Оптические дальномеры

 

Рис. 1.5 Внешний вид (а) и схема устройства (б) стереоскопического дальномера: A1, A2 — окна; B1, B2 — отражатели (призмы); O1, O2 — оптические системы, строящие изображения; К — компенсатор для совмещения «марки» с изображением; C1 и C2 — призмы; Ок — окуляр; в — поле зрения с «марками»

 

Принцип действия дальномеров физического типа — световых, радио и акустических — состоит в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномер сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. B импульсном методе определяемое расстояние равно [10]

, (1.2)

где ν - известная скорость распространения электромагнитных волн (скорость света с в оптических дальномерах или звука v); t – промежуток времени между излучаемым и принимаемым импульсами. Импульсные дальномеры используются для измерений больших расстояний с низкой точностью. Дальномеры данного вида непосредственно измеряют промежуток времени t, за который световой импульс проходит удвоенное расстояние до 2L, так что [10]

, (1.3)

где k — постоянная дальномера, зависящая от устройства.

B геодезических дальномерах применяют более точный фазовый метод, основанный на измерении разности фаз излучаемого и отражённого сигналов, причём [10]

, (1.4)

где F – частота колебаний, Гц; N – целое число колебаний, укладывающихся в измеряемом отрезке; ∆γ – разность фаз (F задана, ∆γ измеряется фазометрическим устройством). В фазовых дальномерах используется непрерывный световой поток с искусственно создаваемыми высокочастотными изменениями (модуляцией) его интенсивности (рис. 1.6). При плавном изменении частоты модуляции изменяется разность фаз модуляции у посылаемого и отражённого потоков света. В результате в дальномер наблюдаются максимумы и минимумы интенсивности света, по числу которых определяют время t, а затем L. По величине и точности светодальномеры делят на большие, средние и малые (топографические), позволяющие измерять расстояния 20—25 км с точностью 1:400 000, 5—15 км с точностью 1:300 000, а 3—5 км с точностью 1:10 000 — 1:100 000.

 

Рис. 1.6 Блок-схема модулирующего дальномера

 

В радиодальномерах обычно используют электромагнитные волны  сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Геодезическими фазовыми радиодальномерами можно измерять расстояния от 200 м до 30 км. Акустические дальномеры (эхолоты, гидролокаторы), использующие ультразвуковой сигнал, применяются для определения расстояний до подводных объектов: эхолоты – при съёмке подводного рельефа морского шельфа и внутренних водоёмов, гидролокаторы – для качественных и количественных характеристик донных грунтов, а также для поиска и съёмки подводных инженерных сооружений и коммуникаций [10].

В связи с сильным  поглощением и рассеянием света  и радиоволн конденсированными  средами (жидкостями и твёрдыми телами) свето- и радиодальномеры применяются только в атмосферных условиях и в космическом пространстве. Для определения расстояний в толще вод океанов и морей используют акустические дальномеры, поскольку поглощение водой ультразвука незначительно. Теоретически радиус действия дальномера физического типа определяется мощностью посылаемых сигналов и чувствительностью приёмного устройства дальномера, фиксирующего отражённый сигнал. В приведенной таблице показано сравнение диапазонов измерений и точности для разных типов сигналов, используемых в дальномерах физического типа.

Таблица 1.1

Сравнительные характеристики физических дальномеров

Характеристики   Тип сигнала	Диапазон измерений (в воздухе)	Погрешность (класс точности)	Применение
Ультразвук	0,3÷15 м	0,2	Эхолоты и гидролокаторы
Радиосигнал	200÷30000 м	0,03	Геология, радары
ИК-излучение	5÷1500 м	0,01	Спортивные и охотничьи  дальномеры
Лазер видимого диапазона	0,1÷45000 м	0,001÷0,005	Инженерия, военное дело

 

Изучаемые в данной работе оптические дальномеры относятся к физическим дальномерам, работающим, преимущественно, на излучении видимого диапазона и смежных электромагнитных излучениях (ИК- и УФ-диапазона). Исходя из этого положения, данные дальномеры называются оптическими, поскольку электромагнитное излучение данных длин волн подчиняется законам оптики, в том числе геометрической.

 

1.4 Разработка системы показателя качества

К показателям качества оптических дальномеров относятся:

• диапазон измерений;

• погрешность, класс точности;

• длина волны, класс безопасности – подробнее вопрос будет рассмотрен в п. 4.2;
• величина и степень влияния случайной погрешности;
• влияние условий окружающей среды – влияние перепадов влажности воздуха, температуры, атмосферного давления;
• удобство эксплуатации – габаритные размеры, вес, необходимость дополнительных аккумуляторов;
• степень защиты оболочки IPxx – стандарт пылевлагозащищенности оборудования [11];
• память прибора, сопряжение с компьютером;
• источник питания, количество измерений на 1 комплект батарей
• гарантийный срок.

Большинство приведенных  здесь показателей качества интересуют потребителя в первую очередь и всегда указываются в описаниях приборов и инструкциях к ним.

 

1.5 Статистический анализ ошибок и погрешностей

В качестве формулы для  расчета расстояния в системах импульсных дальномеров используется (1.3). В качестве же формулы для расчета расстояния в системах дальномеров используется (1.4).

Так как в обоих  случаях мы имеем дело с косвенными измерениями, то погрешность необходимо считать следующим образом [12]:

, (1.5)

для импульсного метода измерения и [12]

,  (1.6)

для фазового метода измерений.

Для расчета класса точности воспользуемся формулой [12]:

, (1.7)

где Δx – абсолютная погрешность измерений, x_max – верхний предел измерений, x_min – нижний предел измерений.

 

2 Анализ методов и средств измерений

2.1 Описание метода измерения

Как уже было сказано  ранее, принцип действия дальномеров физического типа — световых, радио и акустических — состоит в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномер сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. Расстояние, определяемое в импульсном методе, рассчитывается по формуле (1.2).

Импульсные дальномеры используются для измерений больших расстояний с низкой точностью. Дальномеры данного вида непосредственно измеряют промежуток времени t, за который световой импульс проходит удвоенное расстояние до 2L, согласно (1.3), где k — постоянная дальномера.

B геодезических дальномерах применяют более точный фазовый метод, основанный на измерении разности фаз излучаемого и отражённого сигналов, что видно из формулы (1.4). В фазовых дальномерах используется непрерывный световой поток с искусственно создаваемыми высокочастотными изменениями (модуляцией) его интенсивности. При плавном изменении частоты модуляции изменяется разность фаз модуляции у посылаемого и отражённого потоков света. В результате в дальномер наблюдаются максимумы и минимумы интенсивности света, по числу которых определяют время t, а затем расстояние L.

В оптических дальномерах  наиболее используемым является лазерное излучение видимого диапазона излучения (длины волн 400÷700 нм), реже – инфракрасное излучение (длина волны 1400 нм).

Измерения выполняют, как  правило, двойными наблюдениями параметра в каждом из установленных сечений или мест (при числе повторных наблюдений в каждом сечении или месте m, равном двум).

Для уменьшения влияния систематических  погрешностей на результат измерения  наблюдения производят в прямом и обратном направлениях, на разных участках шкалы отсчетного устройства, меняя установку и настройку прибора и соблюдая другие приемы, указанные в инструкции по эксплуатации на средства измерения. При этом должны быть соблюдены условия равноточности наблюдений (выполнение наблюдений одним наблюдателем, тем же методом, с помощью одного и того же прибора и в одинаковых условиях) [2].

 

2.2 Отбор средств измерения

В качестве изучаемого оборудования рассмотрены дальномеры физического  типа, работающие на лазере видимого диапазона (оптические дальномеры). Поскольку, несмотря на возможную продуктивность и пользу для личного опыта, не представлялось возможным изучить оптические дальномеры военного назначения, были рассмотрены и изучены оптические лазерные дальномеры, применяемые в строительстве и при выполнении ремонтных работ, называемые в быту «лазерными рулетками». Данное бытовое определение прибора обусловлено точностью, приблизительно равной точности металлических рулеток, относительно низкой ценой, удобством и простотой эксплуатации.

Для практического рассмотрения и  применения были отобраны строительные лазерные дальномеры, имеющие приблизительно равные пределы измерения (от 80 до 100 метров), как имеющие равную мощность излучения и класс лазерной безопасности. Все рассмотренные дальномеры работают по импульсному методу, описанному в п. 1.3.

 

2.2.1 ADA Robot 80

Дальномер ADA Robot 80 выпускается немецкой компанией ADA Instruments (слово ADA является акронимом от «Additional Accuracy» – дополнительная точность). Внешний вид аппарата представлен на рис. 2.1. Технические характеристики представлены в табл. 2.1.

Рис. 2.1 Дальномер ADA Robot 80

Таблица 2.1

Технические характеристики дальномера ADA Robot 80

Предел измерений	0,05÷80 м
Точность	± 1,5 мм
Память прибора	20 измерений
Габаритные размеры, мм	116х60х30
Вес, г	160
Сопряжение с компьютером	Нет
Единицы измерения	метры, футы, дюймы
Макс. кол-во измерений  на 1 комплект батарей	5000
Источник питания	4 батареи типа ААА/1.5 В
Степень защиты оболочки	IP54
Диапазон рабочих температур	до 0°C до +40°C
Гарантийный срок	1 год
Длина волны	635 нм
Класс безопасности	2, < 1 мВт

 

Данный аппарат предназначен для измерения расстояний в пределах от 0,05 до 80 метров, имеет прорезиненный корпус со степенью защиты IP54 (проникающая пыль не нарушает работу устройства; защита от брызг, падающих в любом направлении), снабжен трехстрочным ЖК-дисплеем [13].

 

2.2.2 Condtrol Mettro 100 Pro

Дальномер Condtrol Mettro 100 Pro производства российской компании Condtrol, занимающейся оборудованием для неразрушающего контроля. Внешний вид аппарата представлен на рис. 2.2. Технические характеристики представлены в табл. 2.2.

Рис. 2.2 Дальномер Condtrol Mettro 100 Pro

Таблица 2.2

Технические характеристики дальномера Condtrol Mettro 100 Pro

Предел измерений	0,1÷100 м
Точность	± 1 мм
Память прибора	50 измерений
Габаритные размеры, мм	120х65х35
Вес, г	160
Сопряжение с компьютером	нет
Единицы измерения	метры, футы, дюймы

 

Продолжение таблицы 2.2

Макс. кол-во измерений  на 1 комплект батарей	3000
Источник питания	3 батареи типа ААА/1.5 В
Степень защиты оболочки	IP54
Диапазон рабочих температур	до -20°C до +50°C
Гарантийный срок	3 года
Длина волны	650 нм
Класс безопасности	2, < 1 мВт

 

Данный аппарат предназначен для измерения расстояний в пределах от 0,1 до 100 метров, имеет прорезиненный корпус со степенью защиты IP54 (проникающая пыль не нарушает работу устройства; защита от брызг, падающих в любом направлении), снабжен четырехстрочным ЖК-дисплеем и визирным прицелом для удобства наведения [14].

 

2.2.3 Bosch GLM 80

Дальномер Bosch GLM 80 компании Bosch, существующей с конца XIX века и выпускающей оборудование для строительных ремонтных работ. Внешний вид аппарата представлен на рис. 2.3. Технические характеристики представлены в табл. 2.3.

Рис. 2.3 Дальномер Bosch GLM 80

Таблица 2.2

Технические характеристики дальномера Bosch GLM 80

Предел измерений	0,05÷80 м
Точность	± 1,5 мм
Память прибора	20 измерений
Габаритные размеры, мм	111х51х30
Вес, г	140
Сопряжение с компьютером	нет
Единицы измерения	метры, сантиметры, миллиметры
Макс. кол-во измерений  на 1 комплект батарей	25000
Источник питания	аккумулятор Li-Ion 1250 мА*ч/3,7 В
Степень защиты оболочки	IP54
Диапазон рабочих температур	До -10°C до +50°C
Гарантийный срок	3 года
Длина волны	635 нм
Класс безопасности	2, < 1 мВт