книги из ГПНТБ / Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие

зуются для определения деформаций и сдвигов горных пород, гидротехнических сооружений, движения земной коры.

§ II. 8. Интерферометры

Для компарирования мерных приборов и точного измерения небольших расстояний применяются интерферометры. В послед­ нее время эти приборы используются для измерения деформаций сооружений, а также для изучения поверхности строительных материалов, контуров на поверхности кристаллов и т. д. Измере­ ния с помощью интерферометров характеризуются относительной погрешностью 10~7-=-10-8.

Интерферометрами называют приборы, служащие для про­ странственного разделения двух световых лучей и создания меж­ ду ними определенной разности хода с целью получения интер­ ференционной картины, по которой и определяют измеряемое рас­ стояние или изменение определенного расстояния. До появления лазеров в интерферометрии применялись источники света с уз­ ким волновым спектром. В качестве источников света обычно

(Л.=6056 А) изотопа криптона с массовым числом 86. Было уста­ новлено, что при измерениях в вакууме в 1 м укладывается 1650763,73 волн этой линии излучения изотопа криптона.

При использовании в интерферометре монохроматического света яркость полос интерференционной картины зависит от яр­ кости источника света и разности хода оптических лучей. Когда источник света имеет широкую полосу излучения, т. е. излучение состоит из волн различной длины, интерференционная картина менее ярка и окрашена, так как для различных длин волн поло­ жение максимумов (или минимумов) смещено друг относительно друга. Величина смещения полос интерференционной картины для различных длин волн возрастает с увеличением разности хода и увеличением ширины спектральной полосы. В идеальном случае (если бы источник света излучал на одной частоте) мож­ но было бы наблюдать интерференционную картину при неогра­ ниченной разности хода световых лучей.

Ширина волнового спектра для различных источников света неодинакова и поэтому неодинакова «длина когерентности». Дли­ на когерентности характеризует ту максимально допустимую разность хода световых лучей, при которой еще наблюдается кар­ тина интерференции. Для определения длины когерентности не­ обходимо определить время At когерентности источника, связан­ ное с шириной Av спектральной линии излучения следующим со­ отношением

90

=l / ( A v ) .

Зная время когерентности и скорость света с, можно вычис­ лить длину когерентности AL источника света

AL = с At.

Лазерные источники обладают значительно большей длиной1 когерентности, чем другие источники света. Линия излучения га­ зовых лазеров предельно узка, а следовательно велика длина когерентности. Так, например, при сравнительно легко достижи­ мой ширине линии излучения газового лазера порядка 1 МГц,, время когерентности

д; = i/(Av) = 1/1 МГц = Ю"8 с,

что соответствует длине когерентности

AL = cAt = 3 • 108 • 10"6 = 300 м.

Одномодовые гелий-неоновые лазеры имеют и более узкую ширину линии излучения. Так, например, достигнута кратковре­ менная ширина излучения гелий-неонового лазера, равная 2. Гц. Обычные источники света обеспечивают в лучшем случае время когерентности 10_ 8 с и следовательно длину когерентности по­ рядка 3 м.

Погрешности измерений интерферометрическим методом, в. основном, обусловлены нестабильностью частоты источника све­ та, так как эталоном длины является длина волны света. При изменении этого эталона длины (т. е. при уходе частоты) и воз­ никают ошибки измерений. Нестабильность частоты характери­ зуется выражением

длины резонатора лазера вызывает изменение частоты излуче­ ния. Достигнутая точность стабилизации частоты составля­ ет Ю - 9 , следовательно и потенциальная погрешность в измерении длины интерференционным методом может быть охарактеризо­ вана такой же величиной.

Таким образом, лазерные источники света по своим качест­ вам значительно превосходят обычные источники, применяемые ранее в интерферометрах; лазеры обладают значительно боль­ шей интенсивностью, монохроматичностью и когерентностью. По этой причине с появлением лазеров интерференционные методы измерений начали интенсивно развиваться и применяются не только для научных исследований, но и в производстве.

91

В течение длительного времени для высокоточных измерений применяется интерферометр Майкёльсона (рис. I I . 29, а) . Парал­ лельный пучок света от источника S делится полупрозрачной плоскопараллельной пластинкой А на два пучка / и 2, направ­ ленных под прямым углом друг к другу. Световой пучок -1 попа­ дает на зеркало Си отразившись от которого, вновь попадает на пластинку А и еще раз отразившись попадает в объектив D при­ бора. Световой пучок 2 достигает зеркала С2, отразившись от него проходит полупрозрачную пластинку и попадает в объек­ тив D. Вследствие разности хода световых лучей 1 и 2 они ин-

Э

Рис. 11.29. Схемы интерферометров:

а — Майкёльсона; б — Фабри - Перо; А и В — зеркала

терферируют между собой. На экране Э наблюдается интерфе­ ренционная картина, состоящая из темных и светлых полос или колец (в том случае, когда угол между пучками 1 и 2 не ра­ вен 90°, наблюдается система полос, а если этот угол прямой, то система колец).

На пути светового пучка 1 устанавливают плоскопараллель­ ную пластинку В, по толщине равную пластинке А. Пластинка В играет роль компенсатора, служащего для уравнивания оптиче­ ской длины обоих плеч интерферометра, так как пучок 1 прошел пластинку А один раз, а пучок 2 — три раза.

Перемещение полос интерференционной картины вызывается смещением зеркал, при этом перемещение зеркала на половину длины световой волны вызывает сдвиг интерференционной карти­ ны на одну полосу. Зная длину волны излучения и подсчитав чис­ ло переместившихся полос, можно определить величину смеще­ ния зеркала при условии, что другое зеркало остается неподвиж­ ным. Подсчет числа полос можно производить визуально или автоматически с помощью фотоприемника, перед которым уста­ новлена диафрагма, пропускающая только одну полосу. При ав­ томатической регистрации на выходе фотоприемника будет фик-

92

сироваться изменение сигнала при смещении полосы (максимум сигнала соответствует максимуму освещенности).

Более высокая точность достигается при выполнении измере­ ний на различных длинах волн Xi, Х2 и Хз. В этом случае опре­ деляют число полос интерференционной картины и дробную часть пнтерференционой полосы для каждой из волн, а затем

делении полупрозрачной пластинкой А, поэтому такой интерфе­ рометр называют двухлучевым. В действительности имеет место многократное отражение лучей на светоделительной пластин­ ке А. Однако эти лучи имеют очень малую интенсивность и по­ этому практически не влияют на освещенность интерференцион­ ной картины. В других типах интерферометров, называемых многолучевыми, учитывается влияние многократных отражений.

С помощью многолучевых лазерных интерферометров, соз­ данных на базе интерферометра Фабри-Перо, можно изучать по­ верхность строительных материалов, при этом точность харак­ теризуется величиной порядка 15А (0,0015 мкм). Эти же приборы используются как эталоны длины для компарирования мерных приборов.

Интерферометр Фабри-Перо состоит из двух плоских пли сфе­ рических зеркал, обращенных друг к другу зеркальными покры­ тиями (рис. I I , 29,6). Интерференционная картина, наблюдаемая на экране Э, образуется лучами, многократно отраженными от первого и второго зеркал. Чтобы интерференционная картина бы­ ла резкой, отражающий слой делают тонким, а коэффициент от­ ражения наибольшим. В этом случае (если зеркала расположены параллельно друг другу) на экране наблюдается интерференци­ онная картина, состоящая из чередующихся светлых и темных ко­ лец. При изменении расстояний между зеркалами интерференци­ онные кольца на экране смещаются, что молено наблюдать ви­ зуально, регистрировать при помощи фотоприемника или фото­ графировать.

Эталонами Фабри-Перо называют интерферометры с непод­ вижными зеркалами. Обычно такие эталоны применяют в интер­ ференционных измерениях по методу оптического умножения расстояний. По этому методу сравнивают два эталона ФабриПеро, причем длина Ь2 одного эталона примерно в два раза боль­ ше длины bi другого эталона (рис. I I . 30, а). Сравниваемые эта­ лоны устанавливают таким образом, чтобы их зеркала были па­ раллельны. При освещении белым световым пучком часть лучей проходит через зеркала Ау и Bi и, отразившись по одному разу от зеркал А2\\В2, попадает в объектив, а другая часть лучей, от­ разившись по два раза от зеркал А\ и Ви проходит через зеркала

93

Ач и В2, и также попадает в объектив. Если световой пучок па­ дает нормально к поверхности зеркал эталонов, то разность хо­ да первой и второй частей пучка

АЬ = Ab1 — 2Ъг.

Для световых пучков, падающих на поверхность зеркал под углом а, разность хода

АЬ = (46]. — 2b2) cos а.

Для определения разности хода на пути световых лучей, про­ шедших оба эталона, устанавливают оптический клин К. Раз­ ность хода лучей АЬ — будет компенсирована в том месте клина,

Рис. 11.30. Схема оптического умножения расстояния при ннтерферометрических измерениях:

а — по способу Фабри - Перо; б — по способу Вяйсала

где его толщина равна (] /г)АЬ. В этом месте клина наблюдается белая интерференционная полоса. Для удобства измерений опти­ ческий клин градуируют и по положению белой п'олосы определя­ ют разность хода световых лучей. Определив длину Ь2 второго эталона, можно сравнить его с другим эталоном, имеющим в два раза большую длину и т. д.

По описанному методу можно сравнивать измеряемую линию с эталоном, длины которых находятся в отношениях 3 : 1 , 4 : 1 ; 5 : 1 ; и т.д. При этом наблюдается интерференция лучей, отра­ зившихся по три, четыре и т. д. раз от зеркал первого эталона и по одному разу от зеркал второго эталона. Обычно кратность длины сравниваемых эталонов не превышает 6-^-8, так как много­ кратно отраженный световой пучок сильно ослабляется по срав­ нению с однократно отраженным, что затрудняет наблюдение интерференционной картины. Этот способ сравнения длины эта­ лонов требует высокой точности при установке зеркал взаимно параллельно. При менее точной установке зеркал в интерферен­ ционных компараторах сравнение эталонов предусматривается по способу Вяйсала.

94

По-способу Вяйсала (рис. I I . 30, б) лучи, выходящие из то­ чечного источника / белого света, с помощью коллиматора 2 делаются параллельными и разделяются диафрагмой 3 на два световых пучка. Один из этих пучков многократно отражается от зеркал 4 и 5-и попадает в объектив 7, а другой — отражается зеркалом 6 и попадает в тот же объектив 7 зрительной трубы. Если расстояние между зеркалами 4 и 6 в целое число раз боль­ ше расстояния между зеркалами 4 и 5, то в фокусе объектива наблюдается интерференционная картина. Расстояние между зеркалами 4 и 5 обычно берут равным 1 м или 1 м 20 см.

Способом Вяйсала выполнены высокоточные измерения конт­ рольных линий длиной до 864 м.

светодальномеров в производство геодезических измерений. «Геодезия и кар­

ров средней точности и опыте их применения. Изв. вузов сер. «Геодезия и

Практикум по электрооптическим и радиогеодезическим измерениям. Изд-во

использования светодальномера «Кристалл». «Геодезия и картография» № 7,

Светодальномер «Кристалл» при создании геодезических сетей в городах, «Ге­

95

Г Л А В А III ГИРОСКОПИЧЕСКОЕ ОРИЕНТИРОВАНИЕ

Задача ориентирования при обеспечении строительства ис­ ходными геодезическими данными в настоящее время успешнее всего решается путем применения гироскопического теодолита (гиротеодолита). Конструктивно гиротеодолит представляет со­ бой угломерный инструмент, в котором объединены маятниковый гироскоп — как датчик направления истинного меридиана — и теодолит, дополненный автоколимационным окуляром для наб­ людений за положением оси гироскопа. Гиротеодолит имеет до­ вольно сложную оптико-механическую схему, включающую эле­ менты радиотехники и электроники.

Гироскопический способ определения азимутов может приме­ няться при выполнении следующих видов работ:

1)ориентирования подземных сооружений и подземной гео­ дезической сети;

2)ориентирования опорной геодезической сети на дневной поверхности, развиваемой в местной системе координат;

3)проложения полигонометрических ходов с независимым определением азимутов сторон (без измерений углов поворота).

Достоинством гироскопического способа ориентирования яв­ ляется возможность выполнения работ в короткие сроки на дневной поверхности и под землей, независимо от времени года и суток, состояния погоды, в любых географических условиях для широт от 0 до 75°.

§III. 1. Элементарная теория гироскопа

Внастоящее время в практике геодезических работ исполь­ зуют два основных свойства гироскопа: сохранять неизменным

направление оси вращения в пространстве (свободный гироскоп) и совершать периодические колебания около положения равно­

образующих карданный подвес. Таким обр азом осуществляются три степени свободы гироскопа вокруг трех взаимноперпендикулярных осей: собственное вращение ротора вокруг оси симмет­ рии х х' в подшипниках кольца 2; вращение ротора вместе с кольцом 2 вокруг оси у в подшипниках кольца 3; вращение рото­

тойчивости останется ориентированной так же, как и в началь­ ный момент. Наблюдателю покажется, что за это время ось на­ клонилась на 90°. Через 12 ч (рис. I I I . 2, в) наблюдателю пока­ жется, что ось гироскопа повернулась на 180° относительно на­ чального положения и т. д. За время одного суточного оборота Земли ось гироскопа совершит кажущееся движение относи­ тельно наблюдателя в этой точке, на 360°.

Если ось была установлена под каким-либо углом к мери­

то она будет казаться наблюдателю неподвижной.

98