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

анализатором. При наложении напряжения кристалл становится двуосным (анизотропным); вошедший в него луч расщепляется

место интерференция двух лучей и в зависимости от приобретемной разности фаз W сквозь анализатор проходит составляющая в плоскости его оси. Диаграмма изменения характера поляри­ зации дана в верхней части рис. 11.14.

Достоинством модулятора на кристаллах ADP и KDP являет- _ ся малая инерционность продольного электро-оптического эффек­ та, позволяющая осуществлять модуляцию света до частот в де-

прочность и гигроскопичность. Оптические поверхности этих кри­ сталлов требуют защиты от воздействия атмосферной влаги.

Модуляторы на пьезокристаллах пока уступают в технологич­ ности изготовления жидкостной ячейке Керра. В отечественных, светодальномерах они пока не применяются.

Модулятор с дифракцией света основан на создании в опти­ чески прозрачной среде упругих продольных волн, вызывающих периодическое по пространству изменение показателя преломле­ ния. Параллельный поток света при своем распространении а такой среде дифрагирует на неоднородностях коэффициента пре^ ломления. Образуется ряд максимумов излучения с разными направлениями светового потока. Суммарная интенсивность па всем максимумам постоянна и равна интенсивности падающего, света. Распределение же энергии по максимумам зависит от интенсивности упругой волны. Дифракционный модулятор можетбыть осуществлен при использовании жидкой и твердой (кри­ сталлической) среды.

Наиболее выгодным оказалось использование твердой сре­ ды — кристаллов с пьезоэффектом — и создание в них стоячих; упругих волн за счет резонансных колебаний самого кристалла.. При этом значительно снижается мощность генератора модули­ рующего напряжения и возрастает глубина модуляции светового-. потока. На рис. 11.15. изображена принципиальная схема кри-- сталлического дифракционного модулятора.

70

Световой поток с помощью оптической системы формируется в параллельный и направляется в кристалл кварца А'-среза в нап­ равлении, перпендикулярном к направлению распространения в нем упругих волн. Размеры кристалла, его температура, частота возбуждения и т, п. подбираются такими, чтобы в нем образова­ лось стоячее волновое поле, возникающее и исчезающее каждые_ полпериода. Например, при использовании в качестве кристалла

Если стоячего поля нет, то световой поток проходит кристалл без изменений и небольшая часть его проходит через отверстие диафрагмы. При возникновении стоячего поля свет дифра-

V U

/Сопряженная настройка , /

контуроб

Высоко

вольтный

выпрямители

ДДДД Анодное напряжение

Рис. 11.16. Блок-схема генератора модулирующего напряжения с плавным диапазоном частоты

гирует и образуется ряд максимумов 0-го, 1-го, 2-го и т. д. поряд­ ков. При переменном поле дифракционные максимумы пульси­ руют, т. е. модулируют по амплитуде с удвоенной частотой воз­ буждения. С помощью диафрагмы выделяется один из максиму­ мов (обычно нулевого порядка), который и используется далее для измерений. Одновременное использование нескольких макси­ мумов невозможно; так как все они имеют разную фазу моду­ ляции.

К числу достоинств кристаллического дифракционного моду­ лятора относится отсутствие поляризующих устройств, что уве­ личивает световой поток, по сравнению с ячейкой Керра и ячей­ кой Поккельса, в 2—3 раза. К недостаткам — возможность воз-

71

буждения кристалла и модуляции только на одной частоте. При необходимости иметь в светодальномере несколько фиксирован­ ных частот (для разрешения многозначности), нужно иметь ко­ личество кристаллов, равное количеству частот. Скорость распро­ странения упругих волн в кристалле сильно зависит от его тем­ пературы; изменение температуры на 2—3° приводит к срыву модуляции. Поэтому кристаллы помещают в термостат, что в целом делает конструкцию модулятора технически сложной.

Генераторы. В светодальномерах используются разные по на­ значению и устройству генераторы. Особенности схем генерато­ ров зависят от того, какой принцип разрешения многозначности применен в светодальномере. Существенное влияние на схемы генераторов оказывает также и применяемый модулятор света.

Генератор модулирующего напряжения с плавным диапазо­ ном частоты применяется пока только в светодальномерах с ячей­ кой Керра (СВВ-1, ТД-1, СТ, «Кристалл» и др.). Как было ска­ зано ранее, модулирующее напряжение должно состоять из двух слагаемых: переменного напряжения Um sin со^ и поляризующего напряжения Е0. Величины Um и Е0 определяются значением кри­ тического напряжения Ет конденсатора Керра и выбранным ре­ жимом работы.

В общем случае генератор должен состоять из следующих узлов: задающий генератор, буферный каскад и умножитель час­ тоты, а также усилитель мощности (рис. 11.16). На этом же ри­ сунке схематически показаны и диаграммы напряжений. Нали­ чие нескольких каскадов обусловлено необходимостью получения высоких модулирующих напряжений, устранения склонности всей схемы к самовозбуждению и уменьшению влияния измене­ ния нагрузки выходного каскада (усилителя мощности) на часто­ ту задающего генератора.

отсчета частоты, уход частоты составлял не более 2 -10- 6 - Изме­ нение частоты достигается применением конденсаторов перемен­ ной емкости или изменением индуктивности колебательного кон­ тура. Сравнительно просто удается получить изменение частоты в пределах 8—10%ют номинального ее значения.

Для задающего генератора используются радиолампы с ме­ ханически прочной конструкцией и мало изменяющие свои внутриламповые. емкости при нагревании. Задающий генератор обычно имеет сопряженную настройку с усилителем мощности.

Буферный каскад отделяет задающий генератор от всех ос­ тальных каскадов схемы и служит для ослабления влияния изменения нагрузки усилителя мощности на частоту задающего генератора. Радикальный способ устранения самовозбуждения —

72

применение такой схемы, когда каждый последующий каскад настроен на большую частоту, чем предыдущий. С этой целью используют каскады, работающие в режиме удвоения частоты. Для уменьшения числа радиоламп часто буферный каскад явля­ ется одновременно и удвоителем частоты, а радиолампа буфер­ ного каскада работает в режиме отсутствия сеточных токов. Если диапазон изменения частоты задающего генератора не превыша­ ет 10%|, т 0 в анодной цепи буферного каскада можно применять полосовой фильтр с фиксированной настройкой вместо контура, перестраиваемого сопряженно с контуром задающего генератора.

Усилитель мощности (выходной каскад) должен обеспечивать получение напряжения высокой частоты такой амплитуды, кото­ рая необходима для нормальной работы конденсатора Керра. При изменении ширины щели конденсатора Керра от 0,4 до 0,6 мм и длине электродов около 6 мм амплитудное значение переменного напряжения должно быть в пределах 800—1800 В. Как правило, конденсатор Керра подключается параллельно анодному контуру усилителя мощности, составляя часть его ем­ кости. Колебательная мощность Р, отдаваемая выходным каска­ дом, может быть подсчитана по формуле

Особенностью усилителя мощности является наличие в нем подстроечного конденсатора, необходимого для настройки конту­ ра в резонанс из-за изменения нагрузки (изменения емкости конденсатора Керра при разогревании, достигающего 3—5 пФ при емкости конденсатора Керра 10—20 пФ). Как видно из при­ мера, выходной каскад должен обладать значительной мощно­ стью, причем более 3 Д расходуется на питание конденсатора Керра.

Диэлектрические (т- е. тепловые) потери мощности в конден­ саторе Керра на переменном токе-могут быть подсчитаны по формуле

73

Например, при £/=1400 В, f=107 Гц; С = 20 пФ = 20-10-1 2 Ф и tg6 = 2,5 - Ю - 3 диэлектрические потери мощности составляют Р = 14002 -6,28-20-10-,2 -2,5-10-3 = 6 Вт, а при двух конденсаторах Керра — около 12 Вт.

Выделение такой, сравнительно большой, мощности приводит к разогреванию конденсаторов и как следствие — к уменьшению постоянной Керра и глубины модуляции. При работе зимой вы­ деляемое тепло полезно, так как препятствует замерзанию нитро­ бензола (точка замерзания нитробензола + 6°).

Термостат^

РИС. 11.17. Блок-схема генератора модулирующего напряжения на фиксированных частотах

Генератор модулирующего напряжения на фиксированных частотах применяется в светодальномерах с различными типами модуляторов. Блок-схема такого генератора дана на рис. 11.17. Отличительной ее особенностью по сравнению с предыдущей схе­ мой является применение в задающем генераторе в качестве первичных источников колебаний кварцевых резонаторов на раз­ личные частоты. Включение их при наблюдениях производится поочередно. С целью стабилизации частоты кварцевые резонато­ ры помещены в термостат.

При использовании в качестве модулятора ячейки Керра при­ меняются все три каскада генератора, что обусловлено необхо­ димостью получения высокого напряжения и определенной мощ­ ности. При использовании в качестве модулятора полупроводни­ ковых источников рекомбинационного излучения (ПИРИ) в задающем генераторе вместо радиоламп могут применяться транзисторы. При этом необходимость в усилителе мощности отпадает, так как необходимое модулирующее напряжение (1,5— 2 В) может быть получено непосредственно с выходного контура буферного каскада.

Генератор поляризующего напряжения характерен для светодальномеров с ячейкой Керра. По абсолютному значению поля­ ризующее напряжение должно быть больше амплитудного зна­ чения модулирующего напряжения.

При визуальных наблюдениях при определенном соотношении поляризующего и переменного напряжений можно получить наи-

74

более остро выраженные экстремумы светового потока, что спо­ собствует повышению точности измерения расстояний (см. рис. 11.13). Один из способов получения поляризующего напряжения заключается в том, что часть высокочастотного модулирующего напряжения с усилителя мощности отводится в высоковольтный выпрямитель (см. рис. 11.16), сглаживается фильтром и последо­ вательно с анодным напряжением подается на конденсаторы Кер­ ра. Значение поляризующего напряжения в этом случае равно сумме амплитуды модулирующего и анодного напряжений. Недо­ статок этого способа — невозможность плавного изменения поля­ ризующего напряжения в некоторых пределах, что бывает необ­ ходимо при оптимизации режима напряжений при наблюдениях

го изменения фазы модулирующего напряжения на 180° при осу­ ществлении наблюдений парафазным способом [см. формулу (11.38)]. Следует отметить, что формирование напряжения пря­ моугольной формы порядка 2—3 кВ, необходимое для парафазного способа наблюдений, связано со значительными трудностя­ ми.' Поэтому обычно применяют напряжение трапецеидальной формы (рис. 11.18), получаемое в результате амплитудного огра­ ничения напряжения синусоидальной формы независимо работа­ ющего генератора. Мощность, потребляемая конденсатором Кер­

няется визуальная и фотоэлектрическая индикация светового

75

потока. При визуальном способе наблюдений фазовые соотноше­ ния оцениваются по зрительному ощущению наблюдателя. При фотоэлектрическом — по значению фототока, вызываемого полез­ ным световым сигналом.

иных нервных волокон различают «колбочковое» — дневное зре­ ние и «палочковое» — ночное.

Общий диапазон освещенностей на зрачке, при которых воз­ можна работа человеческого глаза, составляет от 10~8 до 103 лк. Максимальная чувствительность колбочек приходится на длину волны 556 нм (желто-зеленый цвет); максимальная чувст­ вительность палочек — 507 нм (зелено-голубой цвет) (рис. 11.19). При работе со светодальномером освещенность на сетчатке, обу­ словленная полезным световым сигналом, меняется и в зависи­ мости от расстояния, прозрачности атмосферы и других факто-

76

ров, находится в пределах от Ю - 6 до 1 лк. Если освещенность больше оптимальной, то диафрагмированием оптической системы ее можно уменьшить до желаемых пределов.

При измерении больших расстояний ночью работает смешан­ ное зрение; небольших расстояний ночью и днем — колбочковое зрение. Таким образом, в зависимости от условий наблюдений положение максимума спектральной чувствительности глаза не­ постоянно, что приводит к возникновению небольшой по величине субъективной ошибки.

Инерционность зрительного восприятия характеризуется пос­ тоянной времени глаза. При большой освещенности постоянная времени около 0,03 с, при малой — до 0,25 с. Адаптация — изме­ нение чувствительности глаза — связана с изменением диаметра зрачка и переходом от колбочкового. зрения к палочковому. Темновая адаптация требует большего времени, чем световая.

Для оценки точности визуальных измерений нужно знать раз­ решающую способность глаза по амплитуде или так называемую «контрастную чувствительность». На рис. 11.19, б приведена кри­ вая контрастной чувствительности в зависимости от освещенно­ сти на зрачке глаза. Как следует из рисунка при освещенности в пределах 1 0 _ 3 — Ю - 4 лк контрастная чувствительность составляет около 2% по отношению к суммарному световому потоку. Для сравнения укажем, что освещенность такого порядка создается световым потоком от Венеры в ее максимальной фазе.

Весьма важным для характеристики визуальных наблюдений является психо-физиологический закон Вебера-Фехнера, согласно которому при изменении освещенности в геометрической прогрес­ сии субъективные ощущения изменяются в арифметической про­ грессии. Так, если оптимальная освещенность на зрачке, создан­ ная полезным световым сигналом, изменяется в 10 раз в большую или меньшую сторону, то точность наблюдений остается, практи­ чески, постоянной. Действие закона. Вебера—Фехнера нашло свое проявление в независимости фазовой ошибки светодальномерных измерений от расстояния.

Для определения длины волны света, при которой имеет мес­ то максимум спектральной чувствительности глаза [Ад, в формуле [(1.3)], нужно перемножить ординаты (см. рис. 11.19,а), соответ­ ствующие избранным значениям длины волн. Такое перемноже­

лее длинных волн. Поскольку при визуальных наблюдениях ра­ ботает смешанный-аппарат колбочко-палочкового "зрения, для расчета показателя преломления п [см. (П.2)] принимается мак­ симум спектральной чувствительности, равный 560 им.

При использовании в визуальных светодальномерах монохро­ матических источников света показатель преломления должен рассчитываться для длины волны этого излучения.

77

Фотоэлектрическая регистрация светового сигнала. Достоин­ ством фотоэлектрического способа регистрации фазы по сравне­

в электрическую-—фотоэлектронный умножитель (ФЭУ). Поро­ говая чувствительность ФЭУ имеет тот же порядок, что и поро­ говая чувствительность глаза (около Ю - 1 1 лм), но инерционность ФЭУ значительно меньше инерционности глаза. Это дает фото­ электрической индикации дополнительное преимущество. Флук-

Опорное Высокочастот­

Д<р=90

Рис. 11.20. Блок-схема фотоэлектрического приемника

туации светового сигнала, которые вызываются динамическими процессами в атмосфере, имеют частотный спектр с максимумом на частоте в несколько герц. При визуальных наблюдениях эти флуктуации мешают работе, так как глаз реагирует на них. При фотоэлектрической регистрации фазовое сравнение можно про­ изводить на частоте, значительно большей, чем верхняя граница спектра флуктуации и таким образом избавиться от этого, вида помех.

Разрешающая способность фотоэлектрического приемника (ФЭП) При слабых сигналах определяется отношением полезно­ го сигнала к шуму на выходе приемника. При сильных сигналах она определяется в основном параметрами индикаторного уст­ ройства и может быть весьма высокой, тогда как для глаза раз­ решающая способность не превышает определенного предела (см. рис. 19, б).

ФЭП в общем случае состоит из светочувствительного элемен­ та (ФЭУ), усилителя фототока и индикаторного устройства. Наи­ более распространена в настоящее время парафазно-балансная

78

схема ФЭП с двойным детектированием: в ФЭУ и балансном де­ текторе. Эта схема применяется в светодальномерах «Кварц» МСД-1 и геодиметрах (рис. 11.20).

Модулированный световой поток, фаза которого изменяется

ния непостоянства времени прохождения сигнала внутри ФЭУ на точность измерений фазовое сравнение производится на участке катод —первый эмиттер, для чего на этот участок подается опор­ ное модулирующее напряжение от усилителя мощности. Фототок проходит через ФЭУ только в том случае, если на первом эмитте­ ре положительное относительно катода напряжение.

Так как опорное напряжение переменное, то через ФЭУ про­ ходит пульсирующий ток, постоянная составляющая которого зависит от фазовых соотношений между модулированным све­ том, приходящим с дистанции и высокочастотным опорным на­ пряжением. Если бы фаза модуляции не претерпевала периоди­ ческих изменений на 180°, то постоянная составляющая фототока была бы максимальной при совпадении фаз опорного напряже­ ния и модулированного света и равна нулю при ср=180°.

Модулированный световой поток изменяет периодически свою фазу на 180° с частотой трапецеидального напряжения, поэтому в общем случае при произвольном соотношении фаз опорного напряжения и модулированного света будет иметь место измене­ ние постоянной составляющей с частотой трапецеидального на­ пряжения. Эти изменения прекращаются при разности фаз Дер, равной 90°, т. е., если в расстоянии 2Д укладывается нечетное количество четвертьволн [см. формулу (11.39)]. Если это условие не соблюдается, то сдвигая фазу опорного напряжения с помо­ щью фазовращателя на величину I [см. формулы (11.37) и (11.39)], добиваются разности фаз, равной 90°, что регистрируют с помощью балансного детектора, на выходе которого включен нульиндикатор, показывающий разность фототоков за положи­ тельный + i и отрицательный —i полупериоды трапецеидально­ го напряжения.

Измерители частоты. Так как частота модуляции непосредст­ венно входит в формулу для определения расстояния, то в мо­ мент фазового детектирования нужно знать значение частоты с относительной точностью в 2—3 раза большей, чем заданная результативная точность измерения расстояния-

В светодальномерах с фиксированными частотами для полу­ чения модулирующих колебаний используются кварцевые генера­ торы, стабильность частоты которых поддерживается с'точнос­ тью, порядка 2 - Ю - 7 в течение длительного времени. Числовое значение частоты определяют ее эталонированием — сравнением с частотой эталонных колебаний, подаваемых в эфир по радио или в лаборатории по проводам. Эталонирование и установка частоты в номинал производится 2—3 раза в год.

79