Błędy i komparacja dalmierzy elektromagnetycznych

Transkrypt

1 Błędy i komparacja dalmierzy elektromagnetycznych

2 Komparacja dalmierzy elektromagnetycznych Stosując w pomiarach odległości dalmierze elektromagnetyczne musimy uwzględniać wpływy błędów przypadkowych i systematycznych, które obciążają wyniki tych pomiarów. Błędy te związane są z samym dalmierzem oraz z wpływem środowiska na sygnał pomiarowy. Wyróżnić można następujące błędy instrumentalne (dalmierza): błąd przypadkowy, błąd systematyczny niezależny od odległości, błąd systematyczny zależny liniowo od odległości, błąd systematyczny zależny nieliniowo od odległości, błąd cykliczny, błąd zależny od temperatury, błąd zależny od czasu, błąd zależny od napięcia zasilania.

3 Błędy przypadkowe i systematyczne nie związane z instrumentem: błędy centrowania instrumentu i reflektora nad lub pod znakami pomiarowymi, błąd poziomowania dalmierza i lustra, błąd wycelowania: a) dalmierza na lustro, b) lustra w kierunku dalmierza, błąd popełniany przy pomiarach nasadką dalmierczą, błąd pomiaru temperatury, ciśnienia i wilgotności na drodze sygnału pomiarowego, błąd pomiaru lub zaniechania wprowadzenia którejś z poprawek do długości, błędy wynikające z odbicia sygnałów pomiarowych od obiektów będących w tle reflektora, błędy wywołane turbulencją atmosferyczną, błąd zależny od czasu pomiaru i związany z różną ilością pomiarów przejść fazowych.

4 Celem komparacji jest wyznaczenie błędów systematycznych pochodzenia instrumentalnego, które mogą być wyeliminowane z pomiarów poprzez wprowadzenie do nich poprawek wyznaczonych właśnie w procesie komparacji stosując specjalną procedurę pomiarową. W praktyce wyznacza się trzy rodzaje poprawek. 1. Poprawkę stałej dodawania k. 2. Poprawkę ze względu na zmianę częstotliwości wzorcowej od jej wartości nominalnej. 3. Poprawkę ze względu na błąd cykliczny, która może występować tylko w dalmierzach fazowych.

5 1. Poprawka stałej dodawania k Ogólny wzór na obliczenie odległości pomierzonej dalmierzem wygląda następująco: 1 D k 2 Stała k łączy ze sobą wpływ różnicy między centrem mechanicznym dalmierza, a jego centrem elektronicznym. Najczęściej wartość stałej k wyznacza się na krótkim odcinku poprzez porównanie odległości pomierzonej D i długości wyznaczonej inną metodą D 0 zazwyczaj o rząd dokładniejszą (jest to metoda porównawcza). Odcinek, na którym wykonywane są pomiary powinien mieć około 5-10 metrów. Wartość stałej dodawania obliczamy wówczas ze wzoru: k = D 0 - D Pewniejszym sposobem wyznaczenia stałej k jest pomiar odległości 2-3 odcinków o długościach różniących się o 1-2 metry. Najlepiej, jeżeli są to np. odcinki odpowiednio o długościach 10, 12 i 15 metrów.

6 Jeżeli nie znamy długości odcinka z dokładnością o rząd wyższą możemy zastosować inną metodę wyznaczania stałej k (metodę różnicową). Polega ona na pomiarze długości odcinka A, na który wtycza się dodatkowo punkt C. A C B Sposób wykonania bazy pomiarowej Mierzymy w dwóch kierunkach odcinki AC, CB i AB. Możemy wówczas zapisać prostą zależność łączącą wyniki pomiarów i stałą k dalmierza: (AC + k) + ( CB + k) = AB + k Z czego po uproszczeniu otrzymujemy wzór na stałą dodawania k: k = AB - (AC + CB)

7 2. Błąd zmiany częstotliwości W procesie komparacji chodzi zatem o wyznaczenie wartości f. Wykonuje się to poprzez porównanie aktualnej częstotliwości wzorcowej f wp dalmierza z częstotliwością wytwarzaną przez odpowiedni generator. Tego rodzaju bezpośredni pomiar wykonuje się w laboratoriach odpowiednich instytucji. Komparację częstotliwości można realizować także w warunkach polowych przez porównanie aktualnej jej wartości z tzw. krajowym wzorcem częstotliwości fal radiowych emitowanych regularnie przez niektóre radiostacje. Pod wpływem różnych czynników, głównie jednak na skutek starzenia się kwarcu, częstotliwość wzorcowa dalmierza ulega zmianie. Powoduje to zmianę skali mierzonych nim długości. Można zapisać to następująco: f f D D D, gdzie: f = f wn - f wp - zmiana częstotliwości wzorcowej, f wn - częstotliwość wzorcowa nominalna (znana jest z metryki dalmierza), f wp - częstotliwość wzorcowa w czasie pomiaru. D f f

8 Współczynnik zmiany skali k s mierzonych długości spowodowany zmianą częstotliwości wzorcowej (wyrażony w ppm) można obliczyć ze wzoru: ks f f wn, gdzie: f = f wn - f wp - zmiana częstotliwości wzorcowej, f wn - częstotliwość wzorcowa nominalna (znana jest z metryki dalmierza), f wp - częstotliwość wzorcowa w czasie pomiaru Można skontrolować na bazie o długości D - znanej z dużą dokładnością (pod warunkiem wcześniejszego wprowadzenia/uwzględnienia wszystkich innych poprawek). ks D D [ mm] [ km]

9 3. Wyznaczenie błędu cyklicznego Błąd cykliczny wynika z tzw. sprzężeń pasożytniczych występujących między częścią nadawczą a częścią odbiorczą dalmierza. Na sygnał powracający nałożony jest niejako sygnał zakłócający o tej samej częstotliwości. Błąd cykliczny pojawia się także w elektrycznym przesuwniku fazy. Wartość błędu cyklicznego określamy w następujący sposób. Tworzymy bazę AB, na którą wtyczamy punkt C. Odcinek CB powinien być równy lub trochę dłuższy od połowy długości przymiaru podstawowego dalmierza /2. (od 0,6 m do 40 m) D ( N R) 2 A C B Odcinek CB należy podzielić na dziesięć równych części, których długość równa jest /2/10 jedna dziesiąta połowy długości fali.

10 A C B Pomiary na tej bazie wykonujemy tylko na podstawowej częstotliwości wzorcowej (w punkcie A ustawiamy dalmierz a kolejno w punktach od C do B reflektor). Obliczamy odchyłki di długości pomierzonych od ich nominalnych wartości (określonych z o rząd większą dokładnością). Najpierw obliczamy odchyłkę średnią - d śr i poszczególne różnice od tej średniej - wartości ci. Jeżeli odchyłki di dla wszystkich długości są podobne to wartość ta jest stałą dodawania k dalmierza a błąd cykliczny nie występuje.

11 Wówczas, gdy odchyłki są różne rysujemy wykres, na którym przedstawiamy zmiany (c i to różnice w cm lub mm od wartości średniej d śr ). Przykład takiego wykresu znajduje się na rysunku poniżej. d śr Służy on do określania poprawek dla różnych długości z tytułu błędu cyklicznego.

12 Obowiązujące przepisy nakładają na użytkowników dalmierzy obowiązek ich okresowej kontroli. W jej wyniku dalmierz uzyskuje tzw. metrykę. Do wykonywania kontroli, którą nazywamy komparacją dalmierza zostały upoważnione w Polsce Instytut Geodezji i Kartografii w Warszawie oraz kilka instytucji, które założyły i utrzymują tzw. komparatory polowe. Komparatory polowe są to zbiory punktów zastabilizowanych w terenie w linii prostej w postaci postumentów betonowych, których trzon osadzony jest poniżej poziomu zamarzania gruntu. Długości baz takich komparatorów osiągają 1,5 kilometra, a długości odcinków zawarte w tym zakresie wahają się od kilku do kilkunastu metrów. Odcinki komparatorów są wyznaczane i znane z dokładnością o rząd większą niż posiadają badane na nich instrumenty. PN ISO : Optyka i instrumenty optyczne. Terenowe procedury do badania instrumentów geodezyjnych i pomiarowych. Część 4: Dalmierze elektrooptyczne (instrumenty EDM).

13 Literatura Holejko K., Precyzyjne elektroniczne pomiary odległości i kątów, WNT, Warszawa Płatek A., Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachymetry elektroniczne, część I, Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne do pomiarów terenowych, PPWK, Warszawa Wrocław Płatek A., Elektroniczna technika pomiarowa w geodezji, Wyd. AGH, Kraków Tatarczyk J., Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej, Wyd. AGH, Kraków Wanic A., Instrumentoznawstwo geodezyjne i elementy technik pomiarowych, Wyd. UWM, Olsztyn PN ISO :2005 Optyka i instrumenty optyczne. Terenowe procedury do badania instrumentów geodezyjnych i pomiarowych. Część 4: Dalmierze elektrooptyczne (instrumenty EDM). (dostęp dn )

14 Funkcjonowanie wybranych modułów operacyjnych dalmierzy

15 Generator częstotliwości wzorcowej Zmiana częstotliwości wzorcowej generatora wynika m.in. ze zmian czynników termicznych, pojemnościowych lub zmian napięć zasilających. Starzenie się elementów elektronicznych również wpływa na zmianę parametrów obwodu rezonansowego generatora. W celu stabilizacji częstotliwości generatora stosuje się stabilizatory napięcia, termostaty, a także zabezpiecza się elementy składowe generatorów przed udarami mechanicznymi mogącymi zmienić parametry nominalne obwodu rezonansowego. Najważniejszym jednak zabiegiem zapewniającym stałość generowanych drgań jest zastosowanie stabilizacji kwarcowej, polegającej na włączeniu do obwodu rezonansowego generatora częstotliwości wzorcowej - rezonatora kwarcowego. Powinien zapewniać wysoki stopień stabilności wytwarzanej częstotliwości wzorcowej. Względna niestabilność częstotliwości wzorcowej może być wyrażona wielkością zmiany generowanej częstotliwości wzorcowej do jej nominalnej wartości i dla fazowych dalmierzy elektrooptycznych jest dopuszczalna w przedziale 1*10-6 1*10-7.

16 Rezonatorem kwarcowym jest odpowiednio wycięta i wyposażona w elektrody płytka z kryształu kwarcu (SiO 2 ), w którym występuje zjawisko piezoelektryczne polegające na przetwarzaniu energii elektrycznej w mechaniczną i odwrotnie. Po pobudzeniu płytki kwarcu napięciem przemiennym doprowadzonym za pomocą odpowiednich elektrod, powstają w niej drgania mechaniczne (deformacje sprężyste płytki kwarcu), których amplituda jest największa, gdy częstotliwość przemiennego napięcia pobudzającego jest równa częstotliwości rezonansu mechanicznego płytki kwarcowej. Maksymalna amplituda drgań występuje wówczas, gdy częstotliwość drgań obwodu elektrycznego jest równa częstotliwości rezonansu mechanicznego płytki kwarcowej. W ten sposób drgania własne kwarcu sterują drganiami obwodu elektrycznego generatora wytwarzającego częstotliwość wzorcową. Uzyskiwane częstotliwości rezonansowe wynoszą od kilku kiloherców do kilkudziesięciu megaherców. Stosuje się powszechnie generatory kwarcowe z termokompensacją. Częstotliwość drgań własnych kwarcu nie jest stała. Zmiany w tym zakresie są spowodowane starzeniem się kwarcu i mogą zachodzić w sposób ciągły lub skokowy.

17 Źródła światła Źródłami światła w dalmierzach elektrooptycznych dużego zasięgu (kilkadziesiąt kilometrów) są lasery helowo-neonowe (Ne-He) o mocy wyjściowej nieprzekraczającej 5 mw. Lasery tego typu są źródłem ciągłego promieniowania spójnego i monochromatycznego najczęściej o długości fali nm. Emitowana przez laser wiązka świetlna może być skupiona przez układ nadawczy dalmierza, dzięki czemu otrzymujemy wiązkę o małym kącie rozbieżności. W dalmierzach krótkiego zasięgu (do kilku kilometrów) jako źródło światła stosuje się diody luminescencyjne wykonane z arsenku galu (GaAs). Cechą charakterystyczną diod luminescencyjnych oraz laserów półprzewodnikowych jest nierównomierność fazy występująca na powierzchni emitującej złącza.

18 Fotodetektory W dalmierzu elektronicznym zadaniem fotodetektora jest przetworzenie optycznego sygnału pomiarowego na sygnał elektryczny. Dawniej jako fotodetektory były stosowane fotopowielacze, w których prąd fotoelektryczny o zmodulowanej amplitudzie w procesie fotoemisji, jest jednocześnie wzmacniany. Obecnie jako fotodetektory wykorzystuje się elementy półprzewodnikowe, jak fotodiody i diody lawinowe. Ważnymi zaletami fotodiod są przede wszystkim ich małe wymiary, praca z niskim napięciem zasilania, a także możliwość detekcji sygnałów świetlnych przy bardzo wysokich częstotliwościach modulacji.

19 Wewnętrzna linia optyczna W dalmierzach elektromagnetycznych tory sygnałów elektrycznych fal pomiarowych doznają dodatkowych przesunięć na elementach elektronicznych samego dalmierza. W celu wyeliminowania tych przesunięć, które wprowadzają do pomiarów odległości błędy, dokonuje się dodatkowego pomiaru różnicy faz na znanej drodze wewnętrznej w układzie nazywanym linią skalowania (LS) lub wewnętrzną linią optyczną. LS

20 Aby do wyników pomiarów na zewnętrznej linii optycznej można było uwzględniać dawać właściwą poprawkę to w trakcie pomiarów LS i D (odległość zewnętrzna) muszą być najpierw zrównane amplitudy tych obydwu sygnałów. Przy małych odległościach D, kiedy sygnał zewnętrzny jest silniejszy, poziom jego natężenia jest regulowany do poziomu z obiegu wewnętrznego przez tłumienie na torze wewnętrznym. Przy dużych odległościach sygnał z zewnątrz jest słabszy, regulowany jest więc poziom natężenia sygnału na linii LS. Obecnie - w nowoczesnych dalmierzach - zrównywanie amplitud wykonywane jest automatycznie. Mikroprocesor blokuje a następnie włącza system pomiarowy po otrzymaniu informacji o wyrównaniu tych amplitud. Proces pomiarowy tej długości LS jest wykonywany zawsze przez dalmierz i nie może być ona ustalona jako stała dodawania, gdyż zmienia się w czasie i zależy od temperatury urządzenia. Zmiana obiegu sygnału pomiarowego z wewnętrznego na zewnętrzny i na odwrót odbywa się za pomocą przełącznika zmieniającego położenie zwierciadeł, który uruchamiany jest automatycznie przez sygnał z mikroprocesora sterującego pomiarem. Przełączania te muszą być wykonywane szybko (poniżej 1s) ze względu na zmiany czasowe samej LS.

21 Specjalne tryby pracy fazomierza - chwilowe przesłonięcie sygnału pomiarowego Z chwilą pojawienia się na celowej przeszkody następuje przerwa sygnału, do dalmierza nie trafia promień odbity, co w efekcie powoduje przerwanie pomiaru różnicy faz. W nowoczesnych dalmierzach fakt ten uwzględnia się wyposażając fazomierz w tzw. blokowy układ zaniku, który wstrzymuje prace fazomierza. Po odsłonięciu celowej układ blokady włącza fazomierz, który kontynuuje przerwany pomiar. Nawet wielokrotne przesłonięcie celowej nie mają wpływu na wyniki, cząstkowe pomiary nie są utracone, są one przechowywane w pamięci mikroprocesora. Zablokowanie pracy fazomierza następuje także przy pomiarze odległości przy bardzo słabym sygnale, którego amplituda zmienia się w czasie. Zasięg dalmierza uzależniony jest od występowania i natężenia światła słonecznego. Fala nośna dalmierza elektrooptycznego jest podczerwona i jest zakłócana przez słońce. W nocy zasięg dalmierza będzie zdecydowanie większy.

22 - system tracking Jest to system umożliwiający pomiar odległości do reflektora w ruchu. Określana jest wtedy chwilowa odległość z niewielkiej ilości przebiegów fazowych w ciągu krótkiego regularnie powtarzanego interwału czasu Ts. Dokładność takich pomiarów jest przeważnie o rząd mniejsza od pomiarów przy nieruchomym reflektorze. System ten jest wykorzystywany do zgrubnego tyczenia punktów w terenie albo przy pozycjonowaniu przemieszczających się obiektów.

23 Sterowanie pracą dalmierza przez procesor Do najważniejszych funkcji mikroprocesora w dalmierzu należą: kontrola gotowości dalmierza do pomiaru (sprawdzanie parametrów zasilania, wewnętrzne testowanie), włączanie kolejnych częstotliwości wzorcowych w celu rozwiązania niejednoznaczności pomiaru (obliczanie N), przełączanie obiegów wewnętrznych i zewnętrznych oraz zrównywanie amplitud na tych obiegach, sterowanie układem blokady zaniku, sterowanie pomiarem w trybie tracking, sterowanie pracą fazomierza realizowanie zaprogramowanego trybu pomiaru.

24 Oprócz wymienionych wcześniej funkcji mikroprocesorów związanych z pomiarem spełniają one także wiele funkcji dodatkowych. Polegają one na wprowadzaniu do mierzonej odległości poprawek oraz obliczeń redukcyjnych i innych. Do tych funkcji można zaliczyć (funkcje nie związane z samym pomiarem): uwzględnienie poprawki dodawania, uwzględnienie wartości współczynnika załamania (wpływ temperatury, wilgotności i ciśnienia), obliczenie poprawki na odwzorowanie, obliczenie długości zredukowanej na poziom lub różnicy wysokości na podstawie wprowadzonego kąta pionowego. Wiele współczesnych dalmierzy ma rozbudowane oprogramowanie umożliwiające obliczanie współrzędnych stanowiska tachimetru lub współrzędnych punktów celu oraz wektorów, które łączą te punkty.

25 Tendencje w rozwoju konstrukcji dalmierzy Aktualne tendencje polegają na wykorzystaniu najnowszych produktów elektroniki tj. włączenie ich do poszczególnych bloków konstrukcyjnych dalmierza. Uzyskuje się przez to zmniejszenie ciężaru i gabarytów, chociaż w tym zakresie osiągnięto już raczej optimum i niewiele w najbliższej przyszłości należy oczekiwać.

26 Literatura Holejko K., Precyzyjne elektroniczne pomiary odległości i kątów, WNT, Warszawa Płatek A., Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachymetry elektroniczne, część I, Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne do pomiarów terenowych, PPWK, Warszawa Wrocław Płatek A., Elektroniczna technika pomiarowa w geodezji, Wyd. AGH, Kraków Tatarczyk J., Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej, Wyd. AGH, Kraków Wanic A., Instrumentoznawstwo geodezyjne i elementy technik pomiarowych, Wyd. UWM, Olsztyn PN ISO :2005 Optyka i instrumenty optyczne. Terenowe procedury do badania instrumentów geodezyjnych i pomiarowych. Część 4: Dalmierze elektrooptyczne (instrumenty EDM). (dostęp dn )