia w plamce musi być jednorodny. Dokładność tej metody detekcji w warunkach terenowych jest porównywalna do dokładności metody wizualnej.

3) zastosowanie matryc CCD (kamery cyfrowe) – CCD składa się z przetworników, układ do określania środka wiązki jest układem współrzędnych pikseli matrycy. Pomiar odbywa się na zasadzie zliczania pikseli zajętych przez plamkę i uśrednienia położenia środka plamki w układzie pikseli.

Rys.2 Schemat systemu detekcji wiązki laserowej


Rys.3 Położenie elementu na matrycy CCD

 

Metodę tą stosuje się do:

Literatura:

A.Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne"

A.Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji"

Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji"







Temat: Telemetria

A w nim: Telemetria. Systemy telemetryczne i ich zastosowania w geodezji.

Przez telemetrię rozumie się techniki pomiarowe, które umożliwiają zdalny pomiar określonych wielkości (przemieszczeń liniowych, kątowych, sił, ciśnień itp.), przy czym mierzone wielkości są zazwyczaj zamieniane na inne w czujnikach pomiarowych (przetworniki pomiarowe). W geodezji określane wielkości są wielkościami „mechanicznymi” – długość, kąt, kierunek. kierunek systemach telemetrycznych są zamieniane na wielkości elektryczne, które są dalej przesyłane na odległość, a na końcu rejestrowane. Jeśli znana jest funkcja wiążąca mierzoną wielkość na wejściu z wielkością rejestrowaną na końcu to z wielkości rejestrowanej można określić wartość wielkości mierzonej.

Ogólny schemat systemu telemetrycznego podano poniżej:

Rys.1 Ogólny schemat systemu telemetrycznego

Pomiar odbywa się tylko dla jednej wielkości jednocześnie. Sterowalność zależy od linii przesyłowej np.

Aby mierzyć kilka elementów wymagane jest zastosowanie przełączników.

Wartość funkcji można określać:

 

Nowoczesne telemetryczne systemy pomiarowe mają za zadanie:


Przykłady zastosowań czujników pomiarowych

1. Pomiary odległości oraz przesunięć liniowych i kątowych są podstawowymi pomiarami wykonywanymi w geodezji i w miernictwie. Przesunięcia te występują jako wielkości pośrednie przy pomiarach wielu różnych wielkości fizycznych, w tym mechanicznych (sił, ciśnień, momentów, odkształceń). Jednym z najbardziej znanych czujników przesunięcia jest potencjometr, którego styk ślizgowy (szczotka) wykonując ruch prostoliniowy, obrotowy, śrubowy przyjmuje położenie odpowiadające mierzonemu. Potencjometr włączony w prosty układ elektryczny przetwarza dalej to przesunięcie na napięcie stałe lub przemienne. Dokładność potencjometru zależy od grubości uzwojenia.

Potencjometry możemy podzielić na:

2.Drugą grupą czujników są czujniki bezstykowe. Spośród nich najczęściej stosowane są:

Rys.2 Czujnik indukcyjny

 

Rys.3 Przykład czujnika pojemnościowego

 

Rys.4 Przykład czujnika impulsowego

3.Czujnik do pomiaru odkształceń mechanicznych (tensometr rezystancyjny) wykorzystuje się w nim zależność rezystancji od odkształcenia nieliniowego. Tensometry szeroko stosowane są do liczenia odkształceń. Na cienki papier nakleja się drut rezystancyjny i przykleja do miejsca pomiaru. Następuje pomiar wydłużenia.

Rodzaje systemów telemetrycznych:

Podział systemów telemetrycznych ze względu na rodzaj przetworników:

Zastosowania w geodezji górniczej

Podstawowym zastosowaniem elementów telemetrycznych w pomiarach geodezyjnych w górnictwie są pomiary konwergencji wyrobisk górniczych lub innych odległości w przekroju poprzecznym wyrobiska oraz pomiary zmian odległości między punktami zastabilizowanymi w obudowie szybu.

Literatura:

A.Płatek "Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachimetry elektroniczne"

A.Płatek "Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji"

Holejko "Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji"



 



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
milczarski,elektroniczna technika pomiarowa, pomiar kątów
Elektroniczne techniki pomiarowe, Badanie mimośrodu limbusa teodolitu względem alidady
Elektroniczna technika pomiarowa -, geodezja, Elektroniczna technika pomiarowa
milczarski,elektroniczna technika pomiarowa, systemy GPS
ETP1, geodezja, Elektroniczna technika pomiarowa
milczarski,elektroniczna technika pomiarowa, pomiar odległości
milczarski,elektroniczna technika pomiarowa, Niwelatory
pomiar rezystancji metoda techniczna, elektro-technika
pomiar mocy, elektro-technika
Zastosowanie oscyloskopu w technice pomiarowej (21) sprawozdanie 14.11.2012, Politechnika, Metrologi
MW zaliczenie, Politechnika Poznańska ZiIP, IV semestr, IV semestr, Techniki pomiarowe, TechnikiPom,
Techniki pomiaru procesów psychiznych, oligofrenopedagogika, zachomikowane
Jakość energii elektrycznej, 1. TECHNIKA, Elektryka - Elektronika, Elektroenergetyka, Sieci
ZASTOSOWANIE OSCYLOSKOPU W TECHNICE POMIAROWEJ
Zagadnienia do egzaminu z Elektroniki i Technik Mikroprocesorowych

więcej podobnych podstron