Лекция Электронные тахеометры. Электронные системы измерения углов. Техника безопасности при работе с лазерными приборами.

    Скачать с Depositfiles 

                                Лекция 8

                  Электронные тахеометры

      Электронные системы измерения углов

В конце 50-х годов развитие оптических теодолитов достигло высокого уровня. К этому времени приборная точность теодолитов достигла уровня . Поэтому точность измерения углов ограничивалась только влиянием внешних условий, а не техническими возможностями теодолитов. Влияние атмосферы на угловые измерения при благоприятных условиях для наблюдений не превышает , а при удовлетворительных – больше. Таким образом, точность измерения углов определяется не приборной точностью теодолита, а влиянием атмосферы. Поэтому стимулов для дальнейшего развития оптических теодолитов с целью повышения их точности не стало.

Однако как раз в этом время началась эра электронно-вычислительных машин и автоматизации в различных отраслях техники. Это не могло не повлиять и на развитие геодезической техники. Использование ЭВМ позволило постепенно автоматизировать не только обработку геодезических измерений, но также вычерчивание топографических карт и планов, т.е. стала реальностью автоматизация камеральных геодезических работ. Для приведения в соответствие технического уровня полевых работ к уровню камеральных необходимо было автоматизировать процесс измерения длин сторон, углов и превышений, т.е. снова появился стимул для повышения развития геодезических приборов, в том числе и угломерных.

Использование ЭВМ для камеральной обработки требовало, чтобы результаты геодезических измерений получались в кодовой форме, так как ручное введение в ЭВМ цифровых значений измеренных величин является трудоемким процессом и способствует появлению грубых ошибок.

Внедрение автоматизации геодезических полевых измерений стимулировалось также созданием во многих странах геоинформационных и кадастровых систем, что требовало выполнения большого объема геодезических работ. Поэтому необходимо было повышать их эффективность.

Автоматизация линейных измерений произошла быстрее всего. Автоматизировать угловые измерения было намного тяжелее. Первоначально была сделана лишь частичная автоматизация. Сюда следует отнести замену уровня при вертикальном круге компенсатором и применение фоторегистрации отсчетов по кругам теодолита.

По сути дела началом процесса автоматизации угловых измерений стала замена традиционных кругов – кругами с нанесенною на них кодовою системою, с которых считывание направлений выполняли специальные электронные устройства, которые стали называть считывателями.

Кодовый круг во время измерений является неподвижным, а считыватель – жестко связан с трубой теодолита и перемещается при вращении трубы относительно кодового круга. При этом направления, которые изменяются плавно, превращаются в сигналы, которые изменяются дискретно. Таким образом при использовании кодовых кругов выполняется две операции: квантование направлений и их кодирование.

Наипростейшей кодовой системой является двоичная система. Она предусматривает нанесение на круг системы концентрических колец, которые называются дорожками. Каждое из колец поделено на  попеременно прозрачных и непрозрачных сегментов, где  – номер дорожки. Нумерация начинается с дорожки, ближайшей к центру круга. Таким образом ближайшая к центру дорожка является поделенной на 2 сегмента, один из которых является прозрачным, а второй – непрозрачным. Вторая дорожка поделена на 4 сегмента (два прозрачных и два непрозрачных), третья – на 8 и т.д. (рис. 1). На дорожку, являющеюся самой крайней на круге, нанесено самое большое число сегментов. Один сегмент этого кольца является элементом квантования направления.

Рис. 1 – Схема круга с двоичным кодом

Нанесенная таким образом система кодов для каждого положения зрительной трубы теодолита создает на радиальном направлении кодового круга набор прозрачных и непрозрачных сегментов в неповторимом порядке, т.е. код. Всем направлениям, которые изменяются в пределах одного сектора квантования, соответствует одинаковый код. Поэтому указанные дорожки дают возможность однозначно определить любое положение зрительной трубы теодолита, т.е. направление, с точностью, равной цене деления элемента квантования в угловой мере. Угловой ценой элемента квантования является центральный угол, стороны которого вырезают один сегмент на последней дорожке. По этой причине точность определения направления обусловливается количеством дорожек в кодовой системе, потому что от него зависит количество сегментов на последней дорожке.

В кодовой системе углы обычно определяют не в градусах, а в градах.

В окружности 400 град, записывается как 400g. 1 град содержит 100 сантиград, записывается как 100 с . 1 сантиград равен 100 сантисантиградам, это записывается как 1с=100 сс. Таким образом можно записать следующие соотношения:

= 100 с = 10000 сс;

1g = 0.9° = 54 ‘ = 3240 ‘’;

1° = 1.111… g = 111.111… с = 11111.111… сс;

360° = 400 = 40000 с = 4000000 сс = 21600′ = 1296000»

1’ = 1.852 c; 1’’ = 3.086 cc; 1= 0.54’; 1cc = 0.324’’;

Если на круге имеется 12 дорожек, то на последней из них имеется 212=4096 сегментов. Один сегмент соответствует углу, равному 5.27′ (21660/4096), или 9.766с(40000/4096). Для того, чтобы цена одного сегмента составляла около 1сс (0.0001g), т.е. 0.324», необходимо иметь 22 дорожки (222=4194304). Диаметры кругов теодолита бывают от 130 до 150 мм. При таких размерах кругов линейные размеры сегмента на последней двадцать второй дорожке составят 0.1 мкм, т.е. 100 нм.

(2πR/222, что при R=70мм составит 6.28*70//222=0.1 мкм. А теперь вспомним, что диапазон длин световых волн 380-780 нм. Следовательно, 100 нм – это жесткий ультрафиолет).

Исходя из технологических возможностей размер сегмента не может быть менее 3 мкм. Поэтому такого количества дорожек на кругах практически не бывает. В существующих теодолитах количество дорожек не превышает 12. Для получения значений направлений с большей точностью чем 10с=5.27′, используют разные способы электронной интерполяции.

Считыватель состоит из отдельных элементов, расположенных вдоль радиального направления круга. Число отдельных элементов считывателя равно числу дорожек на круге. На рис. 2 показана схема считывателя, который состоит из шести сегментов. Такой считыватель можно использовать для считывания направлений с круга, показанного на рис. 1, потому что на нем шесть дорожек.

Рис. 2 – Считыватель с кодового круга

Недостатком описанной системы является неопределенность считывания на границе прозрачного и непрозрачного сегментов (рис. 3).

Рис. 3 – Неоднозначность считывания с кодового диска

Она возникает в связи с тем, что «площадка из света», которая формируется щелевой диафрагмой, имеет конечную толщину. Поэтому при перемещении границы прозрачного и непрозрачного сегментов происходит постепенная смена интенсивности света. Эта неопределенность может привести к ошибке, которая равна цене сегмента той дорожки, на которой имеется такая граница. В обычном двоичном коде такая неопределенность может возникать на нескольких дорожках одновременно, потому что на многих радиальных направлениях круга имеется более двух переходов от прозрачного к непрозрачному сегменту. Поэтому разработаны модификации двоичного кода, в которых может иметь место неоднозначность только на одной из дорожек. Среди них наиболее распространен циклический двоичный код Грея. Он создан таким образом, что непрозрачные сегменты располагают посередине прозрачного или непрозрачного сегмента предыдущей дорожки. На рис. 4 показана двоичная система Грея.

Рис. 4 – Круг с кодом Грея

При таком коде результаты считывания представляются не в двоичной системе, а в системе, называемой кодом Грея. (табл. 1). В этом коде только 0 и 1 отображаются также, как и в двоичном. Все остальные цифры отображаются в коде Грея иначе.

Табл. 1. Сравнение двоичного кода и кода Грея

 

Десятичное

Число

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Код

Грея

0000

0001

0011

0010

0110

0111

0101

0100

1100

1101

1111

Двоичное

число

0000

00001

0010

0011

0100

0101

0110

0111

1000

1001

1010

 

К недостаткам описанных кодовых систем относится не только возможность появления ошибок, которые возникают при попадании направления на границу между прозрачным и непрозрачным сегментами, но также очень высокие требования к точности нанесения дорожек, делению их на сегменты, а также к радиальному расположению всех элементов считывателя. Эти недостатки явились причиной разработки многих других разновидностей кодовых систем.

Рассмотрим кодовую систему, которая используется в тахеометрах Рекота фирмы Карл-Цейс-Йена. В этой системе считывание производится на трех уровнях точности: грубое считывание с точностью 1g, точнее с точностью 0.1g и еще более точно с точностью 1cc. На круге есть всего лишь 6 колец. Фрагмент рассматриваемого круга показан на рис. 5

Рис. 5 – Фрагмент круга тахеометров Рета и Рекота

Три первых от центра дорожки называются информационными. Они имеют прозрачные штрихи на непрозрачном фоне. Три крайних кольца пустые. На рис. 6 показан небольшой участок трех информационных дорожек.

Рис. 6 – Информационные дорожки на круге тахеометров Рета и Рекота

На третьей от центра дорожке (на рис. 6 это нижняя дорожка) равномерно нанесены 4000 штрихов, т.е. это есть не что иное как шакала с ценой деления 0.1g. Назовем ее дециградовую. На другой дорожке есть 400 таких штрихов, они образуют градовую шкалу. Ближайшая к центру круга дорожка (на рис. 6 это верхняя дорожка) поделена на 4000 интервалов, но нанесена лишь часть штрихов, которая образует десятично-двоичный код. На одном градовом делении такой шкалы размещено 10-битовое слово, которое условно поделено на три части: четыре, четыре и два бита. На каждом из этих делений записано в двоичном виде число. Первые два бита являются цифрой в разряде сотен градов, четыре последующих – в разряде десятков, а последние четыре – единицы градов. Каждому граду на круге соответствует свой код на этой дорожке.

Верхняя дорожка дает возможность получить количество целых градов. Это значение определяют по ближайшему слева к индексу градовому делению. На рис. 6 число целых градов равно 192.

Считая число делений на нижней шкале от ближайшего слева градового деления до индекса определяют десятые доли града, которые содержатся в «остатке». На рис. 6 таких частей 4. Отсюда получаем 192.4g

Далее уточнение направления выполняется электронной интерполяцией интервала от последнего дециградового деления до индекса. Точность интерполяции составляет 0.0001 g= 1 cc. Интерполяция базируется на преобразовании линейного отрезка в часовой и определении последнего подсчитыванием заполняющих импульсов, т.е. весь этот процесс подобен определению фазового домера цифровым фазометром.

Техника безопасности при работе с лазерными приборами

При работе с радиотехническими приборами необходимо соб­людать технику безопасности. Лазеры в этом отношении не являются исключением. Опасность, вызываемая лазерным излучением, качест­венно не отличается от опасности, создаваемой высокоинтенсивными источниками света.

Наиболее уязвимым органом для поражения лазерным излучением является глаз. Лазерное излучение, имеющее малую расходимость, фо­кусируется с помощью глазной линзы на сетчатке в очень малое пятно (-20 мкм), в результате чего плотность излучения в нем оказывается на четыре-пять порядков выше, чем плотность мощности падающего на глаз излучения. Действительно, если диаметр зрачка 5 мм, а диаметр сфокусированного пятна составляет 20 мкм, то увеличение плотности мощности на сетчатке глаза пропорционально 52 мм / 202 мкм, т.е. уве­личивается в 6-104 раз. Поэтому сетчатка может быть повреждена при уровнях мощности лазера, не представляющих опасности для других частей тела.

Лазерное излучение обладает свойством вызывать кумуля­тивный эффект, поэтому допустимая доза облучения зависит от времени облучения и спектрального состава излучения. На сетчатке может фокусироваться только излучение с длиной волны 0,4—1,4 мкм, которое про­ходит через хрусталик глаза и воздействует на нее. Лазерное инфракрасное излучение (>1,4 мкм) и ультрафиолетовое (<0,4 мкм) поглощаются глазной средой и не достигают сетчатки. Если интенсивность поглощаемого глазной средой излучения достаточ­но высока, обычно повреждается рого­вая оболочка глаза.

Для физиологических изменений большое значение имеют высокая степень направленности лазерного пучка, малая величина фокального пятна и высокая интенсивность падающего на сетчатку излучения. Кроме того, на характер и степень производимых нарушений оказывают влияние и другие факторы: длительность импульса лазерного излучения, пространственное распределение энергии в пучке, различия в структуре разных участков и ее пигментации, наличие светового фона, а также особенности фокусировки каждого отдельного глаза.

В настоящее время наиболее широко используют гелиево-неоновые и полупроводниковые лазеры, имеющие выходную мощность в несколько милливатт. Их выходная мощность близка к значению максимально допустимого уровня. Чувствительное пятно глаза – это небольшой участок сетчатки наиболее четкого восприятия. Малый ожог на чувствительном пятне снижает остроту зрения, а на периферийные участки сетчатки оказывает меньшее влияние. С течением времени малые ожоги на сетчатке заживают, но приводят к потере остроты зрения. Мминимальная мощность выходного излучения гелиево-неонового лазера, которая вызывает повреждение глаз, составляет 7 мВт.

Экспериментально доказано, что пороговое значение плотности энергии на сетчатке составляет 0,1 — 1,0 Дж/см2 при длительности действия 10—15 нс.

Предельно допустимый безопасный уровень для глаз составляет 1 -10-4 Дж/см2. Световой пучок такой плотности не оказывает вредного воздействия на кожу. Вся энергия излучения поглощается тонким слоем кожи.

Более высокие плотности мощности лазерного излучения могут вызывать ударные эффекты, которые повреждают органы тела, вызывая их смещение. Однако лазеры, имеющие значительную выходную мощность излучения, для измерений, как правило, не применяют. В геодезии используются лазеры, мощность излучения которых не превышает 4 мВт.

В тех случаях, когда выполняются работы с лазерами, энергия излучения которых выше допустимого безопасного значения, используют защитные очки. Защитные очки, представляющие собой узкополосный светофильтр, сильно ослабляют лазерное излучение, одновременно пропуская другие длины волн. Очки имеют маркировку по оптической плотности и эффективной длине волны.

При работе с лазерными приборами значительную опасность представляет источник электропитания, который может вызвать поражение током, поэтому необходимо соблюдать те же меры предосторожности, что и при использовании высоковольтных устройств.

Кроме того, возможны опасности, связанные с использованием в лазерных приборах ядовитых или агрессивных веществ в модуляторах, затворах, пленках и т. п. Министерство здравоохранения утвердило санитарные нормы и правила, которые необходимо выполнять при работе с лазерными устройствами.

Согласно этому документу лазерные установки делят на четыре класса по степени опасности генерируемого ими излучения (табл. 1.6). К лазерам I класса относятся лазеры, излучение которых не представляет опасности при облучении глаз прямым или зеркально отраженным излучением. К лазерам II класса относятся лазеры, излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым или зеркально отраженным излучением. К лазерам III класса относятся лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении глаз прямым, зеркально отраженным, а также диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности или при облучении кожи прямым и зеркально отраженным излучением. К лазерам IV класса относятся лазеры, выходное излучение которых представляет опасность при облучении кожи диффузно отраженным излучением на расстоянии 10 см от диффузно отражающей поверхности.

Лазеры, используемые в геодезических приборах, относятся ко II классу.

При работе с приборами, использующими в качестве источника из­лучения лазеры, основное правило техники безопасности заключается в том, чтобы не допускать попадания прямого и зеркально отраженного излучения в глаза оператора и лиц, случайно попавших в зону действия пучка.

Если лазерное излучение наблюдается не более одного раза в день и такое наблюдение не связано с производственной необходимостью, то оно считается случайным. Для определения границы лазерной опасной зоны рассчитывают плотность потока излучения по трассе его распространения. Для этого используют такие паспортные данные прибора, как диаметр пучка на выходе из прибора и его расходимость, а также мощность излучения. Кроме того, необходимо знать коэффициент отражения от мишени (марки).

Для безопасного ведения геодезических работ рекомендуется соблюдать следующие правила:

1) место производства работ должно быть ограждено и установлен предупредительный плакат или сигнальная лампа;

2) перед работой из зоны действия пучка лазерного излучения необходимо удалить все хорошо отражающие предметы;

3) пучок лазерного излучения должен проходить, по возможости, выше головы или ниже пояса человека;

4) соблюдать требования техники безопасности, установленные для работы с электрическими приборами.

 

    Скачать с Depositfiles