Файл: Новая геодезическая техника и ее применение в строительстве учеб. пособие.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 121
Скачиваний: 0
При работах в градостроительстве светодальномеры исполь зуются для развития геодезических сетей методом полигонометрии. В этом отношении типичны работы, выполненные в Москве, Новосибирске, Балахне, Иноземцеве и других городах с помощью светодальномеров «Кристалл», СТ-62, СВВ-1. Светодальномерная полигонометрия в городах оказалась целесообразной по услови
ям организации работ, выгодной экономически |
(экономия до |
|||||||||||||||
25%') и вполне |
обеспечивающей |
регламен |
|
|
|
|
|
|||||||||
тированную |
для |
градостроительства |
точ |
|
|
|
|
|
||||||||
ность. Большая экономия и удобство возни |
|
|
|
|
|
|||||||||||
кает |
при использовании |
светодальномеров |
|
|
|
|
|
|||||||||
для |
привязки |
городской |
геодезической |
сети |
|
|
|
|
|
|||||||
к пунктам |
государственной |
геодезической |
|
|
|
|
|
|||||||||
сети. На строительных площадках |
примене |
|
|
|
|
|
||||||||||
ние светодальномеров целесообразно для по |
|
|
|
|
|
|||||||||||
строения |
так |
называемой |
геодезической |
|
|
|
|
|
||||||||
строительной |
сетки, представляющей |
собою |
|
|
|
|
|
|||||||||
обычно сеть квадратов или прямоугольников |
|
|
|
|
|
|||||||||||
с измеренными сторонами и углами. Вслед |
|
|
|
|
|
|||||||||||
ствие занятости |
площадки |
вспомогательны |
|
|
|
|
|
|||||||||
ми сооружениями |
измерение длины |
сторон |
|
|
|
|
|
|||||||||
сетки лентами или проволоками непосредст |
|
|
|
|
|
|||||||||||
венно по земле |
представляет |
значительную |
|
|
|
|
|
|||||||||
трудность. |
Применение |
|
светодальномеров |
- О - ; |
|
|
|
|||||||||
позволяет |
решить |
эту задачу |
значительно |
|
|
|
||||||||||
проще и быстрее. Во-первых, для измерения |
Рис. 11.28. |
|
Схема |
|||||||||||||
длины линий светодальномерами не требу |
|
|||||||||||||||
создания |
геодези |
|||||||||||||||
ется |
подготовки |
наземной |
трассы; |
во-вто |
ческой |
строитель |
||||||||||
рых — возможно |
|
применение |
новых |
|
схем |
ной |
сетки |
|
спосо |
|||||||
построения |
в виде |
сети |
трилатеррации |
или |
бом |
линейно-угло |
||||||||||
линейно-угловых засечек. Так, например, |
вых |
построений: |
||||||||||||||
/ — пункты сетки; 2 — |
||||||||||||||||
при |
создании |
геодезической |
строительной |
измеренные |
стороны; |
|||||||||||
сетки на Волжском автомобильном |
заводе |
3— |
измеренные |
углы |
||||||||||||
|
|
|
|
|
||||||||||||
с помощью светодальномера СТ-64 был применен |
способ |
линей |
||||||||||||||
но-угловых |
построений |
(рис. 11.28), |
давший |
вполне |
удовлетво |
рительные результаты по точности и двукратное повышение про изводительности труда.
В маркшейдерских работах особую трудность представляют линейные измерения в подземных условиях. До последнего вре мени большая часть таких работ выполнялась с помощью сталь ных рулеток и лент. Применение светодальномеров облегчает и упрощает технику линейных измерений, поскольку отпадают та кие операции, как провешивание и секционирование линий, пре вышающих длину рулетки, что весьма важно, если принять во внимание сильную вентиляционную струю воздуха и все возрас тающую интенсивность движения рудничного транспорта.
Светодальномеры находят применение для определения глу бины шахтного ствола. Высокоточные светодальномеры исполь-
89
зуются для определения деформаций и сдвигов горных пород, гидротехнических сооружений, движения земной коры.
§ II. 8. Интерферометры
Для компарирования мерных приборов и точного измерения небольших расстояний применяются интерферометры. В послед нее время эти приборы используются для измерения деформаций сооружений, а также для изучения поверхности строительных материалов, контуров на поверхности кристаллов и т. д. Измере ния с помощью интерферометров характеризуются относительной погрешностью 10~7-=-10-8.
Интерферометрами называют приборы, служащие для про странственного разделения двух световых лучей и создания меж ду ними определенной разности хода с целью получения интер ференционной картины, по которой и определяют измеряемое рас стояние или изменение определенного расстояния. До появления лазеров в интерферометрии применялись источники света с уз ким волновым спектром. В качестве источников света обычно
использовались изотопы кадмия с массовым |
числом |
114, ртути |
||||
с |
массовым |
числом |
98 или криптона с массовым |
числом 86. |
||
В |
1954 г. на |
Международном конгрессе метрологов |
в |
качестве |
||
эталона решили |
принять длину волны |
оранжевой |
линии |
(Л.=6056 А) изотопа криптона с массовым числом 86. Было уста новлено, что при измерениях в вакууме в 1 м укладывается 1650763,73 волн этой линии излучения изотопа криптона.
При использовании в интерферометре монохроматического света яркость полос интерференционной картины зависит от яр кости источника света и разности хода оптических лучей. Когда источник света имеет широкую полосу излучения, т. е. излучение состоит из волн различной длины, интерференционная картина менее ярка и окрашена, так как для различных длин волн поло жение максимумов (или минимумов) смещено друг относительно друга. Величина смещения полос интерференционной картины для различных длин волн возрастает с увеличением разности хода и увеличением ширины спектральной полосы. В идеальном случае (если бы источник света излучал на одной частоте) мож но было бы наблюдать интерференционную картину при неогра ниченной разности хода световых лучей.
Ширина волнового спектра для различных источников света неодинакова и поэтому неодинакова «длина когерентности». Дли на когерентности характеризует ту максимально допустимую разность хода световых лучей, при которой еще наблюдается кар тина интерференции. Для определения длины когерентности не обходимо определить время At когерентности источника, связан ное с шириной Av спектральной линии излучения следующим со отношением
90
=l / ( A v ) .
Зная время когерентности и скорость света с, можно вычис лить длину когерентности AL источника света
AL = с At.
Лазерные источники обладают значительно большей длиной1 когерентности, чем другие источники света. Линия излучения га зовых лазеров предельно узка, а следовательно велика длина когерентности. Так, например, при сравнительно легко достижи мой ширине линии излучения газового лазера порядка 1 МГц,, время когерентности
д; = i/(Av) = 1/1 МГц = Ю"8 с,
что соответствует длине когерентности
AL = cAt = 3 • 108 • 10"6 = 300 м.
Одномодовые гелий-неоновые лазеры имеют и более узкую ширину линии излучения. Так, например, достигнута кратковре менная ширина излучения гелий-неонового лазера, равная 2. Гц. Обычные источники света обеспечивают в лучшем случае время когерентности 10_ 8 с и следовательно длину когерентности по рядка 3 м.
Погрешности измерений интерферометрическим методом, в. основном, обусловлены нестабильностью частоты источника све та, так как эталоном длины является длина волны света. При изменении этого эталона длины (т. е. при уходе частоты) и воз никают ошибки измерений. Нестабильность частоты характери зуется выражением
|
S, = Av/v, |
|
|
где v — средняя |
частота излучения, |
генерируемая |
лазером; |
Av — величина флуктуации частоты за |
время наблюдений. |
||
Обычно стабилизация частоты лазеров достигается путем ста |
|||
билизации длины |
оптического резонатора, так как |
изменение |
длины резонатора лазера вызывает изменение частоты излуче ния. Достигнутая точность стабилизации частоты составля ет Ю - 9 , следовательно и потенциальная погрешность в измерении длины интерференционным методом может быть охарактеризо вана такой же величиной.
Таким образом, лазерные источники света по своим качест вам значительно превосходят обычные источники, применяемые ранее в интерферометрах; лазеры обладают значительно боль шей интенсивностью, монохроматичностью и когерентностью. По этой причине с появлением лазеров интерференционные методы измерений начали интенсивно развиваться и применяются не только для научных исследований, но и в производстве.
91
В течение длительного времени для высокоточных измерений применяется интерферометр Майкёльсона (рис. I I . 29, а) . Парал лельный пучок света от источника S делится полупрозрачной плоскопараллельной пластинкой А на два пучка / и 2, направ ленных под прямым углом друг к другу. Световой пучок -1 попа дает на зеркало Си отразившись от которого, вновь попадает на пластинку А и еще раз отразившись попадает в объектив D при бора. Световой пучок 2 достигает зеркала С2, отразившись от него проходит полупрозрачную пластинку и попадает в объек тив D. Вследствие разности хода световых лучей 1 и 2 они ин-
Э
Рис. 11.29. Схемы интерферометров:
а — Майкёльсона; б — Фабри - Перо; А и В — зеркала
терферируют между собой. На экране Э наблюдается интерфе ренционная картина, состоящая из темных и светлых полос или колец (в том случае, когда угол между пучками 1 и 2 не ра вен 90°, наблюдается система полос, а если этот угол прямой, то система колец).
На пути светового пучка 1 устанавливают плоскопараллель ную пластинку В, по толщине равную пластинке А. Пластинка В играет роль компенсатора, служащего для уравнивания оптиче ской длины обоих плеч интерферометра, так как пучок 1 прошел пластинку А один раз, а пучок 2 — три раза.
Перемещение полос интерференционной картины вызывается смещением зеркал, при этом перемещение зеркала на половину длины световой волны вызывает сдвиг интерференционной карти ны на одну полосу. Зная длину волны излучения и подсчитав чис ло переместившихся полос, можно определить величину смеще ния зеркала при условии, что другое зеркало остается неподвиж ным. Подсчет числа полос можно производить визуально или автоматически с помощью фотоприемника, перед которым уста новлена диафрагма, пропускающая только одну полосу. При ав томатической регистрации на выходе фотоприемника будет фик-
92
сироваться изменение сигнала при смещении полосы (максимум сигнала соответствует максимуму освещенности).
Более высокая точность достигается при выполнении измере ний на различных длинах волн Xi, Х2 и Хз. В этом случае опре деляют число полос интерференционной картины и дробную часть пнтерференционой полосы для каждой из волн, а затем
вычисляют три значения измеряемого расстояния. За |
оконча |
|
тельное значение определяемой величины принимают |
среднее |
|
из трех значений измеряемого |
расстояния. |
|
В интерферометре Майкельсона в образовании интерферен |
||
ционной картины участвуют |
только два пучка, получаемые при |
делении полупрозрачной пластинкой А, поэтому такой интерфе рометр называют двухлучевым. В действительности имеет место многократное отражение лучей на светоделительной пластин ке А. Однако эти лучи имеют очень малую интенсивность и по этому практически не влияют на освещенность интерференцион ной картины. В других типах интерферометров, называемых многолучевыми, учитывается влияние многократных отражений.
С помощью многолучевых лазерных интерферометров, соз данных на базе интерферометра Фабри-Перо, можно изучать по верхность строительных материалов, при этом точность харак теризуется величиной порядка 15А (0,0015 мкм). Эти же приборы используются как эталоны длины для компарирования мерных приборов.
Интерферометр Фабри-Перо состоит из двух плоских пли сфе рических зеркал, обращенных друг к другу зеркальными покры тиями (рис. I I , 29,6). Интерференционная картина, наблюдаемая на экране Э, образуется лучами, многократно отраженными от первого и второго зеркал. Чтобы интерференционная картина бы ла резкой, отражающий слой делают тонким, а коэффициент от ражения наибольшим. В этом случае (если зеркала расположены параллельно друг другу) на экране наблюдается интерференци онная картина, состоящая из чередующихся светлых и темных ко лец. При изменении расстояний между зеркалами интерференци онные кольца на экране смещаются, что молено наблюдать ви зуально, регистрировать при помощи фотоприемника или фото графировать.
Эталонами Фабри-Перо называют интерферометры с непод вижными зеркалами. Обычно такие эталоны применяют в интер ференционных измерениях по методу оптического умножения расстояний. По этому методу сравнивают два эталона ФабриПеро, причем длина Ь2 одного эталона примерно в два раза боль ше длины bi другого эталона (рис. I I . 30, а). Сравниваемые эта лоны устанавливают таким образом, чтобы их зеркала были па раллельны. При освещении белым световым пучком часть лучей проходит через зеркала Ау и Bi и, отразившись по одному разу от зеркал А2\\В2, попадает в объектив, а другая часть лучей, от разившись по два раза от зеркал А\ и Ви проходит через зеркала
93