Что измеряется при определении расстоянии при помощи светодальномера электронного тахометра

Обновлено: 07.07.2024

Развитие электроники и радиотехники позволило создать новые приборы для линейных измерений – электромагнитные дальномеры (свето- и радиодальномеры).

Принцип работы этих приборов основан на определении промежутка времени t, необходимого для прохождения электромагнитных волн (световых и радиоволн) в прямом и обратном направлении от точки А, в которой центрирован прибор, до точки В, где установлен отражатель.

Рис. 59. Схема определения расстояния светодальномером.

Зная скорость распространения электромагнитных колебаний, можно записать

Из-за большой скорости света ( в атмосфере v ≈ 299710 км/с) измерение времени t необходимо выполнять с очень высокой точностью. Так, для измерения расстояния с точностью 1 см, время надо измерить с ошибкой не более 10 -10 сек.

Измерения выполняют фазовым или импульсным методом.

В светодальномерах лазерный источник излучения периодически посылает световой импульс. Одновременно запускается счетчик временных импульсов. Счетчик останавливается, когда светодальномер получает световой импульс, возвращенный призменным отражателем. Световой импульс, отразившись от призменного отражателя, останавливает счетчик. Для повышения точности измерения выполняют многократно. Измеренное расстояние высвечивается на цифровом табло.

Способы съемки ситуации

Съемка ситуации – геодезические измерения на местности для последующего нанесения на план ситуации (контуров и предметов местности).

Выбор способа съемки зависит от характера и вида снимаемого объекта, рельефа местности и масштаба, в котором должен быть составлен план .

Съемку ситуации производят следующими способами: перпендикуляров; полярным; угловых засечек; линейных засечек; створов (рис. 60).

Способы съемки ситуации:

1) способ перпендикуляров;

2) полярный способ;

3) способ угловых засечек;

4) способ линейных засечек;

5) способ створов.

Рис. 60. Способы съемки ситуации:

а – перпендикуляров, б – полярный, в – угловых засечек, г – линейных засечек, д – створов.

Способ перпендикуляров (способ прямоугольных координат) – применяется обычно при съемке вытянутых в длину контуров, расположенных вдоль и вблизи линий теодолитного хода, проложенных по границе снимаемого участка. Из характерной точки К (рис. 60, а) опускают на линию хода А – В перпендикуляр, длину которого S₂ измеряют рулеткой. Расстояние S₁ от начала линии хода до основания перпендикуляра отсчитывают по ленте.

Полярный способ (способ полярных координат) – состоит в том, что одну из станций теодолитного хода (рис.60, б) принимают за полюс, например, станцию А, а положение точки К определяют расстоянием S от полюса до данной точки и полярным углом β между направлением на точку и линией А – В. Полярный угол измеряют теодолитом, а расстояние дальномером. Для упрощения получения углов, теодолит ориентируют по стороне хода.

Приспособе засечек (биполярных координат) положение точек местности определяют относительно пунктов съемочного обоснования путем измерения углов β₁ и β₂ (рис.60, в) – угловая засечка, или расстояний S₁ и S₂ (рис.60, г) – линейная засечка.

Угловую засечку применяют для съемки удаленных или труднодоступных объектов.

Линейную засечку – для съемки объектов, расположенных вблизи пунктов съемочного обоснования. При этом необходимо чтобы угол γ, который получают между направлениями при засечке был не менее 30° и не более 150°.

Способ створов (промеров). Этим способом определяют плановое положение точек лентой или рулеткой.(рис. 60, д). Способ створов применяется при съемке точек, расположенных в створе опорных линий, либо в створе линий, опирающихся на стороны теодолитного хода. Способ применяется при видимости крайних точек линии. Результат съемки контуров заносят в абрис. Абрис называют схематический чертеж, который составляется четко и аккуратно.

Вопросы для самоконтроля

1. Каков принцип измерения расстояний нитяным дальномером?

2. К какому типу относится нитяный дальномер?

3. По какой формуле определяют расстояние, измеренное нитяным дальномером?

4. С какой точностью можно измерить расстояние нитяным дальномером?

5. Как определяют поправку за наклон линии, измеренной нитяным дальномером?

6. Какой физический принцип используют для измерения расстояний свето- и радиодальномерами?

Дальномерами называются геодезические приборы, с помощью которых расстояние между двумя точками измеряют косвенным способом. Дальномеры подразделяют на оптические и электронные. Оптические дальномеры делятся на дальномеры с постоянным параллактическим углом и дальномеры с постоянным бази сом, электронные дальномеры — на электронно-оптические (све тодальномеры) и радиоэлектронные (радиодальномеры).

Простейший оптический дальномер с постоянным углом — нитяной (рис. 6, а) имеется в зрительных трубах всех геодезических приборов. В поле зрения трубы (рис.6, б) прибора видны три горизонтальные нити. Две из них, расположенные сим метрично относительно средней нити, называются дальномерны ми . Нитяной дальномер применяют в комплекте с нивелирной рей кой, разделенной на сантиметровые деления. В приведенном примере между крайними нитями располагаются 21,5 сантиметровых делений рейки. Расстояние D между измеряемыми точками на местности 21,5 • 100 = 21,5 м (100 — коэффициент дальномера).

Принцип действия дальномера с постоянным базисом рассмотрим на конкретном примере определения рас стояния от точки А до точки В (рис.8).

В точке А устанавливают теодолит. В точке В располагают отре зок (базис), длина которого /_б точно известна. Тогда, измерив угол а, можно по известной из тригонометрии формуле D = l _б tq вычислить расстояние между точками А и В.

В основе электронных средств измерений лежит известное из физики соотношение S = vt /2 между измеряемым расстоянием S , скоростью распространения электромагнитных колебаний v и временем t распространения электромагнитных колебаний вдоль измеряемой линии и обратно.

Из-за особенностей излучения, приема и распространения ра диоволн радиодальномеры применяют главным образом при из мерении сравнительно больших расстояний и в навигации. Светодальномеры, использующие элек тромагнитные колебания светово го диапазона, широко применя ют в практике инженерно-геоде зических измерений.

Схема выполнения дальномерных измерений при постоянном базисе

Для измерения расстояния АВ (рис. 9) в точке А устанавливают светодальномер, а в точке В — отражатель. Световой поток посы лается из передатчика на отражатель, который отражает его об ратно на тот же прибор. Если измерить время прохождения свето вых волн от светодальномера до отражателя и обратно, то при известной скорости распространения световых волн можно вы числить искомую длину линии. Время распространения световых волн может быть определено как прямым, так и косвенным мето дом измерений.

Прямое определение промежутка времени осуществляется в дальномерах, называемых импульсными. В них измерение времени производится по запаздыванию принимаемого после отражения светового импульса по отношению к моменту его излучения.

Косвенное определение времени прохождения световых волн ос новано на измерении разности фаз двух электромагнитных колеба ний. Такие светодальномеры называют фазовыми. С внедрением по лупроводниковых лазерных источников излучения и цифровых ме тодов измерения разности фаз появились импульсно-фазовые све тодальномеры, в основе которых лежит фазовый метод измерения временного интервала при импульсном методе излучения.

Примером современного фазово-импульсного светодальномера может служить широко распространенный в нашей стране топо графический светодальномер СТ-5. Это высокоавтоматизированный прибор, точность измерения расстояний которым характеризуется величиной (10 + 5/) км) мм; предельная дальность — 5 км .

Улучшенный вариант этого сверхдальномера — 2СТ-10 (рис. 6.10). Его технические характеристики: средняя квадратическая погреш ность измерения расстояний (5 + 32) км) мм; диапазон измерения 0,2 м . 10,0 км ; диапазон рабочих температур +40. -30 °С; масса прибора 4,5 кг . Управление процессом измерения обеспечивается встроенной микроЭВМ. Результаты измерения с учетом по правки на температуру воздуха и атмосферное давление высве чиваются на цифровом табло и могут быть введены в регистриру ющее устройство. В приборе имеется звуковая сигнализация обнаружения отраженного сигнала, готовности результата измерения и разряженности источника питания. В комплект светодаль номера входят: отражатели, штативы, источники питания, за рядное устройство, барометр, термометр, набор инструментов и принадлежностей.

Для маркшейдерских работ в шахтах используют светодально мер МСД-1М во взрывобезопасном исполнении с дальностью действия до 500 м и погрешностью измерения (2 + 5/) км) мм.

Светодальномеры с пассивным отражением измеряют рассто яния до предметов без отражателя, т.е. используют отражатель ные свойства самих предметов. Примером может служить отече ственный светодальномер ДИМ-2, погрешность измерения рас стояний которым составляет 20 см .

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Марач Алена Алексеевна, Кузнецов Максим Михайлович, Коваленко Владимир Витальевич

В статье рассматриваются оптико-электронные методы определения дальности. Делается вывод, что совершенствование технических возможностей оптико-электронных дальномеров , во многом зависят не только от новых открытий в оптической, радиотехнической, электронной областях, и автоматизации и робототехники, но и от производственных возможностей страны.

OPTOELECTRONIC METHODS FOR DETERMINING THE DISTANCE

The article deals with opto-electronic methods of determining range. It is concluded that the improvement of the technical capabilities of opto-electronic distance-rooms, largely depend not only on new discoveries in optical, radio, electronic fields, and automation and robotics, but also on the productive capacity of the country.

ОПТИКО-ЭЛЕКТРОННЫЕ МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДАЛЬНОСТИ

Алена Алексеевна Марач

Максим Михайлович Кузнецов

Владимир Витальевич Коваленко

В статье рассматриваются оптико-электронные методы определения дальности. Делается вывод, что совершенствование технических возможностей оптико-электронных дальномеров, во многом зависят не только от новых открытий в оптической, радиотехнической, электронной областях, и автоматизации и робототехники, но и от производственных возможностей страны.

Ключевые слова: дальномер, измерение дальности.

OPTOELECTRONIC METHODS FOR DETERMINING THE DISTANCE

Maxim M. Kuznetsov

Vladimir V. Kovalenko

Key words: range finder, measuring range.

Выбор метода, для определения больших расстояний, сравним с решением задачи по перебору вариантов, где исходными и решающими величинами являются дальность и точность [19, 20].

Известное значение скорости электромагнитных колебаний, и учет внешних условий заложены в основу определения дальности. Определение расстояния светодальномерами и радиодальномерами сводиться к измерению времени, затраченного на прохождение до объекта и обратно. Искомую величину получают из соотношения:

п- время, в течение которого колебания прошли двойное расстояние излучателя до объекта и обратно, (с);

Б - расстояние до объекта, (м);

Y - скорость распространения электромагнитных колебаний, (м/с).

При этом, объект (отражатель) принимающий излучение может быть как с активным действием, так и с пассивным. Активный отражатель, принимает сигнал, затем усиливает (или дополняет какой либо информацией) его и излучает ответный сигнал. Дальность действия оптической системы с активным отражателем значительно выше, чем с пассивным отражателем.

Использование лазера в качестве источника излучение позволило значительно увеличить дальность действия прибора, а также упростить его конструкцию и сделать портативным [1].

Классификация способов измерения расстояний представлена в схеме 1.

В интерференционных дальномерах рабочим эталоном служит период несущих электромагнитных колебаний [2, 3, 4]. При проведении измерений в вакууме, когда показатель преломления не нужен, то рабочим эталоном служит непосредственно длина волны монохроматических колебаний:

где Х-длина волны электромагнитны колебаний (м/с);

A - дробная часть фазового цикла;

N - число целых фазовых циклов.

Замеры проводят по изменению интенсивности принимаемого суммарного светового потока аналоговым способом в пределах фазового цикла, либо дискретно, используя специальные счетчики целых фазовых циклов (полос) [5,6]. Однако при высокой точности измерений дальность интерференционных дальномеров только несколько десятков метров. Увеличение дальности измерений получили путем использования двухчастотных лазеров [7].

Частотная модуляция (модуляция по свету), осуществляется путем внутренней частотной модуляции, основанной на изменениях параметров оптического резонатора лазера [8]. При изменениях частоты несущих колебаний, не превышающих 100МГц, выделение разностной частоты АЮ можно осуществить непосредственно в приемнике излучения [9, 10, 11, 12, 13]. Измеряемое расстояние вычисляют по формуле:

S=UX T хАю/2 X (юн мах - Юн min), где T- время, за которое происходит однократное изменение частоты несущих колебаний от минимального до максимального значения (T>t).

В случае синусоидальной частоты модуляции несущих колебаний, среднее значение разностной частоты периода модуляции зависит от величины измеряемого расстояния. Если изменить частоту модуляции, то при некотором значении f разностная частота будет равна нулю, то есть величина расстояния определяется по формуле:

где N =1,2,3____— целое число, для определения которого необходимо заранее

знать приближенное значение величины измеряемого расстояния.

Для повышения точности и конструктивного упрощения дальномера вместо частотной модуляции используют фазовую модуляцию несущих колебаний при помощи внешнего электрооптического модулятора, установленного посла лазера и ориентированного по отношению к плоскости поляризации входящего в него лазерного излучения [14].

В импульсных дальномерах излучения происходят прерывисто, время затраченное на прохождении двойного расстояния измеряется непосредственно. В качестве источника излучения используют твердотельные рубинные и не-одимовые лазеры с внутренней модуляцией. Величина измеряемого расстояния определяется по формуле:

где, N — число калиброванных временных импульсов, зафиксированное счетчиком;

fc -частота следования калиброванных временных импульсов.

Погрешность измерений составляет несколько наносекунд. Главным преимуществом импульсных дальномеров является простота функциональной схемы и быстродействие.

В фазовых дальномерах используется метод сравнением фаз излучаемого и принимаемого световых потоков.

где ф- разность фаз;

ю- угловая скорость;

Частоту модуляции можно выбрать в зависимости от допустимой погрешности наименьшего расстояния измерения и от погрешности определения разности фаз.

Существуют дальномеры с непосредственным измерением разности фаз и компенсационным. В первых в качестве фазоизмерительного устройства используется электронно-лучевая трубка [15]. Отличие дальномера с компенсационным измерением разности фаз от предыдущего заключается тем, что фазоиз-мерительное устройство заменено на фазовращателем и добавлены демодулятор и индикатор.

Для повышения точности и дальности, следующим поколением дальномеров стали комбинированные дальномеры [16]. При переходе непрерывного излучения полупроводникового лазера к импульсному излучению мощность возрастает пропорционально скважности импульсов, в данном примере дальность возрастала в 10-15 раз.

В дальномере - рефрактометре, где источником излучения служит ионный аргонный лазер, обеспечивающий излучение на двух волнах 458 и 514 Нм, а длительность работы 20 мкс, дальность составляет 30 километров с точностью 5х106 [17].

Совершенствование технических возможностей оптико-электронных дальномеров, во многом зависят не только от новых открытий в оптической, радиотехнической, электронной областях, и автоматизации и робототехники, но и от производственных возможностей страны [20].

2. Забелин А. А., Рябова Н. В., Получение интерференции с большой разностью хода при использовании в качестве источника света газового ОКГ. - Оптическая промышленность, 1968, №4, с.9-12.

3. Земелеков Г.Г., Савельев В. А. Средства измерения линейных размеров с использованием ОКГ. М., Машиностроение, 1977.

4. Коломейцев Ю. В. Интерферометры. Л.Машиностроение, 1976.

5. Применение лазеров. М., Мир, 1974.

7. Прилепин М.Т., Голубев А. Н., Оптические квантовые генераторы в геодезических измерениях. М., Недра.,1972. 168 с.

8. Прилепин М. Т., Голубев А. Н. О построении лазерного дальномера с частотной модуляцией, несущей и оптическим гетеродированием // Известия вузов. Геодезия и аэрофото-сьемка. - 1972, вып. 5. - С. 123-127.

9. Берковский А. Г., Гаванин В. А., Зайдель А. Н. Вакуумные фотоэлектронные приборы. М., Энергия, 1976.

10. Власов В. Г., Лазнева Э. В. Метод гетеродинного приема излучения амплитудно-модулированного в диапазоне 5-50 МГц, с помощью фотодиода. - Оптико-механическая промышленность, 1968, №10,с.5-8.

11. Власов В. Г., Попов Ю. В., Утенков Б. М., Оптимизация работы ФЭУ в режиме гетеродинного детектирования с внешним электродом. - Оптико-механическая промышленность, 1969, №9, с.59-60.

12. Попов Ю. В., Утенков Б. И., Методы управления режимом работы фотоэлектронных умножителей - Оптико-механическая промышленность, №2,1976, с.65-71.

13. Шилов А. Ф. Фазовые характеристики, ФЭУ-28, работающих в режиме гетеродиро-вания. - Изв.вузов, Геодезия и аэрофотосъемка,1969, №2, с.147-152.

14. Голубева А. Н. О лазерном дальномере с фазовой модуляцией излучения. -Изв.вузов, Геодезия и аэрофотоъемка, 1976, вып.1.с.115-119.

15. Ковалев В. П. Измерение разности фаз. - Приборы и техника эксперимента.1958, №2, с.3-12.

16. Дерягин В. Р., Марасин Л. Е., Попов Ю. В. Малогабаритный импульсно-фазовый светодальномер ГДФИ-3 с цифровым выходом полупроводникового квантового генератора. - Оптико-механическая промышленность.1972, №3, с.23-27.

18. Кузнецов М. М., Комбаров М. С. Система технического зрения // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск: СГГА, 2010. Т. 5, ч. 1. - С. 166-167.

20. Системы оптической локации технологического контроля интегральных схем: монография / М. Я. Воронин, И. Н. Карманов, М. М. Кузнецов, И. В. Лесных, А. В. Синельников; под общ. ред. М. Я. Воронина. - Новосибирск: СГГА, 2013. -239 с.

Электронное измерение расстоянийосновано на измерении времени прохождения светового или радиолуча между двумя точками, в одной из которых находится излучатель, а в другой – отражатель. Таким образом, данный метод измерения расстояний является косвенным. Поскольку луч проходит измеряемое расстояние дважды (прямо и обратно), постольку будет иметь место формула

где c – скорость распространения радиоволн или световых волн, t – время прохождения сигнала прямо и обратно, d - постоянная поправка дальномера, вызванная прохождением сигнала по электронным цепям прибора. Скорость c распространения электромагнитных волн зависит от плотности, температуры и влажности воздуха. Поэтому при высокоточных измерениях расстояний измеряются значения указанных величин и в измеренное расстояние вводятся соответствующие поправки.

Первыми геодезическими приборами для измерения расстояний с помощью электромагнитного излучения явились радиодальномеры. Их применение позволило в десятки раз увеличить производительность труда при измерении расстояний. Другое важное преимущество радиодальномеров заключается в том, что для измерения расстояний не требуется наличие прямой оптической видимости, достаточно так называемой радиовидимости. Недостаток радиодальномеров заключался в относительно невысокой точности измерений.

Точность измерения расстояний электронными приборами тем выше, чем меньше длина волны. Поэтому дальнейшее повышение точности измерений было связано с повышением частоты электромагнитных колебаний. В результате на смену радиодальномерам пришли светодальномеры. В настоящее время измерение расстояний с помощью светодальномеров характеризуется как очень высокой производительностью, так и высокой точностью.

В зависимости от точности измерения расстояний светодальномеры подразделяются на три группы. Светодальномеры первой группы называют геодезическими, они предназначены для измерения больших расстояний (до 50 км) с ошибкой порядка 5-10 мм +(1-2 мм/км). Таким образом, приборы данной группы позволяют измерять расстояния с относительной ошибкой не хуже 1:500 000. Основное применение геодезических светодальномеров – измерение сторон в полигонометрии 1 – 2 классов и базисов в триангуляции 1 класса.

Приборы второй группы, называемые топографическими, позволяют измерять расстояния до нескольких километров с абсолютной погрешностью порядка 2 см. Данные приборы используются при создании геодезических плановых сетей более низких классов и при производстве топографических съемок.

Светодальномеры третьей группы предназначены для измерения расстояний до нескольких километров с ошибкой не более 2 мм. Они используются для производства геодезических работ в процессе строительства уникальных инженерных сооружений.

С применения радиодальномеров в геодезии начался процесс электронизации и автоматизации. Если на первых порах человек выполнял почти все операции, то в дальнейшем многие из их числа стали выполняться автоматически. Этому способствовало оснащение приборов встроенными микропроцессами, что также позволило решать программным путем некоторые задачи в реальном масштабе времени.

Дальнейшее развитие возможностей было связано с автоматизацией измерения горизонтальных и вертикальных углов, с появлением безотражательных светодальномеров и с комплексированием электронных блоков различного назначения в один электронный прибор. Примером таких современных приборов являются электронные тахеометры. Наиболее простыми электронными приборами для измерения расстояний в настоящее время являются электронные рулетки. Дальность их действия составляет несколько десятков метров, а ошибка измерений – величину порядка 1 см.

1. Что такое прямое и косвенное измерение?

2. Какие приборы применяются для измерения линий?

3. В чем состоит подготовка линии для измерения лентой или рулеткой?

4. Каким образом осуществляется измерение линий рулеткой или лентой?

5. Что необходимо для нахождения горизонтального проложения линии?

6. Какие поправки вводятся в значение длины линии, измеренной лентой или рулеткой?

7. Напишите формулу для вычисления поправки за наклон линии?

8. Что такое компарирование мерной ленты или рулетки?

9. Напишите формулу для вычисления поправки в длину линии за компарирование?

10. Напишите формулу для вычисления поправки в длину линии за температуру?

11. Что такое горизонтальное проложение?

12. Длина линии равна 123,45 м; угол наклона равен 3°50¢; чему равно горизонтальное проложение линии?

13. Как осуществляется провешивание линии при отсутствии прямой видимости между ее крайними точками?

14. Какова точность измерения линий мерной лентой или рулеткой?

15. Как контролируется измерение линий?

16. Какова допустимая относительная ошибка измерения линий лентой или рулеткой?

17. Каким образом характеризуется точность измерения линий?

18. Что такое относительная ошибка измерения некоторой величины?

19. Напишите формулу для вычисления длины линии при ее измерении светодальномером?

20. Какова точность измерения линий нитяным дальномером?

21. Каков коэффициент нитяного дальномера?

22. Что такое определение неприступного расстояния?

23. Какие существуют способы определения неприступных расстояний?

24. Как осуществляется определение неприступного расстояния на основе теоремы синусов?

25. Как осуществляется определение неприступного расстояния на основе теоремы косинусов?

26. Как осуществляется контроль определения неприступного расстояния?

27. Найти поправку за компарирование, если измеренное значение длины линии равно 123,45 м, номинальная длина мерной ленты равна 20.000 м, а фактическая 20,004 м?

28. Найти поправку за температуру, если измерена линия 200,00, температура в момент компарирования была равна 14°, а в момент измерений 29?

29. С каким знаком вводится поправка за наклон при измерении линий?

30. С каким знаком вводится поправка за компарирование?

31. С каким знаком вводится поправка за температуру?

32. Как влияет на производительность труда применение электронных способов при измерении линий?

33. Какова точность измерения линий светодальномерами?

34. В чем преимущество безотражательных светодальномеров?

35. От чего зависит точность измерения линий с применением электромагнитных колебаний?

36. Какие могут быть способы определения расстояний?

37. С какой точностью необходимо измерять угол наклона для вычисления горизонтального проложения линии?

Читайте также: