ЛАЗЕРНІ ВІЗИРИ І ПОКАЖЧИКИ НАПРЯМУ
Лазерні візири і покажчики напряму є найбільш простими лазерними геодезичними приладами. Лазерний візир — прилад геодезичного призначення, яким за допомогою променя лазера, що входить в його оптичну схему, задається певний напрям в просторі. Він використовується, щоб задавати референтний напрям, виконувати контроль положення механізмів і машин, контроль прямолінійності підкранових шляхів, контроль прямолінійності направляючих, контроль якості прокладання трубопроводів, встановлення будівельно-монтажних конструкцій в проектне положення та інше.
4.2.1. ЛАЗЕРНІ ВІЗИРИ СЕРІЇ ЛВ
Основою конструкції лазерних візирів серії ЛВ є газовий лазер (He-Ne) з довжиною хвилі випромінювання Я = 0,63 мкм. Потужність випромінювання може коливатись від 1 до 10 мВт в залежності від типу лазера. Лазери повинні працювати в одномодовому режимі, а розподіл енергії по перетину пучка променів має бути підпорядкованим нормаль- ному закону. Кутова розбіжність променя лазера, яка обумовлена дифракцією на вихідному дзеркалі резонатора, приводить до необхідності постачання візирів серії ЛВ колімаційною системою. Крім цього, лазерні візири мають підставку з підіймальними гвинтами для встановлення приладу і орієнтування його вертикальної осі в прямовисне положення. Грубо в вертикальне положення вісь лазерного візира приво-диться за допомогою круглого рівня. Візири мають затискні і навідні гвинти для наведення випромінювача, а також відлікові механізми.
Лазери, що використовуються у візирах серії ЛВ, мають трубчату конструкцію резонатора і можуть постачатися пристроями стабілізації напряму світлового променя, так як при зміні температури зовнішнього середовища порушується конфігурація резонатора і енергетичний центр плями лазера буде змінювати своє положення в просторі.
Автоматичний пристрій для кутової стабілізації променя лазера приведено на рис. 4.1 [151].
|
Рис. 4.1. Схема автоматичного пристрою кутової стабілізації променя лазера |
Від лазера 1 частина енергії (до 10%) світлороздільною пластиною 3 направляється на призму-ніж 4, де пучок ділиться і направляється на фотоелементи Ф1 і Ф2. Решта енергії пучка лазера направляється на коліматор і використовується в роботі. В залежності від того, як розподілиться світловий пучок на призмі 4, фотоелементи виробляють відповідний струм, який направляється на вхід слідкуючої системи 5. Остання через виконуючий пристрій б керує сервоприводом оптико-механічного компенсатора 2. Компенсатор представляє собою два оптичних клинки, що обертаються назустріч один одному з однаковою швидкістю.
Якщо лазерний промінь відхилиться від свого попереднього положення, яке задається вихідним настроюванням системи, то відбита частина світлового потоку не буде попадати на ребро призми 4, тобто не розділиться порівну на два однакових потоки. Внаслідок цього фотоелементи виробляють різні фотоструми, і слідкуюча система виробить сигнал для компенсатора, який поверне промінь лазера в попереднє (вихідне) положення.
Одним з перших вітчизняних приладів для задания напряму був лазерний візир ЛВ-2. В візирі ЛВ-2 використовується гелій-неоновий лазер ОКГ-11 з вихідною потужністю
від 1 до 2 мВт. Телескопічна оптична система зі збільшенням 25х дозволяє зменшити розбіжність з 7′ — 8′ до 24*. Лазер і оптична система змонтовані на одній загальній конструкції, яка може обертатись на підставці в межах 180° і нахилятись у вертикальній площині в межах 1,50. Лінія візування, яка створюється продовженням сполучених оптичних осей лазера і телескопічної системи, виставляється в площину горизонту з точністю ЗО" за допомогою підіймальних гвинтів і двох рідинних рівнів, осі чутливості яких взаємно перпендикулярні. Навідні гвинти дозволяють плавно і точно здійснювати розкручування і нахили лінії візування в межах 1,50. Дальність дії лазерного візира ЛВ-2 досягає 500 м з точністю визначення координат до 10 мм [172].
Лазерний візир ЛВ-2 знайшов застосування при геометричному і тригонометричному нівелюванні, при розміченні траси, при контролі укладання трубопроводів та інше. Середня квадратична похибка відміток пікетів по висоті складає близько 8,8 мм на відстані 250…300 м. Методика виконання робіт лазерним візиром ЛВ-2 до-сить проста. Прилад встановлюють в початковій точці траси і в умовній системі координат задають відмітки початкової і кінцевої точок. При визначенні створу і тригонометричному нівелюванні промінь лазера наводять на кінцеву точку траси. Відмітки на кожному пікеті визначають по положенню центра світлової плями на нівелірній рейці. В випадках, коли відмітка кінцевої точки траси невідома (рис. 4.2), ухил променя при тригонометричному нівелюванні визначають по шкалі навідного гвинта.
|
Рис. 4.2. Схема тригонометричного нівелювання лазерним променем |
Відстань до точки підраховують за формулою [184]
S*|cfg|, (4.1)
де: Ь = а2-а1 — різниця відміток по рейці в точці визначення висотної відмітки;
а2 і а1 — положення центрів світлової плями на рейці для двох значень кутів нахилу /31 і р2 променя лазера; a = Р2- рі — кут, під яким видно відрізок Ь від лазера.
При геометричному нівелюванні ділянки створу встановлюють рівень на середину та на кожному пікеті визначають за положенням центру світлового променя відлік по рейці а. Перевищення точок обчислюють за формулою для нівелювання "вперед’’:
h = i — а, (4.2)
де: і — висота інструменту.
Залежність середньої квадратичної похибки відліку по світловій плямі на екрані або рейці, яка отримана експериментальним шляхом [184], задається формулою:
де: S — відстань до рейки в метрах.
Лазерний візир ЛВ-4 по технічних даних мало відрізняється від ЛВ-2. Його конструкція дозволяє встановити прилад на штатив, тим самим забезпечується можливість роботи в польових умовах. Прилад комплектується високоточним контактним рівнем, що дає можливість виконувати його точну установку при виконанні прецизійних робіт.
Лазерний візир ЛВ-5 і його модифікація ЛВ-5М, що випускається серійно, створені на основі лазера ОКГ-13, який працює в безперервному режимі на хвилі 0,6328 мкм і де співвідношення суміші гелію і неону є 10:1. Основними елементамиизптичного квантового генератора є газорозрядна трубка і оптичний резонатор, що складається з двох сферичних дзеркал. Жорстке установлення дзеркал лазера в суцільному інварному корпусі циліндричної форми забезпечує стабільну в часі і просторі діаграму направлення випромінювання. Розбіжність променя на виході лазера складає 8-10′. Для отримання променя з малим кутом розбіжності в ЛВ-5М застосовується оптична система типу “повернений астрономічний телескоп” [132]. При цьому кут розбіжності променя зменшується до величини, що визначається відношенням фокусних відстаней окуляра і об’єктива. Застосовуючи телескопічну систему зі збільшенням 25х на виході отримують кут розбіжності до 24′. Оптична система дозволяє фокусувати промінь в будь-яку проміжну точку на відстанях від 2 м до нескінченності. Потужність випромінювання лазера візира ЛВ-5 складає 1 мВт. Юстування ОКГ полягає у встановленні газорозрядної трубки уздовж оптичної осі дзеркал резонатора. Для цього трубка переміщується у вертикальному і горизонтальному напрямках спеціальними гвинтами.
Візири складаються з підставки, випромінювача та механізмів обертання в горизонтальній і вертикальній площинах. В вертикальній площині випромінювач може повертатись в межах 20°, а в горизонтальній — в межах 180°. Навідні гвинти дозволяють наводити промінь на об’єкт в горизонтальній та вертикальній площинах в межах 5° з точністю 15". Вертикальна вісь приладу приводиться в прямовисне положення Трьома підіймальними гвинтами підставки-трегера. Приведення візирного променя в горизонтальне положення досягається циліндричним рівнем, вісь якого встановлюється паралельно осі приладу. Дослідження ціни поділки рівня, його чутливості, ціни поділки шкали механізму нахилу та інше приведені в [39]. Лазерні візири ЛВ-5 і ЛВ-5М знайшли застосування при зйомках профілю поверхні злітно-посадочних смуг аеродромів, профілюванні підкранових колій та інших інженерно-геодезичних роботах. Використовуючи більш потужні лазери, лазерні візири застосовують для прокладання трубопроводів, прокладання тунелів, самотічних каналізаційних труб. В комплект приладів входять два блоки живлення: один для роботи від акумуляторної батареї напругою 12В, другі — від електромережі 220-127В частотою 50 Гц.
Однією з останніх розробок лазерних візирів серії ЛВ є прилад ЛВ-6 (рис. 4.3). Це найбільш досконалий прилад цієї серії. Він складається з двох частин і лазера, що постачається засобом формування і орієнтації в просторі лазерного променя, а також фотоелектричного приймального пристрою, який здійснює реєстрацію променя і визначає координати контролюємо’!’ інженерної конструкції. Таким чином, візир ЛВ-6 може працювати з візуальною і фотоелектричною реєстрацією. Крім лазера прилад має алідаду, підставку, рівні, насадки, оптичний центрир. Підставка являє собою стандартний геодезичний тре- гер, за допомогою якого візир може встановлюватись на стандартний штатив. Насадка до лазерного візира ЛВ-6 являє собою пентапризму, що встановлюється на вертикальній вісі приладу і застосовується для проектування вертикального напрямку. Прилад забезпечується навідними гвинтами, що дозволяють нахиляти вісь візування від горизонтального
положення в межах 15° і розкручувати її в горизонтальній площині на кут 360°.
 |
… .Коліматор лазерного випромінювання є одночасно і зоровою трубою візира. Оптична схема лазерного візира ЛВ-6 приведена на рисунку 4.4.
Промінь лазера 1, відбитий призмою 2 і сфокусований об’єктивом 3, вводиться в зорову трубу (коліматор) через призму 4 Монченка. Зорова труба має об’єктив 5, окуляр 6 і фокусуючу лінзу^7. Для сполучення осі лазерного пучка з оптичною віссю зорової труби в призмі Монченка є дзеркальне покриття 8 — крапка діаметром 0,2 мм. Ця цятка не заважає візуальним спостереженням і в той же час дозволяє повністю направити випромінювання лазера в площину вимірювань. Захист ока оператора від лазерного випромінювання здійснюється застосуванням поляризаційного елемента — поляроїда 9, площина поляризації якого розгорнута на 90° відносно площини поляризації лазерного випромінювання.
Лазерний візир ЛВ-6 володіє стійкими експлуатаційними характеристиками. Наприклад, в нього висока стабільність просторового положення осі діаграми напрямку випромі-
нювання: в перші десять хвилин роботи нестабільність не перевищує 18”, після закінчення 16 хвилин роботи ця величина зменшується до ±2". Нестабільність потужності випромінювання не перевищує 5% на протязі години роботи. Середня квадратична похибка установлення і вимірювання горизонтальних кутів ± ЗО", а вертикальних ± 1′. Приладу притаманні і недоліки, до яких слід віднести малу ціну поділки відлі-кового механізму вертикального наведення і конусність світлової площини при обертанні приладу навколо вертикальної осі.
До серії ЛВ можна віднести і лазерний візир ЛВ-78. Його конструкція багато в чому схожа з лазерним візиром ЛВ-5. Так, наприклад, навідні і вимірювальні механізми у них однакові. Суттєва різниця полягає в тому, що в лазерному візирі ЛВ-78 застосовують лазер ЛГ-78 з холодним катодом, а також він має лімб з ціною поділки 5 кутових мінут для вимірювання кутів в горизонтальній площині.
В конструкції універсального лазерного візира УЛВ випромінювання лазера вводиться в оптичну схему за допомогою волоконної оптики (рис. 4.5).
|
Рис. 4.5. Оптична схема універсального лазерного візира УЛВ |
Від лазера 1 випромінювання в зорову трубу приладу 2 вводиться через осьову систему за допомогою світловоду 3. Оптичні елементи 4 і 5 служать для погодження оптичних характеристик лазера з світловодом і світловода з характеристиками зорової труби. Для підвищення перешкодостійкості застосована амплітудна модуляція за допомогою механічного дискового модулятора 6. Вихідний торець лазерного випромінювання комплектується діафрагмою 7. В зоровій трубі встановлений світлорозділювач 8, який здійснює відхилення випромінювання лазера в бік об’єктива 9 і дозволяє здійснювати візуальне спостереження через окуляр 10 і сітку ниток 11. Фокусування здійснюється лінзою 12.
Конструктивно прилад складається з підставки, на якій розміщена алідада з затискним і навідним гвинтами горизонтального круга. На алідаді встановлені рівень і стійка з осьовою системою нахилу осі зорової труби. На осі зорової труби закріплений вертикальний круг. Нахил зорової труби по вертикалі і з’єднання її з осьовою системою виконується навідним і закріпним гвинтами вертикального круга. Прилад встановлюється на стандартному штативі, до ніжки якого закріплюється лазерний блок. Лазерний візир УЛВ працює з
фотоелектричним датчиком амплітудного типу і застосовується для контролю прямолінійності при монтажі і в процесі експлуатації технологічного устатку-вання, яке встановлене в похилій площині.
Лазерний покажчик напрямку УНЛ-3 призначається для контролю за рухом прохідного щита при будівництві тунелів. Виконаний він у вибухонебезпечному варіанті в пилово — логонепроникливому корпусі. Прилад не має навідних і вимірювальних механізмів, але має спеціальне оснащення для закріплення на стіні тунелю.