Геодезія 2

Будь-які фазовимірювальні пристрої вимірюють різницю фаз тільки в межах одного періоду, тобто, від 0 до 2яг. Маючи це на увазі, представимо А<ру вигляді:

		А(р-у/	+ Ау/	,			(ІІ.6.30)
де у/ - різниця фаз, кратна 2/г; Ау-			різниця		фаз в межах	одного	періоду,
тобто А у/ < 2л. Враховуючи		формулу (II.6.30), запишемо				(II.6.29)	в дещо
іншому	вигляді:
		І2/г	2п)	2/	.		( „ . « і )
У	формулі (11.6.31)	у / 1 =	ціле		число (кількість коливань);

А у / І 2 я ~ Ш - правильний дріб. Тепер формулу (II.6.31) запишемо ще так:

5 = (АГ +	(ІІ.6.32)
На кінець, враховуючи формулу (II.6.22), запишемо (ІІ.6.32) в такому
вигляді:
5 = (ЛГ + Д У ) | .	(ІІ.6.33)
Розглянемо фізичний зміст двох складових правої частини	формули
(ІІ.6.33). Я / 2 - половина довжини хвилі, це особливий "метр", особлива			(не
реальна) "одиниця довжини", яку ніби відкладають N разів в лінію, яку
вимірюють. Добуток Аії • Я/2 - частина "метра", що д о п о в н ю є цілому		числу
"метрів" до віддалі, що вимірюється. Нагадаємо, щ о Аїї = Ау//2л,	де	Ау/	-

різниця фаз, яка вимірюється. Таким чином, у формулі (11.6.33) дві невідомі:

5 та N. Д і я того, щоб найти		N, або, як	прийнято говорити,		розв'язати
неоднозначність,	вимірювання	фазовими	віддалемірами	виконують		на
декількох частотах. Нагадаємо, що п/п та відбивач центруються					так, що
не точно дорівнює 5 (див. рис. ІІ.6.1), тоді (ІІ.6.33) повинна бути					доповнена
постійною віддалеміра К. Тому кінцева формула віддалеміра має вигляд:
	5 = № +		+		(ІІ.6.34)
Постійна світловіддалеміра К є "постійною" умовно. В о н а					змінюєть-
ся із часом і	залежить від температури		та зовнішнього	середовища.		В

останні роки у с/в використовують більш довгі хвилі (червоні, інфрачервоні), які менше поглинаються атмосферою. Навпаки, у радіовіддалемірах використовують більш короткі хвилі, які менше відбиваються від підстилаючої поверхні та легко концентруються в промінь.

11.6.6. Блок-схема візуального	світловіддалеміра з визначенням
різниці фаз за екстремумами	світлового потоку

Типовим представником такого віддалеміра є світловіддалемір СВВ- 1 (світловіддалемір Васильєва-Величко), у якому індикатором різниці фаз

222

служить око спостерігача. Блок-схема візуального с/в показана на рис.

ІІ.6.6.

м/с

спостерігач

Рис. ІІ.6.6. Блок-схема візуального світловіддалеміра.

Модулятор і демодулятор світла (м/с і д/с) конструктивно аналогічні (це конденсатори Кера) і працюють синхронно, керовані за допомогою змінної синусоїдальної напруги, що подається на конденсатори від генератора масштабної частоти (гмч). Коли напруга подана на пластинки конденсатора, світло проходить, коли напруга знята - світло не проходить між пластинками. Лінзи 77,, Л2, Лг, Лі збирають промені, що розходяться, в пучки, або перетворюють розбіжні пучки в майже паралельні. Величина потоку світла Ф на виході д/с залежить від різниці фаз між відправленою на дистанцію та прийнятою з дистанції хвилями світла. Око спостерігача здатне фіксувати тільки екстремальні значення світлової енергії; більш впевнено око фіксує мінімум світлової енергії Ф т ш . Як видно з рис. ІІ.6.7.

мінімум	світлового потоку Ф настає під час різниці фаз, кратній 2 л; а мак-
симум -	під час різниці фаз, кратній п.

Рис. ІІ.6.7. Зміна світлового потоку на виході демодулятора світла (д/с) в залежності від різниці фаз.

Це означає, що для того, щоб на виході д/с мати Фт і п (мінімум відбитого сигналу), необхідно, щоб різниця фаз була кратною 2я. Цього можна досягти, якщо поступово змінювати масштабну частоту і, цим самим, змі-

223

нювати довжину своєрідного "метра" Л/2 = С / 2 / , . Візуальні с/в оздоблені пристроями для поступової зміни частоти (без стрибків). Так в с/в СВВ-1 частоту можна плавно змінювати в межах від 9,6 до 10,4 МГц. Якщо різниця фаз кратна 2л; тоді А/У = 0 і формула (И.6.33) набуває вигляду:

8 =	+	(ІІ.6.35)
Для розв'язку неоднозначності	(в рівнянні (ІІ.6.35) невідомі	5 та Щ

вимірювання виконують не менше, ніж на двох частотах. Нехай для деякої

довжини хвилі у в лінії, що вимірюється, вкладається У ,		циклів:
$ =	+	(ІІ.6.36)

Будемо поступово змінювати частоту, наприклад, збільшуючи її. Тоді око спостерігача буде спочатку бачити збільшення яскравості світла, вона

досягне максимуму, а потім знову наступить мінімум світла.	Тому ^ в
лінії, що вимірюється, вкладається И 2 циклів, до т о г о ж,	Л/2 = /V, +1.

Продовжують збільшувати частоту й обраховують кількість мінімумів, що спостерігалися. Нехай, всього їх буде п . Тоді Мп = (ЛГ, + п ) , а довжина хвилі

ЯС

-2- = . Тепер запишемо друге рівняння, аналогічне (ІІ.6.36):

5	=	+	+	(ІІ.6.37)
У рівняннях (11.6.36) та	(11.6.37) невідомі 8			та тУ,. Одночасний		роз-
в'язок цих рівнянь дає значення двох			невідомих. Т о ч н і с т ь вимірювання лі-
ній цим віддалеміром характеризується відносною				Д 5	1	•
				п о х и б к о ю — =

На жаль, візуальні віддалеміри мають ряд недоліків. Це:

1.Спостереження дуже стомлюють око;

2.Низька точність реєстрації різниці фаз;

3. Необхідність мати в польовому комплекті в і д д а л е м і р а частотомір для вимірювання частоти/, щ о значно збільшує м а с у віддалеміра.

Усунення цих недоліків здійснюється в и к о р и с т а н н я м віддалемірів зі стабільними, наперед заданими, частотами та з а м і н о ю візуального визначення різниці фаз на фотоелектронне.

11.6.7. Блок-схема світловіддалеміра на фіксованих			частотах		із
парафазним	фотоелектронним	визначенням різниці		фаз
Зразу зазначимо, що в сучасних світловіддалемірах				використовують
лазери. Це не	тільки більш сильні	джерела світла, щ о	п о л і п ш у є		вимірю-

224

вальні якості с/в, точніше, дає можливість вимірювати довгі сторони, але, одночасно, ці джерела є модуляторами світла: частота модуляції залежить від частоти генератора вимірювальних (масштабних) частот.

Нехай лазер Л - джерело та модулятор світла (рис. ІІ.6.8) посилає імпульс світла, колімований лінзою Я", в майже паралельний пучок. Світло досягає відбивача, повертається й попадає на лінзу Кг, яка збирає світловий сигнал в фокусі і направляє його на демодулятор.

Рис. II.6.8. Блок-схема с/в із фотоелектронною реєстрацією різниці фаз.

Демодулятор - фотоелектронний помножувач (ФЕП) перетворює світловий сигнал в електричний струм, який подається на індикатор. З генератора масштабної частоти (ГМЧ) подається на ФЕП ще й опорний електричний сигнал, який також поступає на індикатор. Подальше завдання - знайти різницю фаз опорного сигналу та сигналу, який повернувся з дистанції. Розглянутий раніше віддалемір дозволяє порівнювати не яку завгодно різницю фаз, а тільки кратну 2л або тг; ця різниця фаз створювалась поступовою зміною частоти модуляції світла. У віддалемірі з фіксованими частотами така можливість відсутня. Тому, в опорному тракті встановлюється особливий пристрій, що затримує в часі електричний сигнал. Ц е й пристрій дістав назву фазообертач. Таким чином, фазообертач дозволяє встановити бажану різницю фаз без зміни частоти модуляції світла.

Величина струму І , що поступає на індикатор із демодулятора, залежить від тільки що названої різниці фаз. Нехай під час відключеного пристрою для зміни фази на 180°, на індикатор поступає з демодулятора сигнал / , , який має вигляд синусоїди (рис. ІІ.6.9).

Я к щ о увімкнути пристрій і змінити фазу на 180°, тоді і на індикатор прийде сигнал / 2 , зсунутий по фазі відносно сигналу /, на 180°. Оскільки в даному методі порівняння різниці фаз виконується за допомогою двох груп сигналів із фазами, щ о відрізняються на 180°, то метод названий парафазним. Електричні сигнали /, та / 2 (фотоструми) не тільки зсунуті по фазі на

225

180°, але і йдуть назустріч один одному (потоки електронів протилежно направлені). Зміна (перекид) фази на 180° проходить автоматично із частотою 80-100 Гц. Як бачимо з рисунку, рівність сигналів /, і / 2 настає тоді (стрілка індикатора встановиться на нуль), коли різниця фаз між сигналом з дистанції та опорним сигналом буде дорівнювати 0,5 яг, 1,5 л-, 2 , 5 я , 3,5п,

тощо. У загальному вигляді А<р = ІЯ'л +

• Щоб досягнути саме такої

різниці фаз (вивести стрілку індикатора на нуль), потрібно внести додатковий фазовий зсув з допомогою фазообертача. Нехай цей додатковий зсув становить в. Тоді повна різниця фаз буде:

А<р = }1'-л + ^ + в.

		Зл			4л		5тт	6л	* ^
Рис. ІІ.6.9. Синусоїдальні струми			/,	та / 2 , щ о п о д а ю т ь с я з демодулятора на
		індикатор.
Використаємо загальну формулу світловідцал е м і р а (II.6.29):
		2л		2 /					(ІІ.6.29)
Підставимо значення	А<р з формули (II.6.38). О т р и м а є м о :
	И'л + — + 9				2/• +		К,
5	= -	2 л
або
5	= Аг + -1+ -в\ . —					+	К.		(ІІ.6.39)
	,		2	л)	4 /
Останню формулу можемо записати так:
„	N'-0		\	с	в	с	„
5 =	4 / -	+	8	/ : +	я-	4 /	+К .		(ІІ.6.40)
Врахуємо, що А'' дорівнює кількості						л	в д а н і й лінії,	а N дорівнює
кількості 2л, тому:
	N = —,		або # ' =			2ЛГ.
		2
Замінимо у формулі (2.6.40)			И ' на		27У, а т а к о ж позначимо:

226

1

/

1

с

-ц = — ~ — постійна величина;

•ь2 = в с

змінна величина.

л4 /

Крім того, приймемо, що Ь = Ц + Ь г		також змінна величина. Врахо-
вуючи все це, формула (ІІ.6.40) зміниться так:
Ис	+ і + £ .		(И.6.41)
8 =—
2/
Крім того, позначимо
	=		(ІІ.6.42)
Тоді матимемо кінцеву формулу:			(И.6.43)
8 = МЛ + Ь + К.
Ь відлічується на шкалі фазометра (фазообертача). Віддалемір працює
на трьох постійних частотах Д , , ^ та	Л,; тому можна записати три рівняння
виду (ІІ.6.43):
8 = М1Я1 +		Ц+К'
8 = ^ Л 2	+ Ь2 + к \ .		(ІІ.6.44)

8= М3А3 + ЬІ + К

Усистемі рівнянь (11.6.44) чотири невідомі 8, ІУ,, ІУ2, ІУ3. Для розв'я-

зання	неоднозначності прийнято:	\	=	0,998004 м;		= 1,052631 м;
Я, = 1,000000 м. Для таких довжин		Я, на 1/500 коротше				Лі, а Я, на 1/20 ко-
ротше	Я^. Тому для ліній до 500 м	=		; для граничної довжини 5 = 500
м, /V, = У 3 + 1 . Крім того, для 5 =		20	м	=	+1,	Оскільки	віддалемір
призначений для вимірювання ліній до			700 м, то такі довжини				А, дозво-
ляють розв'язувати неоднозначність.

11.6.8. Світловіддалемір		топографічний СТ-5 ("блеск"). Будова.
Імпульсний	метод вимірювання віддалей
Вимірювання імпульсним методом виконуються із застосуванням
посилання	двох частот	випромінюваних імпульсів: / , = 14985,5 кГц та

/ 2 = 149,855 кГц. Тривалість імпульсів 10 не. Джерелом випромінювання є напівпровідниковий лазерний діод з довжиною хвилі випромінювання 0,80 мкм; приймачем - фотоелектронний помножувач (ФЕП).

Світловіддалемір СТ-5 є одним з найкращих віддалемірів і першим з виготовлених у колишньому СРСР, і такий, що працює на імпульсному методі вимірювання ліній.

227

Рис. II.6.10. Світловіддалемір СТ-5.

Рис. II.6.11. Світловіддалемір СТ-5.

Основні частини с/в (рис ІІ.6.10): 4 - головний корпус, в якому знаходяться приймально-передавальна оптична система, джерело випромінювання, фотоприймальний пристрій, друкуючі вузли з елементами електричної системи. Цей корпус має кришки 1 та 14, які можна зняти; на кришці 1 закріплена зорова труба; стояки 6, 13 скріплені зверху ручкою З, знизу гвинтами 7 скріплені з основою 11. В основі 11 та стояку 13 розташовані навідні та закріпні гвинти, якими світловіддалемір наводиться на відбивач в горизонтальній та вертикальній площинах. На рис. И.6.11 показані головки навідних гвинтів 5, 10 та рукоятки закріпних гвинтів 6, 9. На основі також кріпиться циліндричний рівень 12 з юстувальними гвинтами 13 та окуляр оптичного центрира 11. Лицьова панель - 2; на ній розташовані: 8 - головка гвинта "сигнал"; 7 - перемикач І - "точно"- "контроль"-"грубо"; 4 - перемикач ІІ-"виключ"-"навед"-"счет"; 1 - прилад зі стрілкою (мікроамперметр), 3 - цифровий дисплей, 16 - головка гвинта встановлення контрольного відліку. Під кришкою 15 встановлені гнізда для підключення частотоміра (частота 1498,55 КГц); резистор / - підстроювання частоти кварцового генератора, резистори Д і О - початкового встановлення рівня вимірюваних сигналів; резистор Н - початкового встановлення сигналу "наведення". Розташування Д і О встановлює підприємство-вироб- ник. Регулювання цих резисторів не дозволяється, оскільки це може привести до непрацездатності приладу. На стояку 13 (рис. II.6.10) встановлено гніздо 12 для підключення реєструвального пристрою; на стояку 6 гніздо 5 для підключення кабелю від джерела напруги; 14 - мікротелефон (рис. И.6.11).

Під час одночасного вимірювання ліній та кутів,	світловіддалемір
СТ-5 встановлюють на теодоліт 2Т5К. Тоді цей комплект	стає модульним

електронним тахеометром (рис. ІІ.6.12).У комплект приладу входить оптичний центрир для відбивача (рис. ІІ.6.13). На корпусі центрира встановлені

228

циліндричний 4 та круглий 2 рівні. За допомогою юстувальних гвинтів 1 та гайок 5 юстують осі рівнів. Встановлення окуляра оптичного центрира по оку виконують поворотом оправи 3 окуляра до появи чіткого зображення сітки ниток, яка має форму кола. У повний комплект входять 18 відбивачів, які можна комбінувати: 1) 1-призмовий, що встановлюється на віху (рис. ІІ.6.14) або на підставку замість центрира; 2) 3-призмовий; 3) 6-призмовий; 4) 12-призмовий та 5) 18-призмовий (рис. ІІ.6.15), в залежності від довжини віддалей, які вимірюються.

Рис. ІІ.6.12.		Рис. 11.6.13. Оптичний	Рис. 11.6.14.
Світловіддалемір на		центрир в підставці.	Віха з 1-
теодоліті 2Т5К.			призмовим
			відбивачем.
Кількість призм	відбивача	Максимальна віддаль, що вимірюється, м
1		1500
3		2200
6		3000
12		4000
18		5000
Нижня частина корпусу, на якому кріпляться відбивачі, є одночасно і
візирною маркою	для кутових	вимірювань. Візирна	марка та відбивачі

можна встановлювати без перехідника (рис. 11.6.15) та з перехідником (рис. ІІ.6.16). Перехідник застосовують під час одночасного вимірювання кутів та

229

віддалей. Під час встановлення відбивача через перехідник віддаль від центра марки 7 до підставки відбивача дорівнює віддалі від горизонтальної осі обертання труби теодоліта до підставки теодоліта.

Рис. ІІ.6.15. 18-призмовий відбивач.	Рис. ІІ.6.16. 6-нризмовий
	відбивач з перехідником.
Суть імпульсного методу вимірювання віддалей розглянута в параг-
рафі ІІ.6.2. Там подана кінцева формула: 5 = ст/2		+	К.
Для визначення віддалі за цією	ф о р м у л о ю		використана	залежність
між часом х проходження світловим імпульсом			віддалі 2 5 ,	періодом
коливань Т та кількістю хвиль, що вкладаються		в	цій віддалі N разів, яке
називають числом імпульсів заповнення:
				О1 -6 4 5 )
На основі (II.6.5), запишемо:
24				(11.6.46)
г = — .

Оскільки період коливань Т та частота коливань / - взаємно обернені величини, то

/ = - р

Підставляючи в (ІІ.6.45) значення г т а Т з формул (11.6.46) та (11.6.47), матимемо:

230

N	с	/ .		(II.6.48)
Виробники прийняли частоту /		рівною половині швидкості світла,
т о б т о:
/точна — ~ —14,9855 МГц.				(II.6.49)
Т о д і
14		г
N = -	с•	-2	= 5 .	(П.6.50)
Як бачимо, для такої частоти			кількість імпульсів	заповнення

дорівнює довжині вимірюваної лінії 5. Тому достатньо мати лічильник, який обраховує кількість імпульсів - N та частину хвилі ДА/ (менше 1л), щоб точно знайти 5. У світловіддалемір СТ-5 вмонтовано такий лічильник, який працює переходом з високих частот до низьких гетеродинним діленням частот. У комплект світловіддалеміра входять дві батареї живлення Б-5-29 з напругою 6,0 В. Під час показників мікроамперметра менше 6,0 мкА батарею слід замінити. Атенюатор - прилад, що оберігає об'єктив від попадання на с/в яскравого світла. Атенюатор встановлюється на об'єктив с/в і є, по-суті, "ситом", що розсіює та послаблює світлові промені. Блок контрольного відліку - прилад, який дозволяє контролювати незмінність сталої віддалеміра АГ.

11.6.9. Перевірки світловіддалеміра	СТ-5
Ми будемо розглядати тільки	перевірки, що стосуються віддале-

мірного модуля приладу. Перевірки кутомірного модуля розглянуто раніше. 1) Перевірка функціонування приладу.

Перевірку виконують з метою підтвердження нормальної роботи електронних вузлів світловіддалеміра. Якщо ці вузли працюють не нор-

мально -	прилад підлягає ремонту. Під час цього контролюється:
а)	Схема	контролю джерела напруги. Встановити перемикач І в
	положення "контр.", перемикач II в положення "викл." Оцінити
	покази мікроамперметра. Покази приладу мають бути в межах
	60.. .9 мкА, якщо джерело струму заряджене.
б)	Індикатори дисплея. Включити с/в у режим "счет", "точно". Спос-
	терігати за показами дисплея: на всіх індикаторах протягом 1-4
	секунд після встановлення перемикача II в положення "счет"
	повинна відображатися цифра 8.
в)	Схема вимірювання температури кварцового генератора. Вклю-
	чити віддалемір в режим "счет", "контроль" і взяти декілька від-
	ліків на дисплеї. Кожний наступний відлік не повинен відріз-
	нятися від попереднього більше, ніж на 5 одиниць.
г)	Схема	встановлення	контрольного	відліку. Зняти з об'єктива ате-
	нюатор. Встановити		на об'єктив	с/в блок контрольного відліку.

231