Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Введение 6
1.1 Анализ методов и средств автоматического контроля направляющих путей 6
1.2 Особенности производства геодезических работ в условиях рефракции атмосферы 18
1.3 Постановка основных задач научных исследований 26
Глава 2. Разработка и теоретическое исследование автоматического метода контроля прямолинейности подкрановых путей 29
2.1 Разработка и анализ точности автоматического метода контроля прямолинейности 29
2.2 Обоснование и выбор основных элементов измерительной системы 39
Глава 3. Разработка методики и анализ результатов экспериментального исследования стабильности положения лазерного луча в атмосфере в условиях значительных градиентов температуры 53
3.1 Задачи исследования и состав измерительной аппаратуры 53
3.2 Методика экспериментального исследования и обработки результатов измерений
3.2.1 Методика исследований высокоточного угломерного прибора 6о
3.2.2 Методика лабораторных и натурных исследований высокоточных термических градиентов. б2
3.2.3 Методика экспериментальных исследований стабильности положения луча в условиях значительных температурных градиентов в атмосфере б4
- З 3.2.4 Методика обработки результатов экспериментального исследования стабильности пространственного положения лазерного луча 66
3.3 Анализ результатов экспериментального исследования 69
Глава 4. Экспериментальные исследования автоматического метода контроля прямолинейности подкрановых путей . 82
4.1 Конструктивное описание измерительных приборов 82
4.2 Методика исследования точности метода контроля
4.2.1 Методика лабораторных исследований макета лазерного автоматического прибора для контроля прямолинейности направляющих путей 89
4.2.2 Методика натурных испытаний автоматического метода контроля прямолинейности подкрановых путей 98
4.3 Анализ результатов исследований 102
Глава 5. Анализ технико-экономической эффективности внедрения автоматического метода контроля прямолинейности направляющих путей 113
5.1 Анализ результатов внедрения автоматического метода контроля. 113
5.2 Перспективы практического использования автоматического метода контроля прямолинейности направляющих путей 114
Заключение 116
Список литературы
- Особенности производства геодезических работ в условиях рефракции атмосферы
- Обоснование и выбор основных элементов измерительной системы
- Методика экспериментального исследования и обработки результатов измерений
- Методика лабораторных исследований макета лазерного автоматического прибора для контроля прямолинейности направляющих путей
Введение к работе
Анализ методов и средств автоматического контроля прямолинейности направляющих путей.
Выверка прямолинейности направляющих путей - достаточно сложная инженерно-геодезическая задача. В большинстве случаев специфика выполнения производственных работ на направляющих путях, в особенности - рельсовых, предполагает знание фактического состояния направляющих в момент времени, непосредственно предшествующий этим работам. Следовательно, процесс контроля направляющих должен быть высокопроизводительным, объективным и оперативным.
Применительно к подкрановым путям определение прямолинейности направляющих в плане и по высоте в большинстве случаев должно выполняться со средней квадратической ошибкой, не превышающей 2-3 мм на всей протяженности направляющих [l5j.
В практике геодезических работ, связанных с контролем пла - 7 ново-высотного положения направляющих, в частности, подкрановых путей, в нашей стране и за рубежом широко применяются способы створных измерений для определения прямолинейности! выверяемых осей в плановой координатной плоскости, и различные методы нивелирования для определения профиля направляющих в высотной координатной плоскости.
Сущность створных измерений состоит в определении боковых смещений точек оси направляющей от прямой линии, заданной вдоль выверяемого пути. В зависимости от способа задания референтной прямой различают струнный, оптический и лучевой методы, используемые для контроля направляющей [46 , 63].
Создавая прямую линию струной, ее натягивают вдоль оси направляющей и линейкой или специальной оснасткой измеряют в намеченных точках расстояния от этой оси до струны. На створах большей протяженности струну из-за ее провисания приходится подвешивать выше уровня направляющей, в этом случае необходимо использовать специальные: приспособления для проектирования струны на горизонтальную плоскость, проходящую через ось направляющей. Основной недостаток струнного метода, ограничивающий его применение, - колебания струны под воздействием ветровых нагрузок и вибраций. Кроме этого, в условиях надземных путей она создает препятствия для перемещения персонала во время измерений, что часто оказывается небезопасным.
На сегодняшний день пока наиболее распространенным в створных измерениях является оптический метод, когда референтная прямая задается с помощью теодолита и визирной марки, устанавливаемых в начале и конце направляющей. Боковые смещения относительно заданной таким образом створной линии определяются с помощью горизонтально устанавливаемой рейки, нулевой штрих которой должен совпадать с выверяемой осью, или подвижной марки? [15]. Такие способы измерений, относящиеся к числу традиционных геодезических методов, довольно малопроизводительны, требуют длительных перерывов в работе электрокранов и связаны с повышенной опасностью на надземных путях [і7, ЗІ, 40, 43, 48, 61, 70].
В работах разных авторов предложены некоторые приборы и приспособления для одновременного определения как планового, так и высотного положения подкрановых путей. Так прибор ПРП (прибор рихтовки; путей) [l0,4l] содержит оптическую зрительную трубу и комплект специальных реек, включающий в себя визирную и измерительные рейки. При выверке на противоположных концах пролета тремя штангами закрепляют оптическую зрительную трубу и визирную рейку. Затем на заранее намеченные точки оси направляющей устанавливают измерительную рейку. Наблюдатель снимает отсчеты по вертикальной и горизонтальной шкалам и они характеризуют отклонения фактической оси рельса от проектной линии в плане и по высоте. Проведенные авторами исследования показали, что предельная ошибка выверки направляющей не превышает 3 мм при максимальной длине оптического луча 60 м. К недостаткам такого способа следует отнести то, что круглый уровень, которым снабжены рейки, не обеспечивает надлежащей точности их установки при планово-высотной выверке рельсовых осей. Кроме этого, конструкция прибора рассчитана для расстояний, не превышающих 60 м.
В работе[58] предлагается использовать для съемки подкрановых путей теодолит и устройство, представляющее собой две взаимно перпендикулярные рейки. Устройство крепится к мостовому крану, движение которого используется для перемещения реек от точки к точке. Хотя этот способ измерений и исключает хождение персонала по путям, но не обеспечивает необходимой точности из-за перекосов, возникающих при движении крана, разности высот путей и других факторов, снижающих достоверность результатов измерений.
Каретка K-I [іб], с помощью которой рекомендуется измерять уклонения оси рельса от прямой линии, сконструирована так, что нулевой штрих рейки, горизонтально установленной на каретке, автоматически совмещается с осью направляющей. Перемещение же каретки осуществляется посредством специальных тросиков. При такой методике измерений, когда теодолит и визирная марка меняются местами, точность данного способа, складывающаяся из точности фиксации оси рельса, определения положения створа и измерения уклонений определяемых точек от створа, будет характеризоваться средней квадратической ошибкой \Х1 = Г,4 мм при длине направляющей 200 м. Недостаток способа состоит в том, что выверка рельсовой оси ведется только в плановой координате.
Результаты исследования некоторых способов выверки направляющих отражены также в работе [14]. В качестве базовых способов измерения в Гі4І использовались либо параллельные створы, либо створы, расположенные под небольшим утлом вдоль рельсов по проходным галлереям. Исследовав способы прямого визирования, полигонометрии и последовательных створов, авторы делают вывод о том, что наиболее приемлем метод последовательных створов. Сущность его заключается в следующем. Создав- базисную линию с помощью теодолита и светящейся марки, устанавливаемых на концах пролета, на каждой определяемой точке фиксируют измерительную рейку. По мнению авторов, расстояния до рейки 100-150 м соответствуют хорошим условиям для взятия отсчета. Далее теодолит переносят и производят центрирование над точкой, соответствующей последнему отсчету по шкале рейки, затем снова визируют на марку и продолжают измерения. При этом в зависимости от степени изношенности граней рельса предлагается применять различные способы примыкания рейки к рельсу. Авторами дан ряд рекомендаций по ведению съемки в условиях непрерывно действующих цехов: выполнять контрольное визирование на марку перед каждым отсчетом ввиду того, что вибрация подмостей приводит к постоянному уводу лимба, а следовательно, и линии визирования со створной плоскости; ножки штативов устанавливать в заранее приготовленные углубления, чтобы предотвратить уход оси вращения инструмента с точки центрирования и др.
Необходимо заметить, что стремясь выбрать оптимальный способ геодезической съемки подкрановых путей, авторы не предложили никаких существенных мер по снижению трудоемкости работ и повышению их безопасности.
Обобщение опыта разработок последних лет показывает, что в деле повышения качества и производительности инженерно-геодезических измерений по контролю прямолинейности направляющих путей наиболее перспективны методы, основанные на применении лазерных приборов и различных автоматических устройств [і,2,3,5,9,II,18, 39,52,55,60,62,77,78,79].
Впервые лазерная технология для планово-высотной съемки подкрановых путей была применена на Луганской ГРЭС в 1967 г. [2з]. Для определения отклонений оси рельса от проектного положения были использованы лазерный визир ЛВ-І с мощностью излучения I МВТ и специальный экран-марка, представляющий собой пластину с размеченной на ней сеткой квадратов 5x5 мм. При съемке в начале и конце выверяемой направляющей закрепляются лазерный визир и визирная марка, с помощью которых задается опорное направление. Отсчеты снимаются визуально по экрану-марке, устанавливаемой последовательно в каждой определяемой точке на оси рельса и приводимой в вертикальное положение по круглому уровню. Проведение измерений в прямом и обратном направлениях и сопоставление результатов с данными, полученными с помощью теодолита, показало, что средние квадратические ошибки положения фактической оси рельса относительно проектной при длине пролета 280 м с применением ЛВ-І составили 3,4 мм. По результатам работ сделаны выводы о том, что для повышения точности измерений необходимо увеличить диаметр объектива коллиматора ЛВ-І с целью уменьшения диаметра светового пятна на экране.
Кроме того, было рекомендовано измерения производить при минимальных температурных перепадах, тогда наблюдения можно вести с одной станции на участках до 300 м.
Аналогичные работы были выполнены в ЦНИИОМТП [66]. Для определения планово-высотного положения головки рельса относительно опорного направления, заданного лучом лазера, использовали лазерный визир ЛВ-5 и экран. Причем, чтобы уменьшить ошибки в определении относительного положения оси рельса, которые прямо пропорциональны расстоянию от инструмента до экрана, лазерный визир при съемке устанавливали как на одном, так и на другом концах рельсовой нити. Точность определения положения оси направляющей, установленная по внутренней сходимости из прямых и обратных измерений, составила 2,2 мм. Работу выполняли два человека, затратившие на съемку подкранового пути протяженностью 200 м около 4-х часов. Опыт показал, что лучевой метод повышает производительность труда, не снижая точности работ. Вместе с тем отмечено, что наиболее удобно выполнять работы при малых колебаниях температуры, когда размеры и форма светового пятна на экране мало изменяются.
В Киевском инженерно-строительном институте (КИСИ) предложен метод съемки подкрановых путей, повышающий точность отсчетов по марке Г37J. Он основан на том, что перед маркой, с координатной сеткой устанавливают положительную линзу с малым радиусом кривизны поверхности (положительный мениск), подвижную в горизонтальном и вертикальном направлениях. Центр лазерного пятна на сетке определяется, по мнению авторов, особенно четко при положении линзы на расстоянии от марки, несколько большем фокусного. В случае, когда линза находится точно на оси луча, на марке видна яркая точка, вокруг которой симметрично располагаются световые полосы. При малейших отклонениях линзы от оси луча нарушается симметрия картины, при этом наблюдается веер полос, направленных в ту же сторону, в которую отклонилась линза. Перемещая линзу вправо (влево), вверх (вниз), определяют отсчет, равный отклонению луча от прямолинейности и от горизонтальности.
Сам прибор-марка конструкции КИСИ [зб] состоит из каретки с неподвижным и подвижным упорами, блока со струной и пружиной, прижимающей друг к другу упоры, стойки с подвижной маркой и подставки с цилиндрическим уровнем. Марка имеет юстировочные винты для совмещения оси шкалы с осью каретки. Совмещение же осей головки рельса и каретки происходит автоматически. Измерения ведут на фиксированных точках, при этом через определенные промежутки, когда диаметр пятна превышает 6-8 мм, производят перефокусировку, что является источником дополнительных ошибок. Проведенные исследования показали, что на расстоянии до 120 м при использовании лазерного визира ЛВ-5М средняя квадратическая ошибка отклонения рельса от створа составила I мм.
Для определения плановых отклонений оси рельса от проектного положения разными авторами был разработан ряд приборов, в частности прибор ЛП-2 [68J, в комплект которого входят: лазерный указатель направления, отражатель и экран. Луч лазера, падающий на уголковый отражатель, возвращается параллельно самому себе и визуально регистрируется на неподвижном экране, закрепленном рядом с источником света. Такой метод измерения обладает двойной чувствительностью, но ему присущи те же недостатки, что и методам рассмотренным выше.
Все эти методы планово-высотной съемки подкрановых путей основаны на визуальной регистрации: результатов измерений, не исключают движения персонала по путям, что в условиях надземных путей крайне опасно. Кроме этого, для производства работ требуются длительные перерывы в работе кранов. В связи с этим для получения оперативного материала о состоянии подкрановых путей необходимо применение автоматизированных устройств, обеспечивающих безопасное и эффективное производство геодезических измерений.
В настоящее время уже имеются разработки в области совершенствования методов съемки направляющих путей с применением разного рода автоматических и полуавтоматических устройств [7,28,29,32, 34,51,56,59].
В.Ф.Черников и И1М.Павлов предложили использовать газовый лазер и фот©регистрирующую камеру для автоматической фиксации параметров подкрановых путей [54j. При съемке камера с размещенной на ее передней панели измерительной сеткой движется с помощью крана. Вся конструкция закреплена на балке крана, а контакт камеры с рельсом осуществляется с помощью ролика. След от луча лазера, задающего опорное направление, и измерительная сетка фотографируются на пленку, перемотка которой осуществляется автоматически. При длине пути 90 м средние квадратические ошибки уклонений оси рельса в плане и по высоте получились соответственно 2,1 мм и 1,7 мм. Чтобы изображения на пленке были достаточно четкими, авторы рассчитали оптимальную скорость крана при съемке, составившую 1,2 м/с.
Регистрация отклонений точек оси направляющей с использованием промышленной телевизионной установки ЇЇТУ-2М и лазера типа ЛГ-55 предложена Грузиным Н.Е. [20J. Метод основан на передаче изображения марки-экрана со следом лазерного луча при помощи передающего устройства на телевизионный экран, установленный в кабине крана. Перемещая краном тележку с маркой по рельсу, наблюдатель фиксирует на экране телекамеры координаты центра пятна, характеризующие смещения оси рельса в плане и по высоте. Средняя квадратическая ошибка определения отклонений составила в результате исследований 2 мм при длине пролета 78 м.
Для выверки путей А.Н.Тимофеев применил лазер типа ЛГ-56 и фоторегистрирующее устройство [67J. Коллиматором служила труба теодолита ТТ-50. Приведение устройства в горизонтальное положение осуществлялось с помощью цилиндрического уровня. Испытания такого устройства показали, что определение непрямолинейности оси направляющей в любой точке характеризуется средней квадратической ошибкой равной 2,9 мм.
Автомат конструкции НИИПГ [17J для регистрации отклонения рельсов от линии лазерного створа аналогичен прибору В.Ф.Черникова и И.М.Павлова. Автомат последней конструкции снабжен узкопленочной кинокамерой с покадровой съемкой светового пятна от луча лазера на матовом экране, содержащем подсвеченную сетку нитей. Моменты покадровой съемки определяются замыканием контактов от ролика, прокатывающегося по рельсу. Положение лазерного пятна определяются затем с помощью проектора. По результатам измерений строят кривые отклонений рельсов. Апробирование автомата дало возможность сделать следующие выводы. Средняя квадратическая ошибка измерений не превысила 2 мм при длине створа 100 м; производительность труда увеличивается в 8-Ю раз по сравнению с геодезическими методами; контроль такого типа исключает необходимость длительных остановок крана. Один из основных недостатков подобных методов состоит в довольно сложной обработке результатов измерений.
Н.Е.Ламбин также разработал метод определения планово-высотного положения подкрановых путей с использованием полуавтоматического устройства [44,45], в котором створ задается с помощью фотонивелира и марки, закрепленных на концах выверяемого рельса. В определяемые точки (против каждой колонны) устанавливается специальный экран, имеющий приспособление для крепления на головке рельса. Экран представляет собой каркас со стержнем, нижний- конец которого находится между электрическими клеммами. В случае наклона каркаса происходит наклон стержня и примыкание его к одной из клемм, происходит замыкание электрической цепи, вследствие чего приводится в движение электродвигатель, возвращающий стержень в вертикальное положение посредством скрепленного с ним винта. В момент размыкания цепи производится экспонирование. На снимках фиксируется сетка нитей и верхняя часть стержня, по которой определяются уклонения оси направляющей. Исследование точности работы устройства сводилось к многократному определению положения точек в плане и по высоте. Средняя квадратическая ошибка измерения прямолинейностей составила 1,6 мм.
Автоматическая система, позволяющая непрерывно следить за положением луча лазера и отражающая результаты измерения прямолинейности направляющих путей на бумажной ленте разработана в КИСИ [I7J. Система содержит лазер с коллиматором и гидирующую систему. Схема гидирующей системы включает в себя два фоторезистора, на которые падает луч лазера, задающий опорную прямую. Так как сопротивление фоторезистора уменьшается пропорционально засветке, то в зависимости от положения луча лазера относительно фоторезисторов изменяется ток первого и второго фоторезистора. Электрический сигнал на сопротивлении в общей цепи будет при этом изменять свою величину, принимая нулевое значение при равенстве токов и среднем положении луча. Усиленный сигнал приводит в действие мотор, перемещающий фоторезисторы и пишущее перо самописца в соответствии с перемещением каретки относительно луча лазера. На пути до 200 м погрешность измерения таким автоматом составила 2 мм.
Однако из-за неблагоприятных энергетических условий, влияния фоновых засветок дальнейшее повышение точности в таких системах затруднительно.
Для автоматического определения прямолинейности подкрановых путей В.Н.Юдиным предложена лазерная оптико-механическая система, основанная на радиоуправлении и фотосъемке [72J. Съемка производится посредством лазерного прибора и самодвижущейся, управляемой по радио тележке с маркой, устанавливаемой в определяемых точках. Проекция луча на фоне сетки квадратов снимается на фотопленку.
В [17J предложено устройство для определения положения оси рельса, также основанное на фотосъемке. Метод измерений заключается в следующем. В конце пути устанавливается неподвижный светящийся сигнал. По головке рельса с постоянной скоростью перемещается тележка с четырьмя светящимися сигналами. В процессе перемещения изображения сигналов фиксируются на фотопленке,протягиваемой электромотором в камере, ось которой ориентирована на неподвижный сигнал. При двукратных измерениях точность данного метода составила 1,2 мм на 100 м. Существенный недостаток метода состоит в том, что при таком положении, когда неподвижный и под - 17 вижный сигналы разнесены на некоторое расстояние, изображение не будет резким, хотя бы для одного из них, а это приведет к потере точности отсчетов. Кроме этого, камеральная обработка результатов съемки требует применения специальных дорогостоящих приборов (компараторов).
На основании обзора известных методов и устройств для определения планово-высотного положения подкрановых путей можно сделать следующие выводы:
1. Применение для выверки прямолинейности рельсовых осей традиционных геодезических методов трудоемко, малопроизводительно; в условиях действующих предприятий это требует длительных перерывов в работе электрокранов; результаты измерений не свободны от субъективных ошибок наблюдателя; параметры путей определяются раздельно; при съемке на надземных путях выполнение работ крайне опасно.
2. Из предлагаемых различными авторами методов съемки предпочтение следует отдать тем, которые позволяют производить выверку направляющих одновременно по двум координатам.
3. Наиболее эффективными, как следует из анализа, являются методы измерения с использованием лазерных приборов. Однако визуальный способ регистрации связан с трудностями отыскания центра лазерного пятна на марке-экране.
4. Для получения оперативной информации о состоянии подкрановых путей необходимо применение автоматизированных устройств. Методы, основанные на фотографической съемке объекта наблюдений, обременены сложной обработкой материалов, получаемых в результате измерений.
5. В условиях действующих предприятий на результаты наблюдений оказывают существенное влияние изменения параметров внешней среды, а именно, температурная турбулентность и рефракция атмосферы. В связи с этим необходимы разработки таких методов измерений, которые позволили бы учитывать и эти факторы.
Особенности производства геодезических работ в условиях рефракции атмосферы
Практика использования лазерного излучения для задания в пространстве опорных линий и плоскостей показывает, что существенное влияние на стабильность положения луча может оказывать оптическая неоднородность атмосферы, вызывающая искривление (рефракцию) лазерного пучка [4,22,33,69].
В связи с этим при проектировании геодезических работ с применением лазерных приборов необходимо учитывать возможность искажения результатов геодезических измерений из-за атмосферной рефракции.
Главная особенность производства геодезических наблюдений на промышленных площадках состоит в необходимости обеспечения высокой точности измерений в сложных условиях действующего объекта. На таких сооружениях, как АЭС,ТЭС, ТЭЦ, имеют место большие наклоны изотермических поверхностей, т.е. возникают значительные перепады температуры внутри действующих церв. Причем такие перепады могут наблюдаться как в горизонтальной, так и в вертикальной плоскостях. Наклоны изотермических поверхностей относительно горизонтальной и вертикальной плоскостей ведут к появлению соответственно горизонтальных и вертикальных температурных градиентов, которые в свою очередь вызывают боковую и вертикальную составляющие рефракции.
Изучению рефракции световых лучей в свободной атмосфере посвящено достаточно много теоретических и экспериментальных исследований [б,13,19,25,30,76,80,8IJ, выведены общие закономерности, позволяющие выбирать такие условия и время проведения измерений, при которых влияние рефракции незначительно. В ряде работ [49, 74,75J приведены приближенные формулы для вычисления поправок за рефракцию в результате измерений. Однако указанные формулы применимы лишь в тех случаях, когда поле рефракции однородно, т.е. градиент показателя преломления постоянен по всей длине светового луча.
Опыт производства геодезических измерений при строительстве уникальных сооружений, монтаже и эксплуатации крупного промышленного оборудования и технологических линий показывает, что условия прохождения светового, равно как и лазерного, луча здесь зависят от схемы расположения строительных конструкций и тепловыделяющего оборудования, наличия конвекционных потоков воздуха и т.п. Поэтому характер поля рефракции будет не только неоднороден, но также и непостоянен.
Известно, что величина рефракции зависит главным образом от величины температурных градиентов на трассе лазерного луча. Здесь следует указать, что если для свободной атмосферы горизонтальные температурные градиенты, как правило, малы по сравнению с вертикальными, то в случае производства геодезических измерений в закрытых помещениях, вблизи сильно нагретых сооружений и конструкций эти величины могут быть одного порядка и достигать 1,5-2 град/м. Поэтому в условиях промышленных предприятий на положение лазерного луча в пространстве в равной мере могут влиять как боковая, так и вертикальная составляющие рефракций .
Результаты исследований влияния внешних условий на точность геодезических измерений на объектах, где имеются аномальные источники рефракции, приведены в работах некоторых авторов.
Так в [зз] дана количественная характеристика рефракционных искажений при проложении вытянутых полигонометрических ходов вдоль нагретых стен горячих цехов коксового завода. С целью введения поправок за рефракцию в угловые измерения по нормали к визирному лучу теодолита определялся средний горизонтальный температурный градиент для всей длины линии визирования. В результате работ оказалось, что при градиенте равном 0,29 град/м и длине визирной линии 290 м ошибка за боковую рефракцию составила 9,2м.
В работе [75J делается вывод о том, что повышение точности геодезических измерений в закрытых заводских помещениях следует искать в анализе внешних условий прохождения светового луча в пространстве и в первую очередь в исследовании; температурного поля окружающей среды. На основании экспериментальных исследований автором предложена формула для определения с точностью 0.32 мм отклонения лазерного луча от створа из-за влияния рефракции. Кроме этого, рекомендуется измерять температурный градиент в некоторых точках створа перпендикулярно визирному лучу в диапазоне одного метра с точностью 0,1С.
Анализ влияния рефракции на результаты съемки подкрановых путей в закрытом помещении приведен в [l9J. Авторами были проведены исследования, заключавшиеся в изучении температурного поля в надрельсовом пространстве. В результате обработки полученных данных установлено, что изменение температуры на уровне подкрановых путей в вертикальной и в горизонтальной плоскостях носит случайный характер, а температурные градие ты на одном и том же створе в одном цехе имеют как положительный, так и отрицательный знак. Причем максимальные вертикальные градиенты достигали 3,5 град/м. Расчеты, приведенные авторами показали, что при среднем температурном градиенте в 2,7 град/м поправка для определения положения средней точки створа длиной в 120 м составляет 4,3 мм.
Обоснование и выбор основных элементов измерительной системы
Как уже было указано в 2.1, опорную прямую при контроле прямолинейности направляющих целесообразно задавать лазерным лучом. В связи с этим необходимо отметить, что специфика геодезических работ на строительных площадках и в производственных цехах требует применения таких лазерных приборов, которые бы обладали мощностью, обеспечивающей необходимую дальность действия; имели частоты излучения, находящиеся в видимой части спектра; потребляли незначительную мощность; имели габариты и массу, приемлемые для перемещения; работали в течение продолжительного времени.
Из серийно выпускаемых отечественной промышленностью наиболее приемлемы для выверки направляющих путей газовые ла зеры непрерывного действия, которые позволяют достаточно эф фективно использовать их излучение, отличающееся небольшой расходимостью, высокой направленностью и монохроматичностью.
Однако существенное влияние на точность инженерно-геодезических измерений оказывает нестабильность пространственного положения лазерного луча, обусловленная конструктивными особенностями то го или иного лазера 24f53J. Предельную величину угловых флуктуации лазерного луча приближенно можно подсчитать по фор еле: г т-Р L (2.18) где &оС - допустимые угловые флуктуации лазерного луча; /TL - средняя квадратическая ошибка, характеризующая требуемую точность измерения линейных смещений; [ - расстояние от источника излучения до контролируемого объекта. Приняв 171 =3 мм (см.1.1), a L = 200 м, получим
Расчет показывает, что требования, предъявляемые к лазеру при контроле направляющих достаточно высоки, поэтому для выбора типа лазерного прибора, пригодного к выверке прямолинейности, необходимо провести специальные исследования стабильности их диаграммы направленности. Такие исследования были проведены для лазерных визиров ЛВ-5 М (№ 129,39,473). ЛВ-78 (№ 10,29, 0), и УНІ-3 (№ 108, 1ІО ) и ЛТ-78 с телескопической системой (№ 4 94, 497 ), созданных на основе гелий-неоновых лазеров.
На рис.2.3 показана функциональная схема экспериментальной установки, специально разработанной и предназначенной для названных исследований. Она включает в себя исследуемый лазер I, механический модулятор 2, фотоэлектрический датчик линейных смещений 3, электронный блок обработки информации 4, регистрирующий цифровой вольтметр 5 и самописец 6.
Принцип действия фотоэлектрического датчика (рис.2.4), используемого в такой установке, разработанного в МИИГАиК, состоит в следующем.
Пучок лучей от лазерного источника, попадая на анализатор I, делится им на две части, направляемые к фотоприемникам 2 и 3. Электрические сигналы с выходов этих фотоприемников через предварительные усилители. 4 и 5 и разделительные емкости 6 и 7 поступают в электронное устройство 8 выделения суммы и разности электрических сигналов. Это устройство может быть выполнено по трансформаторной схеме, в виде восьмиполгосного моста, но наиболее предпочтительной схемой обработки сигналов с фотоприемников является схема, собранная на двух парафазных усилителях. Сумма и разность сигналов усиливаются электронными усилителями 10 и 9 и поступают на фазовый детектор 12, выход которого нагружен на регистрирующий прибор 13. Кроме этого, в электронную схему датчика введено устройство II, позволяющее поддерживать уровень выходного сигнала усилителя разности при изменении; величины выходного сигнала суммы. Такое изменение может возникнуть из-за непостоянства мощности лазерного излучения.
Исключить влияние изменения мощности лазерного излучения на точность измерения линейных смещений можно, применив вместо устройства II (рис.2.4) специальное электронное устройство, позволяющее получить отношение разности выходных сигналов с датчика к их сумме, которое даст возможность оценивать направление и величину смещения.
При работе датчика анализатор делит падающий на него пучок лучей на две равные части, то электрические сигналы t/ и
Ui с выходов фотоприемников будут синфазны и равны нулю, а показание регистрирующего прибора соответствовать нулевому положению датчика. При смещении лазерного пучка относительно базовой точки анализатора величина и знак сигнала разности будут соответствовать характеру смещения. Сумма же сигналов с фотоприемников не зависит от величины и направления смещения, оставаясь всегда постоянной.
Методика экспериментального исследования и обработки результатов измерений
Совершенствование методов и средств высокоточных инженерно-геодезических измерений с применением лазерных приборов во многом связано со знанием характера влияния внешних условий на стабильность пространственного положения лазерного луча в условиях конкретного объекта измерения.
В связи с тем, что выбранный метод контроля направляющих путей основан на задании опорного направления лазерным лучом, необходимо экспериментально определить стабильность пространственного положения во времени опорной линии в условиях больших температурных градиентов.
В 1.2 уже было указано, что главным источником рефракции является наличие температурных градиентов в зоне распространения лазерного излучения, а флуктуации лазерных пучков вызваны изменением таких градиентов с течением времени. Поэтому существо экспериментальных исследований заключается в выявлении характера температурного поля на объекте предполагаемых геодезических измерений и отыскании возможных закономерностей влияния величины градиентов температуры окружающей среды на пространственное положение лазерного луча. При этом при выполнении исследований особый интерес представляют вероятные изменения пространствен - 54 ного положения лазерного луча в промежуток времени, за который предполагается осуществлять выверку направляющих путей. Очевидно, что для получения исчерпывающего материала о рефракционных искажениях референтной прямой в условиях данного объекта исследования следует проводить в разное время суток и при наиболее неблагоприятных для измерения температурных режимах окружающей среды.
Задачи экспериментальных исследований, связанных с изучением стабильности пространственного положения лазерного луча в условиях рефракции атмосферы, могут быть успешно решены только на основе разработки специальной измерительной аппаратуры, которая бы обеспечивала простоту и надежность измерений и в то же время позволяла непрерывно следить одновременно за изменением температурных градиентов и поведением лазерного луча. Результаты таких исследований дадут возможность наиболее точно оценивать степень влияния рефракции на инженерно-геодезические измерения,
В результате проведенных исследований было установлено, что для непрерывного слежения за отклонениями лазерного луча от заданного направления из-за влияния рефракции целесообразно применить специально созданный высокоточный угломерный прибор для измерения флуктуации лазерного излучения в атмосфере. Такой прибор обладает практически неограниченным быстродействием и позволяет автоматически вести запись изменяющихся углов прихода лазерного луча из-за турбулентности и рефракции атмосферы. В состав аппаратуры необходимо включить также высокоточные термические градиентомеры, которые давали бы возможность измерять вертикальные и горизонтальные градиенты температуры воздуха в створе лазерного луча. Причем автоматическая запись измерений таких градиентов должна вестись синхронно с регистрацией пространственного положения лазерного луча. В этой связи в качестве регистратора целесообразно использовать многоканальный самопишущий прибор, например шлейфовий осциллограф.
Таким образом, измерительная аппаратура для экспериментального исследования стабильности пространственного положения лазерного луча в условиях значительных температурных градиентов в атмосфере должна содержать: - лазерный визир с модулятором и блоком питания; - высокоточный угломерный прибор, содержащий приемную оптическую систему и электронный блок (измеритель) с выходом на самопишущий регистратор; - комплект высокоточных термических градиентомеров; - шлейфовий осциллограф.
Общий вид угломерного прибора показан на рис.3.1. Оптическую систему угломерного прибора составляют оптическая труба I с объективом j - 400 мм и фотоэлектрическая насадка 2, которая содержит светоделительную призму и два фотодиода (фотоприемник). Светоделительная призма фотоэлектрической насадки устанавливается в фокальной плоскости объектива оптической трубы путем юстировочных перемещений всей насадки с помощью механизма 3 продольного перемещения. Электрические сигналы с фотоприемников обрабатываются в измерительном блоке 4 и регистрируются на самопишущем приборе 5. Принцип работы угломерного прибора аналогичен принципу работы датчика линейных смещений, описанному в 2.2.
Одним из элементов измерительной аппаратуры при определении стабильности пространственного положения лазерного луча в условиях рефракции атмосферы является высокоточный прибор для измерения градиентов температуры - термический градиентомер.
Методика лабораторных исследований макета лазерного автоматического прибора для контроля прямолинейности направляющих путей
Лабораторные исследования прибора проводились с целью определения линейности его позиционной характеристики и точности измерения линейных смещений. Испытания осуществлялись на специальном стенде, представляющем собой стальной рельс, укрепленный на монолитных столбах, развязанных от фундамента здания.
Исследования прибора проводились по специально разработанной методике. При этом передающая и приемная части автоматического прибора располагались на стенде на расстоянии 10 м друг от друга.
Перед началом основных исследований проводилась проверка отсчетного устройства приемной системы; исследовалась линейность показаний потенциометра при перемещении каретки с анализатором по всей длине ходового винта.
Приемное устройство устанавливалось на специальном координатном столике стенда, оснащенном высокточными микрометрами. С помощью переключателя ручного управления приводились в движение электродвигатели прибора и приемная головка (анализатор) датчика перемещалась по всему рабочему диапазону (130мм). Через каждый I мм такого перемещения наблюдателем снимались отсчеты по микрометру и цифровому вольтметру, регистрирующему напряжение выходного сигнала на потенциометре, соответствующее линейному перемещению приемной головки. Перемещение анализатора от начала до конца рабочего диапазона составило одну серию наблюдений. Всего было выполнено по 10 серий измерений для каждой координаты датчика. Результаты наблюдений приведены в табл.№7 приложения.
При определении точности введения датчика в створ лазерного луча приемным устройством многократно фиксировался энергетический центр луча в автоматическом режиме работы прибора. При каждом измерении базовая точка приемной головки датчика автоматически устанавливалась на центр лазерного пучка. В этот момент снимался отсчет с микрометра, соответствующий нулевому положению датчика. Затем анализатор принудительно смещался от этого положения на некоторую величину, причем лазерный луч в это время перекрывался. При открытии доступа лазерного пучка на приемную головку ее базо вая точка снова автоматически возвращалась на центр луча. В этот момент повторялся отсчет по микрометру. Смещения анализатора производились как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. В трех сериях наблюдений в каждой координатной плоскости было выполнено по 90 отсчетов. Результаты наблюдений приведены в табл.№8 приложения.
При определении позиционной характеристики прибора лазерный луч наводился на его приемную головку и платформа, на которой был закреплен прибор, перемещалась с помощью координатного столика по всему рабочему диапазону. Величина перемещений фиксировалась наблюдателем, снимавшем отсчеты по микрометру и по цифровому вольтметру, подключенному к выходу потенциометра. Результаты средних значений отсчетов из десяти серий измерений для каждой координатной плоскости помещены в табл.№ приложения.
Программа экспериментальных исследований макета автоматического прибора включала также определение допустимых углов разворота приемного устройства относительно лазерного луча в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Для этого позиционные характеристики снимались при различных значениях угла разворота датчика, после чего они сравнивались между собой.
В результате исследования отсчетного устройства автоматического прибора было установлено, что каждый I мм перемещения приемной головки датчика в каждой из координатных плоскостей соответствует выходному напряжению 0,098В, снимаемому с регистрирующего потенциометра прибора
