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

Чтобы изображение источника света находилось в плоскости детектора, фокусное расстояние каждой зонной пластины должно удовлетворять условию (обозначения см. на рис. V. 13),

1/f = l/Si+1/Sa,

где Si — расстояние от зонной пластины до лазера; S2 — расстоя­ ние до фотодетектора.

Для удобства измерений смещений исследуемых точек в гори­ зонтальном и вертикальном направлениях, расположение щелей выбрано так, чтобы освещенность изображения возрастала по двум взаимно перпендикулярным направлениям и в плоскости фотодетектора наблюдался яркий крест, образованный двумя светящимися линиями.

Для осуществления геодезического контроля блоков магнитов в световой поток, создаваемый лазером, вводят поочередно дис­ танционно зонные пластины до тех пор, пока не получат инфор­ мацию о положении всех 273 магнитов. При смещении исследуе­ мой точки смещается изображение источника света (яркий крест). Величина смещения измеряется с помощью фотоприемни­ ка. Для повышения точности измерений изображение креста ска­ нируется узкой щелью в горизонтальном и вертикальном направ­ лениях. Координаты х и у центра изображения светящегося кре­ ста определяются по максимуму светового потока, попадающему на фотоэлемент через движущуюся щель.

Зная координаты х и у центров изображений от зонных плас­ тин, установленных на конечных точках створа, и измерив коор­ динаты центра изображений от зонной пластины, установленной на промежуточной точке створа, определяют нестворность проме­ жуточных точек как в плане, так и по высоте. Чувствительность фотодетектора позволяет фиксировать сдвиги размером 0,025 мм на любой из 273 поверяемых точек ускорителя. В случае нестворности поверяемого магнита на недопустимую величину, установ­ ка его в проектное положение осуществляется дистанционно с по­ мощью прецизионных гидравлических домкратов. Подобная ав­ томатизация измерений позволила исключить необходимость присутствия обслуживающего персонала, занимающегося провер­ кой положения оборудования, в помещении ускорителя.

В СССР создана аналогичная аппаратура для контроля поло­ жения оборудования Серпуховского синхрофазотрона во время эксплуатации. Комплект аппаратуры, служащий для дистанцион­ ного определения положения оборудования ускорителя, получил название «Лист» (лазерный интерференционный створофиксатор). Исследованиями установлено, что погрешность измерений аппаратурой «Лист» составляет 17 мкм.

Рассмотренные методы измерений деформаций с помощью ла­ зеров применимы в основном на объектах, имеющих линейную форму. В последнее время строятся сооружения, очертания кото­ рых могут значительно отступать от линейных. К таким сооруже-

210

яиям можно отнести, например, кольцевые ускорители, радиоте­ лескопы, арочные плотины и т. д.

Для измерения деформации сооружений, имеющих нелиней­ ную конфигурацию, может быть применена лазерная измеритель­ ная система на основе лучевода, позволяющая измерять смеще­ ния точек как в плане, так и по высоте. Эта система (рис. V. 18) состоит из лазера 1, линзового лучевода 2 и фотоэлементов 3. Линзовый лучевод представляет собой периодическую последова­ тельность линз, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Линзы лучевода жестко скреплены с исследуемы­ ми точками 5 объекта. Световой луч от лазера последовательно

фокуснруется линзами лучевода и отклоняется в нужном направ­ лении. Угол отклонения е луча зависит от величины смещения h оси пучка относительно центра линзы и фокусного расстояния / линзы:

s = hlf.

При смещении какой-либо линзы световой пучок, направляе­ мый ею на последующую линзу, также смещается. Величины та­ ких смещений фиксируются фотоприемниками, скрепленными с линзами. При анализе положения точек необходимо дифференци­ ровать их смещения и смещения светового пучка, вызванные сме­ щением предыдущих линз или лазера.

Помимо лазерных устройств, основанных на измерении смеще­ ний точек относительно светового луча, для измерений деформа­ ций сооружений применяются устройства, основанные на иных принципах. В частности, для измерения деформаций сооружений применяются лазерные интерферометры, позволяющие измерять смещения с погрешностью порядка Ю - 7 — 10~°. Особенно пер­ спективным является применение лазерных интерферометров для прогнозирования момента землетрясения в зонах строительства с повышенной сейсмичностью. Установлено, что за некоторое вре­ мя до начала землетрясения наблюдается более быстрая акку­ муляция механических напряжений и деформаций вдоль линии сброса. Используя газовые лазеры с большой стабильностью ча-

211

стоты, можно определить скорость смещения объекта или смеще­ ние его части относительно другой на основе эффекта Доплера. При этом возможно определение очень малой скорости смещения, составляющей несколько миллиметров в год.

Для определения малой скорости смещения (рис. V. 19) необ­ ходимо лазер 1 расположить в неподвижной точке А, а зеркаль­ ный отражатель 5, на который направляется излучение, закрепить на исследуемом объекте В. При перемещении отражателя отно­ сительно лазера, в результате смешения частоты опорного свето-

вого сигнала с частотой отраженного на выходе фотоэлемента появится компонента сдвига частоты

где N — число прохождений светового луча между точками А и В; v — скорость движения отражателя; % — длина волны излуче­ ния лазера.

При скорости движения два ангстрема в секунду (6 мм в год), длине волны излучения, равной 6328 А сдвиг частоты за одно про­ хождение луча света туда и обратно (N=2) составит

А/ = 2 (2/6328) = 1/1600 Гц.

Для увеличения сдвига частоты необходимо увеличить число прохождений. Это может быть достигнуто применением дополни­ тельных зеркал и лазера, обладающего большой временной коге­ рентностью и значительной мощностью.

Для изучения деформаций небольших объектов, например моделей различных конструкций, строительных материалов и других, могут быть использованы методы лазерной голографии. Этот метод записи изображений предмета на фотографическую пластинку появился в 1947 г. Однако для создания голограмм требовался мощный монохроматический источник когерентного

212

света, а таких источников в то время еще не было. Поэтому бур­ ное развитие голография получила только в последние годы в связи с появлением лазеров.

Принцип голографии основан на свойствах интерференции све­ та. На голограмме регистрируется не само изображение предме­ та, как это делается при фотографической съемке, а структура световой волны, отраженной предметом. Это достигается с по­ мощью интерференционной картины, создающейся в плоскости фотопластинки и фиксирующей одновременно как амплитуду рас­ сеянного снимаемым объектом света, так и фазовые соотношения световой волны. Фазовые соотношения обуславливают взаимное расположение темных и светлых полос, амплитуда — контраст­ ность светового узора на голограмме. При получении голограм­ мы не требуются линзы и зеркала, как это имеет место при фото­ графической съемке.

Метод голографии позволяет измерять очень небольшие, соиз­ меримые с длиной волны света, деформации модели, которые мо­ гут происходить вследствие нагрева, вибраций, нагрузки и т. д., а сама модель может иметь довольно сложную форму. При ис­ следовании моделей с помощью лазерной голографии на одной и той же фотопленке записываются в разные моменты времени две голограммы одной и той же модели. При восстановлении свето­ вые волны, прошедшие эти голограммы, накладываются друг на друга, в результате чего наблюдается интерференция. Если мо­ дель претерпела какие-либо изменения за время, прошедшее меж­ ду двумя голографическими съемками, на восстановленном изо­ бражении появляется система интерференционных полос (гори­ зонталей) .

Измерение голографической модели можно выполнить путем ортогонального проектирования горизонталей на плоскость эк­ рана.

Для обеспечения бесперебойной работы мостовых кранов в цехах промышленных предприятий периодически производят гео­ дезическую съемку подкрановых путей, заключающуюся в опре­ делении планового и высотного положения рельсов.

К состоянию подкрановых путей предъявляются жесткие тре­ бования, поскольку перемещения мостовыми кранами больших грузов вызывают изменения в положении несущих колонн, а сле­ довательно и деформации подкрановых путей. Деформации вызы­ ваются, кроме того, неравномерными осадками фундаментов несущих колонн сооружения, температурными влияниями на кон­ струкцию и др. В результате возможен перекос крана, преждевре­ менный износ рельсов, балок.реборд ведущих колес крана и дру­ гие нарушения эксплуатационных норм.

213

При съемке подкранового пути расстояние между осями рель­ сов обычно измеряют стальной рулеткой. Высота головки рельса над исходной точкой определяется с помощью нивелира, а пря­ молинейность пути — створным методом. Как правило, в цехах заводов из-за плохих условий освещенности и сильных конвекци­ онных потоков воздуха с одной точки стояния теодолита или ни­ велира можно произвести съемку пути на расстояние 40—70 м.

Рис. V.20. Схема определения поло­ жения рельса в плане и по высоте:

а — р а с п о л о ж е н и е ла­

Применение же лазеров позволяет с одной установки прибора проконтролировать положение рельса иа участке 300—400 м. Это достигается благодаря высокой плотности энергии лазерного лу­ ча, причем условия освещенности в цехе не имеют почти никакого значения.

Луч лазера / (рис. V. 20), ориентированный по проектному положению оси рельса 3 и наблюдаемый визуально, является той

214

При небольших расстояниях между лазером и экраном наблю­ дается четкая дифракционная картина. При увеличении расстоя­ ния за счет удлинения пути луча в атмосфере начинают сказы­ ваться случайные изменения параметров светового пучка, вызы­ ваемые флуктуациями показателя преломления воздуха, и по­ этому дифракционная картина становится размытой.

При съемке подкранового пути допустимая погрешность опре­ деления положения оси рельса в плане характеризуется величи-

мм

Рис. V.22. График погрешностей в положении под­ крановых рельсов. Штриховой линией показано по­ ложение оси рельсов по результатам съемки лазе­ ром, сплошной — по результатам съемки теодолитом

ной 2—3 мм. Такая точность достижима при съемке лазерным визиром на расстоянии до 300 м.

На. рис. V. 22 приведены графики, полученные при съемке под­

и обратном направлениях. При съемке лазерным визиром потре­ бовалось сделать только одну станцию, а при съемке теодоли­ том — четыре. Результаты обеих съемок контролировались значе­ ниями расстояний между осями рельсов, полученными из непо­ средственных измерений стальной рулеткой, принимаемых за истинные величины. Погрешности определения оси каждого рель­ са с помощью ЛВ-1 и теодолита, оказались одинаковыми —• рав-

216

ными 3 мм, но затрата времени на съемку с помощью лазера по­ чти в три раза меньше, чем при съемке теодолитом.

Процесс съемки подкранового пути с помощью лазера доволь­ но легко поддается автоматизации [V..7, 12, 20].

§ V. 6. Геодезический контроль вертикальности сооружений с помощью зенит-приборов

При строительстве зданий низкой этажности для передачи разбивочных осей с одного монтажного горизонта на другой при­ меняются в основном теодолиты. Однако эти приборы не удовлет­ воряют требованиям точности при возведении высотных зданий и сооружений, так как метод передачи осей наклонным лучом об­ ладает рядом недостатков [V. 21], и суммарная погрешность в по­ ложении оси на 16—20-м этажах может достигать 10 мм. Для, вертикального проектирования при строительстве высотных зда­ ний и сооружений применяются специальные высокоточные зе­ нит-приборы, разработанные на основе нивелиров с самоустанав­ ливающейся линией визирования (см. гл. I V ) .

Для передачи разбивочных осей с помощью зенит-приборов на верхние монтажные горизонты на перекрытии первого этажа или в подвале разбивают вспомогательную опорную плановую сеть, состоящую из ряда базовых точек. Взаимное плановое положение этих точек определяют путем соответствующих угловых и линей­ ных измерений. Для передачи плановых координат с нижнего монтажного горизонта на верхние вертикальным проектировани­ ем в перекрытиях зданий оставляют небольшие сквозные от­ верстия.

Для определения планового положения проекции визирной оси

этих отверстиях укрепляют прозрачные палетки, на которых на­ несена сетка прямоугольных координат. Визируя в зенит-прибор, установленный на базовой точке, наблюдатель по полевому те­ лефону сообщает помощнику, находящемуся около палетки, о по­ ложении проекции визирной оси на плоскости палетки. Помощник отмечает эту точку карандашом или наколами иглой. Для умень­ шения влияния ошибок, вызванных несовпадением визирной оси и оси вращения прибора, проекцию визирной оси отмечают при четырех положениях вращающейся части зенит-прибора, отлича­ ющихся на 90°, а затем находят среднее из четырех положений визирной оси. Эта точка является опорной для данного монтаж­ ного горизонта, и относительно нее разбиваются монтажные оси.

В СССР создан оптический центрировочный прибор (ОЦП-2; «Зенит ОЦП» (рис. V. 23) на базе нивелира НСМ-2 с самоуста­ навливающейся линией визирования. Перед объективом прибора установлена пеитапризма / таким образом, чтобы линия визиро­ вания после преломления под прямым углом совпадала с осью

217