Статья опубликована в рамках: LXX Международной научно-практической конференции «Вопросы технических и физико-математических наук в свете современных исследований» (Россия, г. Новосибирск, 25 декабря 2023 г.)
Наука: Технические науки
Секция: Приборостроение, метрология, радиотехника
Скачать книгу(-и): Сборник статей конференции
дипломов
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ ДАЛЬНОСТИ
COMPARATIVE ANALYSIS OF RANGE MEASURING INSTRUMENTS
Dmitriy Roshchin
Candidate of Science, Senior Researcher, Research and Testing Center of Railway Troops,
Russia, Moscow
АННОТАЦИЯ
Представлены результаты сравнительного анализа средств измерений дальности, проводимого в целях обеспечения требуемой точности результатов измерений при решении измерительных задач, возникающих в процессе контроля или диагностики различных изделий, оборудования и конструкций. Данный анализ проводился путем сравнения метрологических характеристик средств измерений утвержденного типа, содержащихся в информационном фонде государственного реестра средств измерений. По результатам сравнительного анализа были определены наиболее точные средства измерений дальности утвержденного типа и их область применения.
ABSTRACT
The results of a comparative analysis of range measuring instruments carried out in order to ensure the required accuracy of measurement results in solving measurement problems arising in the process of monitoring or diagnosing various products, equipment and structures are presented. This analysis was carried out by comparing the metrological characteristics of approved type measuring instruments contained in the information fund of the state register of measuring instruments. Based on the results of a comparative analysis, the most accurate range measuring instruments of the approved type and their scope of application were determined.
Ключевые слова: сравнительный анализ, метрологические характеристики, средство измерений, точность, дальность, дальномер.
Keywords: comparative analysis, metrological characteristics, measuring instruments, accuracy, range, rangefinder.
Средства для измерения дальности точек, расположенных на поверхности некоторого объекта, называются дальномерами. Эти средства измерений широко используется в геодезии, астрономических исследованиях, в навигации, военном деле и других областях. По принципу действия дальномеры подразделяются на две основные группы. К первой относятся оптические дальномеры, принцип действия которых основан на использовании законов геометрической оптики. Ко второй относятся акустические, радио и светодальномеры. Их действие основано на измерении временных (или фазовых) соотношений между посылаемыми в направлении объекта акустическими или электромагнитными сигналами и отражёнными от объекта эхосигналами [1]. Из описания типов средств измерений, представленных в информационном фонде государственного реестра [2] следует, что наиболее точными оптическими дальномерами являются триангуляционные датчики серии Polaris (рис. 1).
Рисунок 1. Общий вид триангуляционных датчиков серии Polaris
Метрологические характеристики оптических дальномеров Polaris приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Метрологические характеристики датчиков Polaris и Antaris
|
Наименование характеристики |
Значение |
|
|---|---|---|
|
Модификация |
Polaris 400 |
Antaris S 1500 |
|
Диапазон измерений расстояния, мм |
от 0 до 400 |
от 0 до 1500 |
|
Пределы допускаемой приведенной к полному диапазону измерений погрешности измерений расстояния, % |
±0,01 |
±0,04 |
Принцип действия этих датчиков основан на лазерной триангуляции. Резко сфокусированный лазерный луч создает на поверхности измеряемого объекта точку света, и изображение этой точки регистрируется объективом однострочной камеры с ПЗС-матрицей, расположенной на фиксированном расстоянии от источника лазерного излучения. Позиция облучаемых отражённым лазерным излучением пикселей на строке ПЗС-матрицы будет изменяться в зависимости от расстояния между источником лазерного излучения и объектом измерения. Цифровой сигнальный процессор (DSP) подсчитывает облучаемые отражённым лазерным излучением пиксели и использует их для вычисления расстояния до объекта. Диапазон измерения расстояний оптического триангуляционного датчика (0-1,5 м) доходит до нижней границы диапазона измерений тахеометра. Соответственно, данные средства измерения могут дополнять друг друга.
В светодальномерах используется оптическое излучение видимого и ИК-диапазонов. Такие дальномеры содержат источник излучения, устройство управления его параметрами, передающую и приёмную системы, фотоприёмное устройство и устройство измерения временных интервалов. В зависимости от методов определения времени прохождения оптического излучения до объекта и обратно светодальномеры разделяются на импульсные и фазовые.
Импульсными светодальномерами измеряют расстояния непосредственно по времени между моментом испускания импульса передатчиком и моментом возвращения импульса, отражённого от объекта. Импульсные светодальномеры используются в основном для измерения расстояний (от сотен метров до десятков километров) до диффузно рассеивающих объектов с точностью до единиц метров (напр., для определения высоты полёта ЛА при аэрофотосъёмке, орбиты искусственных спутников земли). В фазовых светодальномерах источником излучения, как правило, служат светодиоды, а также газовые и полупроводниковые лазеры непрерывного действия. Расстояние до объекта определяется по разности фаз посылаемого модулированного излучения и принимаемого (отражённого) светового сигнала.
Фазовые светодальномеры обеспечивают дальность действия при работе с оптическими отражателями на объекте от единиц до десятков километров, а при диффузном отражении от объектов – до сотен метров. В качестве фотоприёмников чаще всего применяются фотодиоды или фотоумножители. Из-за нестабильности электронных элементов фазовый сдвиг сигналов за время измерений подвергается дрейфу. Для его учёта в светодальномер включается линия оптического короткого замыкания – система зеркал и призм или световодов, по которой модулированный свет направляется из передатчика в приёмник, минуя измеряемую дистанцию. Измерение разности длин внешней и внутренней дистанции позволяет учитывать и компенсировать ошибку за счёт дрейфа масштабной частоты [3].
Большинство светодальномеров построено по гетеродинной схеме с измерением разности фаз на низкой промежуточной частоте, что позволяет автоматизировать процесс измерений с использованием цифровых методов. При этом разность фаз между опорным (испускаемым) и измерительными сигналами представляется в виде последовательности импульсов, число которых подсчитывается. Современные светодальномеры позволяют измерять расстояния до 50 км с погрешностью 5–20 мм; существуют также прецизионные светодальномеры с ошибкой измерения 0,3–0,5 мм и дальностью до 1 км.
В информационном фонде государственного реестра содержится описание типа светодальномера DISTOMAT WILD DI2002, который предназначен для высокоточного измерения расстояний. Область применения данного средства измерения является измерение базисных линий, наблюдение за деформациями в строительстве и прикладная геодезия. Принцип действия светодальномера DISTOMAT WILD DI2002 реализует фазовый метод измерения расстояний, основанный на регистрации и сравнении фаз лазерного излучения выходящего из светодальномера и входящего, после его отражения от призменного отражателя установленного в точке измерения. Светодальномер DISTOMAT WILD DI2002 представляет собой пыле- и влагозащищенный корпус, вмещающий оптические и электронные компоненты. Конструктивно, светодальномер DISTOMAT WILD D12002 выполнен в виде насадки, устанавливаемой на зрительную трубу теодолита с помощью пружинного захвата. Основные технические характеристики этого светодальномера приведены в таблице 2.
Таблица 2.
Основные характеристики DISTOMAT WILD D12002
|
Наименование |
Значение |
|---|---|
|
Диапазон измеряемых расстояний, м, |
1 .. 2500 (на призменный отражатель) |
|
Дискретность измерения расстояний, мм: |
0,1 |
|
Допускаемое СКО измерения расстояний, мм, не более: |
l+l x l0-6 x D, где D измеряемое расстояние, мм |
|
Диапазон рабочих температур, °C: |
от -20 до +50 |
|
Габаритные размеры, Д х Ш х В мм: |
180х58х 160 |
|
Масса, кг: |
1,1 |
В радиодальномерах обычно используют электромагнитные волны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Различают радиодальномеры с пассивным и активным отражением, а по виду излучаемых радиосигналов – с импульсным и непрерывным излучением. В радиодальномерах с пассивным отражением на вход приёмника попадают два сигнала – прямой, непосредственно с радиопередатчика, и запаздывающий (относительно прямого), после отражения от объекта. В радиодальномерах с непрерывным излучением используются радиосигналы с периодически изменяющейся частотой, индикатор измеряет разность частот между прямыми и отражёнными колебаниями. Пассивное отражение используется, например, в радиолокаторах и радиовысотомерах.
В радиодальномерах с активным отражением применяются две станции – ведущая и ведомая, располагаемые на концах измеряемой линии. Радиосигналы могут быть импульсные и непрерывные – на одной несущей частоте или с модулированной несущей частотой. Радиосигналы, принимаемые ведомой станцией, преобразуются и ретранслируются. При использовании непрерывных колебаний измерение расстояний производится фазовым методом. Наибольшая точность измерения (приблизительно 3·10–6 от измеряемого расстояния) достигнута в фазовых радиодальномерах, использующих модулированные радиосигналы в УКВ-диапазоне радиоволн с измерением расстояния по сдвигу фаз модулирующих колебаний.
В информационном фонде государственного реестра средств измерений представлены сведения об утвержденных типах дальномеров (прил. А, табл. А.4). Из описания типов представленных средств измерений следует, что на текущий момент времени наиболее точными фазовыми дальномерами из представленных являются: LDM51 (рис. 2).
Рисунок 2. Общий вид лазерных дальномеров LDM301 и LDM51
Метрологические характеристики лазерных дальномеров LDM приведены в таблице 3.
Таблица 3.
Основные характеристики DISTOMAT WILD D12002
|
Наименование |
Значение |
|---|---|
|
Диапазон измеряемых расстояний, м, |
1 .. 2500 (на 1 призменный отражатель) |
|
Дискретность измерения расстояний, мм: |
0,1 |
|
Допускаемое СКО измерения расстояний, мм, не более: |
l+l x l0-6 x D, где D измеряемое расстояние, мм |
|
Диапазон рабочих температур, °C: |
от -20 до +50 |
|
Габаритные размеры, Д х Ш х В мм: |
180х58х 160 |
|
Масса, кг: |
1,1 |
Принцип измерения расстояний этих дальномеров основан на определении разности фаз излучаемых и принимаемых модулированных сигналов. Модулируемое излучение лазера с помощью оптической системы направляется на цель. Отраженное целью излучение принимается той же оптической системой, усиливается и направляется на блок, где происходит измерение разности фаз, излучаемых и принимаемых сигналов, на основании, которого вычисляется расстояния до цели. Длина волны лазерного излучения – 635-905 нм, мощность – 1 мВт, класс 2 в соответствии с IEC 60825-1 «Безопасность лазерных изделий».
Таким образом, в ходе анализа существующих средств измерений дальности было установлено, что наиболее точными на сегодняшний день являются оптические и лазерные дальномеры. Возвышенности, растительность и другие мешающие объекты могут перекрывать собой объект измерений, что приводит к прерыванию его оптической видимости дальномером. Это ограничивает применение оптических дальномеров. Также на результирующую точность измерений большое влияние оказывает расстояние между дальномером и объектом измерения. Соответственно, по мере увеличения расстояния между ними возрастают погрешности измерения дальности.
Список литературы:
- Большая Российская энциклопедия / научно-редакционный совет: председатель – Ю. С. Осипов и др. – Москва: Большая Российская энциклопедия, 2004. – 766 с.
- Федеральный информационный фонд по обеспечению единства измерений. Государственный реестр средств измерений. [Электронный ресурс]. URL: https://fgis.gost.ru/fundmetrology/registry.
- Волков Ю.В. Датчики для измерений при производстве электрической и тепловой энергии: учебное пособие. СПб.: ВШТЭ СПбГУПТД, 2019. – 89 с.
дипломов
Оставить комментарий