Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

До окремого напряму побудови лазерних вимірювальних систем можна віднести ла­зерні інтерферометри. Лазерна інтерферометрія — ефективний напрям застосування лазе­рів в геодезії з метою отримання інтерференційної картини для точних вимірювань відста­ней і кутових вимірювань відстаней і кутових вимірювань в діапазоні 360° [108].

На прикладі схеми (рис. 4.49) дамо, не вдаючись до формул, пояснення принципу дії лазерного інтерферометра для визначення відстаней або для контролю переміщень об’єкту. Промінь, що виходить із гелій-неонового лазера 1, напівпрозорим дзеркалом 2 розщеплюється на два промені — опорний А і вимірювальний В. Опорний промінь прохо­дить строго фіксований шлях — від напівпрозорого дзеркала 2 до нерухомо закріпленого повністю відбиваючого дзеркала 3 і після відбиття потрапляє на фотоприймач 5. Вимі­рювальний промінь проходить на відбивач 4, закріплений на об’єкті, відстань до якого

(або зміну відстаней якого) необхідно виміряти, а потім повертається і потрапляє в фото­приймач. Таким чином, обидва промені в кінцевому рахунку зустрічаються і інтерфериру — ють один з другим в фотоприймачі.

Рис, 4.49. Схема лазерного інтерферометра для вимірювання відстаней

Реєструєма фотоприймачем інтенсивність світла залежить від різниці фаз променів, тобто від різниці AL шляхів LB і L0. При зміні AL на X/ 2 (Л — довжина хвилі випроміню­вання) інтенсивність світла в фотоприймачі змінюється від максимуму до мінімуму. Інши­ми словами, в момент часу коли обидва промені зустрінуться в фотоприймачі в однаковій фазі буде зареєстрований максимум інтенсивності світла. Коли шлях відбивача 4 змі­ниться на половину довжини хвилі випромінювання, інтерференція двох променів в фото­приймачі буде проходити вже не в фазі, а в протифазі — фотоприймач зареєструє темряву Нехай, при переміщенні відбивача 4 максимальна і мінімальна інтенсивність світла в фо­топриймачі змінилась N разів. Це значить, що відстань до об’єкта змінилась на величину XN / 2. Число N підраховується електронним пристроєм 6.

Максимальна дальність дії лазерних інтерферометрів визначається довжиною коге­рентності лазерного випромінювання в атмосфері, яка складає для значної більшості ла­зерів величину порядку сотень метрів. Проте необхідність переміщення відбивача уздовж всієї траси потребує спорудження точних направляючих на місцевості, що технічно є складним і дорогим. Тому лазерні інтерферометри, за виключенням спеціальних випадків (прецизійна робота в закритих приміщеннях), використовуються для вимірювання віднос­но невеликих переміщень, а також в режимі стаціонарного прецизійного спостереження за зміною відстаней, коли відбивач жорстко закріплений на досліджуваному об’єкті.

Приведена схема лазерного інтерферометра дозволяє визначати відстань або вести контроль зміни відстані з точністю до одиниць мікронів і може застосовуватись для визна­чення осідань і інших точних переміщень об’єктів. Точність лазерної інтерферометри ви­значається виразом [159]:

(4.27)

де: —— відносна нестабільність частоти випромінювання;

v

— » т. — похибка визначення показника заломлення повітря.

Якщо підрахування смуг в інтерферометрі проводиться з точністю до цілого числа, то додатково виявиться похибка дискретності підрахунку, граничне значення якої дорів­нює половині довжини хвилі світла.

Для вимірювання кутів в діапазоні 360° розроблена лазерна система із т формую­чих частин інтерферометрів [40], виконаних по диференціальній схемі і розміщених в пло­щині вимірювання з кутовим інтервалом 360°/ т (рис. 4.50).

Рис. 4.50. Схема лазерного інтерферометра для прецизійної атестації кутів

Плечі формуючих частин інтерферометрів розташовуються паралельно один одно­му, а кінцеві відбивачі жорстко закріплені на контролюємому об’єкті симетрично вісі обер­тання.

Система має ротор 1, статор 2 , кутові відбивачі 3 , що закріплені по кругу в площині перпендикулярній оптичній осі з кутовим інтервалом 360° /(т -1) і виконані у вигляді двох скріплених вершинами трьохгранних кутів, т плоских дзеркал 4 і світлороздільних елементів 5 , встановлених на статорі, а також реєстраційний блок у вигляді фотоприйма­чів 6. Освітлювальна система має лазер 7 з високою стабільністю частоти, телескопічну систему 8, світлороздільну конусну 9-ти гранну піраміду 9 і відбиваючі призми ^0. На роторі, що жорстко скріплюється з об’єктом вимірювання, нерухомо установлюють т-1 кінцевих відбивачів з кутовим інтервалом 360° /(т-1).

Нерухомі елементи інтерферометрів і діаметрально розміщені кінцеві відбивачі по­чергово утворюють робочі плечі по ноніусній схемі. При цьому для реєстрації смуг в пло­щинах аналізу інтерферометрів встановлені m фотоприймачів.

Світлові промені від лазера 7, пройшовши телескопічну систему 8 і відбивач, попа­дають на світлороздільну піраміду 9, після якої радіально направляються до відповідних відбиваючих призм 70. Після призми 10 в кожному із інтерферометрів світлові пучки по­падають на освітлювальний елемент 5 і діляться на два; перший, пройшовши світлороз — дільний елемент, попадає на один із кутових відбивачів 3; другий, відбившись від нього і дзеркала 4 — на другий, діаметрально протилежний. Відбившись від кутових відбивачів і пройшовши світлороздільний елемент два пучки при обертанні ротора утворюють неста­ціонарну інтерференційну картину. Інтерференційні смуги реєструються фотоприймачами 6, з яких сигнали поступають в електронний блок обробки інформації (на рис. 4.50 не по­казаний).

В даній системі кількість формуючих частин Інтерферометрів т = 9, а кількість куто­вих відбивачів п = 8, що приводить до поділу кругів ротора і статора на ряд однакових секторів з кутами /3 = 40°, а = 45°. відповідно. Всього при обертанні ротора на 360°

утворюється 72 інтерферометри. При повороті ротора діаметрально протилежні кутові відбивачі почергово замикають робочі плечі інтерферометрів по ноніусній схемі, що забез­печує вимірювання кутів одним інтерферометром в діапазоні кутів ± 2°,5 . Після відпрацю­вання одного із інтерферометрів, по сигналу автоколіматора 72, електронний блок від­ключає доступ від його сигналів і підключає другий, що має кутову різницю в вихідному по­ложенні з відповідною парою кутових відбивачів рівну 5°. Відбувається перехват систе­мою управління (СУ) відліка з і — того діапазону на і + 1. Виміряний кут одним інтерфе­рометром визначається як відношення зміни різниці ходу, що визначається поворотом ро­тора, до довжини бази. При цьому контролююча деталь, наприклад, многогранна призма (МП) 11 встановлюється в робоче положення таким чином, що задає кутами між норма­лями до її дзеркальних граней кордони робочих діапазонів інтерферометрів, тобто кордо­ни сполучень. В цьому випадку СУ вирішує задачу грубого відліку номера діапазону по МП за допомогою автоколіматора 72.

Робота системи проводиться в два етапи. На першому етапі проводять почергове підрахування кількості смуг кожним інтерферометром до повного замикання круга і визна­чають середнє значення суми відстаней між вершинами кутових відбивачів. При цьому ав — токоліматором вирішують задачу точного відліку нуля для визначення ціни поділки лімба по якійсь одній із граней. На другому етапі виконують вимірювання необхідного кута пово­роту об’єкта, що зв’язаний з ротором. Вимірювання полягає в підрахуванні смуг в необхід­ному кутовому діапазоні і в визначенні його значення в кутових величинах через величину середньої відстані, що отримана на першому етапі.

Для підвищення точності вимірювання на кожному із етапів враховують поправки із — за криволінійності переміщення кутових відбивачів, що функціонально залежать від кута повороту контролюючого об’єкту. Введення поправок за невідповідність поточного кута сі — нусу кута повороту виконується СУ.

Для детального аналізу роботи інтерферометра розглянемо перший варіант, коли блок ротора виконаний таким чином, що відстані між вершинами діаметрально протилеж­них кутових відбивачів з високим ступенем точності рівні одна одній. Це дозволяє вимірю­вати кути повороту ротора без вимірювання абсолютних значень довжини хвилі випромі­нювання і відстані між вершинами кутових відбивачів Д. Для визначення відношення Д/Я виконується поворот ротора на кут, що дорівнює 360°d, де d — ціле число. При кожному оберті ротора послідовно вимірюються значення різниці ходу:

^111 І-22’ L-jk ’

де: j — номер формуючої частини інтерферометра;

к — номер робочої пари кутових відбивачів.

Розрахункова формула для визначення кута повороту може бути визначена із рис. 4.51, де позначено:

Iv 12 — лінійне зміщення вершини кутового відбивача в напрямі падаючого на інтер­ферометр випромінювання;

аи а2 — положення кутових відбивачів до і після повороту (відраховується від напря­му перпендикулярного до напряму падаючого випромінювання проти годинни­кової стрілки).

= 2arcsin ^ (4.28)

4 Д cos а

де: Д = Я*+Я2;

L = 2(1, +І2);

а = -2(а1 +а2).

В загальному випадку для кута ер будемо мати

М д/

<р = 22^ arcsin ‘ м 4-е os А,

де: М — ціле число;

Л/, — число інтерференційних смуг, що зареєстровано в діапазоні вимірювання одного фотоприймача. Середня відстань між вершинами діаметрально протилежних кутових відбивачів, що визначається лінійною величиною і кількістю довжин смуг, дорівнює відповідно

1 rza I

Д = —У__________ Ь_______ ;

72d *rd 4 sin <p, / 2 cos ai ’

(4.30)

Д _ 1 4? Nj

A 72d —’ 4 sin <Pj / 2 cos a-, ’

де a — число повних обертів ротора при вимірюванні (кут повороту ротора 360° ■ d).

В другому варіанті, коли відстані між вершинами діаметрально протилежних кутових відбивачів не рівні одна одній, принцип роботи полягає в слідуючому. При повороті ротора виконують підрахування смуг першим інтерферометром при його роботі з парою кутових відбивачів, базова відстань між вершинами яких дорівнює Д, в діапазоні, що визначаєть­ся нормалями до граней відповідного кута МП. При збіганні нормалі до відбиваючої по­верхні з візирною віссю автоколіматора останній виробляє управляючий сигнал на відклю­чення підрахунку смуг першим інтерферометром і включення підрахунку смуг другим ін­терферометром.

При повороті ротора проти годинникової стрілки кожним інтерферометром почергово будуть вимірюватися різниці ходу:

І 1 І 2 І З І 4 І 5 і 6 і 7 і 8 ,9 110 і і,72

Чі ’ -22 ’ —33’-44 ’ —51’ -62’ -73 ’ и84 ’ U91 ’ U12> "•> l~jk’ "•> L94 > (4.0 I )

де і — номер кута МП, в межах якого визначалась різниця ходу. Після цього МП по­слідовно повертають на кути 5° , 10° і 15°. Визначають різниці ходу:

І2	і 3	і 4	/5	і б	і 7	і 8 і 9	і 10	,11	• і	11	(4.32)
L3 Нї ‘	і 4 *-22’	і 5 ‘-33’	1 б —44 >	і 7 -51’	і 8 —62’	і 9 ,10 —73 ’ L84 >	111 -91’	L]l-	Іі ■ • ’ —jk ’ ■	і2 —94 ’	(4.33)
L4 Чі ’	L5 *-22»	L 33>	L7 *-44’	і 8 -51’	і 9 —62’	,10 ,11 -73 ’ —84 ’	112 -91’		• ■» —jk ’ —	и —94-	(4.34)

із аналізу суми різниць ходу при чотирьох серіях вимірювань (4.31 )-ь (4.34) випливає, що кожна базова відстань між вершинами кутових відбивачів використана при вимірюван­нях у всіх кутових діапазонах, що відповідає вимірюванні різниці ходу для кожної бази при її повороті на кут 360°. Таким чином, сума різниць ходу, отримана в чотирьох серіях вимі­рювання для кожної довжини бази, дорівнює алгебраїчній сумі при її повороті в діапазоні 360°. Довжина кожної бази визначається таким виразом:

1 72d Li:,

72d 4 sin ер., / 2 cos a ‘

При контролі кута повороту МП операції по вимірюванню різниці ходу повторюють­ся, його значення визначають за формулою

Застосування сучасної оптичної технології, стандартних вимірювальних засобів доз­воляє отримати середню квадратичну похибку одного виміру кута в межах 0,2” — 0,5" [40], що є перспективним при використанні розглянутої схеми в ділильних машинах, кутових компараторах, для атестації оптичних елементів, наприклад МП, тощо.

Комментарии запрещены.