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

ние фаз выходящего из модулятора и поступившего в приемник светового потока. Для обеспечения синхронности модуляции и фазового детектирования на модулятор и фазовый детектор по­ дается одно и то же напряжение с частотой f от генератора. На­ пряжение, подаваемое на фазовый детектор, носит названиеопорного.

Фазовое детектирование может осуществляться визуально,, непосредственной оценкой интенсивности демодулированногосветового потока, или фотоэлектрически — с помощью фотоум­ ножителя, преобразующего световой поток в электрическое на­ пряжение. В зависимости от этого светодальномеры разделяют на визуальные и фотоэлектрические.

Рассмотрим результирующую взаимодействия световогопотока, пришедшего с дистанции, с приемным устройством светодальномера для простейшего случая, а именно: модуляция свето­ вого потока и чувствительность (пропускная способность) приемника изменяются по синусоидальному закону. Модулиро­ ванный световой поток А, выраженный в каких-либо светотехни­

50

мого за период модуляции, зависит от величины домера фазово­ го цикла. Если А = 0 (т. е. в расстоянии 2Д укладывается целое число N циклов модуляции), то световой поток максимален; при А = я, когда в расстоянии 2Д укладывается /V + '/2 циклов мо­ дуляции, световой поток минимален. Формула ( I I . 11) для вы­ числения расстояний в этом случае принимает вид:

значением фазы модулирующего напряжения. С целью измене­ ния фазы в цепь генератор — приемник света (см. рис. I I . 4) или генератор — модулятор включают градуированный фазовра­

51

тельно больше, чем период модуляции света. Тогда точность из­ мерений домера фазового цикла зависит от того, на какой части характеристики светового потока выполняются измерения. Непосредственно из рис. П. 5, а следует, что при одной и той же разрешающей способности йф индикатора ошибка измерений dA будет наименьшей на наиболее крутых частях кривой свето­

сообразно использовать наиболее крутые участки кривой свето­ вого потока. В светодалыюмерах это осуществляется при наблю­ дениях так называемым парафазным способом в динамическом

она сдвинулась по оси А на 180°.

Таким образом, при неизменном значении А в начальном по­ ложении индикатор покажет значение фототока, пропорциональ-

* Скачкообразный сдвиг фазы опорного напряжения на 180° часто на­ зывают модуляцией по фазе П-образным напряжением или модуляцией на­ пряжением прямоугольной формы.

52

скачкообразное изменение фазы осуществлять периодически, с

Обычно при осуществлении парафазного способа в качестве индикатора применяют стрелочный прибор, показывающий разность фототоков. Стрелка такого прибора установится на нуль, если фототоки независимо от переключения фазы на 180° будут одинаковы. .Для этого нужно с помощью фазовращателя изменять фазу до тех пор, пока световые потоки Ф и Ф 1 8 0 не ста­

вдвое чаще,' чем при наблюдениях экстремумов. Формулы для вычисления расстояний примут вид

Парафазный способ наблюдений можно осуществить без модуляции по фазе на 180° (статический режим). Для этого надо иметь два одинаковых приемника света, опорное напряжение на которых сдвинуто по фазе на 180°. Приходящий от отражателя

го из приемников. Между выходами приемников включен нульиндикатор, показывающий разность фототоков. Изменяя часто­ ту модуляции или фазу опорного напряжения одновременно для

осуществляется в динамическом и статическом режимах. В ди­ намическом режиме, так называемом способе мерцаний, модуля-

5 »

световой поток, поступающий от отражателя, с помощью двулучепреломляющей призмы оптически разделяется на два, моду­

способы точнее экстремальных в 3—5 раз.

Физические процессы, происходящие в различных узлах све­ тодальномеров, совершаются с затратой определенного времени (временные задержки). Так, прохождение световых волн через стеклянные детали приемо-передатчика и отражателя, происхо­ дит, примерно, на '/з медленнее, чем в воздухе. Распространение электрических колебаний по проводам в приемо-передатчике также примерно на 7з медленнее, чем скорость света. Световой поток, поступающий на фотоэлемент приемника, превращается в фототок со значительным запозданием, зависящим от напря­ жения между катодом и анодом фотоэлемента, местом падения на катод фотоэлемента светового потока и т. д. Всеотмеченные факторы вызывают фазовые искажения, не учитываемые преды­ дущими формулами и требуют введения в результаты измерений так называемой постоянной поправки дальномера К.

Постоянную К можно разделить на две части: \)К3— электри­ ческую, зависящую от временных задержек в радиоэлектронных трактах светодальномера, и Кг — геометрическую, завися­ щую от прохождения света через оптические детали и внецентренности приемо-передатчика и отражателя относительно конеч­ ных точек измеряемой линии.

Электрическая часть К э в значительной мере непостоянна, поэтому обычно применяются методы наблюдений, позволяющие исключить ее из результатов измерений. С этой целью в фото­ электрических светодальномерах вводят так называемую калиб­

54

где А — домер фазового цикла, измеренный по фазометру; Кэ — электрическая часть постоянной, выраженная в линейной мере.

Переключим после этого модулированный световой поток с дистанции в ОЛЗ и при том же значении Д по отсчетиому устройству ОЛЗ получим отсчет /.

Трудность практической реализации' этого метода в том, чтоминимальная длина ОЛЗ должна быть равна 1 / i длины волны модулированного света. Например, при К=Ш м длина ОЛЗ должна быть не менее 7,5 м. Изготовление ОЛЗ такой длины и ее эксплуатация представляют собой довольно сложную задачу,, а сам блок ОЛЗ' получается громоздким и тяжелым. Примене­ ние ОЛЗ' перспективно для светодальномеров, работающих на более высоких частотах модуляции, при необходимости получе­ ния точности измерений, исчисляющейся миллиметрами. Так г ОЛЗ применена, в частности, в маркшейдерском светодальномере МСД-1, имеющем частоту модуляции около 150 МГц (длина волны 2 м); длина ОЛЗ при этом равна 1 м.

• В тех случаях, когда результативная точность измерений ис­ числяется сантиметрами, успешно применяется так называемый калиброванный фазовращатель, представляющий собой, чаще всего, индуктивный фазовращатель, для отдельных штриховшкалы которого определены поправки Кэ, обусловленные вре­ менными задержками в электрических цепях и нелинейностью

счетов). Для каждой опорной точки поправка определяется изсоотношения

дальномером значение базиса.

Далее строится график (или составляется таблица) поправок Кэ для шкалы фазовращателя и при необходимости в отсчеты па

55

фазометру вводятся поправки. Такой способ исключения задер­ жек применен, например, в отечественном светодальномере КДГ = 3 [ I I . 17].

Второй способ исключения электрических задержек заклю­ чается в создании светодалы-юмера, имеющего полностью иден­ тичные или взаимозаменяемые передающий и приемный тракты. Это возможно в светодальномерах, имеющих одинаковые моду­ лирующее и демодулирующее устройства, и применяется, в част­ ности, в визуальных светодальномерах. Пусть имеет место вре­ менная задержка / м в-отправном и приемном трактах. Тогда, со­ гласно формулам (II.7) п (II.8), можно написать

<Роп = 2*/(*-Ин ) + ф;

<Ротр = 2тг/ ( * — * + * „ ) + ф ,

приемного трактов невозможно. В этом случае для исключения временных задержек применяется перемена функций передачи и приема между передающим и приемным трактами светодальномера.

Если в модулирующем тракте временная задержка / м , а в

ства при этом остаются на своих местах). В этом случае пере­ датчик будет выполнять функции приемника и наоборот. На ос­ новании тех же формул ( I I . 7) и (П. 8) напишем

56

Определение геометрической Кг части поправки производят путем расчета и непосредственного измерения по прибору. Вся­ кая оптическая деталь на пути модулированного луча на участке передатчик — отражатель-—приемник вызывает временную за­ держку, выражаемую обычно в линейной мере:

время распространения света будет больше, т. е. измерено как бы большее расстяние, чем в действительности. Следовательно, поправку Кг, связанную с этим, нужно всегда вычитать из изме­ ренного расстояния, что и символизирует знак минус в формуле (11.46).

Другим источником возникновения поправки Кг является несовпадение электрического и механического центров в приемо­ передатчике и отражателе. Под электрическим центром подра­ зумевают точку начала и конца измерений в приемо-передатчике и отражателе; под механическим — точку, по которой устанавли­ вается (центрируется) приемо-передатчик и отражатель над ко­ нечными точками измеряемой линии. Необходимые данные бе­ рутся обычно из чертежей прибора или непосредственно измеря­ ются по нему.

§ II. 6. Общая характеристика основных узлов светодальномеров

Источники света. В качестве генераторов световых колебаний применяются следующие источники излучения: тепловые, газо­ разрядные, лазерные (оптические квантовые генераторы) и по­ лупроводниковые источники рекомбинационного излучения

(ПИРИ) .

Характеристики тепловых излучателей (ламп накаливания) полностью определяются их температурой. Поскольку излучение происходит в режиме спонтанного перехода атомов и электронов с высоких энергетических уровней на более низкие, оно занима­ ет широкий спектр частот, является некогереитным и рассеива­ ется равномерно во все стороны. Тепловые излучатели удобны в эксплуатации, но имеют малую интенсивность излучения и по-

5?

этому находят применение в светодальномерах с небольшой дальностью действия.

В газоразрядных излучателях (ртутные и аргоно-цирконие- вые лампы) используется излучение газов или паров металлов, возникающее под действием проходящего через них электриче­ ского тока. Излучение спонтанно, в общем случае с линейчатым •спектром, может быть сделано частично направленным. Газораз­ рядные лампы обладают более высоким к. п. д., чем тепловые излучатели. К недостаткам газоразрядных ламп относится необ­

ностью, высокими направленностью и интенсивностью. Эти ка­ чества позволяют положительно решать такие задачи, как боль­ шая дальность действия, помехоустойчивость и более высокая точность измерений, чем при использовании других источников света. Имеется возможность высокочастотной модуляции лазер­ ного излучения за счет применения пьезоэлектрических элемен­ тов; помещаемых в резонаторе, или за счет выделения биений аксиальных мод. Газовые лазеры с непрерывным режимом излу­ чения применяются в светодальномерах с большой дальностью действия. Имеются экспериментальные образцы безмодулятор-- ных светодальномеров, основанных на биениях аксиальных мод. К недостаткам лазеров относится сложность их питания и срав­ нительно высокая стоимость, доходящая до ! Д стоимости комп­ лекта светодальномера.

Из полупроводниковых источников излучения находит приме­ нение источник рекомбинационного излучения (ПИРИ) на основе арсенида галлия (AsGa), представляющего собою плоскостной

58

диод, p-n-переход которого образует потенциальный барьер, пре­ пятствующий проникновению электронов в р-область, а дырок в п-область полупроводника (рис. П. 7, а). Если подать смещение в прямом направлении, то потенциальный барьер исчезает, элек­ троны инжектируются в р-область, где они рекомбинируют (за­ полняют) дырки. В результате рекомбинации из узкой области активной зоны вблизи р-/г-перехода (ширина зоны около 2 им) происходит излучение фотонов, т "е. происходит преобразование энергии электрического тока в световую. Излучение узкополосно и невидимо. Интенсивность его почти линейно зависит от прохо­ дящего через диод тока (рис. I I . 7, б). Это дает возможность про­ изводить амплитудную модуляцию излучения в ПИРИ путем из­ менения питающего диод тока. Время рекомбинации носителей тока меньше 1 • Ю - 1 0 с, в связи с чем частота модуляции света мо­ жет достигать сотен мегагерц. Величина питающего ПИРИ тока находится в пределах 1А при напряжении 1—2 В. Таким образом,, потребляемаямощность очень мала (1—3 Вт), что позволяет осуществить миниатюрный светодальномер, питаемый от сухих элементов. Мощность излучения в непрерывном режиме работы находится в пределах 0,0002—0,0005" Вт; излучение спонтанное, частично направленное. При работе в импульсном режиме со значительной скважностью удается снять мощность в несколько

туре. Для повышения к. п. д. на один порядок диод нужно охлаж­ дать до температуры жидкого азота (77 К°).

ПИРИ является весьма перспективным излучателем для светодальномеров малой дальности действия. Он применен в свето­ дальномерах МСД-1 и КДГ-3.

В табл. I I . 1 приведены сравнительные энергетические харак­ теристики источников света. При составлении таблицы для пере­ хода от световых единиц к энергетическим принято, что люмен—

Это дает основание к их применению в светодальномерах с боль­ шой дальностью действия и для работ в дневных условиях.

Очевидно по случайному обстоятельству земная атмосфера имеет «окно прозрачности» в области длины волны света 633 нм,

59