Klasyfikacja dalmierzy elektromagnetycznych.

Zasada działania dalmierzy impulsowych i fazowych.

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

• ze wzglÄ™du na rodzaj fali (jej dÅ‚ugoÅ›ci) przenoszÄ…cej sygnaÅ‚y pomiarowe:

a) elektromagnetyczne

b) ultradźwiękowe

• ze wzglÄ™du na formÄ™ sygnałów pomiarowych, która warunkuje sposób pomiaru czasu

i rozchodzenia się mierzonej odległości tam i z powrotem:

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

Rys1

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:

Rys2

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:

BÅ‚Ä…d przypadkowy

Błąd systematyczny niezależny od odległości

Błąd systematyczny zależny liniowo od odległości

Błąd systematyczny zależny nieliniowo od odległości

BÅ‚Ä…d cykliczny

Błąd zależny od temperatury

Błąd zależny od czasu

Błąd zależny od napięcia zasilania

Charakterystyka błędów przypadkowych i systematycznych niezwiązanych z instrumentem:

Błędy centrowania instrumentu i reflektora nad lub pod znakami pomiarowymi

BÅ‚Ä…d poziomowania dalmierza i lustra

BÅ‚Ä…d wycelowania:

a) dalmierza na lustro

b) lustra w kierunku dalmierza

Błąd popełniany przy pomiarach nasadką dalmierza

Błąd pomiaru temperatury, ciśnienia i wilgotności na drodze sygnału pomiarowego

Błąd pomiaru lub zaniechania wprowadzenia którejś z poprawek do długości

Błędy wynikające z odbicia sygnałów pomiarowych od obiektów będących w tle reflektora

Błędy wywołane turbulencją atmosferyczną

Błąd zależny od czasu pomiaru i związany z różną ilością pomiarów przejść fazowych

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 siÄ™ 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:

D=1/2v*T(tau)+k

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:

k=D0-Dp

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.

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 A-----------C-------------------B

Rys.1 Sposób wykonania bazy pomiarowej

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 bÅ‚Ä™du cyklicznego okreÅ›lamy w nastÄ™pujÄ…cy sposób. Tworzymy bazÄ™ AB, na którÄ… wtyczamy punkt C. Odcinek CB powinien być równy lub trochÄ™ dÅ‚uższy od poÅ‚owy dÅ‚ugoÅ›ci „przymiaru” podstawowego dalmierza. Odcinek ten należy podzielić na dziesięć równych części, których dÅ‚ugość równa jest lamda/2//10.

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.

Rys3

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:

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.

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.

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.

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

Specjalne tryby pracy fazomierza

Chwilowe przesłonięcie sygnału pomiarowego

Z chwilą pojawienia się na celowej przeszkody następuje przerwa sygnału, do dalmierza nie trafia promień odbity, co w efekcie powoduje przerwanie pomiaru różnicy faz. W nowoczesnych dalmierzach fakt ten uwzględnia się wyposażając fazomierz w tzw. blokowy układ zaniku, który wstrzymuje prace fazomierza. Po odsłonięciu celowej układ blokady włącza fazomierz, który kontynuuje przerwany pomiar. W zasadzie nawet wielokrotne przesłonięcie celowej nie mają wpływu na wyniki. Zablokowanie pracy fazomierza następuje także przy pomiarze odległości przy bardzo słabym sygnale, którego amplituda zmienia się w czasie.

Zasięg dalmierza uzależniony jest od występowania i natężenia światła słonecznego. Fala nośna dalmierza jest podczerwona i jest zakłócana przez słońce. Dlatego w nocy zasięg będzie zdecydowanie większy.

System tracking

Jest to system umożliwiający pomiar odległości do reflektora w ruchu. Określana jest wtedy chwilowa odległość z niewielkiej ilości przebiegów fazowych w ciągu krótkiego regularnie powtarzanego interwału czasu Ts. Dokładność takich pomiarów jest przeważnie o rząd mniejsza od pomiarów przy nieruchomym reflektorze.

System ten jest wykorzystywany do zgrubnego tyczenia punktów w terenie albo przy pozycjonowaniu przemieszczających się obiektów.

Sterowanie pracÄ… dalmierza przez procesor

Do najważniejszych funkcji mikroprocesora w dalmierzu należą:

• kontrola gotowoÅ›ci dalmierza do pomiaru (sprawdzanie parametrów zasilania, wewnÄ™trzne testowanie)

• wÅ‚Ä…czanie kolejnych czÄ™stotliwoÅ›ci wzorcowych w celu rozwiÄ…zania niejednoznacznoÅ›ci pomiaru (obliczanie N)

• przeÅ‚Ä…czanie obiegów wewnÄ™trznych i wewnÄ™trznych oraz zrównywanie amplitud na tych obiegach

• sterowanie ukÅ‚adem blokady zaniku

• sterowanie pomiarem w trybie tracking

• sterowanie pracÄ… fazomierza - realizowanie zaprogramowanego trybu pomiaru

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 niezwiązane z samym pomiarem)

• uwzglÄ™dnienie poprawki dodawania

• uwzglÄ™dnienie wartoÅ›ci współczynnika zaÅ‚amania (wpÅ‚yw temperatury, wilgotnoÅ›ci i ciÅ›nienia)

• obliczenie poprawki na odwzorowanie

• obliczenie dÅ‚ugoÅ›ci zredukowanej na poziom lub różnicy wysokoÅ›ci na podstawie wprowadzonego kÄ…ta pionowego

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

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.

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.

Rys. 1 Tarcza kodowa

Zasada działania

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

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.

Rys. 2 Zasada funkcjonowania czytnika fotodiodowego

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: alfa=n_alfa*d=n_alfa* [400(gradów)/N] .

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 być zagęszczanie impulsów szpilkowych impulsami o większej rozdzielczości. Wtedy stosując n-krotne jej zwiększanie kąt wyznaczamy ze wzoru: alfa=n_alfa*400g(gradów)/N*n.

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

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. 5 Schemat zastosowania tarczy z dwoma identycznymi ścieżkami rysek impulsowych

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:

• promieniowanie ma tÄ… samÄ… czÄ™stotliwość co promieniowanie wymuszajÄ…ce

• promieniowanie ma ten sam kierunek co promieniowanie wymuszajÄ…ce

• promieniowanie ma tÄ… samÄ… fazÄ™ co promieniowanie wymuszajÄ…ce

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

atomowe (helowo-neonowe)

czÄ…steczkowe

jonowe

ekscymerowe

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: 1_p=1_1p+1_2p+2(pierw.z 1_1p) * pier.z 1_2p * gama (jak y)*cos @ (sigma jak średnica)

gdzie:

I - natężenie w punkcie P pochodzące od wiązki 1 i 2

Ip - natężenie całkowite w punkcie P

y - współczynnik koherencji prążków interferencyjnych

@ - różnica faz między promieniami r 1 i r 2

@ = 2*(r_1 - r_2) / lambda

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

niwelatory laserowe

niwelatory optyczne z laserami lub nasadkami laserowymi

b) pionowych

pionowniki laserowe

pionowniki optyczne z laserami

c) dowolnie nachylone

teodolity laserowe

teodolity optyczne z laserami

rzutniki, projektory laserowe

aliniometry laserowe

inne

2. Źródła fali nośnej i pomiarowej w dalmierzach optoelektrycznych

a) elektrooptyczne dalmierze laserowe

b) interferometry laserowe

3.Sterowanie położeniem, kierunkiem i pracą maszyn

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:

niwelatory laserowe (libelowe i kompensacyjne)

pionowniki laserowe (libelowe i kompensacyjne)

teodolity laserowe

aliniometry

rzutniki (wskaźniki) laserowe

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:

polega na wprowadzeniu do lunety od strony okularu wiązki laserowej bezpośrednio z lasera za pomocą łączników demontuje się okular a na jego miejsce zakłada się konstrukcję z niezależnym układem optycznym (płytka światłodzieląca i okular) laser umieszczany w środku lunety. Promień lasera przechodzi przez układ płytek, potem przez układ lunety i wychodzi na zewnątrz. Omija okular a rekompensują to układy soczewek, które zastępują zogniskowanie przez okular.

Konstrukcje geodezyjnych przyrządów laserowych. Metody detekcji wiązki laserowej.

Rys1

Rys2

Luneta, okular, soczewka ogniskujÄ…ca, na wspornikach laser z zasilaniem (nasadka laserowa)

Rys4. Luneta, okular, soczewka ogniskujÄ…ca

Cel stosowania laserów

poszerzajÄ… zakres prac

podnoszą efektywność prac

obsługują nawet 500 m odcinek

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:

stabilności sygnału

stopnia wzmocnienia

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 wiÄ…zki laserowej

Rys.3 Położenie elementu na matrycy CCD

MetodÄ™ tÄ… stosuje siÄ™ do:

pomiaru wychyleń budynków wysokich

pomiaru ugięć mostów

pomiaru refrakcji wiÄ…zki laserowej

Telemetria. Systemy telemetryczne i ich zastosowania w geodezji

Przez telemetriÄ™ rozumie siÄ™ techniki pomiarowe, które umożliwiajÄ… zdalny pomiar okreÅ›lonych wielkoÅ›ci (przemieszczeÅ„ liniowych, kÄ…towych, siÅ‚, ciÅ›nieÅ„ itp.), przy czym mierzone wielkoÅ›ci sÄ… zazwyczaj zamieniane na inne w czujnikach pomiarowych (przetworniki pomiarowe). W geodezji okreÅ›lane wielkoÅ›ci sÄ… wielkoÅ›ciami „mechanicznymi” - dÅ‚ugość, kÄ…t, kierunek. kierunek systemach telemetrycznych sÄ… zamieniane na wielkoÅ›ci elektryczne, które sÄ… dalej przesyÅ‚ane na odlegÅ‚ość, a na koÅ„cu rejestrowane. JeÅ›li znana jest funkcja wiążąca mierzonÄ… wielkość na wejÅ›ciu z wielkoÅ›ciÄ… rejestrowanÄ… na koÅ„cu to z wielkoÅ›ci rejestrowanej można okreÅ›lić wartość wielkoÅ›ci 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.

przewód elektryczny (1,2-żyłowy)

sygnał radiowy

linia optyczna

światłowód

Aby mierzyć kilka elementów wymagane jest zastosowanie przełączników.

Wartość funkcji (sigma jak srednica) można określać:

teoretycznie

metodą testową (zadawać zmiany wartości M i obserwować co dzieje się na mierniku)

Nowoczesne telemetryczne systemy pomiarowe majÄ… za zadanie:

dostarczać informacji o bieżącej wartości kontrolowanych parametrów

rejestrować wyniki pomiarów

wytwarzać sygnał przeznaczony do układu regulacji, ostrzegania itp.

opracowywać wyniki pomiarów, porządkować je i określać wskaźniki pośrednie

obliczać wartości średnie oraz podawać parametry dokładnościowe

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:

obrotowe

wieloobrotowe

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

indukcyjne

Rys.2 Czujnik indukcyjny

Pojemnościowe

Rys.3 Przykład czujnika pojemnościowego

mpulsowe

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:

jednokanałowe-pozwalają na równoczesny pomiar jednej wielkości

wielokanałowe-pozwalają na równoczesny pomiar kilku wielkości

selektywne-pomiar wielkości nierównocześnie

Podział systemów telemetrycznych ze względu na rodzaj przetworników:

napięciowe lub prądowe

logometryczne napięciowe lub prądowe

częstotliwościowe

czasowe

dyskretne

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.

---