Jak działają mierniki laserowe

Badania budowlane i związane z nimi inżynierskie nie są kompletne bez nich prace inżynieryjno-geodezyjne. Tutaj szczególnie przydatne okazują się laserowe urządzenia pomiarowe, pozwalające skuteczniej rozwiązywać istotne problemy. Procesy tradycyjnie przeprowadzane przy użyciu niwelatorów klasycznych, teodolitów, liniowych przyrządów pomiarowych mogą teraz wykazywać większą dokładność i zazwyczaj można je zautomatyzować.

Geodezyjne metody pomiarowe znacznie się rozwinęły wraz z pojawieniem się laserowe przyrządy pomiarowe. Wiązka laserowa jest dosłownie widoczny, w przeciwieństwie do osi docelowej urządzenia, co ułatwia planowanie podczas budowy, pomiar i monitorowanie wyników. Wiązka jest zorientowana w określony sposób i służy jako linia odniesienia lub tworzona jest płaszczyzna, względem której można wykonać dodatkowe pomiary za pomocą specjalnych wskaźników fotoelektrycznych lub wizualnego wskazania wiązki.

Laserowe urządzenia pomiarowe są tworzone i ulepszane na całym świecie.Masowo produkowane niwelatory laserowe, teodolity, przystawki do nich, piony, dalmierze optyczne, tachimetry, systemy sterowania mechanizmami budowlanymi itp.

Więc, kompaktowe lasery umieszczone są w wstrząsoodpornym i odpornym na wilgoć układzie urządzenia pomiarowego, wykazując jednocześnie wysoką niezawodność działania i stabilność kierunku wiązki.Zwykle laser w takim urządzeniu montowany jest równolegle do jego osi celowania, ale w niektórych przypadkach laser jest zainstalowany w urządzeniu, więc kierunek osi ustawia się za pomocą dodatkowych elementów optycznych. Tubus celowniczy służy do kierowania wiązki.

Aby zmniejszyć rozbieżność wiązki laserowej, a układ teleskopowy, co zmniejsza kąt rozbieżności wiązki proporcjonalnie do jego wzrostu.

System teleskopowy pomaga również tworzyć skupioną wiązkę laserową w odległości setek metrów od instrumentu. Jeśli powiększenie układu teleskopowego jest powiedzmy trzydziestokrotne, to otrzymamy wiązkę laserową o średnicy 5 cm w odległości 500 m.

Jeśli zrobione wizualne wskazanie wiązki, wówczas do odczytów używa się ekranu z siatką kwadratów lub koncentrycznych kół oraz łaty niwelacyjnej. W tym przypadku dokładność odczytu zależy zarówno od średnicy plamki świetlnej, jak i od amplitudy oscylacji wiązki ze względu na zmienny współczynnik załamania powietrza.

Dokładność odczytu można zwiększyć umieszczając w systemie teleskopowym płytki strefowe – przezroczyste płytki z przymocowanymi naprzemiennie (przezroczystymi i nieprzezroczystymi) koncentrycznymi pierścieniami. Zjawisko dyfrakcji dzieli wiązkę na jasne i ciemne pierścienie. Teraz położenie osi wiązki można określić z dużą dokładnością.

Podczas używania sygnalizacja fotoelektryczna, stosować różne typy systemów fotodetektorów. Najprościej jest przesunąć fotokomórkę po pionowej lub poziomej szynie w poprzek plamki świetlnej, jednocześnie rejestrując sygnał wyjściowy. Błąd w tej metodzie wskazywania sięga 2 mm na 100 m.

Bardziej zaawansowane są fotodetektory podwójne, np. fotodiody dzielone, które automatycznie śledzą środek wiązki światła i rejestrują jego położenie w momencie, gdy oświetlenie obu części odbiornika jest identyczne.Tutaj błąd na 100 m sięga tylko 0,5 mm.

Cztery fotokomórki ustalają położenie wiązki wzdłuż dwóch osi, a wtedy maksymalny błąd na 100 m wynosi tylko 0,1 mm. Najnowocześniejsze fotodetektory mogą również wyświetlać informacje w postaci cyfrowej dla wygody w przetwarzaniu otrzymanych danych.

Większość dalmierzy laserowych produkowanych przez nowoczesny przemysł jest pulsacyjnych. Odległość jest określana na podstawie czasu potrzebnego impulsowi laserowemu na dotarcie do celu i powrót. A ponieważ znana jest prędkość fali elektromagnetycznej w ośrodku pomiarowym, to dwukrotna odległość do celu jest równa iloczynowi tej prędkości i zmierzonego czasu.

Źródła promieniowania laserowego w takich urządzeniach do pomiaru odległości powyżej kilometra są potężne lasery na ciele stałym… Lasery półprzewodnikowe są instalowane w urządzeniach do pomiaru odległości od kilku metrów do kilku kilometrów. Zasięg takich urządzeń sięga 30 kilometrów z błędem w ułamkach metra.

Dokładniejszy pomiar zasięgu uzyskuje się stosując metodę pomiaru fazy, która uwzględnia również różnicę faz między sygnałem odniesienia a tym, który przebył mierzony dystans, z uwzględnieniem częstotliwości modulacji nośnej. Są to tzw dalmierze laserowe fazowepracujące na częstotliwościach rzędu 750 MHz, gdzie laser arsenku galu.

Precyzyjne niwelatory laserowe są wykorzystywane na przykład przy projektowaniu pasów startowych. Tworzą płaszczyznę światła obracając wiązkę lasera. Płaszczyzna jest zogniskowana poziomo dzięki dwóm wzajemnie prostopadłym płaszczyznom. Element czuły porusza się wzdłuż łaty, a odczyt odbywa się na połowie sumy granic obszaru, w którym urządzenie odbiorcze generuje sygnał dźwiękowy. Zasięg pracy takich niwelatorów sięga 1000 m z błędem do 5 mm.

W teodolitach laserowych oś wiązki laserowej tworzy widoczną oś obserwacji. Może być skierowany bezpośrednio wzdłuż osi optycznej teleskopu urządzenia lub równolegle do niej. Niektóre nasadki laserowe pozwalają na użycie samego teleskopu teodolitu jako jednostki kolimacyjnej (do tworzenia równoległych wiązek — osi celownika laserowego i tubusu) i liczą się z własnym czytnikiem teodolitu.

Jedną z pierwszych dysz wyprodukowanych dla teodolitu OT-02 była dysza LNOT-02 z helowo-neonowym laserem gazowym o mocy wyjściowej 2 mW i kącie rozbieżności około 12 minut kątowych.

Laser wraz z układem optycznym ustawiono równolegle do teleskopu teodolitu tak, aby odległość między osią wiązki a osią celowania teodolitu wynosiła 10 cm.

Środek linii siatki teodolitu jest wyrównany ze środkiem wiązki światła w wymaganej odległości.Na obiektywie układu kolimacyjnego znajdowała się cylindryczna soczewka rozszerzająca wiązkę oraz sektor o kącie otwarcia do 40 minut kątowych do jednoczesnej pracy w punktach położonych na różnych wysokościach w ramach dostępnego układu urządzenia.

Zobacz też: Jak działają i działają termometry laserowe