Разработка методов метрологического контроля измерительных систем лазерного дальномера тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.01, кандидат технических наук Виноградов, Никита Сергеевич

• Виноградов, Никита Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Виноградов, Никита Сергеевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ПОВЕРКИ УГЛОИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ И ДАЛЬНОМЕРНОЙ ТЕХНИКИ.

1.1. Геодезический полигон. Общие положения.

1.1.1. Требования к элементам ГП.

1.1.2. Локальная поверочная схема для светодальномеров и лазерных дальномеров.

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ ДЛИНЫ. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ПОВЕРКИ ПРИБОРОВ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ДЛИНЫ.

2.1. Средства измерения длины. Классификация и основные положения.

2.1.1. Геометрические дальномеры.

2.1.2. Дальномеры двойного изображения.

2.1.3. Физические дальномеры.

2.2. Тахеометры. Основные определения. Классификация.

2.2.1. Основные положения.

2.2.2. Классификация тахеометров.

2.2.3. Электронный тахеометр.

2.2.4. Устройство и принципы работы дальномерного блока.

2.2.5. Поверка тахеометра.

2.3. Коллиматорные стенды для поверки углоизмерительных приборов.

ГЛАВА 3. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА.

3.1. Оптическое волокно. Классификация оптического волокна.

3.2. Технология измерений в волоконно-оптических системах.

3.2.1. Оптические измерители мощности.

3.2.2. Визуальные дефектоскопы.

3.2.3. Анализаторы затухания в оптическом кабеле.

3.2.4. Оптические рефлектометры.

3.2.5. Разрешающая способность при измерении длины с помощью рефлектометра.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА МЕТОДА И СРЕДСТВА ПОВЕРКИ ДАЛЬНОМЕРНОГО БЛОКА ТАХЕОМЕТРА.

4.1. Исследование оптического волокна в качестве базисной линии.

4.2. Учет погрешности измерения длины оптического волокна при измерении температуры.

4.3. Исследование погрешности измерения длины оптического волокна.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов метрологического контроля измерительных систем лазерного дальномера»

В настоящее время широко используются средства линейных измерений, основанные на принципах лазерной дальнометрии. Современные углоизмерительные приборы, такие как электронные тахеометры, оснащены лазерными дальномерами, что позволяет проводить не только измерения углов между объектами, но и расстояния до этих объектов [24; 57]. При этом развитие и совершенствование лазерных дальномеров, возрастающие требования к их точности и надежности приводят к необходимости создания новых методов и средств контроля метрологических характеристик данных приборов. Поэтому метрологический контроль измерительных систем лазерных дальномеров является на данный момент актуальной задачей.

Погрешности современных измерительных систем оптико-электронных дальномерных геодезических приборов подчиняются сложной зависимости, которая до конца не изучена и может быть выявлена только в результате экспериментальных исследований [64; 65].

В современной геодезической метрологии поставлена задача по разработке и исследованию новых методов и средств поверки (калибровки) углоизмерительных и дальномерных приборов, реализованных в виде соответствующих поверочных стендов.

К техническим и метрологическим характеристикам стендов для поверки и калибровки углоизмерительных и дальномерных приборов предъявляются следующие требования:

• многофункциональность стендового оборудования;

• сокращение времени поверки и калибровки средства измерения;

• автоматизация процесса измерений;

• использование альтернативных эталонных мер [12].

Известные эталонные средства для калибровки и исследований дальномерных блоков геодезических приборов является геодезический полигон с набором базисных линий разной длины. Полигон - открытый участок местности размером от нескольких сотен до нескольких километров в поперечнике, имеющий сложную и дорогостоящую в содержании инфраструктуру. Поверка угломерной части тахеометра производится в нормальных лабораторных условиях на коллиматорных стендах. Отсюда возникает необходимость совмещения средств поверки угломерной и дальномерной частей оптоэлектронного прибора, что позволит контролировать обе части прибора при одинаковых условиях. Также требуется миниатюризация базисных линий до размера, сопоставимого с размерами коллиматорного стенда, что в итоге повысит экономическую эффективность мероприятий, связанных с поверкой лазерных дальномеров.

Таким образом, необходима разработка методов и средств калибровки и поверки оптико-электронных приборов, которые позволят оперативно поверять как угломерную, так и дальномерную части электронного прибора на одном стенде.

Следовательно, актуально создание универсального стендового оборудования для метрологических исследований современных геодезических приборов, снижение времени и себестоимости процедуры проведения поверочных работ. Это в свою очередь диктует необходимость поиска принципиально новых методов и средств поверки лазерного дальномерного блока оптико-электронных приборов.

Для достижения поставленной цели в настоящее время перспективно использование в качестве базисных линий оптического волокна (ОВ) с целью передачи светового сигнала от лазерного излучателя до приемника [2; 10; 11; 26].

Основы метрологического обеспечения эксплуатации, методические вопросы поверок и исследований геодезических приборов нашли отражение в трудах А.И. Спиридонова, Ю.Н. Кулагина, М.В. Кузьмина, В.И. Новикова, А.Б. Рассада, А.П. Ворошилова [17; 18; 47; 61; 62]. Вопросами совершенствования методики измерений на основе применения новых оптических и лазерных приборов в настоящее время занимаются Ю.И. Беспалов, Т.Ю. Терещенко [6]. Большой вклад в развитие исследований по таким вопросам как рефлектометрия оптических волокон, методы измерений в оптоволоконных системах, изучение свойств кварцевых волокон внесли такие ученые и организаторы науки как A.B. Листвин, В.Н. Листвин, И.Г. Бакланов, А.Н. Винчелл, A.C. Сонин, Н.И. Демкиниа, В.К. Леко, О.В. Мазурин, Д.Э Мидвинтер [4; 13; 39; 41; 46; 60]. Вопросы оценки метрологической надежности средств измерений отражены в работах Л.В. Ефремова, Д. Ллойда, А.О. Проникова, А.Э. Фридмана.

В настоящее время наиболее перспективным является использование вместо базисных линий оптического волокна для передачи светового сигнала от лазерного излучателя до приемника.

Выполненный обзор по существующей методике поверки светодальномеров дальномеров, геодезическим полигонам, коллиматорным стендам и принципам передачи сигнала по оптическому волокну позволяет сформулировать цель и следующие основные задачи исследования:

Целью работы является создание метода метрологического контроля лазерных дальномерных блоков, который позволит повысить эффективность мероприятий, связанных с поверкой лазерных дальномеров.

Достичь поставленной цели позволит решение следующих задач:

1) Анализ существующих методов и средств поверки углоизмерительных и дальномерных геодезических приборов;

2) Исследование типов и характеристик оптического волокна с целью оптимального выбора световода для базисной линии;

3) Разработка метода, позволяющего контролировать метрологические характеристики измерительных систем дальномерного блока;

4) Экспериментальная апробация разработанного метода на дальномерных блоках тахеометров;

5) Анализ влияния изменения температуры оптического волокна на погрешность измерения расстояния при использовании разработанного метода.

Методы исследования

При разработке метода контроля дальномерного блока тахеометра учитывались принципы передачи света, используемые в волоконной оптике. Расчет погрешности измерения длины волокна основан на элементах теории упругости и поляризации электромагнитных волн, теории случайных функций, методах обработки экспериментальных данных.

Объектом исследования служило контрольно-измерительное оборудование, применяемое при метрологической поверке и калибровке геодезических средств измерений. Были исследованы тахеометры с различными метрологическими характеристиками. Выполненные в диссертационной работе исследования основаны на анализе литературных данных, выполнении теоретических и практических работ и экспериментальной проверке достоверности полученных результатов.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в разработке метода контроля метрологических характеристик лазерного дальномерного блока с применением оптического волокна. Впервые в качестве базисной линии использован отрезок оптического волокна. Впервые коллиматорный стенд для поверки угломерной части тахеометра конструктивно объединен со стендом для контроля метрологических характеристик дальномерного блока.

Основные положения, выносимые на защиту: 1) Результаты анализа существующих методов и средств измерения длины, а также методики поверки дальномерных и угломерных геодезических приборов.

2) Разработанный метод метрологического контроля измерительных систем лазерного дальномерного блока.

3) Разработанная конструкция оптоволоконной базисной линии для метрологического контроля измерительных систем лазерного дальномерного блока.

4) Экспериментальная апробация разработанного метода и интерпретация результатов измерения.

5) Результаты расчета погрешности измерения расстояния с использованием разработанного метода при изменении температуры оптического волокна. Практическая значимость работы:

Результаты, полученные в ходе исследований, позволяют использовать разработанный метод для метрологического контроля метрологических характеристик лазерных дальномерных блоков геодезических приборов. Исследования показали, что коллиматорный стенд для контроля угловых характеристик геодезических приборов может быть конструктивно объединен с разработанной оптоволоконной базисной линией. Модернизированный стенд позволяет одновременно контролировать угловые и дальномерные метрологические характеристики электронного тахеометра, при одних и тех же лабораторных условиях без использования геодезического полигона. Апробация работы

Результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых: Международная инновационно-ориентированная конференция молодых ученых и студентов по проблемам машиноведения МИКМУС-2009 (Москва, Институт машиноведения им. A.A. Благонравова, 2009 г.), XL Научная и учебно-методическая конференция НИУ ИТМО (Санкт-Петербург, 2011 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работ, в том числе 3 работы в журналах из перечня ВАК.

Объем и структура работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников информации, содержащего 68 наименований. Работа изложена на 80 страницах машинописного текста, содержит 46 рисунков, 5 таблиц и 1 приложение.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы измерения по видам измерений», Виноградов, Никита Сергеевич

Основные выводы и результаты работы

1. Проведен анализ существующих методов и средств поверки дальномерных блоков геодезических приборов;

2. Разработан метод метрологического контроля измерительных систем лазерного дальномера;

3. На основе разработанного метода модернизирован существующий коллиматорный стенд для поверки геодезических СИ. В частности, коллиматорный стенд оснащен оптоволоконной базисной линией, позволяющий контролировать метрологические характеристики лазерных дальномерных блоков;

4. Проведена экспериментальная апробация разработанного метода и интерпретированы полученные результаты;

5. Проведен анализ влияния изменения температуры оптического волокна на погрешность измерения длины оптоволоконной базисной линии.

Таким образом, цель диссертационной работы - создание метода метрологического контроля лазерных дальномерных блоков, который позволит повысить эффективность мероприятий, связанных с поверкой лазерных дальномеров, достигнута.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной диссертационной работе сформулирован и решен ряд задач, связанных с метрологическим контролем измерительных систем лазерных дальномеров с применением оптического волокна.

Необходимость разработки методов и средств калибровки и поверки оптико-электронных приборов, которые позволят оперативно поверять как угломерную, так и дальномерную часть оптоэлектронного прибора на одном и том же стенде, привела к модернизации коллиматорного стенда. В модернизированном стенде в качестве базисной линии для метрологического контроля измерительных систем дальномерного блока впервые использован отрезок оптического волокна.

В ходе диссертационной работы решен ряд технических задач. Разработана конструкция фокусирующего устройства, предназначенного для приема и фокусировки лазерного пучка дальномера на торце оптического волокна, а также насадка на объектив тахеометра предотвращающая ложное срабатывание дальномера.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Виноградов, Никита Сергеевич, 2012 год

1. Адаме M. Введение в теорию оптических волноводов. М.: Мир, 1984 г. 512 с.

2. Байбородин Ю. В. Основы лазерной техники. 2-е изд. перераб. и доп. - К.: Выща школа, 1988. - 383 с.

3. Бакланов И.Г. Методы измерений в системах связи. М.: Эко-Трендз. 1999 г. 195с.

4. Бейли Д., Райт Э. Волоконная оптика: теория и практика. Пер. с англ. Галеева Р.Г. — М.: КУДРИЦ-Пресс, 2006 г. 320 с.

5. Беспалов, Ю. И., Терещенко, Т. Ю. Лазерные маркшейдерско- геодезические измерения в строительстве / СПбГАСУ. СПб., 2010. - 227 с.

6. Бужинский И. М., Дёмкина ЛИ., Евстропьев К. С. и др. Физико-химические основы производства оптического стекла / Под ред. Л. И. Дёмкиной. — Л.: «Химия», 1976. —456 с;

7. Виноградов Н.С., Воронцов Е.А. Информационно-измерительные комплексы с биологической обратной связью // «Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО». СПб: СПбГУ ИТМО, 2011, №7, выпуск №3. С. 11-15.

8. Виноградов Н.С., Воронцов Е.А., Глейзер В.И. Автоматизация метрологической поверки оптических нивелиров // Геопрофи, 2010, №1, М: Из-во Гром.-С. 39-41.

9. Винчелл А. Н., Винчелл Г., Оптические свойства искусственных минералов, пер. с англ. М., 1967 г. 528 с.

10. Воронков Н. Н., Плотников В. С., Калантаров Е.И. и др. Геодезические и фотограмметрические приборы. М.: Недра, 1991, - 429 с.

11. Воронцов Е. А. Классификация геодезических приборов. Вестник II межвузовской конференции молодых ученых СПб ГУ ИТМО. Сборник научных трудов 2005 г., СПб: СПбГУ ИТМО, 2005 г., С. 167 - 171.

12. Ворошилов А.П. Спутниковые системы и электронные тахеометры в обеспечении строительных работ: Учебное пособие. — Челябинск: АКСВЕЛЛ, 2007,- 163 с.

13. Геостройизыскания. Электронный ресурс. Режим доступа: http://www.gsi.ru/. Дата обращения: 12.03.2012.

14. ГКИНП (ГНТА) 17-195-99. Инструкция по проведению технологической поверки геодезических приборов. Введ. 1999-10-01. — М.: ЦНИИГАиК, 1999.-31 с.

15. ГОСТ 19223-90. Светодальномеры геодезические. Общие технические условия. Введ. 1991-07-01. —М.: Издательство стандартов, 2011. - 16 с.

16. ГОСТ 21830-76 Приборы геодезические. Термины и определения. Введ. 1977-07-01. — М.: Издательство стандартов, 2011. - 27 с.

17. ГОСТ 26793-85 Компоненты ВОСПИ. Система условных обозначений. -Введ. 1987-01-01. —М.: Издательство стандартов, 2011. 19 с.

18. ГОСТ Р 51774-2001. Тахеометры электронные. Общие технические условия. Введ. 2001-08-16. — М.: Издательство стандартов,2011. - 12 с.

19. ГОСТ Р ИСО 17123-4-2011. ГСИ. Оптика и оптические приборы. Методики полевых испытаний геодезических и топографических приборов. Часть 4. Светодальномеры (приборы EDM). Введ. 2011-09-20. — М.: Стандартинформ, 2011. - 20 с.

20. ГОСТ Р МЭК 793-1-93. Волокна оптические. Общие технические требования. Введ. 1995-01-01. —М.: Издательство стандартов, 1911.-109 с.

21. Гринштейн М. Л., Зюзин М. С. Методы анализа измерения ВОЛС при автоматическом мониторинге // LIGHTWAVE russian edition. 2008. № 1.

22. Гусев Н. А. Маркшейдерско-геодезические инструменты и приборы, изд-во «Недра», 1968 г., с. 316.

23. Джексон Р. Г. Новейшие датчики. М.: Техносфера. 2007 г. 380 с.

24. Захаров А. И. Геодезические приборы: Справочник. М.: Недра, 1989, - 314 с.

25. Иванов А. Б. Волоконная оптика: компоненты, системы передачи, измерения. М.: Сайрус системе, 1999. 663 с.

26. Иванов В. А. Измерения на волоконно-оптических системах передачи / Российский гос. тех. университет путей сообщения. Москва, 2003. с. 41.

27. Кизеветтер Д.В., Малюгин В.И. Влияние дефектов торцевой поверхности световода на эффективность ввода излучения // ЖТФ.-2002.-Т.72, В.9.-С.80-86.

28. Киселев М. И., Михелев Д. Ш. Основы геодезии. М.: Высшая школа, 2001. -368 с.

29. Котюк А.Ф. Датчики в современных измерениях. М.: Радио и связь. 2006 г. -96 с.

30. Кусов В. С. Измерение Земли: История геодезических инструментов. М: «Дизайн. Информация. Картография», 2009. - 256с.

31. Кучикян JI.M. Световоды. М.: Энергия, 1973 г. 176 с.

32. Кучикян JJ.M. Физическая оптика волоконных световодов. М.: Изд-во Энергия. 1979 г. 192 с.

33. Леко В. К, Мазурин О. В. Свойства кварцевого стекла. Под редакцией Варшала Б. Г. // Л: Наука, 1985.- 166 с.

34. Лемтюжников Д.С. Элементарный курс оптики и дальномеров. М.: Воениздат, 1938 г. - 136с.

35. Листвин А.В. Рефлектометрия оптических волокон. -М.: ЛЕСАРарт, 2005. 208 с.

36. Литвинов Б.А., Лобачев В.М., и др. Геодезическое инструментоведение. -М.: Недра, 1971.-328 с.

37. Литвинов В. А., Лобачев В. М., Воронков Н. М. Геодезическоеинструментоведение. «Недра». 1971. с.328.

38. Маркузе Д. Оптические волноводы / Пер. с англ. —М.: Мир, 1974 г., -576 с.

39. Марьенков А. А. и др. Измерение удлинения оптического волокна при испытании оптического кабеля на стойкость к растягивающей нагрузке // LIGHTWAVE russian edition. 2003. № 2.

40. Мидвинтер Д. Э., Волоконные световоды для передачи информации, пер. с англ. М.: Радиои связь, 1983 г. 336 с.

41. Новиков В.И., Рассада А.Б. Основы геодезии и картографии. Саратов: Саратовск. Гос. Техн. Ун-т, 2007 г. 84 с.

42. Окоси Т. и др. Волоконно-оптические датчики / Т. Окоси, К. Окамото, М. Оцу, X. Нисихара, К- Кюма, К- Хататэ; Под ред. Т. Окоси: Пер. с япон.— Д.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1990.—256 с.

43. ОСТ 68-15-01. Измерения геодезические. Термины и определения. Введ. 2001-07-01.- М.: ЦНИИГАиК, 2001. - 16 с.

44. Подмастерьев КВ. Точность измерительных устройств. Орел: ОрелГТУ, 2004,-140 с.

45. Портнов Э. Л. Оптические кабели связи. Конструкции и характеристики. — М.: Радио и связь, 2002 г. 232 с.

46. ПР 50.2.006-94 ГСИ. Порядок проведения поверки средств измерений. -Введ. 1994-07-18-М.: Издательство стандартов, 1994. -9 с.

47. РД 68-8.17-98. Локальные поверочные схемы для средств измерений топографо-геодезического и картографического назначения. Введ. 199903-09. - М.: ЦНИИГАиК, 1999. - 39 с.

48. Резак Е. В., Прокопович М. Р. Учет погрешности измерения длины оптического волокна // Вестник ТОГУ. 2008. №4 (11). С.167-172.

49. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. Введ. 2001-01-01. —М.: Издательство стандартов, 2003. -58 с.

50. РТМ 68-8.20-93. Полигоны геодезические. Общие технические требования. -Введ. 1994-09-01.-М.: ЦНИИГАиК, 1994.-8 с.

51. Руководство по эксплуатации безотражательного электронного тахеометра. Серия x30R. Sokkia CO.,LTD, printed in Russia, 160 c.

52. Румянцев K.E. Волоконно-оптическая сенсорика: Учебное пособие. Таганрог: ТРТУ. 1996 г. 108 с.

53. Снайдер А., Лав Дж. Теория оптических волноводов / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987 г. - 656 с.

54. Сонин А. С., Василевская А. С., Электрооптические кристаллы, М.:Атомиздат, 1971 г. 327 с.

55. Спиридонов А.И. и др. Справочник каталог геодезических приборов. - М.: Недра, 1984,-238 с.

56. Спиридонов А.И., Кулагин Ю.Н., Кузьмин М.В. Поверка геодезических приборов. М.: Недра, 1981. 159 с.

57. Справочное пособие для работников метрологической службы в топографо-геодезическом производстве Текст. / ЦНИИГАиК. -М. : [б. и.], 1991. 190 с.

58. Травкин C.B. Разработка методов и средств поверки и калибровки геодезических приборов для измерения превышений: 25.00.32. М., 2007. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.

59. Хиноева О Б. Разработка и применение нейросетевых алгоритмов учета погрешностей эталонных средств при калибровке угломерных геодезических приборов. 25.00.32. М., 2007. Диссертация на соискание ученой степени к.т.н.

60. Чео П.К. Волоконная оптика. Приборы и системы. — М.: Энергоатомиздат, 1988 г.-280 с.

61. Экспертное заключение торгово-промышленной палаты Украины № К-6197 о присвоении АУПНТ кода ТНВД 9031 49 90 00.

62. Ямбаев X. К., Голыгин H. X. Геодезическое инструментоведение. Практикум. -M.: ЮКИС, 2005. 311 с.