Telémetro óptico
Descripción general
El trabajo de alcance en el sitio es muy arduo, ineficiente e incluso imposible de trabajar en terrenos complejos. Para cambiar esta situación, con el rápido desarrollo de la tecnología electrónica, la gente ha creado un nuevo método de medición, que es la medición de ondas electromagnéticas.
El principio básico de la medición de distancias con medidores de distancia de ondas electromagnéticas es determinar la distancia D midiendo el tiempo de propagación t de las ondas electromagnéticas (microondas u ondas de luz) entre los dos puntos finales de la línea de medición, y calcular la distancia D de acuerdo con la siguiente fórmula
Medición de ingeniería de construcción
Donde: c--la velocidad de propagación de las ondas electromagnéticas en la atmósfera, que se puede determinar en función de las condiciones meteorológicas observadas. .
Los telémetros de ondas electromagnéticas se pueden dividir en telémetros fotoeléctricos y telémetros de microondas según las diferentes ondas portadoras utilizadas. Los telémetros fotoeléctricos utilizan ondas de luz (luz visible, luz infrarroja, láser) como ondas portadoras; los telémetros de microondas utilizan microondas en ondas de radio como ondas portadoras.
Los telémetros de ondas electromagnéticas se pueden dividir en telémetros de corta distancia (15 km) según diferentes distancias de alcance; según la diferente precisión de alcance, se pueden dividir en tipo I (| mD | ≤ 5 mm), para el tipo Telémetros II (5 mm ＜ | mD | ≤ 10 mm) y tipo III (100 mm ＜ | mD | ≤ 20 mm), |mD| es el error de alcance de 1 km.
Los telémetros de ondas electromagnéticas se pueden dividir en telémetros de pulso y telémetros de fase según diferentes métodos de medición del tiempo de propagación t.
El telémetro de pulso mide directamente el tiempo t para que la señal de pulso se propague hacia adelante y hacia atrás en la línea de medición. La precisión de la medición de la distancia depende principalmente de la precisión de la medición del tiempo t. Por ejemplo, para garantizar que la precisión de la medición de la distancia sea de ±1 cm, el tiempo debe tener una precisión de 6,7 × 10-11 s. Esto es difícil de hacer en la práctica. En la actualidad, la precisión de alcance de los telémetros de pulso generalmente puede alcanzar ±0,5 m, y la precisión de alcance es baja.
El medidor de distancia de fase calcula la distancia medida midiendo el desplazamiento de fase causado por la propagación de ondas de luz continuamente moduladas hacia adelante y hacia atrás en la línea de medición. El telémetro de fase tiene una mayor precisión de alcance.
En la actualidad, los telémetros de ondas electromagnéticas se han utilizado ampliamente en trabajos de medición. Entre ellos, el telémetro fotoeléctrico infrarrojo de corto alcance, conocido como telémetro infrarrojo, se usa más ampliamente en proyectos de construcción. , sus principios básicos y el método de uso se presentan a continuación.
2. Fórmula básica de medición de distancia de fase
El telémetro infrarrojo utiliza un diodo emisor de luz de arseniuro de galio (GaAs) como fuente de luz, que puede emitir luz de forma continua y tiene las características de tamaño pequeño, alto brillo, características como bajo consumo de energía.
Figura 4-12 Corriente alterna
El telémetro infrarrojo utiliza medición de distancia basada en fases. Al diodo emisor de luz de arseniuro de galio en el telémetro se le aplica un voltaje CA de frecuencia f (es decir, después de inyectar la corriente alterna, la intensidad I de la luz que emite cambia con la corriente alterna inyectada (Figura 4-12). ). Esta luz se llama luz modulada.
Como se muestra en la Figura 4-13 (a), la fuente de luz se modula y viaja del punto A al punto B en una forma de onda sinusoidal, y luego regresa al punto A después de la reflexión. La trayectoria de la luz reflejada se despliega a lo largo de la dirección de la línea de medición, lo que da como resultado la Figura 4-13 (b).
Figura 4-13 Forma de onda sinusoidal modulada
La longitud de onda de la luz modulada en la Figura 4-13 (b) es λ, el cambio de fase de un ciclo de cambio de intensidad de la luz es 2π , y la intensidad de la luz cambia cada El número de ciclos del segundo cambio se llama frecuencia f y se puede expresar como
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En la Figura 4-13 (b), la distancia entre dos puntos AB es
Encuesta de ingeniería de construcción
En la fórmula. N: el número de bandas enteras de luz modulada que se mueven hacia adelante y hacia atrás entre AB;
ΔN: la fracción más pequeña que la banda completa.
(4-12) es la fórmula básica para medir la distancia de fase. De la fórmula se puede ver que la longitud de λ/2 es equivalente a la longitud de la cinta métrica utilizada para medir la distancia, y N es equivalente a la longitud de toda la cinta métrica, el número de segmentos, y ΔN es equivalente a la longitud de la parte restante de la cinta, similar a la medida de distancia de una cinta de acero. La longitud de la varilla de medición depende principalmente de la frecuencia de modulación f de la luz.
Supongamos que f es 15 MHz y la longitud de la escala es de 10 m desde (4-11).
El dispositivo de medición de fase (fasor) del telémetro solo puede medir el desplazamiento de fase Δ inferior a 2π, ¿es decir? es decir, se puede medir El valor de ΔN=?/2 es equivalente a poder medir la longitud de la regla restante. Por lo tanto, cuando N>0 en la ecuación (4-12), hay soluciones multivaluadas sólo cuando N=0, es decir, cuando λ/2 es mayor que la distancia medida, hay una solución única.
Debido a que el medidor de fase del instrumento tiene un error de fase, su valor generalmente es 103 y su impacto en la precisión del alcance aumenta con el crecimiento de la regla de medición. Por lo tanto, en los telémetros infrarrojos de corto alcance, para resolver la contradicción entre expandir el rango y mejorar la precisión, generalmente se usan dos frecuencias de modulación f1 y f2 para formar dos reglas, es decir, dos reglas para medición fina y medición gruesa. Generalmente, 10 m se utiliza como regla de medición fina para mostrar valores de distancia de metros e inferiores. 1000 m se utiliza como regla de medición gruesa para mostrar valores de distancia de diez metros y cien metros. Por ejemplo, el valor medido de la distancia AB que se va a medir es 597,565 m, la medición precisa muestra 7,565 m, la medición aproximada muestra 590 m y el instrumento muestra el valor de distancia como 597,565 m.
Si el La distancia a medir es mayor que la longitud de la regla de medición gruesa, como en la distancia real. La distancia es 1677,515 m y el instrumento solo muestra 677,515 m. En este momento, el topógrafo determina el número de kilómetros según la situación real o. con la ayuda de mapas topográficos.
Para los distanciómetros fotoeléctricos de media y larga distancia, generalmente se utilizan más de tres frecuencias de modulación para la medición.
3. Cálculo de distancia
Al medir la distancia con un medidor de distancia fotoeléctrico, se requiere corrección constante, corrección meteorológica y corrección de inclinación para obtener la distancia horizontal de la línea topográfica.
1. Calibración constante del instrumento
Después de calibrar el telémetro, puede medir la constante multiplicativa y la constante aditiva del telémetro.
Figura 4-14 Medición de distancia fotoeléctrica
Como se muestra en la Figura 4-14, D es la longitud real de dos puntos AB y D′, que es la distancia medida por el módulo modulado. luz del instrumento. Dado que la luz recorre una cierta distancia dentro del prisma reflectante, la superficie reflectante equivalente del reflector se encuentra detrás de la cara del prisma B′. Asimismo, la luz recorre una cierta distancia en el camino óptico interno del instrumento, por lo que la superficie reflectante equivalente del prisma en el camino óptico interno debe ubicarse frente a él, A′. Por tanto, la constante aditiva del instrumento K=D-D′.
La longitud de la banda de medición del telémetro está determinada por la frecuencia de modulación. Si la frecuencia de modulación f cambia debido a algunos factores, especialmente cambios en la frecuencia de escala fina, afectará la precisión de los resultados de medición, y el grado de influencia es proporcional a la longitud de medición. Una vez que se ha calibrado un telémetro, se puede corregir utilizando un factor de escala, que consiste en multiplicar el instrumento por una constante R en mm/km. Para la distancia del valor de observación s′, se puede obtener mediante corrección constante
s=s′ K R-s
2 Corrección meteorológica
Medidas utilizadas. por metros de distancia La longitud de la regla es c/2f. El valor de la velocidad de la luz c tiene las siguientes características bajo diferentes condiciones atmosféricas (como temperatura, presión atmosférica, etc.) Se supone que el valor de la regla de distancia diseñada por el instrumento se basa en una determinada temperatura atmosférica y atmosférica. presión Los valores medidos se calculan, por lo que en el funcionamiento real, se requiere una corrección meteorológica de los valores medidos. Cada fabricante de telémetro proporciona fórmulas de corrección climática o tablas de corrección climática.
3. Corrección de inclinación
Cuando los dos puntos finales de la línea topográfica no son iguales, el resultado de la medición de la distancia es la distancia de inclinación s, que aún debe convertirse en distancia horizontal. Si el ángulo vertical de la línea topográfica se mide con un teodolito, determínelo como α, entonces la distancia horizontal D es
D=scos α
4. precisión nominal del instrumento
Según la medición de distancia de fase La fórmula básica del instrumento (4-12). De acuerdo con la fórmula básica (4-12) y teniendo en cuenta la suma de constantes, entonces
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En la fórmula:
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c0--la velocidad de la luz en el vacío;
n--el índice de refracción de la atmósfera.
El diferencial total de la fórmula anterior es
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Según la ley de propagación de errores
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Se puede ver en la ecuación (4-14) que los efectos de error de mc0, mf y mn son proporcionales a la distancia; a estos errores los llamamos "errores proporcionales"; mn son proporcionales a la distancia, los llamamos "error proporcional"; los efectos de error de mφ, mf y mn son proporcionales a la distancia. A estos errores los llamamos "errores proporcionales"; los errores mφ y mK no tienen nada que ver con la distancia, los llamamos "errores fijos".
Por otro lado, desde la perspectiva del impacto de los errores, mc0, mf, mK y mn son errores sistemáticos. Necesitamos determinar con precisión estos errores para debilitar su impacto. , podemos utilizar múltiples observaciones en diferentes condiciones para debilitar su influencia.
La siguiente fórmula se suele utilizar para expresar la precisión del distanciómetro
mD=±(a b-D) (4-15)
En la fórmula : a--Error fijo;
b--coeficiente de error proporcional.
Por ejemplo, la precisión nominal de un medidor de distancia fotoeléctrico es mD=±(5mm 5×106-D), luego a=5mm, b=5×10-6=5mm/km. La precisión de alcance del instrumento cuando se observa una distancia de 800 m es mD=±(5 mm 5 mm/km×0,8 km)=±9 mm