Островський А.Л., Мороз О.І., Тарнавський В.Л. Геодезія, частина II

Подождите немного. Документ загружается.

Будь-які фазовимірювальні пристрої вимірюють різницю фаз тільки в

межах одного періоду, тобто, від 0 до 2яг. Маючи це на увазі, представимо

А<ру вигляді:

А(р-у/ + Ау/ , (ІІ.6.30)

де у/ - різниця фаз, кратна 2/г; Ау- різниця фаз в межах одного періоду,

тобто А у/ < 2л. Враховуючи формулу (II.6.30), запишемо (II.6.29) в дещо

іншому вигляді:

. („.«і)

І2/г 2п) 2/

У формулі (11.6.31) у/1= ціле число (кількість коливань);

Ау/І2я~Ш - правильний дріб. Тепер формулу (II.6.31) запишемо ще так:

5 =

(АГ

+ (ІІ.6.32)

На кінець, враховуючи формулу (II.6.22), запишемо (ІІ.6.32) в такому

вигляді:

5 =

(ЛГ

+ ДУ)|. (ІІ.6.33)

Розглянемо фізичний зміст двох складових правої частини формули

(ІІ.6.33). Я/2 - половина довжини хвилі, це особливий "метр", особлива (не

реальна) "одиниця довжини", яку ніби відкладають N разів в лінію, яку

вимірюють. Добуток Аії

•

Я/2 - частина "метра", що доповнює цілому числу

"метрів" до віддалі, що вимірюється. Нагадаємо, що Аїї = Ау//2л, де Ау/ -

різниця фаз, яка вимірюється. Таким чином, у формулі (11.6.33) дві невідомі:

5 та N. Дія того, щоб найти N, або, як прийнято говорити, розв'язати

неоднозначність, вимірювання фазовими віддалемірами виконують на

декількох частотах. Нагадаємо, що п/п та відбивач центруються так, що

не точно дорівнює 5 (див. рис. ІІ.6.1), тоді (ІІ.6.33) повинна бути доповнена

постійною віддалеміра К. Тому кінцева формула віддалеміра має вигляд:

5 = № + + (ІІ.6.34)

Постійна світловіддалеміра К є "постійною" умовно. Вона змінюєть-

ся із часом і залежить від температури та зовнішнього середовища. В

останні роки у с/в використовують більш довгі хвилі (червоні, інфрачер-

воні), які менше поглинаються атмосферою. Навпаки, у радіовіддалемірах

використовують більш короткі хвилі, які менше відбиваються від під-

стилаючої поверхні та легко концентруються в промінь.

11.6.6. Блок-схема візуального світловіддалеміра з визначенням

різниці фаз за екстремумами світлового потоку

Типовим представником такого віддалеміра є світловіддалемір СВВ-

1 (світловіддалемір Васильєва-Величко), у якому індикатором різниці фаз

222

служить око спостерігача. Блок-схема візуального с/в показана на рис.

ІІ.6.6.

м/с

спостерігач

Рис. ІІ.6.6. Блок-схема візуального світловіддалеміра.

Модулятор і демодулятор світла (м/с і д/с) конструктивно аналогічні

(це конденсатори Кера) і працюють синхронно, керовані за допомогою

змінної синусоїдальної напруги, що подається на конденсатори від

генератора масштабної частоти (гмч). Коли напруга подана на пластинки

конденсатора, світло проходить, коли напруга знята - світло не проходить

між пластинками. Лінзи 77,, Л

, Л

збирають промені, що розходяться,

в пучки, або перетворюють розбіжні пучки в майже паралельні. Величина

потоку світла Ф на виході д/с залежить від різниці фаз між відправленою на

дистанцію та прийнятою з дистанції хвилями світла. Око спостерігача

здатне фіксувати тільки екстремальні значення світлової енергії; більш

впевнено око фіксує мінімум світлової енергії Ф

тш

. Як видно з рис. ІІ.6.7.

мінімум світлового потоку Ф настає під час різниці фаз, кратній 2 л; а мак-

симум - під час різниці фаз, кратній п.

Рис. ІІ.6.7. Зміна світлового потоку на виході демодулятора світла (д/с) в

залежності від різниці фаз.

Це означає, що для того, щоб на виході д/с мати Ф

тіп

(мінімум відби-

того сигналу), необхідно, щоб різниця фаз була кратною 2я. Цього можна

досягти, якщо поступово змінювати масштабну частоту і, цим самим, змі-

223

нювати довжину своєрідного "метра" Л/2 = С/2/,. Візуальні с/в оздоблені

пристроями для поступової зміни частоти (без стрибків). Так в с/в СВВ-1

частоту можна плавно змінювати в межах від 9,6 до 10,4 МГц. Якщо різниця

фаз кратна 2л; тоді А/У = 0 і формула (И.6.33) набуває вигляду:

8 = + (ІІ.6.35)

Для розв'язку неоднозначності (в рівнянні (ІІ.6.35) невідомі 5 та Щ

вимірювання виконують не менше, ніж на двох частотах. Нехай для деякої

довжини хвилі у в лінії, що вимірюється, вкладається У, циклів:

$ = + (ІІ.6.36)

Будемо поступово змінювати частоту, наприклад, збільшуючи її. Тоді

око спостерігача буде спочатку бачити збільшення яскравості світла, вона

досягне максимуму, а потім знову наступить мінімум світла. Тому ^ в

лінії, що вимірюється, вкладається И

циклів, до того ж, Л/

= /V, +1.

Продовжують збільшувати частоту й обраховують кількість мінімумів, що

спостерігалися. Нехай, всього їх буде п. Тоді М

= (ЛГ, + п), а довжина хвилі

Я С

-2- = . Тепер запишемо друге рівняння, аналогічне (ІІ.6.36):

5 = + + (ІІ.6.37)

У рівняннях (11.6.36) та (11.6.37) невідомі 8 та тУ,. Одночасний роз-

в'язок цих рівнянь дає значення двох невідомих. Точність вимірювання лі-

Д5 1

ній цим віддалеміром характеризується відносною похибкою — = •

На жаль, візуальні віддалеміри мають ряд недоліків. Це:

1. Спостереження дуже стомлюють око;

2. Низька точність реєстрації різниці фаз;

3. Необхідність мати в польовому комплекті віддалеміра частотомір

для вимірювання частоти/, що значно збільшує масу віддалеміра.

Усунення цих недоліків здійснюється використанням віддалемірів зі

стабільними, наперед заданими, частотами та заміною візуального визначен-

ня різниці фаз на фотоелектронне.

11.6.7. Блок-схема світловіддалеміра на фіксованих частотах із

парафазним фотоелектронним визначенням різниці фаз

Зразу зазначимо, що в сучасних світловіддалемірах використовують

лазери. Це не тільки більш сильні джерела світла, що поліпшує вимірю-

224

вальні якості с/в, точніше, дає можливість вимірювати довгі сторони, але,

одночасно, ці джерела є модуляторами світла: частота модуляції залежить

від частоти генератора вимірювальних (масштабних) частот.

Нехай лазер Л - джерело та модулятор світла (рис. ІІ.6.8) посилає

імпульс світла, колімований лінзою Я", в майже паралельний пучок. Світло

досягає відбивача, повертається й попадає на лінзу К

, яка збирає світловий

сигнал в фокусі і направляє його на демодулятор.

Рис. II.6.8. Блок-схема с/в із фотоелектронною реєстрацією різниці фаз.

Демодулятор - фотоелектронний помножувач (ФЕП) перетворює

світловий сигнал в електричний струм, який подається на індикатор. З

генератора масштабної частоти (ГМЧ) подається на ФЕП ще й опорний

електричний сигнал, який також поступає на індикатор. Подальше завдання

- знайти різницю фаз опорного сигналу та сигналу, який повернувся з

дистанції. Розглянутий раніше віддалемір дозволяє порівнювати не яку

завгодно різницю фаз, а тільки кратну 2л або тг; ця різниця фаз

створювалась поступовою зміною частоти модуляції світла. У віддалемірі з

фіксованими частотами така можливість відсутня. Тому, в опорному тракті

встановлюється особливий пристрій, що затримує в часі електричний

сигнал. Цей пристрій дістав назву фазообертач. Таким чином, фазообертач

дозволяє встановити бажану різницю фаз без зміни частоти модуляції світла.

Величина струму І, що поступає на індикатор із демодулятора,

залежить від тільки що названої різниці фаз. Нехай під час відключеного

пристрою для зміни фази на 180°, на індикатор поступає з демодулятора

сигнал /,, який має вигляд синусоїди (рис. ІІ.6.9).

Якщо увімкнути пристрій і змінити фазу на 180°, тоді і на індикатор

прийде сигнал /

, зсунутий по фазі відносно сигналу /, на 180°. Оскільки в

даному методі порівняння різниці фаз виконується за допомогою двох груп

сигналів із фазами, що відрізняються на 180°, то метод названий парафаз-

ним. Електричні сигнали /, та /

(фотоструми) не тільки зсунуті по фазі на

225

180°, але і йдуть назустріч один одному (потоки електронів протилежно

направлені). Зміна (перекид) фази на 180° проходить автоматично із час-

тотою 80-100 Гц. Як бачимо з рисунку, рівність сигналів /, і /

настає тоді

(стрілка індикатора встановиться на нуль), коли різниця фаз між сигналом з

дистанції та опорним сигналом буде дорівнювати 0,5 яг, 1,5 л

, 2,5я, 3,5п,

тощо. У загальному вигляді

А<р

= ІЯ'л

• Щоб досягнути саме такої

різниці фаз (вивести стрілку індикатора на нуль), потрібно внести до-

датковий фазовий зсув з допомогою фазообертача. Нехай цей додатковий

зсув становить в. Тоді повна різниця фаз буде:

А<р

= }1'-л + ^ + в.

(II.6.38)

Зл 4л 5тт 6л * ^

Рис. ІІ.6.9. Синусоїдальні струми /, та /

, що подаються з демодулятора на

індикатор.

Використаємо загальну формулу світловідцал еміра (II.6.29):

2л 2/

Підставимо значення А<р з формули (II.6.38). Отримаємо:

(ІІ.6.29)

И'л +

—

+ 9

або

5 =

2 л

1 в

•

+ К,

Аг

-+-\. — + К.

, 2 л) 4/

Останню формулу можемо записати так:

„ N'-0 \ с в с „

5 = -

+ +К .

(ІІ.6.39)

(ІІ.6.40)

4/ 8 / я- 4/

Врахуємо, що А'' дорівнює кількості л в даній лінії, а N дорівнює

кількості 2л, тому:

N = —, або #' = 2ЛГ.

Замінимо у формулі (2.6.40) И' на 27У, а також позначимо:

226

1 с

-ц =

—

постійна величина;

в с

•ь

= змінна величина.

л 4/

Крім того, приймемо, що Ь = Ц+Ь

також змінна величина. Врахо-

вуючи все це, формула (ІІ.6.40) зміниться так:

Ис

8 =— + і + £. (И.6.41)

Крім того, позначимо

= (ІІ.6.42)

Тоді матимемо кінцеву формулу:

8 = МЛ + Ь + К. (И.6.43)

Ь відлічується на шкалі фазометра (фазообертача). Віддалемір працює

на трьох постійних частотах Д,,^ та Л,; тому можна записати три рівняння

виду (ІІ.6.43):

8 =

+ Ц+К'

8 = ^Л

+ Ь

+ к\. (ІІ.6.44)

8 =

+ К

У системі рівнянь (11.6.44) чотири невідомі 8, ІУ,, ІУ

, ІУ

. Для розв'я-

зання неоднозначності прийнято: \ = 0,998004 м; = 1,052631 м;

Я, = 1,000000 м. Для таких довжин Я, на 1/500 коротше Л

, а Я, на 1/20 ко-

ротше Я^. Тому для ліній до 500 м = ; для граничної довжини 5 = 500

м, /V, = У

+1. Крім того, для 5 = 20 м = +1, Оскільки віддалемір

призначений для вимірювання ліній до 700 м, то такі довжини А, дозво-

ляють розв'язувати неоднозначність.

11.6.8. Світловіддалемір топографічний СТ-5 ("блеск"). Будова.

Імпульсний метод вимірювання віддалей

Вимірювання імпульсним методом виконуються із застосуванням

посилання двох частот випромінюваних імпульсів: /, = 14985,5 кГц та

= 149,855 кГц. Тривалість імпульсів 10 не. Джерелом випромінювання є

напівпровідниковий лазерний діод з довжиною хвилі випромінювання 0,80

мкм; приймачем - фотоелектронний помножувач (ФЕП).

Світловіддалемір СТ-5 є одним з найкращих віддалемірів і першим з

виготовлених у колишньому СРСР, і такий, що працює на імпульсному

методі вимірювання ліній.

227

Рис. II.6.10. Світловіддалемір СТ-5.

Рис. II.6.11. Світловіддалемір СТ-5.

Основні частини с/в (рис ІІ.6.10): 4 - головний корпус, в якому знахо-

дяться приймально-передавальна оптична система, джерело випроміню-

вання, фотоприймальний пристрій, друкуючі вузли з елементами елек-

тричної системи. Цей корпус має кришки 1 та 14, які можна зняти; на

кришці 1 закріплена зорова труба; стояки 6, 13 скріплені зверху ручкою З,

знизу гвинтами 7 скріплені з основою 11. В основі 11 та стояку 13

розташовані навідні та закріпні гвинти, якими світловіддалемір наводиться

на відбивач в горизонтальній та вертикальній площинах. На рис. И.6.11

показані головки навідних гвинтів 5, 10 та рукоятки закріпних гвинтів 6, 9.

На основі також кріпиться циліндричний рівень 12 з юстувальними

гвинтами 13 та окуляр оптичного центрира 11. Лицьова панель - 2; на ній

розташовані: 8 - головка гвинта "сигнал"; 7 - перемикач І - "точно"-

"контроль"-"грубо"; 4 - перемикач ІІ-"виключ"-"навед"-"счет"; 1 - прилад зі

стрілкою (мікроамперметр), 3 - цифровий дисплей, 16 - головка гвинта

встановлення контрольного відліку. Під кришкою 15 встановлені гнізда для

підключення частотоміра (частота 1498,55 КГц); резистор /- підстроювання

частоти кварцового генератора, резистори Д і О - початкового встановлення

рівня вимірюваних сигналів; резистор Н - початкового встановлення

сигналу "наведення". Розташування Д і О встановлює підприємство-вироб-

ник. Регулювання цих резисторів не дозволяється, оскільки це може

привести до непрацездатності приладу. На стояку 13 (рис. II.6.10) вста-

новлено гніздо 12 для підключення реєструвального пристрою; на стояку 6

гніздо 5 для підключення кабелю від джерела напруги; 14 - мікротелефон

(рис. И.6.11).

Під час одночасного вимірювання ліній та кутів, світловіддалемір

СТ-5 встановлюють на теодоліт 2Т5К. Тоді цей комплект стає модульним

електронним тахеометром (рис. ІІ.6.12).У комплект приладу входить оптич-

ний центрир для відбивача (рис. ІІ.6.13). На корпусі центрира встановлені

228

циліндричний 4 та круглий 2 рівні. За допомогою юстувальних гвинтів 1 та

гайок 5 юстують осі рівнів. Встановлення окуляра оптичного центрира по

оку виконують поворотом оправи 3 окуляра до появи чіткого зображення

сітки ниток, яка має форму кола. У повний комплект входять 18 відбивачів,

які можна комбінувати: 1) 1-призмовий, що встановлюється на віху (рис.

ІІ.6.14) або на підставку замість центрира; 2) 3-призмовий; 3) 6-призмовий;

4) 12-призмовий та 5) 18-призмовий (рис. ІІ.6.15), в залежності від довжини

віддалей, які вимірюються.

Рис. ІІ.6.12.

Світловіддалемір на

теодоліті 2Т5К.

Рис. 11.6.13. Оптичний

центрир в підставці.

Рис. 11.6.14.

Віха з 1-

призмовим

відбивачем.

Кількість призм відбивача

Максимальна віддаль, що вимірюється, м

1500

2200

3000

4000

5000

Нижня частина корпусу, на якому кріпляться відбивачі, є одночасно і

візирною маркою для кутових вимірювань. Візирна марка та відбивачі

можна встановлювати без перехідника (рис. 11.6.15) та з перехідником (рис.

ІІ.6.16). Перехідник застосовують під час одночасного вимірювання кутів та

229

віддалей. Під час встановлення відбивача через перехідник віддаль від

центра марки 7 до підставки відбивача дорівнює віддалі від горизонтальної

осі обертання труби теодоліта до підставки теодоліта.

Рис. ІІ.6.15. 18-призмовий відбивач. Рис. ІІ.6.16. 6-нризмовий

відбивач з перехідником.

Суть імпульсного методу вимірювання віддалей розглянута в параг-

рафі ІІ.6.2. Там подана кінцева формула: 5 = ст/2 + К.

Для визначення віддалі за цією формулою використана залежність

між часом х проходження світловим імпульсом віддалі 25, періодом

коливань Т та кількістю хвиль, що вкладаються в цій віддалі N разів, яке

називають числом імпульсів заповнення:

645

)

На основі (II.6.5), запишемо:

г = —. (11.6.46)

Оскільки період коливань Т та частота коливань /- взаємно обернені

величини, то

-р (ІІ.6.47)

Підставляючи в (ІІ.6.45) значення гта Тз формул (11.6.46) та (11.6.47),

матимемо:

230

N /. (II.6.48)

Виробники прийняли частоту / рівною половині швидкості світла,

тобто:

/точна

—

~ —14,9855 МГц. (II.6.49)

Тоді

14 г

N = -•- = 5. (П.6.50)

с 2

Як бачимо, для такої частоти кількість імпульсів заповнення

дорівнює довжині вимірюваної лінії 5. Тому достатньо мати лічильник, який

обраховує кількість імпульсів - N та частину хвилі ДА/ (менше 1л), щоб

точно знайти 5. У світловіддалемір СТ-5 вмонтовано такий лічильник, який

працює переходом з високих частот до низьких гетеродинним діленням

частот. У комплект світловіддалеміра входять дві батареї живлення Б-5-29 з

напругою 6,0 В. Під час показників мікроамперметра менше 6,0 мкА

батарею слід замінити. Атенюатор - прилад, що оберігає об'єктив від попа-

дання на с/в яскравого світла. Атенюатор встановлюється на об'єктив с/в і є,

по-суті, "ситом", що розсіює та послаблює світлові промені. Блок контроль-

ного відліку - прилад, який дозволяє контролювати незмінність сталої

віддалеміра АГ.

11.6.9. Перевірки світловіддалеміра СТ-5

Ми будемо розглядати тільки перевірки, що стосуються віддале-

мірного модуля приладу. Перевірки кутомірного модуля розглянуто раніше.

1) Перевірка функціонування приладу.

Перевірку виконують з метою підтвердження нормальної роботи

електронних вузлів світловіддалеміра. Якщо ці вузли працюють не нор-

мально - прилад підлягає ремонту. Під час цього контролюється:

а) Схема контролю джерела напруги. Встановити перемикач І в

положення "контр.", перемикач II в положення "викл." Оцінити

покази мікроамперметра. Покази приладу мають бути в межах

60.. .9 мкА, якщо джерело струму заряджене.

б) Індикатори дисплея. Включити с/в у режим "счет", "точно". Спос-

терігати за показами дисплея: на всіх індикаторах протягом 1-4

секунд після встановлення перемикача II в положення "счет"

повинна відображатися цифра 8.

в) Схема вимірювання

температури кварцового

генератора. Вклю-

чити віддалемір в режим "счет", "контроль" і взяти декілька від-

ліків на дисплеї. Кожний наступний відлік не повинен відріз-

нятися від попереднього більше, ніж на 5 одиниць.

г) Схема встановлення контрольного відліку. Зняти з об'єктива ате-

нюатор. Встановити на об'єктив с/в блок контрольного відліку.

231