Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Фотоелектричні датчики кутових переміщень є найбільш поширеними в практиці гео­дезичних робіт. По принципу схемних рішень, що реалізують вимірювання кута, їх зручно розділити на три великі групи:

— дисекгорні датчики;

— оптосини, які використовують модуляцію світлових потоків за допомогою просторо­вої міри кута (лімбів, кодових дисків);

— автоколімаційні, які без перебільшення можна віднести до таких, що мають най — ширше застосування.

3.4.4.1. Дисвкторні датчики

Дисекторний датчик — це фотоелектричний пристрій, який вдалим чином поєднує фо­топриймач з електронним пристроєм обробки інформації, що робить його перспективним при вирішенні задач автоматизації високоточних вимірювань. Основою датчика служить дисекгор — передатна телевізійна трубка, яка працює з використанням зовнішнього фото­ефекту і постачається вторинним електронним помножувачем. Дисекгор працює без нако­пичення зарядів і тому він є пристроєм миттєвої дії. Розгортання зображення в дисекторі здійснюється шляхом відхилення електронних потоків, що виникають на фотокатоді і не­суть інформацію про вхідне оптичне зображення, відносно нерухомого отвору в спеціаль­
ній діафрагмі. Цей отвір грає роль розгортаючого елемента. Процес перетворення інфор­мації в дисекторі описується [188] наступною схемою

l=(x, y)-+i,(x, y)-*Uc(t), (3.108)

де: Е(х, у) — освітленість фотокатоду:

іф(х, у)) — фотострум, що приходиться на один елемент;

Uc(t)- амплітуда відеосигналу.

Конструктивно дисекгор (рис. 3.77) складається із напівпрозорого фотокатоду 1, на­несеного на скляну план-шайбу, електрода прискорювача 2, діафрагми 3 з отвором і вторинного електронного помножувача, який, в свою чергу, складається із динодів 4 і ко­лектора 5, в ланцюг якого підключений навантажуючий резистор RH [79]. Вторинний електронний помножувач складається звично із 14 динодів. Фокусування електронів, що вилітають із фотокатода, здійснюється фокусуючою котушкою 7, а відхилення електрон­них потоків в горизонтальному і вертикальному напрямках — котушками 6. Фотострум, що приходиться на один елемент, площа якого Se дорівнює площі отвору в діафрагмі, визна­чається по формулі

іф — Фе$і — ESeSit

де: фе — світловий потік, віднесений до одного елемента;

S, — інтегральна чутливість фотокатода.

1

Струм сигналу на виході буде визначатись виразом

іс — ESeSjKn, (3.110)

де Кп — коефіцієнт ділення вторинного електронного помножувача.

Основним недоліком дисекгора є протиріччя між чутливістю і роздільною здатністю. Для доказу цього корисно привести такі міркування. Основною складовою шуму в дисекто-
pi є дробовий шум фотоструму, тому для забезпечення якісної обробки сигналу в оптико — електронному приладі відношення сигнал/шум приймають рівним або більше 10. Виходя­чи з цього і відомих [57] відношень отримаємо, що для забезпечення нормальних умов ро­боти дисектора освітленість фотокатоду повинна бути Е = 1300 лк. Щоб забезпечити та­ку освітленість фотокатоду необхідно мати освітленість об’єкту в межах десятків, а то і сотні тисяч люкс. Таким чином, дисектор може працювати з дуже яскравими об’єктами, що здатні створювати на обмеженій площі необхідну освітленість фотокатоду. Підвищення чутливості трубки можна досягти шляхом збільшення площі отвору діафрагми. Але це зразу ж приводить до погіршення роздільної здатності системи.

Не дивлячись на вищеприведені протиріччя існує декілька конкретних рішень дисек — торних кутомірів. Наприклад, простий кутомірний пристрій [58], що має дисектор і об’єктив, приведено на рис. 3.78. В датчику реалізована слідкуюча система часово-імпульсного ти­пу. На об’єкті 7, кутові розкручування якого необхідно вимірювати, встановлено випромі­нювач 2. Випромінювання сприймається об’єктивом 3 в фокальній площині якого розмі­щується фотокатод 4 дисектора 5. Утворене фотокатодом електронне зображення об’єкта, сфокусоване котушкою б, під дією відхиляючої системи 7 передається в площи­ну діафрагми 8. Генератор 10 задає закон зміни напруги на відхиляючі котушки, що ви­кликає зміну траєкторії електронного променя. Сигнал, який знімається з анода 9, порів­нюється в перетворювальному пристрої 11 з опорним сигналом, тобто з напругою, що по­дається на котушки.

В результаті порівняння двох вказаних вище сигналів на виході пристрою 11 виділя­ється сигнал розузгодження по двох взаємно перпендикулярних напрямах. Перевагою ди — секторів є те, що при їх використанні можливо простими засобами реалізувати різні види розгортання.

Рис. 3.79. Сканування діафрагми по траєкторії кола (а) або квадрату (б)

Розгортання в дисекторних датчиках здійснюється двома способами. По-перше, діа­фрагма дисекгора може виконуватись у вигляді геометричної фігури правильної форми (наприклад, у вигляді хрестоподібного отвору), а сканування діафрагми електронним зоб­раженням джерела, зв’язаного з об’єктом, здійснюється по заданій траєкторії — колу або квадрату (рис. 3.79 а, б). По-друге, діафрагма дисекгора може виконуватись круглої або квадратної форми, а сканування діафрагми електронним зображенням джерела, зв’язано­го з об’єктом, попередньо перетвореним в фігуру правильної геометричної форми викону­ється по квадратній, круговій (рис. 3.80 а, б) або іншій траєкторії.

В першому способі на відхиляючі котушки дисекгора подається напруга трикутної. форми однакової амплітуди або синусоїдальна напруга, але зсунута по фазі на 90°. При відсутності розузгодження на вході слідкуючої системи траєкторія розгортання буде симетричною відносно центру діафрагми, тобто центру хреста. В цьому випадку вихідний сигнал дисекгора представляє собою послідовність імпульсів, що слідкують через рівні ін­тервали часу, Так як розгортання перетинає плечі хрестоподібної діафрагми в симетрич­них точках. При наявності кутового розкручування об’єкта енергетичний центр світлової плями переміститься в фокальній площині, і тому електронний промінь зміститься з осі си­метрії хреста. Це приведе до розузгодження на виході дисекгора, що порушить рівномір­ність слідкування вихідних імпульсів по осі часу. Сигнал розузгодження при зміщенні зоб­раження об’єкту по осі х на величину 8Х визначається виразом [82]

(3.111)

де: К — деякий коефіцієнт, що визначається параметрами схеми датчика;

t1 і t2 — часовий інтервал між імпульсами дисекгора.

При розгортанні по траєкторії кола (рис. 3.79 а) вихідний сигнал має вид

U 2К 28х

вих я arc sin 28х / Д я arcsin 2fax / Д ’

де: f — фоїсусна відстань об’єктива;

ах — кутове розузгодження в площині х;

Д — діаметр траєкторії розгортання.

Одинокі імпульси на виході дисекгора електричними способами перетворюються в прямокутні імпульси різної полярності. По різниці тривалості (t1~t2) цих імпульсів можна робити висновок про величину кутового зміщення зображення джерела випромінювання, а
по знаку — про напрям розкручування об’єкта. При розгортанні по квадратній траєкторії (рис. 3.79 б) вихідний сигнал має вид

f, =а(2Д + 28х), (3.113)

t2 =а(2Д-2дх), (3.114)

де Д — довжина одного плеча квадрата траєкторії розгортання.

Приймаючи до уваги, що кути розкручування малі і з урахуванням виразів (3.111+3.114) отримаємо вираз для вихідного сигналу в виді

Ueux = ~дГ = Kfax / Д — (3.115)

Для реалізації другого способу розгортання застосовують [13, 171] циліндричну оп­тику рис. 3.81. Світловий потік 1 напівпрозорим дзеркалом 2 ділиться на два потоки, кож­ний із яких направляється на свою циліндричну лінзу 3 і 12. Світловий потік на лінзу 12 направляється за допомогою допоміжного дзеркала 13. Характерно, що кожна із цилін­дричних лінз будує зображення джерела у вигляді лінії, але так як осі симетрії взаємно ор­тогональні, то сумарне зображення джерела циліндричними лінзами будується у вигляді хреста на фотокатоді 4 дисектора 8, а електронне зображення хреста розгортається по квадратній або круговій траєкторії відносно отвору в діафрагмі. Конструкція приладу орієн­тує хрест відносно осей чутливості х і у. Магнітне поле котушки 11 дисектора здійснює

перенесення електронів в площину діафрагми 5. Генератор розгортання 7 подає напру­ги трикутної форми, що мають однакову амплітуду, але зсунуті по фазі на 90°, на дві па­ри відхиляючих котушок 9 і 10. Замість напруг трикутної форми можуть застосовуватись управляючі сигнали Синусоїдальної форми рівної величини і зсунуті по фазі на 90°. Ко­тушки в дисекторному датчику розміщуються таким чином, щоб одна пара відхиляла елек­трони в напрямку х, а друга — в напрямку у в залежності від виду розгортання. Перехрес­тя в площині діафрагми переміщується по різних траєкторіях: по квадратній — при викорис­танні трикутних розгортаючих напруг, або по круговій — при використанні синусоїдальних розгортаючих напруг. Принцип обробки часово-імпульсних сигналів в перетворювальному пристрої б аналогічний розглянутому для першого датчика (рис. 3.78). В імпульсних дат­чиках кутових вимірювань і слідкуючих системах з дисекторами можуть застосовуватись і інші види розгортання, наприклад, розеточна, хрестоподібна, строчна, спіральна та інші.

У

Рис. 3.81. Розгортання в дисекторному датчику за допомогою циліндричної оптики

Дисекторні датчики кутових вимірювань дозволяють отримувати інформацію про ку­тове розузгодження оптичних осей дисектора і джерела випромінювання, зв’язаного з об’єктом, на основі аналізу зсуву фаз між сигналом, що створюється випромінюванням від об’єкта, і деяким опорним сигналом, який вводять в систему для початку відліку. На рис. 3.82 наведена схема датчика з використанням дисектора, яка дозволяє визначати не тільки напрям зміщення об’єкту відносно оптичної осі дисектора, а і величину цього змі­щення. Такий датчик використовує принцип амплітудно-фазової слідкуючої системи. В та­ких пристроях діафрагма дисектора має форму круглого отвору, концентрично розміщено­го відносно оптичної осі кутомірного пристрою і осі дисектора. В якості траєкторії скану­вання застосовується коло. Для створення в схемі дисектора обертового магнітного поля, яке переміщувало б електронне зображення випромінювача в площині діафрагми дисек­тора по колу, подаються синусоїдальні напруги; зсунуті по фазі на 900. Амплітуди напруг ІІХ (по осі х) Uу (по осі у) вибираються такими, щоб діаметр кола траєкторії скануван­ня дорівнював діаметру Д отвору діафрагми дисектора.

Якщо розузгодження на вході кутомірного пристрою відсутнє, то коло по якому пере­міщується електронна пляма буде концентричним з отвором діафрагми, і з виходу дисек­тора буде зніматись деякий постійний сигнал, який фільтрується розподільчою ємністю і не поступить в підсилювач. При наявності кутового розузгодження коло траєкторії скану­вання зміщується відносно осі діафрагми дисектора і в його сигналі з’явиться змінна скла­дова. Величина і напрям зміщення випромінювання по двох координатах відносно оптич­ної осі кутомірного пристрою визначаються в електронних блоках схеми управління на ос­нові порівняння першої гармоніки сигналу дисектора з відхиляючими (опорними) напруга­ми Ux і Uy. При малих кутових розузгодженнях величина зміщення може бути виражена

як

S = ^x|cos^| 1 = fax |cos/| 1,

де: 8Х — зміщення зображення по осі х, Sx * faх;

f — фокусна відстань об’єктива; ах — кутове розузгодження на вході оптичної системи; у — полярний кут.

Вихідні сигнали дисектора в залежності від кутового розузгодження а (при 8 = d /2, d — діаметр світлової плями) можуть бути представлені як:

де: N — коефіцієнт використання світлового потоку;

Se — чутливість по напрузі;

ф — потік випромінювання, що поступає на чутливий елемент;

_ Кд — коефіцієнт, який враховує параметри схеми демодулятора.

При 8 <d / 2 ці залежності можуть бути записані приблизним значенням

При 8 <d / 2 позиційна характеристика датчика лінійна, що особливо важливо для компенсаційних систем вимірювання в великих діапазонах кутових зміщень. На закінчення зазначимо, що розповсюдження датчиків на основі дисектора визначається можливістю побудови різних типів розгортання і можливістю працювати на великих відстанях.

Комментарии запрещены.