Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Лазерні нівеліри, виконані як самостійні прилади, є більш точними і технологічними. В таких приладах оптична вісь лазера і візирна вісь нівеліра мають збігатися по умові конструювання. Це дає більш стабільне положення променя і виключає необхідність конт­ролювати і враховувати взаємне зміщення візирної осі і оптичної осі лазера. Крім цього, лазерні нівеліри як самостійні прилади можуть створювати як референтні лінії, так і рефе­рентні площини з£ допомогою розгортання лазерного променя. Схема такого приладу приведена на рис; 4.15.

мальними гвинтами по круглому рівню 1. Встановлення в горизонт променя лазера 2, конструктивно сполученого з візирною віссю зорової труби, виконується за допомогою ци­ліндричного рівня 3. Вісь чутливості рівня конструктивно поєднується з оптичною віссю лазера юстувальним гвинтом 4. Світлороздільна система призм 5 може займати два по­ложення. В першому положенні (І) призми вводяться в оптичну схему так, що можна здійснювати візування через об’єктив 6 і окуляр 7. В другому положенні (II) система

призм виводиться із оптичної схеми так, що оптична вісь лазера збігається з оптичною віс­сю об’єктива і лазерний промінь буде розташований в горизонтальній площині. Недоліком розглянутої схеми приладу є складність підтримання стабільного положення променя ла­зера в горизонтальній площині і відсутність можливості контролю горизонтального поло­ження променя.

Часткове вирішення задачі підтримання променя лазера в горизонтальній площині дає схема рис. 4.16. Тут промінь лазера 2 направляється на відбивач 1, який встановле­но в маятниковому підвісі з повітряним демпфером, що дозволяє витримувати площину відбиття у вертикальному положенні. Дзеркала резонатора лазера пропускають частину відбитого випромінювання на фотоприймач 3, після чого інтенсивність світлового потоку реєструється пристроєм 4. При зменшенні струму на фотоприймачі промінь в горизон­тальне положення приводиться підіймальними гвинтами приладу до максимального сиг­налу на індикаторі реєстратора. Недоліком схеми є те, що відбите від дзеркала випромі­нювання попадає в резонатор лазера і проходить зворотній шлях через активне середови­ще, викликаючи модуляцію потужності генеруємого випромінювання. Це приводить до не­стабільності модового складу випромінювання і синхронізації частоти генерації лазера від­битим від дзеркала випромінюванням. Крім впливу модуляції потужності і синхронізації на точність встановлення променя в горизонтальне положення впливає також робота прист­рою приведення площини відбивача у вертикальне положення.

При роботі лазерним нівеліром в умовах збурень і вібрацій з досить великими часто­тами попередні схеми не дозволяють утримувати промінь лазера в горизонтальній площи­ні і є непрацездатними. Для таких умов розроблена схема [92] автоматичного утримання променя лазера в горизонті (рис. 4.18).

Лазер 1 встановлюють на основі 2, яка у вихідному положенні приводиться в гори­зонт через п’єзокерамічні елементи 3. В перетині пучка лазерного променя розташоване оптичне волокно 4 , яке складається з двох волокон 5 і 6, виготовлених із градієнтних світловодів [64]. Волокна склеєні, а на місці розрізу попередньо нанесено світлороздільне покриття 7. Знизу розташований пасивний зберігай горизонту 8, що постачається відби­вачем 9. Вихіднийторець волокна 4 постачається фоконом 10, за яким розташовується фотоприймальний’гіристрій 11. Блок управління 12 своїм входом підключений до виходу фотоприймального пристрою, а виходом — до входів п’єзоелектричних виконавчих механіз­мів і системи горизонтування.

Система горизонтування приводить промінь лазера в площину горизонту. Частина променя віньєтирується волокном 4 (віньєтирування при діаметрі променя 3 мм і діамет­рі світловода 300 мкм складає 0,9% інтенсивності променя), відбивається світлорозді — лювачем 7 і надходить на відбивач 9, який завжди знаходиться в площині горизонту. Від­бита частина світлового променя зворотньо пройде волокно б і світлорозділювач, волок­но 5 і фоконом фокусується на чутливій площадці фотоприймального пристрою. Коли розузгодження відносно центру чутливих площадок дорівнює нулю, фотоприймальний пристрій видасть нульовий сигнал різниці.

При наявності вібрацій промінь лазера нахилиться на довільний кут, а нормаль до поверхні дзеркала 9 буде зберігати своє положення в просторі. На чутливій площадці фо­топриймального пристрою промінь сфокусується в другій точці, яка буде мати зміщення відносно нульового положення. Буде зафіксовано сигнал розузгодження пропорційний ку­ту нахилу лазера. Цей сигнал надійде в блок управління, який видасть керуючий сигнал на п’єзокерамічні виконавчі елементи, а останні нахилять корпус нівеліра до положення, коли сигнал розузгодження буде дорівнювати нулю. Це буде означати, що промінь лазера по­вернувся в горизонтальну площину. Таким чином здійснюється стабілізація променя лазе­ра в горизонтальній площині і при цьому відсутній вплив елементів конструкції на пара­метри лазерного випромінювання.

Вище були наведені схеми лазерних нівелірів, які відносяться до групи з горизон­тально орієнтованим променем. Для нівелювання по площі нижче розглянемо схеми ла­зерних нівелірів з горизонтально орієнтованою світловою площиною, які мають свої особ­ливості. Такі схеми дозволяють сформувати світлову площину в межах 3600, що спрощує процес і зменшує час нівелювання. Найбільш простою схемою побудови світлової площи-
ни є оптична система з конічною призмою (рис. 4.19). Промінь лазера 1 дзеркалом 2 че­рез оптичну систему З направляється на конічну поверхню призми 4. Відбитий від по­верхні конуса призми з кутом при вершині 90° лазерний промінь побудує кругову світлову площину. Паралельність світлової площини горизонтальній поверхні досягається строгою орієнтацією геометричної осі конуса, а її клиновидність залежить від точності виготовлен­ня прямого кута дзеркального конуса. Створена таким чином світлова площина буде ста­більною в просторі, але вся світлова енергія лазера буде розсіюватись в телесному куті 360° і на великих відстанях від такого приладу щільність світлової енергії буде мала. Дальність такого методу обмежена відстанями ЗО-50 м при потужності лазера

2- 3 мВт.

Рис. 4.19. Побудова світлової площини нерухомим дзеркальним конусом

Для здійснення автоматичного пошуку рейки при нівелюванні і збільшення відстаней при роботі зручно використовувати ротаційні прилади, які формують горизонтальну світ­лову площину круговим скануванням лазерного променя. Типовими елементами ротацій­ного нівеліра є; газовий або напівпровідниковий лазер, який працює у видимому або ін­фрачервоному діапазоні спектра; формуюча оптика; пристрої горизонтування; обертаю­чий оптичний елемент, який безпосередньо здійснює розгортання. Необхідна швидкість розгортання визначається з таких міркувань: враховуючи інерційні якості зору оператора, видима оком світлова площина буде спостерігатись безперервною при частоті мерехтіння світлового променя 20-25Гц, таким чином, швидкість розгортання лазерного променя навкруги вертикальної осі приладу повинна складати 20 — 25 об/с. При такій швидкості розгортання, що задовільняє оператора, важко здійснити реєстрацію положення променя фотоприймальним пристроєм, так як час перебування променя на чутливій площадці є до­сить малим і змінюється в широких межах’в залежності від довжини візирного променя при нівелюванні. Так, наприклад, при швидкості обертання світлового променя 20об/с, відстані до фотоприймального пристрою (рейки) 100 м і діаметрі чутливої площадки фо­топриймача 10 мм, час перебування світла на останній складе 2,5 мкс. За цей час фото­приймач не встигає відгукнутися на світлову енергію. Цей фактор вимагає застосування високочутливих фотоприймальних пристроїв і широкосмугових підсилювачів. Для впевне­ного вимірювання необ-хідно зменшити швидкість розгортання до 1-2об/с. При такій швидкості здійснюються впевнені вимірювання на відстанях до 200 м фотоелектричними вимірювальними перетворювачами, проте стає складним візуальний контроль положення світлової площини. Тому необхідні зусилля конструкторів приладів для подолання вище­вказаних труднощів.

Як компроміс для виконання вищеобумовлених вимог нижче наводиться пристрій з двопроменевим розгортанням, коли одна площина використовується для візуальних спо­стережень, а друга, яка розташована вище або нижче першої, — для фотоелектричної ре­єстрації. Практичний варіант пристрою наведений на рис. 4.20. Тут на одній вертикальній осі, що збігається з напрямом світлового променя лазера 1, розташовані дві пентапризми 2 і 4. Пентапризма 2 обертається зі швидкістю 20 — 25 об/с, а пентапризма 4 — зі

швидкістю 1-2об/с. Пентапризма 2 має напівпрозору грань, доповнену оптичним клин­ком 3 для ліквідації кутового переміщення світлового променя на її виході. Приймальний пристрій має рейку 6 з поділками, на якій закріплено кронштейн 7 з установленими на ньому візуальним екраном 8 і фотоприймачем 5. Відстань між центрами екрану і фото­приймача відповідає відстані між центрами пентапризм і є базою приладу. При вимірюван­нях перевищень рейкою реєстрація світлового променя може здійснюватись як за допомо­гою екрану, так і по індикації нуля на фотоприймачі. Для створення найбільш вигідних умов роботи фотоприймача швидкість обертання пентапризми 4 можна робити змінною. Тоді, незалежно від відстані між нівеліром і рейкою, можна досягти однакового часу пере­бування світлового пучка на фотоприймачі.

Рис. 4.20. Схема пристрою з двопроменевим розгортанням

Відомий лазерний нівелір Теоплан-300” фірми AGA (Швеція) для виконання різних будівельних робіт здійснює принцип побудови світлової площини на заданій висоті шля­хом розгортання двох лазерних променів. Лазер в цьому приладі розташовується верти­кально і його промінь направляється на грані прямокутної призми з дзеркальними площи­нами. Призма обертається навкруги осі, що збігається з оптичною віссю лазера 1, але вісь симетрії призми закріплена під кутом є відносно цього напряму (рис. 4.21).

Рис. 4.21. Формування світлової площини лазерним нівеліром “Геоплан-ЗОО” (а)
і графік розподілу інтенсивності світла (б)

Відбиті світлові промені від граней призми будуть нахилені на кут 2 є до горизон­тальної поверхні. При розкручуванні призми на 180° промені будуть нахилені на той же кут, але в другий бік. Таким чином, світлова площина при безперервному обертанні приз­ми буде як би “плавати” в телесному куті ±2 є. Швидкість розгортання звично вибираєть­ся для візуального контролю в межах 10 -15 об/с. Тоді на деякій відстані від приладу око людини в точках А і В буде спостерігати мерехтіючий світловий потік, а в точці О часто­та перебування світлового пучка подвоюється і око буде бачити безперервне світло. По­ложення точки О відповідає лінії горизонту.

Розглянутий метод простий і легко піддається автоматизації. При застосуванні фото­електричного приймача останній може фіксувати подвоєну частоту сигналу, або, в відпо­відності з графіком рис. 4.21 б, визначати мінімальну величину світлового потоку. Така конструкція нівеліра забезпечує на відстанях до 60 м точність візуального способу конт­ролю в межах ±2-3 мм і ±10 мм на відстані до 250м. При застосуванні фотоприй — мапьного пристрою точність контролю не перевищує ± 1 мм на відстані до 100 м. Джере­лом живлення може бути звична напруга мережі або автомобільний акумулятор 12В. При установленні нівеліра виконується тільки грубе горизонтування, так як прилад постачаєть­ся автоматичним пристроєм горизонтування. Це забезпечує швидку і надійну роботу в умовах інтенсивного автомобільного руху поблизу місця розташування приладу, а також в умовах вібрацій. Порівняння при нівелюванні вібробалки показало, що при застосуванні Теоплана-300”, може бути досягнута економія часу більше 30%. Приклади практичного застосування приладу схематично зображені на рис. 4.22,4.23.

Відома конструкція лазерного нівеліра, запропонованого Л. Джонсоном [68], склада­ється із двох частин — лазерного візира з пристроєм кругового розгортання променя і фо­тоелектричної рейки. В нівелірі використовується газовий лазер і телескопічна оптична система, які розташовані вертикально і закріплені в жорсткій трубі. Приведення нівеліра в горизонт виконується трьома підіймальними гвинтами по накладному рівню з ціною поділ­ки 5". Є можливість невеликого нахилу (в межах 10%) променя лазера за допомогою навідного гвинта і додаткового рівня. Розгортання променя в площину здійснюється пен­тапризмою, яка обертається електроприводом зі швидкістю 2 об/с. Передбачена можли­вість зміни положення світлової площини по висоті і її фіксації.

Нівелірна рейка доповнюється фотоелектричним приймачем, який переміщується по висоті за допомогою командного пристрою. Рейка постачається також пристроєм звукової сигналізації, яка спрацьовує при входженні фотоприймача в область світлової площини. Для проведення відліку по рейці необхідно визначити верхнє і нижнє положення фото­приймача відносно світлової площини в момент, коли звукові сигнали закінчуються, після чого центральний відліковий індекс фотоприймального пристрою автоматично займе по­ложення, яке відповідає центру лазерного променя. Спеціальний пристрій забезпечує швидке переміщення фотоприймача по рейці при пошуку світлової площини і повільне — при входженні в зону променя. В залежності від зовнішніх умов нівелір забезпечує на від­станях візування від 300 м до 1 км визначення перевищень з точністю 2 см.

Цікавою є конструкція лазерного нівеліра “Ротолайт” фірми Spectra-Physics. Він вико­наний у вигляді переносного приладу з мінімальними габаритами вузла розгортання про­меня в площину. Розгортання здійснюється пентапризмою, швидкість обертання якої плавно регулюється від 0 до 5 об/с. В залежності від установлення на штативі прилад забезпечує розгортання в горизонтальній або вертикальній площинах, а також може вико­ристовуватись для вертикального проектування точок і як лазерний візир. Тому цей при­лад широко застосовується для монтажних робіт в будівництві, вирівнювання внутрішніх перегородок і стінових панелей по горизонту або по вертикалі, для контролю висоти і плоскостності настилання, вирівнювання і нівелювання будівельних майданчиків, тощо. Робота може виконуватись візуально або за допомогою фотоприймального пристрою, який закріплюється на рейці і реєструє центр плями променя лазера в режимі нуль-індика­тора. На відстанях декількох десятків метрів прилад забезпечує точність вимірювання біля 0,5 мм.

Найбільш сучасною конструкцією ротаційного лазерного нівеліра є прилад “Телемат” (рис. 4.24 а), що розроблений в Геодезичному інституті м. Аахена (Німеччина) [192]. Прин­циповою відміною цієї конструкції від попередніх є те, що в ній використано напівпровідни­ковий лазер 1 з довжиною хвилі випромінювання Я = 0,780 мкм, який постачається сис­темою стабілізації потужності. Застосування такого лазера дозволило зменшити енергопо­стачання (I = 50 мА при потужності 3 мВт) і габарити. Враховуючи високу температурну нестабільність напівпровідникового лазера, який потребує охолодження, при проектуванні приладу була вирішена задача створення мікрохолодильника. Крім цього, велика розбіж­ність випромінювання напівпровідникового лазера (до 60°) потребує обов’язкового засто­сування коліматорних оптичних елементів 2 і 3. Негативна лінза 2 коліматора підвішена на нитках 4, довжина яких дорівнює фокусній відстані fo6 = 70 мм, що дозволяє компен­сувати дрейф променя лазера в площині горизонту. Коливання лінзи гасяться магнітно-ін­дукційним демпфером 5. Нерухома позитивна лінза 3, в фокусі якої розташована випро­мінююча площадка напівпроводникового лазера, розміщується так, що її оптична вісь збі­гається з віссю лазерного променя і віссю обертання пентапризми 6. Положення маятни­ка з підвішеною негативною лінзою контролюється трьома оптоелекгронними каналами. Повне припинення дій оптоелектронних трактів веде до відключення лазера і електропри­вода обертання пентапризмою.

Фотоелектрична рейка для реєстрації (рис. 4.24 б) являє собою U — образний про­філь із легкого металу 1, в середині якого розташовується ходовий гвинт 2 з відстанню 5 мм. Гвинт приводиться в рух шаговим двигуном 3 через муфту 4 . За допомогою ходо­вого гвинта уздовж рейки пересувається фотоприймальний пристрій 5, який являє собою диференціальний фотодіод з великою чутливою площадкою. Щоб пройти одну відстань гвинта, шаговий двигун здійснює 500 обертів так, що дозвільна здатність механізму пе­реміщення фотодетектора складає 0,01 мм. Передбачена система визначення висоти променя відносно п’ятки рейки, а фотоприймальний пристрій адаптовано до дисплею.

Вітчизняною промисловістю розроблений і широко використовується система конт­ролю планування СКП-1 (або лазерний нівелір “Калина”). Система розроблена на базі ге­
лій-неонового лазера ОКГ-13, який забезпечує потужність випромінювання не менше 200 мкВт і призначена для геодезичного контролю планування земельних ділянок вели­кої площі. Функціонально вона складається із трьох блоків (рис. 4.25): формувача горизон­тальної світлової площини, фотопримального пристрою і індикатора положення фото- приймального пристрою відносно світлової площини.

Формувач горизонтальної світлової площини нерухомо встановлюється на штатив в точці з відомою висотною відміткою. Формування світлової площини відбувається розгор­танням пентапризми 5 (рис. 4.25 а) від променя лазера 2, встановленого вертикально через карданів підвіс 3 в циліндричному стакані 1. Карданів підвіс забезпечує автоматич­не установлення променя лазера у вертикальне положення.

Рис. 4.25. Комплект апаратури СКП-1:

в — формувач світлової площини; б — фотоприймальний пристрій; в — індикатор

Промінь лазера проходить коліматор 4 із збільшенням 30х і на виході пентапризми створює світлову площину з похибкою негоризонтальності ± 4". Нестабільність положен­ня цієї площини в часі не перевищує ± 4”/год.

Фотоприймальний пристрій (рис. 4.25 б) має лінзи 1 кругового огляду, дзеркальні ко­нуси 2 і фотоприймачі 3. В межах ±10 см є декілька діапазонів реєстрації випроміню­вання (0± 2; ± 4; ± 10). За допомогою штанги 4 фотоприймальний пристрій закріплюєть­ся на ножі бульдозера. Сигнал від фотоприймача, підсилений підсилювачем, надходить в блок світлової індикації (рис. 4.25 в), який установлюється в кабіну бульдозера і здійснює індикацію кожного діапазону. Отримуючи інформацію про висотне положення робочого ор­гану, водій вручну керує ним.

Система СКП-1 дозволяє контролювати планування, яке може одночасно виконува­тись практично будь-якою кількістю будівельних машин, що працюють в радіусі до 500 м. При цьому кожна машина має забезпечуватись своїми фотоприймальним пристроєм та ін­дикатором. Лазерна система СКП-1 випускається серійно, в її комплект входить один фор­мувач і по десять фотоприймапьних пристроїв та індикаторів. Принцип дії і розташування приладів системи контролю планування стають зрозумілими з рис. 4.26, де: 1 — формувач світлової площини; 2 — землерийна машина; 3 — штанга; 4 — фотоприймальний пристрій; 5 — робочий орган; б — індикатор.

Комментарии запрещены.