Величко В.А., Мовчан С.Ф., Дементьев В.Е. и др. Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве

Подождите немного. Документ загружается.

Устройство для дифракционного створения состоит из лазера 1

и марки 2 (рис. VI.46), установленной в начальной точке створа и

имеющей одиночную щель А (рис. VI.45), двухщелевой марки (рис.

VI.47) со щелями А

{

и А

(рис. VI.45) и полупрозрачного экрана

с сеткой нитей, установленного в конечной точке створа. Для

наблюдения интерференционной картины экран Э

снабжен окуля-

ром с увеличением 2—3

Интерференционная картина (рис. VI.48) состоит из чередую-

щихся ярких и темных полос, формирующихся в плоскости экрана

(см. рис. VI.45) в области перекрытия лазерных пучков. Линия

АС, соединяющая центр одиночной щели А с центром сетки нитей

С, является створом.

На промежуточной точке, нестворность которой нужно опреде-

лить, устанавливают двухщелевую марку. Если ось симметрии обе-

их щелей А\ и А

(точка О) находится на линии Л

С,

то в окуляре

наблюдается совпадение сетки нитей с яркой центральной полосой

интерференционной картины, образованной в результате дифрак-

ции света от двойной щели. При перемещении двухщелевой марки

Рис. VI.45. Схема дифракционного способа измерения

Рис. VI.46. Лазер 1 и однощелевая мар-

ка 2

Рис. VI.47. Двухщелевая мар-

ка:

1 — микрометр для измерения сме-

щений марки; 2 — марка

перпендикулярно створу на величину Ai (центр марки О сместится

в точку О') изменяется разность хода световых лучей AJC\ и А\С

вследствие чего смещаются на величину Д

полосы интерференци-

онной картины, наблюдаемые в окуляр. Например, если разность

хода лучей равна длине волны источника света, то в точке С на-

блюдается вместо максимума минимум освещенности. Зависимость

между величиной смещения Ai двухщелевой марки относительно

створа и величиной смещения Д

центра интерференционной кар-

тины выражается формулой

Рис. VI.48. Интерференционная Рис. VI.49. Лазерный створоуказатель

картина, видимая в плоскости

экрана

где L\ — расстояние от начала створа до двухщелевой марки, см;

L>2

— расстояние от двухщелевой марки до сетки нитей, см.

Для определения смещения (нестворности) Ai промежуточной

точки измеряют величины L

и величину смещения Д

, переме-

щая сетку нитей до совмещения ее с центром интерференционной

картины. Дифракционный способ створения с использованием ла-

зера позволяет определять нестворность промежуточной точки на

линии длиной до 400 м со среднеквадратической ошибкой около

0,06 мм [5].

Для определения нестворности точек в двух взаимно перпенди-

кулярных плоскостях применяют зонные пластины (линзы Фре-

неля), состоящие из чередующихся прозрачных и непрозрачных

колец (или линий), а также точечные диафрагмы. В окуляре при-

емника света наблюдается интерференционная картина, состоящая

из чередующихся ярких и темных колец. Для удобства наблюдения

приемник имеет сетку нитей в виде концентрических окружностей.

В СССР разработан лазерный интерференционный створофик-

сатор ЛИСТ-1 с визуальной регистрацией, в котором применяют

зонные пластины [25]. В комплекс ЛИСТ-1 входит лазерный створо-

указатель (рис. VI.49), состоящий из газового лазера ЛГ-56, кото-

рый установлен на подставке, снабженной накладным уровнем и

центрирующим устройством. При выполнении работ с помощью

горизонтирующего устройства лазер устанавливают таким обра-

зом, чтобы ось лазерного пучка была точно направлена вдоль ли-

нии створа.

Зонные марки (рис. VI.50, а, б) служат для формирования ин-

терференционной картины. Основной частью зонной марки явля-

ется зонная пластина, которая закреплена в специальной раме,

снабженной юстировочными винтами. С помощью юстировочных

винтов ось симметрии зонной пластины может совмещаться с вер-

Рис. VI.50. Зонная марка (а) и зонная марка с электроприводом (б):

1 — электродвигатель; 2 — редуктор; 3 — конические шестерни; 4 — цилиндрический

уровень; 5 — внешняя рамка; 6 — оправа; 7 —полуоси; 8 — подставка с подъемными

винтами и центрировочным устройством; 9 — зонная пластина

тикальной осью вращения марки. Рамка с зонной пластиной уста-

новлена на подставке, которая имеет цилиндрический уровень и

лимб, используемый для установки зонной пластины под расчет-

ным углом к заданному створу.

Для дистанционных измерений используют другую зонную мар-

ку (рис. VI.50, б)

у которой разворот зонной пластины относи-

тельно линии створа на заданный угол осуществляют с помощью

электродвигателя У, управление работой которого производится с

пульта управления.

Определение положения центра интерференционной картины

осуществляется с помощью полупрозрачного экрана-марки (рис.

VI.51). Экран с сеткой нитей установлен на подставке с центри-

ровочным вкладышем и может перемещаться с помощью микро-

метренного винта. Величина перемещения экрана определяется по

индикатору часового типа с точностью до 0,01 мм.

К достоинствам использования лазеров в дифракционных ство-

рофиксаторах с визуальной индикацией относится возможность вы-

полнения измерений при длине створа в несколько сотен метров с

точностью до десятых долей мм. К недостаткам — быстрое утомле-

ние глаз, что вызвано значительной интенсивностью лазерного из-

лучения, создающего интерференционную картину высокой степени

яркости. Поэтому параллельно с созданием лазерных створофикса-

торов с визуальной индикацией проводились работы по созданию

створофиксаторов с фотоэлектрической индикацией. К последним

относятся лазерные интерференционные створофиксаторы ЛИСТ-2

и ЛИСТ-3 [25]. В отличие от лазерного интерференционного ство-

рофиксатора ЛИСТ-1 они содержат вместо экрана-марки фото-

электрические устройства: аналогового (ЛИСТ-2) и дискретного

(ЛИСТ-3) типов (рис. V1.52, а, б).

Внедрение в аппаратуру фотоэлек-

трических регистрирующих устройств

позволило создать лазерные интерфе-

ренционные створофиксаторы с дис-

танционным съемом информации.

Устройства такого типа применяли

при строительстве уникальных соору-

жений, например при создании опорно-

го геодезического створа эксперимен-

тальной базы Серпуховского ускори-

теля.

Лазерные интерференционные ство-

рофиксаторы ЛИСТ обеспечивают вы-

сокую точность и скорость измерений.

Например, при створе длиной 864 м

средняя квадратическая ошибка опре-

деления нестворности среднего пункта

составила 0,18 мм, или в угловой мере — 0,08". Точность измере-

ния можно еще более повысить, если исключить влияние внешних

условий. Такое устройство используют в США для установки й

контроля положения 273 блоков магнитов Стенфордского ускори-

теля [25]. Устройство (рис. VI.53) состоит из источника света — ге-

лий-неонового лазера 1, зонных пластин 2 и фотодетектора 3.

Створ, относительно которого определяются смещения оборудова-

ния ускорителя в плане и по высоте, проходит через центры зонных

пластин, укрепленных на железобетонных столбах в начальной 6

и конечной 4 точках.

Для ослабления влияния внешних условий лазерный пучок про-

ходит в трубе, в которой создан вакуум порядка 1 Па. Контроль

за положением блоков магнитов осуществляется автоматически на

участке протяженностью 3 км. На каждом блоке 5, положение ко-

торого контролируется, шарнирно прикреплена зонная пластина,

имеющая возможность устанавливаться вертикально, перекрывая

лазерный пучок, или автоматически выводиться из него.

Зонные пластины (см. рис. VI.50) изготовлены из листов меди

и покрыты никелем. Пластины имеют систему прямоугольных от-

верстий, расположенных таким образом, чтобы при их освещении

лучом лазера в центре создаваемого ими изображения источника

света освещенность возрастала, т. е. в плоскости изображения, сов-

падающего с плоскостью фотодетектора, происходило сложение

световых колебаний.

Чтобы изображение источника света находилось в плоскости де-

тектора, фокусное расстояние каждой зонной пластины должно

удовлетворять условию (обозначения см. на рис. VI.53)

Рис. VI.52. Фотоэлектрические регистрирующие устройства аналого-

вого (а) и дискретного типов (б)

Рис. VI.53. Схема лазерного интерференционного

створофиксатора:

/ — лазер; 2 — зонные пластины; 3 — фотодетектор; 4 — ко-

нечная точка створа; 5 — проверяемый магнитный блок; 6 —

начальная точка створа

где L\ и L2 — расстояния от зонной пластины до лазера и до фото-

детектора, см.

Для удобства измерений смещений исследуемых точек в гори-

зонтальном и вертикальном направлениях расположение щелей

выбрано так, чтобы освещенность изображения возрастала по двум

взаимно перпендикулярным направлениям и в плоскости фотоде-

тектора наблюдался яркий крест, образованный двумя светящи-

мися линиями.

Для осуществления геодезического контроля блоков магшпсз в

световой поток, создаваемый лазером, вводят поочередно дистан-

ционно зонные пластины до тех пор, пока не получат информацию

о положении всех 273 магнитов. При смещении исследуемой точки

смещается изображение источника света (яркий крест). Величина

смещения измеряется с помощью фотоприемника. Для повышения

точности измерений изображение креста сканируется узкой щелью

в горизонтальном и вертикаль-

ном направлениях. Координаты

х и у центра изображения светя-

щегося креста определяют по

максимуму светового потока, по-

падающему на фотоэлемент через

движущуюся щель.

Зная координаты х и у цент-

ров изображений от зонных плас-

тин, установленных на конечных

точках створа, и измерив коорди-

наты центра изображений от зон-

ной пластины, установленной на

промежуточной точке створа,

определяют нестворность проме-

жуточных точек как в плане, так

и по высоте. Чувствительность

фотодетектора позволяет фикси-

ровать сдвиги размером 0,025 мм

на любой из 273 поверяемых то-

чек ускорителя. В случае нест-

ворности поверяемого магнита на

недопустимую величину, установ-

ка его в проектное положение

осуществляется дистанционно с помощью прецизионных гидравли-

ческих домкратов. Подобная автоматизация измерений позволила

исключить необходимость присутствия обслуживающего персона-

ла, занимающегося проверкой положения оборудования, в помеще-

нии ускорителя.

Необходимо отметить, что при створных измерениях опорная

линия может быть задана коллимированным световым пучком, а

для регистрации положения энергетической оси пучка использова-

ны фотоэлектрические датчики дифференциального типа. Оптиче-

ская схема такого датчика показана на рис. VI.54. Световой пучок

1, задающий опорную линию, попадает на светоделительную приз-

му (оптический нож) 4 и разделяется на два пучка, каждый из

которых проходит конденсоры 3 и 5 и попадает на фотодиоды 2

и 6. Сигналы с выхода фотодиодов после усиления и обработки в

электронном блоке 7 поступают на регистрирующий прибор, по

показаниям которого определяют величину смещения точки отно-

сительно створа, задаваемого световым пучком.

Рис. VI.54. Оптическая схема дат-

чика дифференциального типа:

1 — световой пучок; 2, 6 — фотодиоды;

3, 5 — конденсоры; 4 — призма; 7 — блок

электроники; 8 — регистрирующий при-

бор

Дифференциальный фотоэлектрический датчик позволяет вы-

полнять измерения относительно энергетической оси светового пуч-

ка, генерируемого лазером или другим источником излучения, с

точностью 12 мкм в диапазоне ±5 мм.

Высокую точность створных измерений можно получить при ис-

пользовании в качестве приемного устройства диссектора, установ-

ленного над выверяемой точкой створа. Экспериментальные иссле-

Рис. VI.55. Схема фотоэлектрического датчика с

модулирующим диском:

/ — цилиндрическая линза; 2 — модулятор; 3, 8 — фото-

детекторы; 4, 7 — конденсоры; 5, 6 — зеркала; 9 — элект-

ронный блок; 10 — регистрирующее устройство

Рис. VI.56. Модулирую-

щий ДИСК

дования датчика такого типа показали, что ошибка в определении

смещения объекта относительно линии створа (энергетической оси

светового пучка) не превышает 38 мкм в диапазоне ±5 мм [9].

Фотоэлектрическим датчиком с модулирующим диском (рис.

VI.55) выполняют измерения с еще большей точностью (средняя

квадратическая ошибка ±5 мкм) в диапазоне линейных смещений

±5 мм [9]. Он имеет объектив, выполненный в виде цилиндриче-

ской линзы, в фокальной плоскости которой помещен диск со ще-

лями, изогнутыми в виде спиралей Архимеда и сдвинутых друг

относительно друга на 180° (рис. VI.56). Значение параметров ще-

ли ро и р

выбирают в соответствии с необходимым диапазоном ли-

нейных перемещений и диаметром светового пучка. Пучок прохо-

дит цилиндрическую линзу 1 (см. рис. VI.55) и фокусируется ею

на модулирующем диске в виде линии.

При вращении диска происходит модуляция светового пучка и

расщепление его на два. Один пучок отражается от зеркала 5 и

собирается линзой на чувствительной поверхности фотодетектора 3.

Другой пучок проходит аналогичный путь и фокусируется на чув-

ствительной поверхности фотодетектора 8. Сигналы с выхода фото-

детекторов обрабатываются в электронном блоке 9 и поступают на

регистрирующее устройство 10.

В том случае когда ось вращения диска датчика совпадает с

энергетической осью светового пучка, задающего опорную линию,

на выходе фотодетекторов будут зарегистрированы сигналы оди-

наковой длительности, и сигнал на выходе электронной схемы ра-

вен нулю. При смещении датчика относительно линии створа в

электронный блок 9 поступают сигналы различной длительности.

Для определения длительности импульсов квантуют и подсчитывают

число импульсов. Разность импульсов, пропорциональная величине

смещения точки относительно линии створа, фиксируется с помощью

регистрирующего устройства 10.

Рис. VI.57. Схема линзового лучевода:

/ — лазер; 2 — линзовый лучевод; 3 — фотоэлемент; 4 — труба; 5 — ис-

следуемые точки

Рассмотренные методы измерений деформаций с помощью ла-

зеров применимы в основном на объектах, имеющих линейную

форму. В последнее время строят сооружения, очертания которых

могут значительно отступать от линейных, например кольцевые

ускорители, радиотелескопы, арочные плотины и т. д.

Для измерения деформации сооружений, имеющих нелинейную

конфигурацию, может быть применена лазерная измерительная си-

стема на основе лучевода, позволяющая измерять смещения точек

как в плане, так и по высоте. Эта система (рис. VI.57) состоит из

лазера 1, линзового лучевода 2 и фотоэлементов 3. Линзовый луче-

вод представляет собой периодическую последовательность линз,

расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Линзы

лучевода жестко скреплены с исследуемыми точками 5 объекта.

Лазерный пучок последовательно фокусируется линзами лучевода

и отклоняется в нужном направлении. Угол отклонения е луча за-

висит от величины смещения h оси пучка относительно центра лин-

зы и фокусного расстояния f линзы: e=h/f.

При смещении какой-либо линзы пучок, направляемый ею на

последующую линзу, также смещается. Величины таких смещений

фиксируются фотоприемниками, скрепленными с линзами. При

анализе положения точек необходимо дифференцировать их сме-

щения и смещения лазерного пучка, вызванные смещением пре-

дыдущих линз или лазера.

Помимо лазерных устройств, основанных на измерении смеще-

ний точек относительно светового луча, для измерений деформаций

сооружений применяются устройства, основанные на иных прин-

ципах. В частности, для измерения деформаций сооружений приме-

няют лазерные интерферометры, позволяющие измерять смещения

с ошибкой порядка 10~

—10~

. Особенно перспективным является

применение лазерных интерферометров для прогнозирования мо-

мента землетрясения в зонах строительства с повышенной сейсмич-

ностью. Установлено, что за некоторое время до начала землетря-

Рис. VI.58. Схема измерения деформаций на основе эф-

фекта Допплера:

J — лазер; 2 — фотодетектор; 3 — опорный сигнал от лазера;

4—сигнал от лазера со сдвигом частоты; 5, 6 — отражатели

сения наблюдается более быстрая аккумуляция механических на-

пряжений и деформаций вдоль линии сброса. Используя газовые

лазеры с большой стабильностью частоты, можно определить ско-

рость смещения объекта или смещение его части относительно дру-

гой на основе эффекта Доплера. При этом возможно определение

очень малой скорости смещения, составляющей несколько милли-

метров в год.

Для определения малой скорости смещения (рис. VI.58) необ-

ходимо лазер 1 расположить в неподвижной точке А, а зеркальный

отражатель 5, на который направляется излучение, закрепить на

исследуемом объекте В. При перемещении отражателя относитель-

но лазера, в результате смещения частоты опорного светового сиг-

нала с частотой отраженного на выходе фотоэлемента появится

компонента сдвига частоты

f=N(v/k)

где N — число прохождений лазерного пучка между точками А и

В; v — скорость движения отражателя;

— длина волны излучения

лазера.

При скорости движения 6 мм в год, длине волны излучения,

равной 0,6328 мкм, сдвиг частоты за одно прохождение пучка туда

и обратно (N = 2) составит Д/=2(2/6328) = 1/1600 Гц.

Для увеличения сдвига частоты необходимо увеличить число

прохождений. Это может быть достигнуто применением дополни-

тельных зеркал и лазера, обладающего большой временной коге-

рентностью и значительной мощностью.

С помощью обычных геодезических приборов для геометриче-

ского нивелирования можно определять положение точки только в

дискретные моменты времени. Преимущество лазерных приборов —

возможность полной автоматизации процесса измерений с непре-

рывной регистрацией результатов.

Для этой цели используют комплект аппаратуры, в который

входит лазерный нивелир с самоустанавливающейся линией визи-

рования (лазерным пучком), нивелирная рейка с двумя электри-

ческими фотоэлементами, подключенными к исполнительному ме-

ханизму (электродвигателю), и самописец, на вход которого по-

даются сигналы с фотоэлементов, пропорциональные величине сме-

щения относительно начального положения. Лазерный нивелир

устанавливают на неподвижном основании, а на исследуемой точ-

ке— нивелирную рейку. При неравномерном освещении фотоэле-

ментов вырабатывается управляющее напряжение, которое пода-

ется на электродвигатель. Электродвигатель перемещает фотоэле-

менты вдоль рейки до тех пор, пока управляющее напряжение не

станет равным нулю, что соответствует одинаковой освещенности

фотоэлементов. Таким образом, на ленте самописца непрерывно

записываются вертикальные перемещения контролируемой точки.

Исследование этого устройства показало, что стабильность гори-

зонтального положения лазерного пучка составляет 0,3—0,5" при

наклоне прибора до 15'.

С помощью лазерных приборов, задающих вертикальное направ-

ление лазерного пучка, можно осуществлять дистанционный кон-

троль за горизонтальными деформациями сооружений.

Задача, связанная с изучением горизонтальных деформаций,

возникает, например, при наблюдении за смещением плотины в

процессе заполнения водохранилища и эксплуатации ГЭС.

Традиционные методы контроля смещения плотины довольно

трудоемки, не позволяют автоматизировать процесс измерений, а

также не обеспечивают оперативность получения информации в те-

кущий момент времени. Использование лазерной автоматической

системы (ЛАС), разработанной для контроля смещения плотин,

позволяет полностью устранить отмеченные недостатки. В настоя-

щее время эту систему применяют для контроля смещений ароч-

ной плотины Чиркейской ГЭС.

Лазерная автоматическая система состоит из излучателя, в ка-

честве которого используют лазерный центрир, снабженный жид-

костным компенсатором. Он обеспечивает отвесное положение ла-

зерного пучка, который является опорным. Пучок проходит все

тело плотины в специальной трубе (рис. VI.59). На десяти гори-

зонтах в плотине установлены кассеты со специальными фотопри-

емниками, позволяющими измерять смещения плотины относитель-

но пучка. Информация с фотоприемников поступает в блок управ-

ления, обработки и записи информации. Измерение смещения пло-

тины осуществляется относительно линии нулевого отсчета в на-