Ogólna klasyfikacja dalmierzy elektronicznych

Dalmierze elektroniczne możemy podzielić według dwóch niezależnych kryteriów:

1. Ze względu na rodzaj energii tworzącej i przenoszącej sygnały pomiarowe

2. Ze względu na formę tych sygnałów.

Zgodnie z pierwszym kryterium dalmierze możemy podzielić na dwie grupy:

-dalmierze elektrooptyczne, w których sygnały pomiarowe przenoszone są na falach elektromagnetycznych

-dalmierze ultradźwiękowe, w których za nośniki sygnałów służą ultradźwięki.

Zgodnie z drugim kryterium dalmierze dzielimy na:

-dalmierze impulsowe posługujące się sygnałami w formie krótkich odcinków fali harmonicznej inaczej zwanych impulsami.

-dalmierze fazowe, w których sygnał pomiarowy przesyłany jest w postaci ciągłej fali nośnej- pomiar czasu odbywa się tutaj pośrednio poprzez pomiar różnicy faz fali nadanej i fali powracającej.

`Istnieją również dalmierze elektromagnetyczne impulsowe i fazowe, w których sygnały impulsów pomiarowych wytwarzane są drogą modulacji fali nośnej (światła, fali radiowej) i odpowiednio dla tych dalmierzy modulowaną. W przypadku dalmierzy impulsowych jest to modulacja impulsowa, a w przypadku dalmierzy fazowych modulacja sinusoidalna.

W grupie dalmierzy elektromagnetycznych wyróżniamy jeszcze podgrupy, które różnią się długością fal nośnych:

-dalmierze radiowe pracujące na falach radiowych w zakresie długości fali od kilku milimetrów do ok. 1m.

-dalmierze elektrooptyczne, zwane dalmierzami świetlnymi, gdzie zastosowano jako nośnik sygnałów fale elektromagnetyczne z obrazu światła widzialnego i bliskiej podczerwieni(od 400-1000nm)

-dalmierze interferencyjne, gdzie pomiar odbywa się bezpośrednio na fali optycznej bez modulacji

Istnieją dalmierze elektroniczne które swoje działanie opierają na zjawisku Doppleta. Wielkością mierzoną w tych typach dalmierzy jest zmiana częstotliwości fali ciągłej spowodowana ruchem obiektu.

Zasada elektronicznych pomiarów odległości

t_w-czas wyjścia

t_p-czas popwrotu

D- dlugość

N- nadajnik fal

R- retransmiter, reflektor

O- odbiornik fali retransmitowanej

F- moduł pomiaru czasu fali wychodzącej i powracającej

D= ½V·τ

v- prędkość rozchodzenia fali w danym ośrodku

τ - czas przejścia fali nadanej i odebranej mierzony w module

τ=t_p-t_w

_V= C/n

C- prędkość rozchodzenia się fal elektromagnetycznych w próżni

n- współczynnik załamania się w powietrzu fali elektromagnetycznej

Współczynnik ten zależy od pewnych warunków atmosferycznych

• temperatura powietrza t_p

• ciśnienie P

• wilgotność e

• fala nośna λ_w

Przy wykonywaniu pomiaru odległości należy wprowadzić tzw. Stałą dodawania dla kompletu instrumentu, reflektora.

Metoda impulsowa pomiaru odległości

Impulsem nazywamy krótkotrwały przebieg wielkości fizycznej, może to być napięcie elektryczne , natężenie światła lub natężenie dźwięku.

W pomiarach odległości stosuje się najczęściej impulsy radiowe, świetlne, ultradźwiękowe. W impulsowych dalmierzach radiowych stosowane są impulsy o szerokościach od 0,1-2 mili sekund. Możemy wyróżnić różnego rodzaju obwiednie:

-prostokątna

-trapezoidalna

-trójkątna

-wykładnicza

Impulsy świetlne wytwarzane są za pomocą laserów ciał stałych i diod laserowych. W laserach akcja generowania impulsu ni ma postaci pojedynczego błysku, ale tworzy się cała seria bardzo krótkich rozbłysków w postaci szpilek

f=1/T_imp

f- częstotliwość powtarzania impulsu

T_imp- okres powtarzania impulsu

L_imp=V·T_imp=V/f

K= τ_imp/T_imp

K- współczynnik wypełnienia

τ_imp- czas trwania impulsu

τ_prz = T_imp-τ_{imp –} czas trwania przerwy

W modulatorze jest generowany impuls w postaci krótkiego napięcia W_w. Ten krótki impuls jest skierowany do generatora o wysokiej częstotliwości w którym następuje przetworzenie impulsu W_w w sinusoidalne drgania elektryczne, które są przekazywane do anteny i skierowane w stronę stacji retransmitującej. Z chwilą utworzenia impulsu w modulatorze jest również część impulsu W_w przesyłana do miernika czasu . W mierniku czasu jest znaczona chwila wyjścia impulsu sondującego (wychodzącego). Po retransmisji impulsu sondującego jest on odbierany przez odbiornik, w którym jest przekształcany na impuls w formie krótkiego napięcia W_p, który jest kierowany do miernika czasu, gdzie jest znaczona chwila powrotu impulsu sondującego t_p.

2D= τ·V=V·(t_p-t_w)

Metoda fazowa pomiaru odległości

W metodzie fazowej pomiaru odległości stosowany jest ciągły sygnał pomiarowy w formie fali sinusoidalnej, który można opisać w postaci wzoru

y= a sin (ωt+φ₀)

a - amplituda

ω- pulsacja kątowa

φ₀- faza początkowa

D=λ/2·(N+R)

Rozwiązywanie wieloznaczności wyników pomiaru.

Rozwiązywanie wieloznaczności pomiarów odległości w metodzie fazowej wiąże się z wyznaczeniem liczby N, pełnych odłożeń pewnej długości fali (przymiaru elektronicznego). Wyznaczenie tej liczby odbywa się na podstawie wykonania pomiaru przy użyciu kilku odpowiednio dobranych częstotliwościach wzorcowych, czyli przy zastosowaniu różnych „przymiarów elektronicznych”.

Metoda skokowych zmian częstotliwości w szerokich granicach

Najczęściej w tej metodzie stosowany jest system częstotliwości, który stanowi postęp geometryczny o ilorazie 10^-1 i będą to częstotliwości f₁ , 0.1f₁, 0.01f₁, 0.001f₁,....

f₁- częstotliwość wzorcowa

0.1f₁...-częstotliwości pomocnicze

λ₁, 10 λ₁, 100 λ₁, 1000 λ₁.....

Przykład:

D=6724,53m

Λ₁= 20m

Λ₁/2 = 10m

Fazomierz wskazuje trzy cyfry znaczące:

Pomiar i	Częstotliwość fi	przymiar Λ1/2	Odczyty fazomierza
1 2 3 4	f1 f2 =0.1 f1 f3=0.01 f1 f4= 0.001 f1	10m 100m 1000m 10000m	453 245 724 672

N= 627 R = 4,53

D = 10m(672+ 0,453) = 6724,53

Kolejne wskazania fazomierza dla przedstawionej umowy odczytywane są z dokładnością najmniejszej działki, która ze względu na wzrastające wartości przymiaru elektronicznego wynoszą 0.01m , 0.1m, 1m, 10m

Metoda skokowych zmian częstotliwości w wąskich granicach ( metoda różnicowa)

W tym przypadku mamy pewną częstotliwość wzorcową f₁ dla częstotliwości f₁ wzorcowej częstotliwości pomocnicze nie będą się różniły więcej niż 10%

f₁, f₂=0.9f₁ , f₃=0.99f₁ , f₄=0.999f₁

Δf_1-k=f_1-k

K= 2, 3, 4

Δf_1-2=0.1f₁

Δf_1-3=0.01f₁

Δf_1-4=0.001f₁

D= λ_1-k / 2 ·(N _1-k+R₁- R_k )Wyprowadzony ostatni wzór odpowiada fikcyjnym pomiarom odległości z zastosowaniem przymiarów elektronicznych równych odpowiednio: λ_1-2=10 λ₁ , λ_1-3=100 λ₁ , λ_1-4=1000 λ₁

Ułamkowe części kątów przesunięcia fazowego wyrażone są przez różnicę R₁-R_k , które są tworzone z odczytu R₁ do R₄. Całkowite zaś wielokrotności kąta pełnego przez liczby N_1-k.

W poniższym przykładzie może być wykorzystywana zasada wyznaczenia liczby N na podstawie różnic R₁-R₂ , R₁-R₃ , R₁- R₄ , gdzie określamy cyfry jednostek, dziesiątek i setek, liczby N

Pomiar	Częstotliwość f	Odczyt R	Różnice odczytów
1 2 3 4	10 MHz 9.0 MHz 9.9 MHz 9.99 MHz	725 052 460 797	725 673 265 928

Przy wynikach ujemnych dodajemy 1000

Metoda fazowa z użyciem zmiennej częstotliwości fazowej

Metoda ta zwana metodą Fizeau jest oparta na zasadzie przestrajania ciągłego częstotliwości wzorcowej w pewnym niewielkim przedziale ograniczonym przez częstotliwości f₀ , f₆. Pomiar tą metodą polega na takim doborze częstotliwości wzorcowych f1_, f₂, f₃....f_k przy których w odległości 2D mieści się całkowita wielokrotność przymiarów λ₁ , λ₂ .... λ_k

Liczbę K-1 całkowitych cyklów fazowych od pierwszego wskazania do ostatniego ustala się drogą zliczania. To zliczanie realizuje się poprzez częstotliwości f₁ , i f_k dla pierwszego i ostatniego odczytu zerowego mierzymy za pomocą falomierza.

D= V/ 2(f_k-f₁)·(K-1)

D= λ_1-k/2· (K-1)

Optyczne dalmierze interferencyjne

W optycznych dalmierzach interferencyjnych zawsze miarze długości służą fale świetlne o określonych dokładnie długościach fali λ. Zasada pomiaru polega na zliczaniu całkowitej liczby N odcinków λ układających się w podwójnej odległości

2D = N· λ

Zjawisko interferencji występuje gdy dwie wiązki składowe monochromatycznego promieniowania świetlnego przebywają drogi o różnych długościach, a następnie spotykają się ze sobą i zależnie od ich faz wzmacniają się lub osłabiają. W efekcie na ekranie ustawionym w miejscu przecięcia się tych wiązek pojawiają się jasne i ciemne prążki zwane maximami i minimami interferencyjnymi.

Wychodząca z lasera (l_s) wiązka światła kierowana jest na półprzeźroczystą płytkę z nachyloną względem tej wiązki pod kątem 45^o Na prawej zwirciadlanej ściance tej płytki następuje podział amplitudy padającego na nią światła na dwie części , które reprezentowane są przez:

-wiązkę 1 przechodzącą przez tę płytkę i padającą na zwierciadło płaskie Z₁

-wiązkę 2 odbitą w kierunku prostopadłym do zwierciadła Z₂. Zakładamy tutaj że płaszczyzny Z₁ i Z₂ są wzajemnie prostopadłe. Po odbiciu od zwierciadła Z₁ wiązka 1 odbija się od płytki Z i pada na ekra E. Podobnie wiązka 2 po odbiciu od zwierciadła Z₂ przechodzi przez płytkę Z i pada na ekran E w tym samym miejscu M . W związku z tym obie wiązki mogą w miejscu M interferować. Ponieważ obydwie ulegają w układzie interferometru dwukrotnemu odbiciu, więc różnica ich faz nie ulega zmianie. W układzie przedstawionym zwierciadło z₂ jest stałe, natomiast zwierciadło Z₁ może być przesuwane do przodu w kierunku płytki Z lub do tyłu. Jeżeli przy pozycji wyjściowej zwierciadła różnica dróg obydwóch wiązek jest równa λ to w miejscu M wystąpi maximum interferencyjne ( jasny prążek ) Ponieważ wiązka 1 przebywa odcinek Z, Z₁ dwukrotnie to po przesunięciu zwierciadła Z₁ z położenia początkowego o wielkość 1/4 λ różnica dróg wynosi ( 1+ ½) λ , fazy obydwu wiązek stają się przeciwne i na ekranie pojawia się minimum czyli prążek ciemny. Po następnym przesunięciu zwierciadła Z₁ w tym samym kierunku o wielkość ½ λ w miejscu prążka ciemnego pojawi się znowu prążek jasny

D = 1/4 λ ·N

N – ilość pojawiających się prążków

Interferometry laserowe są wykorzystywane do komparacji przymiarów długości w tym precyzyjnych łat niwelacyjnych. Zapewnienie pomiaru odległości za pomocą interferometru laserowego z bardzo wysoką dokładnością rzędnych mikrometrów pozwala przyjąć takie pomiary jako bezbłędne.