Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Технические средства поверки углоизмерительнои и дальномерной техники 10
1.1. Геодезический полигон. Общие положения 10
1.1.1. Требования к элементам ГП 11
1.1.2. Локальная поверочная схема для светодальномеров и лазерных дальномеров 12
ГЛАВА 2. Анализ существующих методов и средств измерения длины. методы и средства поверки приборов для определения длины 16
2.1. Средства измерения длины. Классификация и основные положения 16
2.1.1. Геометрические дальномеры 17
2.1.2. Дальномеры двойного изображения 18
2.1.3. Физические дальномеры 20
2.2. Тахеометры. Основные определения. Классификация 28
2.2.1. Основные положения 28
2.2.2. Классификация тахеометров 29
2.2.3. Электронный тахеометр 32
2.2.4. Устройство и принципы работы дальномерного блока 33
2.2.5. Поверка тахеометра 37
2.3. Коллиматорные стенды для поверки углоизмерительных приборов 44
ГЛАВА 3. Анализ методов и средств измерений с применением оптического волокна 51
3.1. Оптическое волокно. Классификация оптического волокна 51
3.2. Технология измерений в волоконно-оптических системах
3.2.1. Оптические измерители мощности 55
3.2.2. Визуальные дефектоскопы 55
3.2.3. Анализаторы затухания в оптическом кабеле 56
3.2.4. Оптические рефлектометры 57
3.2.5. Разрешающая способность при измерении длины с помощью рефлектометра 60
ГЛАВА 4. Разработка метода и средства поверки дальномерного блока тахеометра 62
4.1. Исследование оптического волокна в качестве базисной линии 62
4.2. Учет погрешности измерения длины оптического волокна при измерении температуры 66
4.3. Исследование погрешности измерения длины оптического волокна 71
Заключение 73
Приложение А 75
Список литературы 76
- Требования к элементам ГП
- Тахеометры. Основные определения. Классификация
- Технология измерений в волоконно-оптических системах
- Учет погрешности измерения длины оптического волокна при измерении температуры
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В настоящее время широко
используются средства линейных измерений, основанные на принципах лазерной дальнометрии. Современные углоизмерительные приборы, такие как электронные тахеометры, снабжены лазерными дальномерами, что позволяет проводить не только измерения углов между объектами, но и расстояния до этих объектов. При этом развитие и совершенствование лазерных дальномеров, возрастающие требования к их точности и надежности приводят к необходимости создания новых методов и средств контроля метрологических характеристик таких приборов. Поэтому метрологический контроль измерительных систем лазерных дальномеров является на данный момент актуальной задачей.
Погрешности современных измерительных систем оптико-электронных дальномерных геодезических приборов подчиняются сложной зависимости, которая до конца не изучена и может быть выявлена только в результате экспериментальных исследований.
В современной геодезической метрологии поставлена задача по разработке и исследованию новых методов и средств поверки и калибровки углоизмерительных и дальномерных приборов, реализованных в виде соответствующих поверочных стендов.
К техническим и метрологическим характеристикам стендов для поверки и калибровки углоизмерительных и дальномерных приборов предъявляются следующие требования:
многофункциональность стендового оборудования;
сокращение времени поверки и калибровки средства измерения;
автоматизация процесса измерений;
использование альтернативных эталонных мер.
Известные эталонные средства для калибровки и исследований дальномерных блоков геодезических приборов является геодезический полигон с набором базисных линий разной длины. Полигон - открытый участок местности размером от нескольких сотен до нескольких километров в поперечнике, имеющий сложную и дорогостоящую в содержании инфраструктуру. Поверка угломерной части тахеометра производится в нормальных лабораторных условиях на коллиматорных стендах. Отсюда возникает необходимость совмещения средств поверки угломерной и дальномерной частей оптоэлектронного прибора, что позволит контролировать обе части прибора при одинаковых условиях. Также требуется миниатюризация базисных линий до размера, сопоставимого с размерами коллиматорного
стенда, что, в конечном счете, повысит экономическую эффективность мероприятий, связанных с поверкой лазерных дальномеров.
Таким образом, необходима разработка методов и средств калибровки и поверки оптико-электронных приборов, которые позволят оперативно поверять как угломерную, так и дальномерную часть оптоэлектронного прибора на одном и том же стенде.
Следовательно, актуально создание универсального стендового оборудования для метрологических исследований современных геодезических приборов, снижение времени и себестоимости процедуры проведения поверочных работ. Это в свою очередь диктует необходимость поиска принципиально новых методов и средств поверки лазерного дальномерного блока оптико-электронных приборов.
Для достижения поставленной цели в настоящее время перспективно использование в качестве базисных линий оптического волокна (ОВ) с целью передачи светового сигнала от лазерного излучателя до приемника.
Основы метрологического обеспечения эксплуатации, методические вопросы поверок и исследований геодезических приборов нашли отражение в трудах А.И. Спиридонова, Ю.Н. Кулагина, М.В. Кузьмина, В.И. Новикова, А.Б. Рассада, А.П. Ворошилова. Вопросами совершенствования методики измерений на основе применения новых оптических и лазерных приборов в настоящее время занимаются Ю.И. Беспалов, Т.Ю. Терещенко. Большой вклад в развитие исследований по таким вопросам, как рефлектометрия оптических волокон, методы измерений в оптоволоконных системах, изучение свойств кварцевых волокон, внесли ученые и организаторы науки А.В. Листвин, В.Н. Листвин, И.Г. Бакланов, А.Н. Винчелл, А.С. Сонин, Н.И. Демкиниа, В.К. Леко, О.В. Мазурин, Д.Э. Мидвинтер. Вопросы оценки метрологической надежности средств измерений отражены в работах Л.В. Ефремова, Д. Ллойда, А.О. Проникова, А.Э. Фридмана.
Целью работы является создание метода контроля лазерных дальномерных блоков, который позволит повысить эффективность мероприятий, связанных с поверкой лазерных дальномеров.
Достичь поставленной цели позволит решение следующих задач:
-
-
анализ существующих методов и средств поверки углоизмерительных и дальномерных геодезических приборов;
-
исследование типов и характеристик оптического волокна с целью оптимального выбора световода для базисной линии;
-
разработка метода, позволяющего контролировать метрологические характеристики измерительных систем дальномерного блока;
-
-
экспериментальная апробация разработанного метода на дальномерных блоках тахеометров;
-
анализ влияния изменения температуры оптического волокна на погрешность измерения расстояния при использовании разработанного метода.
Методы исследования
При разработке метода контроля дальномерного блока тахеометра учитывались принципы передачи света, используемые в волоконной оптике. Расчет погрешности измерения длины волокна основан на элементах теории упругости и поляризации электромагнитных волн, теории случайных функций, методах обработки экспериментальных данных.
Объектом исследования служило контрольно-измерительное оборудование, применяемое при метрологической поверке и калибровке геодезических средств измерений. Изучались тахеометры с различными метрологическими характеристиками. Выполненные в диссертационной работе исследования основаны на анализе литературных данных, выполнении теоретических и практических работ и экспериментальной проверке достоверности этих результатов.
Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке метода контроля метрологических характеристик лазерного дальномерного блока с применением оптического волокна. Впервые в качестве базисной линии использован отрезок оптического волокна. Впервые коллиматорный стенд для поверки угломерной части тахеометра конструктивно объединен со стендом для контроля метрологических характеристик дальномерного блока.
Основные положения, выносимые на защиту
-
-
-
Результаты анализа существующих методов и средств измерения длины, а также методики поверки дальномерных и угломерных геодезических приборов.
-
Разработанный метод метрологического контроля измерительных систем лазерного дальномерного блока.
-
Разработанная конструкция оптоволоконной базисной линии для метрологического контроля измерительных систем лазерного дальномерного блока.
-
Экспериментальная апробация разработанного метода и интерпретация результатов измерения.
-
Результаты расчета погрешности измерения расстояния с использованием разработанного метода при изменении температуры оптического волокна.
Практическая значимость работы
Результаты, полученные в ходе исследований, позволяют использовать разработанный метод для метрологического контроля лазерных дальномерных блоков геодезических приборов. Исследования показали, что коллиматорный стенд для контроля угловых характеристик геодезических приборов может быть конструктивно объединен с разработанной оптоволоконной базисной линией. Модернизированный стенд позволяет одновременно контролировать угловые и дальномерные метрологические характеристики геодезических приборов.
Апробация работы
Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно- технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых: Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения МИКМУС-2009 (Москва, Институт машиноведения им. А.А. Благонравова, 2009 г.), XL Научная и учебно- методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2011 г.).
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 работы в журналах из перечня ВАК.
Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка использованных источников информации, содержащего 68 наименований. Работа изложена на 80 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 5 таблиц и 1 приложение.
Требования к элементам ГП
Основные пункты базисов 2-го разряда закрепляются центрами типа 187 с устройством для принудительного центрирования рис. 2 в соответствии с ГКИНП-07-016-91 [20].
Еще одним важным элементом для поверки угломерной измерительной техники должен обладать любой ГП - сеть микротриангуляции. Сеть микротриангуляции рекомендуется составлять из двух геодезических четырехугольников: большого - со сторонами 0,5-3,5 км и малого - со сторонами 0,3-1,0 км. На рис.3 представлена схема одного из возможных вариантов построения сети микротриангуляции. Большой четырехугольник предназначен для испытаний и контроля точных и высокоточных теодолитов с СКП измерения горизонтального
Пункты сети микротриангуляции закрепляются центрами в Рисунок 2 - Центр базиса 2-ого разряда соответствии с пунктом 7ГКИНП-07-016-91. Паспорт ГП является основой для составления свидетельства о метрологическойаттестации ГП.
Локальная поверочная схема для светодальномеров и лазерных дальномеров Локальная поверочная схема (ЛПС) распространяется на геодезические средства измерений длины (дальномеры) в диапазоне до 30000 м со средними квадратическими погрешностями а от (0,6 + 1 10-6L) мм до 3 10_3L мм. ЛПС распространяется также и на светодальномерную часть электронных тахеометров [53]. В качестве исходного эталона (ИЭ) используются базисный прибор БП-1 с диапазоном измерений 24 м и с а і = 6 мкм (или группа, состоящая из двух базисных приборов с аг - 4 мкм), а также группа из двух фазовых дальномеров с диапазоном измерений до 5 км и относительной погрешностью io,2 = 5 10-7 (или группа, состоящая из трех фазовых дальномеров с ао,з = (2-гЗ)10 ) см. Приложение А.
Поверка РЭ осуществляется метрологическими службами, аккредитованными в установленном порядке не реже одного раза в 2 года. РЭ 1-го разряда служит для поверки РЭ 2-го разряда (фазового светодальномера) и рабочих СИ - точных светодальномеров методом прямых измерений. РЭ 2-го разряда. В качестве данного эталона используются базис 2 разряда длиной 3000 м и с Go = 1 Ю-6 и фазовый светодальномер в диапазоне до 5000 м с относительной погрешностью Go = 1 Ю-6.
Поверка РЭ осуществляется метрологическими службами, аккредитованными в установленном порядке, не реже одного раза в 2 года для светодальномера и одного раза в 3 года для базиса. Поверка базиса 2 разряда осуществляется в соответствии с МИ БГЕИ 30-94. РЭ 2-го разряда - базис 2 разряда служит для поверки рабочих СИ -светодальномеров методом прямых измерений. РЭ 2-го разряда - фазовый светодальномер служит для поверки РЭ 3-го разряда методом прямых измерений и поверки рабочих СИ (светодальномеров, радиодальномеров и дальномеров геометрического типа) сличением при помощи компаратора. РЭ 3-го разряда. В качестве данного эталона используется базис 3 разряда длиной 5000 м с относительной погрешностью Go = 3-Ю-6. Поверка РЭ осуществляется в соответствии с МИ БГЕИ 30-94 метрологическими службами, аккредитованными в установленном порядке, не реже одного раза в 3 года. РЭ 3-го разряда служит для поверки рабочих СИ - радиодальномеров и светодальномеров, а также дальномеров геометрического типа методом прямых измерений.
Рабочие средства измерений (СИ). В качестве рабочих средств применяются светодальномеры групп СГ, СТ и СП по ГОСТ 19223-90 и другие светодальномеры, равноценные по точности и назначению с погрешностями измерений G = [(0,6 — 1) + Г10" L] мм с диапазоном измерений от 0,5 до 5000 м и светодальномеры с диапазоном измерений до 30000 м с о = [(2 - 10) + 2- 10_6L] мм, а также радиодальномеры и дальномеры геометрического типа с диапазоном измерений до 30000 м и относительной погрешностью Go от 0,05-Ю-4 до 3-Ю"3. Поверка РСИ производится в соответствии сЭД, МИ БГЕИ 15-93 и ГКИНП 17-197-85 метрологическими службами, аккредитованными в установленном порядке.
Светодальномеры типа СТ и СП поверяют один раз в 1 год, а типа СГ -один раз в 2 года.
Тахеометры. Основные определения. Классификация
Для возврата излучения в приемник светодальномера используется устройство в виде прямоугольного тетраэдра со взаимно перпендикулярными отражающими плоскостями. Наибольшее распространение получили отражатели призменные (уголковые), основанные на свойстве триппель-призмы рис. 13 возвращать отражаемый луч строго в обратном направлении при условии точного изготовления самой призмы (отклонение между гранями от требуемых в 90 не более единиц угловых секунд). На рис. 14 приведено изображение блока из 6 триппель-призм. Число призм зависит от величины измеряемой длины. Для отрезков до 1 км редакция государственного стандарта на новый вид изделий -«Светодальномеры» (ГОСТ 19223), которым предусматривался промышленный выпуск двух типов: СБ и СМ -светодальномер для измерения больших расстояний (до 20 -30 км) и для малых расстояний (до 2 км) или в производственном языке «светодальномеры большие» и «светодальномеры малые». В 1990 г. вторая - переработанная редакция того же стандарта предусматривала выпуск уже призменныи четырех типов светодальномеров, среди которых появился тип «СТ» «светодальномер топографический» [36]. Однако еще в 1961 г. в МИИГАиК был создан топографический светодальномер. Его несколько модификаций с 1962 по 1966 гг. под шифрами: СТД, СТ-62, СТ-62М, СТ-63, СТ-64 и СТ-65. Достигаемая точность светодальномеров типа СТ-65 порядка 1/40000 [21]. Главная причина невысокой точности дальномеров с плавным изменением частоты модуляции заключается именно в нестабильности устройств перемены частот. По этой причине постепенно все светодальномеры стали использовать кварцевые генераторы с некоторым набором строго стабильных фиксированных частот. С 1967 г. начал выпускаться первый отечественный большой светодальномер «Кварц», в котором применялись только четыре фиксированные частоты. Новшеством стало применение нового, более мощного излучателя - гелий-неонового лазера. Свою последнюю модель большого светодальномера конструкторы ЦНИИГАиК назвали «Гранат» (рис. 15). Светодальномер являлся модификацией «Кварца», новый приемопередатчик существенно уменьшился по габаритам и массе (до 15 кг), сохранив диапазон измеряемых длин и их точность (до 50 км с относительной погрешностью 1/400000) [36]. Революционный скачок в создании компактных светодальномеров относится к периоду конца 1960-х гг. Это стало возможным благодаря замене источника излучения (лампы накаливания или лазера)
Светодальномер полупроводниковым светодиодом, который «Гранат» с блоком отражателей не требовал затвора-модулятора, так как создание необходимых колебаний сигналов излучателя в этом случае стало возможным соответствующим изменением подачи электрического напряжения. Некоторым усложнением нового типа светодальномеров, явилось то обстоятельство, что диапазон нового излучателя - светодиода на арсениде галлия (GaAs) находится для человеческого глаза в невидимой части спектра (Я = 0,91 мкм). Наблюдатель, как бы старательно он не навел свой излучатель на отражатель, ответного сигнала не увидит. Так как в любом светодальномере оптическая ось визирования и ось электронного излучателя не совпадают и не параллельны, то наводку на цель-отражатель для производства измерений пришлось выполнять в два этапа. Сначала - «грубо» через трубу видоискателя, затем - «точно», поворачивая излучатель небольшими «квантами» в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью микрометренных винтов, как бы «ощупывая» пространство вблизи отражателя, до тех пор, пока стрелка электрического прибора (микроамперметра) резким скачком не укажет на момент получения отраженного сигнала. На рис. 16 приведено изображение отечественного светодальномера КДГ-3 (с излучателем GaAs) и отражателем из 58 призм.
Народное предприятие ГДР «Карл Цейсе Иена» подчеркивая относительно скромную мощность излучения светодиода на GaAs, не позволяющею измерять расстояния большие 2000 метров, разработала светодальномер типа: «ЕОК-2000» [36]. Конструкторская мысль авторов ЕОК-2000 была направлена на целесообразное согласование методики и скорости измерения с общим процессом работы, т.е. с затратами на переноску и установку. Для облегчения поиска отражателя в ЕОК-2000 имеется второй излучатель в видимой области спектра. Трубы приемника и передатчика выполнены отдельными блоками, измерение расстояний ведется на трех частотах: 30, 30.3 и 33 МГц. Из отечественных инструментов наиболее широкое распространение получили светодальномер СМ-2 рис. 17 и СМ-5, выпускавшиеся заводом УОМЗ. По стандарту 1982 г. обозначение светодальномера, типа СМ-2, означало: Рисунок 17 -Светодальномер СМ-2 измерять расстояния до 2 км при использовании отражателя с девятью светодальномер малый, средняя квадратическая погрешность измерения расстояния одним приемом не более 2 см. Светодальномер СМ-2 позволял призмами.
В 1990 г. была принята вторая редакция государственного стандарта на светодальномеры (ГОСТ 19223-90) [4], которым предусматривается выпуск их четырех видов: СГ, СП, СТ и СТД. СГ - светодальномер для измерений при создании геодезических сетей, СП - для прикладной геодезии (для высокоточных измерений относительно не больших длин при создании инженерных сооружений), СТ-для топографических съемок, СТД-светодальномер топографический, работающий в режиме диффузного отражения (без отражателя).
Широкое распространение получили и светодальномеры типа СТД (импульсные, диффузного отражения, т.е. не требующие отражателя), принципиальная схема СТД приведена на рис. 18 [36]. От источника излучения ГСГГ (галлий-скандий-гадолиниевый гранат) через верхний объектив посылается мощный и короткий (длительностью около 10 не) импульс излучения с длиной волны около 1 мкм. В нижний объектив от этого импульса попадают две его не большие части: по каналу 1 через призменный мостик в момент старта импульса и по каналу 2 - часть отраженного излучения (на рис. 15 - от кроны дерева). В момент попадания стартового сигнала по каналу 1 на ФПУ (фотоприемное устройство включается генератор образцовой частоты (/"=30 МГц), который служит для измерения времени прохождения импульса от передатчика до объекта и обратно. Незначительная часть энергии импульса после отражения от объекта попадает также ФПУ по каналу 2 и служит стоп-сигналом счета времени (СФ -светофильтр для предохранения глаза наблюдателя в случае отраженного сигнала большой мощности). Вычислительное устройство ВУ обеспечивает возможность появления искомого результата - длины измеряемого отрезка на цифровом табло (ЦТ), БП - блок электропитания.
Технология измерений в волоконно-оптических системах
Успехи последних десятилетий XX века по налаживанию отечественной промышленностью серийного изготовления тахеометров ТЭ оказались скромными, особенно на фоне достижений в этой области зарубежных приборостроителей. Успехи в электронике позволили сразу четырем, ранее практически неизвестным в геодезии, фирмам Японии конкурировать на мировом рынке с западноевропейскими заводами. Сегодня четыре японские фирмы (офисы всех четырех в Токио): «Nicon» (основана в 1917 г.), «Sokkia» (основана в 1920 г., до 1990 г. имела название «Sokkisha»), «Торсоп» (основана в 1932 г.), «Pentax» Рисунок 23 - Электронный (основана около 2000 г.) - выпускают по несколько тахеометр SOKKIA SET ЇХ модификаций электронных тахеометров под соответствующими буквенно-цифровыми обозначениями (DTM, NPL, SET, GPT, R300 и т.п.). На рис. 23 изображен тахеометр компании SOKKIA SET IX способный измерять расстояния до 500 метров без использования отражателя [19].
Главное усовершенствование электронного тахеометра за последнее десятилетие, заключается в повышении чувствительности фотоэлектрического приемника отраженного излучения, что позволяет измерять относительно небольшие расстояния (до 200-500 м) без отражателей, а с их применением измерять отрезки до 5 км. Такие инструменты многие фирмы стали называть «безотражательными» тахеометрами. Для того чтобы пользователь мог знать до какой точки он местности указано значение дальности на цифровом табло, некоторые модели новых тахеометров стали снабжать дополнительным излучателем, позволяющим видеть красное пятно на стене здания, стволе дерева и подобной цели, куда наведена труба с измерительным излучателем [36].
Прогресс в создании электронных тахеометров повлиял на то, что в 2001 г. был принят новый отечественный стандарт на этот вид изделий геодезической техники - ГОСТ Р 51774-2001 [24]. Стандартом предусматривается промышленный выпуск трех типов электронных тахеометров: Та2, Та5 и Та20 («Та» - тахеометр, числа 2, 5 и 20 - средняя ква-дратическая погрешность измерения горизонтального угла) рис. 24. Достижение точностей при измерении углов в диапазоне от 2 до 20 угловых секунд не составляет сложностей при современном уровне отечественного производства. Сложнее обстоит решение задачи - возможность измерять дальности до 5 км с отражателем.
Дальномерная часть современных электронных тахеометров представляет собой дальномер, реализующий импульсно-фазовый гетеродинный способ измерения расстояния [57]. Источником излучения рис. 25 является полупроводниковый светодиод, фотоприёмником - лавинный фотодиод, в качестве отражателей применяются трипельпризмы.
Назначение передающего устройства состоит в обеспечении излучения модулированного сигнала в виде узкого светового луча в направлении на отражатель. Основными элементами устройства являются источник излучения, модулятор света, генератор масштабной частоты и передающая оптическая система рис. 26. наконечник оптоволокна нейтральный светофильтр с щелью
Оптическая схема зрительной трубы тахеометра В дальномерном блоке современных электронных тахеометров в качестве источников излучения применяют полупроводниковые лазеры, обеспечивающие высокую интенсивность излучаемой энергии в узком спектральном диапазоне, что очень важно для обеспечения измерений в дневное время суток [3; 6]. В связи с тем, что в свето дальномерах свет модулируют с частотой в десятки мегагерц, что необходимо для обеспечения высокой точности измерений, к модулятору предъявляется основное требование - малая инерционность работы. Кроме того требуется, чтобы модулятор имел минимальные потери светового потока и максимальную глубину модуляции.
Масштабная частота определяет длину «жезла», которым измеряют расстояние, поэтому её стабильность непосредственно влияет на точность линейных измерений. В связи с этим основное требование, предъявляемое к генератору масштабной частоты, состоит в обеспечении генерирования стабильных колебаний в заданном частном диапазоне. Стабилизация частоты достигается за счёт использования в радиоэлектронных схемах кварцевых резонаторов.
Передающая оптическая система, расположенная на выходе модулятора, служит для того, чтобы сконцентрировать излучаемый световой поток в узкий пучок и направить его на отражатель. Для повышения стабильности приборной поправки в схему дальномерного блока вводят оптическую линию короткого замыкания (ОКЗ). По этой причине дополнительное значение передающей системы состоит в обеспечении коммутации (переключения) излучаемого сигнала на удалённый отражатель и на линию ОКЗ.
В соответствии с методом фазовых измерений передающая часть дальномерного блока тахеометра связана с приёмным каналом для прохождения опорного сигнала (см. рис. 26). В современных тахеометрах опорный сигнал, как правило, передаётся от генератора масштабной частоты в фазометр по электрическим цепям.
Приёмная часть светодальномера предназначена для того, чтобы принять поступающий с дистанции или по линии ОКЗ оптический информационный сигнал, преобразовать его в электрический и выполнить фазовое сравнение с опорным сигналом. Эта задача решается с помощью приёмной оптической системы, фотоэлектронного приёмника и измерительного устройства (см. рис. 25). Приёмная оптическая система концентрирует оптическое излучение, поступающее от отражателя или по линии ОКЗ на входе фотоприёмника. В современных тахеометрах передающая и приёмная оптические системы, как правило, совмещены, что позволяет сделать конструкцию прибора более компактной и устранить трудности в приёме отражённого сигнала на коротких линиях из-за несовмещения траектории распространения излучаемого и принимаемого сигналов.
Фотоэлектронный приёмник предназначен для преобразования отражённого модулированного оптического сигнала в электрический с последующим выделением информационного сигнала. Фотоприёмник должен иметь высокую чувствительность к слабым световым сигналам используемого спектра излучения и способность выделить информационный сигнал на фоне различных шумов и других побочных компонентов спектра излучения. Кроме того, он выполняет и функцию смесителя.
Фазометрическое устройство, в которое поступает как опорный, так и информационный сигнал, служит не только для измерения разности фаз между этими сигналами, но и для предварительной обработки результатов измерений. В частности, применяемые в электронных тахеометрах цифровые фазометры в сочетании с встроенными в дальномер микропроцессорами, позволяют автоматически на цифровом табло получать полное значение расстояния с коррекцией за метеоусловия и другие факторы.
Учет погрешности измерения длины оптического волокна при измерении температуры
Оптические рефлектометры (OpticalTimeDomainReflectometer - OTDR) являются наиболее полнофункциональным прибором для эксплуатационного анализа оптических кабельных сетей [41].
Рефлектометр представляет собой комбинацию импульсного генератора, разветвителя и измерителя сигнала и обеспечивает измерение отраженной мощности при организации измерений с одного конца. Рефлектометры действуют по принципу радара: в линию посылается импульс малой длительности, который распространяется по оптическому кабелю в соответствии с релеевским рассеянием и френелевским отражением на неоднородностях в оптическом кабеле (дефекты материала, сварки, соединители и т.д.). Для ввода импульсов в волокно используются направленный ответвитель и оптический соединитель. Поток обратного рассеяния через оптический соединитель и направленный ответвитель поступает на высокочувствительный фотоприемник, где преобразуется в электрическое напряжение. Это напряжение подается на вход Y электронного осциллографа, вызывая соответствующее мощности потока обратного рассеяния отклонение луча осциллографа. Ось X осциллографа градуируется в единицах расстояния, а ось Y - в децибелах.
Блокобработки и отображения данных Блокуправления Рисунок 37 - Оптическая схема типичного импульсного рефлектометра Работа прибора основана на измерении мощности светового сигнала, рассеянного различными участками волоконно-оптической линии.
Световые импульсы относительно большой мощности от встроенного в импульсный оптический рефлектометр источника вводятся в волокно, а высокочувствительный приемник измеряет временную зависимость мощности светового сигнала, возвращающегося из тестируемого волокна обратно в рефлектометр.
Временная задержка сигнала равна удвоенному расстоянию до тестируемой области, деленному на групповую скорость света в волокне.
Кроме того, рефлектометр выдает графическое представление состояния тестируемого волокна.
В большинстве случаев рефлектометры используются для обнаружения повреждений в установленных кабелях и для оптимизации соединений. Однако они весьма полезны при проверке оптических волокон и поиска в них производственных дефектов.
Главной целью измерений, проводимых с использованием оптических рефлектометров, является определение импульсной характеристики тестируемого волокна. Как известно, импульсную передаточную характеристику исследуемого устройства можно получить в том случае, если на его вход подать бесконечно короткий импульс - так называемый 8-импульс. Тестирующий импульс оптического рефлектометра имеет конечную длительность, и поэтому реальный временной отклик - рефлектограмма представляет собой свертку импульсной передаточной функции волокна с тестирующим импульсом рис. 38.
Типичная рефлектограмма оптического рефлектометра По формуле Рэлея интенсивность рассеяния света обратно пропорционально четвертой степени длины волны. Зависимость (I К ) носит название закона Рэлея. В волоконных световодах рассеяние на частицах примеси может быть уменьшено практически до нуля, но рассеяние на «вмороженных» неоднородностях принципиально уменьшить нельзя, именно они определяют минимальную величину потерь на рассеяние.
Точность измерения расстояния с помощью рефлектометра ограничивается теми же факторами, что и при классических способах измерения расстояния (например, с помощью линейки). А именно, точностью определения положения начала и конца отсчета и точностью калибровки шкалы прибора [41].
Инструментальные ошибки в измерении длины волокна по рефлектограмме складываются из ошибки в определении начала волокна (смещение нуля), ошибки в калибровке горизонтальной шкалы рефлектометра и ошибки в определении положения конца волокна. Ошибка в определении положения конца волокна обусловлена конечной шириной интервала между измеряемыми точками (ценой деления) и неточностью фиксации положения переднего фронта импульса, отраженного от конца волокна. Смещение нуля возникает из-за ошибки в фиксации момента испускания импульса и примерно одинаково (±1 м) для всех моделей рефлектометров. Все инструментальные ошибки, кроме смещения нуля, прямо пропорциональны длине волокна.
Ошибки оператора возникают из-за неточности величины группового показателя преломления волокна, указанной в спецификации на волокно. Обычно в спецификации на волокно в значении группового показателя преломления указываются четыре знака после запятой. Например, для использованного нами волокна компании Corning приведено значение пг = 1,4682 (на А.= 1550нм). Такая запись означает, что величина пг измерена производителем волокна с точностью ±5-10"5. При этом ошибка в измерении длины будет равна ±5-10"5xL. т.е. она будет примерно равна инструментальной ошибке рефлектометра.
Если же величина группового показателя преломления неизвестна и в рефлектометре установлено среднее значение группового показателя преломления на этой длины волны, например, пг = 1.4676 на X - 1550 нм, то ошибка в измерении расстояния будет, естественно, больше. Практически для всех волокон типичное значение группового показателя преломления отличается от этого среднего на величину -0.2 %. Это значит, что ошибка в определении расстояния будет порядка ± 10"3 L.
Похожие диссертации на Разработка методов метрологического контроля измерительных систем лазерного дальномера
-
-
-
-
