Slajd 1

ight

mplification

timulated

– LASER

mission

adiation

wzmocnienie światła za pomocą wymuszonej emisji promieniowania

Klasyfikacja laserów

(może być przeprowadzona wg stanu skupienia, rodzaju materiału czynnego oraz
sposobu pracy)

1. Lasery na ciele stałym (neodymowy, rubinowy)

2. Lasery gazowe:

- atomowe (helowo-neonowe),

cząsteczkowe,

- jonowe,

- ekscymerowe.

3. Lasery barwnikowe (barwnik organiczny w ciekłym roztworze)

4. Lasery półprzewodnikowe (diody laserowe)

5. Lasery światłowodowe

6. Lasery na swobodnych elektronach (FEL)

Cechy światła laserowego

Z samego zjawiska emisji wymuszonej

wynikają podstawowe cechy

światła laserowego.

1.

Monochromatyczność – ciąg falowy ma tę samą długość fali.

Równoległość promieniowania.

3. Koherencja

(spójność), czyli uporządkowanie czasowo-przestrzenne

emitowanej fali.

Rozróżniamy spójność przestrzenną i czasową.

Światło  spójne  jest  skłonne  do  interferencji  tzn.  dwa  ciągi  falowe
wyodrębnione z wiązki takiego światła interferują ze sobą.

Jeśli interferują dwa ciągi falowe emitowane z różnych punktów lasera to
mówimy o spójności przestrzennej.

Jeśli interferują ciągi falowe emitowane z tego samego punktu lasera, ale
w

różnym czasie, to mówimy o spójności czasowej.

Eksperyment,

którym

możemy

sprawdzić

czy

laser

emituje

promieniowanie

spójne (spójność przestrzenna) jest doświadczenie

oświetleniem wiązką laserową dwóch szczelin.

Klasyfikacja funkcji i zastosowania laserów w geodezji

1. Wizualizacja w przestrzeni linii, płaszczyzn i punktów pomiarowych
a) poziomych:
• niwelatory laserowe,
• niwelatory optyczne z laserami lub nasadkami laserowymi,
b) pionowych:
• pionowniki laserowe,
• pionowniki optyczne z laserami,
c) dowolnie nachylonych:
• teodolity laserowe,
• teodolity optyczne z laserami,
• rzutniki, projektory laserowe,
• aliniometry laserowe,
• inne,

2. Źródła fali nośnej i pomiarowej w dalmierzach optoelektrycznych:
• elektrooptyczne dalmierze laserowe,
• skanery laserowe,
• interferometry laserowe,

3. Sterowanie położeniem, kierunkiem i pracą maszyn.

Pierwszymi

konstrukcjami

są

typowe

urządzenia laserowe

składające się z lasera i lunety kolimacyjne

j (teleskopowej)

ogniskującej.

W zależności od sposobu ukierunkowania wiązki w przestrzeni przez takie
urządzenie wyróżniamy w tej grupie:

• niwelatory laserowe (libelowe i kompensacyjne),
• pionowniki laserowe (libelowe i kompensacyjne),
• teodolity laserowe,
• aliniometry,
• rzutniki (wskaźniki) laserowe.

Ta grupa

rozwiązań, w szczególności wskaźniki laserowe, jest najczęściej

stosowana w geodezji

górniczej do nadawania kierunku wyrobisk, gdyż

ich  koszt  jest  znacznie  mniejszy  od  kosztu  teodolitu  laserowego  oraz
dzięki  temu,  iż  istnieje  możliwość  lepszego  zabezpieczenia  takiego
wskaźnika  przed  wpływami  atmosfery  wyrobiska  (zawilgocenie,
zapylenie).

Drugą tendencją konstrukcji jest

łączenie klasycznych przyrządów

optycznych z laserami

Stosuje

się cztery podstawowe rozwiązania:

• wprowadzenie do lunety od strony okularu wiązki laserowej
bezpośrednio z lasera za pomocą łączników,

Detekcja

– rozumiemy przez to wyznaczanie współrzędnych

(określenie położenia) środka wiązki laserowej

Trzy metody detekcji:

1) wizualna

– polega na ustaleniu środka wiązki za pomocą wzroku.

Należy  plamkę  aproksymować  do  regularnego  kształtu  i  wyznaczyć
środek  (koła  lub  elipsy).  Błąd  średni  detekcji  wizualnej
m  =

± (1 - 2 mm/100 m). Do detekcji wizualnej stosujemy specjalne

ekrany obserwacyjne z naniesionym na nich

podziałem.

2) fotoelektryczna

– polega na zastosowaniu jako urządzeń

odbiorczych

fotoprzetworników

(fotodiody,

fotogniwa,

fototranzystory)

są to urządzenia zamieniające energię świetlną na

prąd elektryczny. Gdy wiązka przemieszcza się to indukowany jest
prąd – wartość prądu informuje o wartości przesunięcia osi wiązki.

Dokładność tej metody zależy głównie od:

stabilności sygnału,

- stopnia wzmocnienia

sygnału.

Możliwe w metodzie fotoelektrycznej są do osiągnięcia dokładności do
setnych

części milimetra.

Układy  takie można stosować do systemów pomiarowych rejestrujących
zmianę  położenia  środka  wiązki  w  czasie.  Wykorzystuje  się  przy  tym
zasadę,  że  wartość  prądów  różnicowych  jest  proporcjonalna  do
przemieszczeń środka wiązki laserowej od położenia centralnego.
Zależność między wartościami prądów a przemieszczeniem ustalana jest
na drodze

pomiarów testowych.

Rozkład natężenia w plamce musi być jednorodny.

Jednak

dokładność tej metody detekcji, w warunkach terenowych, jest

porównywalna do dokładności metody wizualnej.

3) zastosowanie matryc CCD (kamer cyfrowych)

– CCD składa się z przetworników, układ do określania środka wiązki jest
układem współrzędnych pikseli matrycy. Pomiar odbywa się na zasadzie
zliczania pikseli

zajętych przez plamkę i uśrednienia położenia środka

plamki w

układzie pikseli matrycy.

Schemat systemu detekcji wiązki laserowej

Literatura

Holejko K., Precyzyjne elektroniczne pomiary

odległości i kątów, WNT, Warszawa 1987.

Kraus M., Woschni E. G., Systemy pomiarowo-informacyjne, PWN, Warszawa 1979.

Płatek A., Geodezyjne dalmierze elektromagnetyczne i tachymetry elektroniczne, część I, Geodezyjne
dalmierze elektromagnetyczne do

pomiarów terenowych, PPWK, Warszawa – Wrocław 1991.

Płatek A., Elektroniczna technika pomiarowa w geodezji, Wyd. AGH, Kraków 1995.

Tatarczyk J., Elementy optyki instrumentalnej i fizjologicznej, Wyd. AGH,

Kraków 1984.

Wanic A., Instrumentoznawstwo geodezyjne i elementy technik pomiarowych, Wyd. UWM, Olsztyn 2007.

www.zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_elektroniczna_techn_pomiarowa/w18.htm
(dostęp dn. 10.10.2010)

www.zasoby1.open.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_elektroniczna_techn_pomiarowa/w19.htm
(dostęp dn. 10.10.2010)

Niwelatory laserowe (lasery obrotowe)

pozwalają na wizualizacje

płaszczyzny poziomej bądź nachylonej pod odpowiednim kątem.

Odbywa

się to dzięki wiązce laserowej, która z dużą prędkością obracana

jest

wokół osi głównej instrumentu.

Możliwy jest bezpośredni odczyt z łaty przez osobę trzymającą ją.
Wykorzystuje

się do tego także specjalne fotodetektory, które pozwalają

zwiększenie dokładności pomiarów a czasem są one niezbędne, gdy

wiązka laserowa nie jest widoczna.
Większość niwelatorów laserowych wyposażonych jest w kolimator, który
zdecydowanie

przyśpiesza pracę przy wyznaczaniu płaszczyzn

poziomych.

Niwelatory laserowe

znajdują zastosowanie na budowach, w robotach

ziemnych oraz pracach tyczeniowych.

Są także wykorzystywane przy

sterowaniu maszynami.

Niwelator laserowy wykorzystany do sterowania pracą maszyn

TOPCON RL 25
-

światło: 633 nm widzialny czerwony promień lasera

wyznaczanie płaszczyzny poziomej, pionowej i linii pionu

ręczne poziomowanie niwelatora (dwie libele rurkowe)

funkcja skanowania ograniczająca ruchy głowicy lasera

dokładność +- 4,4mm/30m, +-30"

prędkość obrotowa 0/80/300 obr./min.

zasięg pracy z czujnikiem: 200 m, zasięg pracy z płytką skanującą: 60 m

- warunki pracy: od - 20

°C do + 50°C

- zasilanie: baterie alkaliczne - do 80 h
- wymiary: 130 mm x 100 mm x 160 mm
- masa: 1,8 kg

Powszechnie w

użyciu spotyka się niwelatory kodowe, które coraz

bardziej

wypierają z rynku niwelatory klasyczne. Wynika to z ich większej

wydajności oraz możliwości automatyzacji pomiarów i opracowania
wyników.

Wszystkie modele

niwelatorów cyfrowych działają na podobnej zasadzie.

We wszystkich

oś celowa ustawiona jest w kierunku poziomym dzięki

układom kompensacyjnym.

Różnią  się  od  niwelatorów  tradycyjnych  sposobem  identyfikacji  odczytu
położenia  osi  celowej  na  łacie,  który  wykonywany  jest  metodą
optoelektroniczną.

Niwelator kodowy Leica Na 2002

Niwelator kodowy Topcon DL-101C

lunecie

każdego niwelatora zamontowany jest przetwornik

optoelektroniczny obrazu

łaty. Stosuje się łaty z podziałem w formie

specjalnego kodu,

który złożony jest z naprzemianległych pól jasnych

i ciemnych o

różnej grubości.

Odczyt

położenia osi celowej na takiej łacie odbywa się na zasadzie

porównania  dwóch  obrazów:  łaty  zrzutowanej  przez  układ  optyczny  na
matrycę  kamery  cyfrowej  CCD  i  wzorca  wprowadzonego  do
mikroprocesora przez producenta.
Porównywanie  odbywa  się  metodą  korelacji  przetwarzanego  sygnału
pomiarowego z

sygnałem wzorcowym.

W procesie tym

pożądana jest znajomość odległości ogniskowania d

(odległość niwelatora od łaty), która z dokładnością do decymetra lub
kilku

centymetrów wyznaczana jest w niwelatorze najczęściej z analizy

położenia soczewki ogniskującej układu optycznego. Dlatego też,
w czasie

pomiarów należy zawsze pamiętać, aby ustawić ostry obraz łaty.

W niwelatorze cyfrowym zastosowano czujnik

położenia soczewki

ogniskującej, względem stałego punktu odniesienia, z którego jest
wyznaczana

odległość do łaty. Znajomość odległości przyśpiesza

wykonywanie korelacji.
Liczba obliczeń w celu rozwiązania korelacji została zredukowana poprzez
zastosowanie dwóch etapów interpolacji – korelacji zgrubnej i dokładnej.

W korelacji zgrubnej wykorzystywana jest

odległość wyznaczona

położenia soczewki ogniskującej. W jej wyniku powstaje pole do

udokładnienia odczytu w korelacji dokładnej, w wyniku której zostaje
zidentyfikowany odczyt

odpowiadający odległości od zera łaty do osi

celowej niwelatora.
Prawie

każdy niwelator kodowy pozwala na eksport danych do komputera

pomocą odpowiedniego portu lub karty pamięci. Dzięki temu możliwe

jest

bezpośrednie przeniesienie odpowiednio sformatowanych wyników

do programu obliczeniowego oraz ich archiwizacja.

Oprogramowanie

niwelatorów

kodowych

udostępnia

wiele

trybów pomiarów, jak również
pozwala na wykonanie

obliczeń

oraz

kalibracje

instrumentu.

Zależy

jednak

producentów sprzętu i ich
oprogramowania.

Na wykonywanie

odczytów niwelatorami kodowymi mają

wpływ

warunki

zewnętrzne

, takie jak:

- turbulencja powietrza w wysokich temperaturach,
- drgania kompensatora

wywołane silnym wiatrem,

- niejednorodne

oświetlenie łaty,

- kontrast i

oświetlenie tła łaty oraz odblaski od podłoża i obiektów obok,

zasłonięcie części łaty (może uniemożliwić pomiar nawet, gdy zasłonięta

jest

część łaty, w którą nie celujemy - widoczna musi być odcinek łaty

określonej długości).

Dokładność pomiaru

zależy od oddziaływania wewnętrznego

zewnętrznego, czyli:

dokładność wyznaczenia pozycji względnej,

- skali obrazu

łaty kodowej,

jakość oświetlenia,

- wyboru programu pomiarowego i jego

dokładności,

dokładności (w tym rodzaju łaty) i sposobu ustawienia łaty.

zalet

niwelatorów cyfrowych

zaliczyć należy:

większą efektywność pomiarów dzięki automatyzacji,

- wykluczenie

pomiarów błędów grubych popełnianych przez

obserwatora podczas wykonywania odczytu,

-

możliwość prowadzenia pomiarów w warunkach niestabilnych przy

zastosowaniu odpowiedniego trybu pracy,

- automatyczna (w ograniczonym zakresie !!!) kontrola

poprawności

dokładności pomiarów.

TOPCON DL-101C -

niwelator samopoziomujący, cyfrowy (kodowy)

Parametry:
-

powiększenie 32x,

średnica obiektywu 45 mm,

- zakres pracy kompensatora 1

’,

dokładność ustawienia kompensatora 0.3",

dokładność 0.4 mm/ 1 km przy odczycie elektronicznym na łacie

kodowej, inwarowej,
-

możliwość stosowania łat fiberglasowych i aluminiowych,

dokładność 1 mm/km przy odczycie optycznym,

najmniejsza działka 0.01 mm lub 0.1 mm,

dokładność pomiaru odległości do łaty do 5 cm,

- zakres pomiarowy od 2 m do 60 m,
- czas pomiaru 4 sekundy,
- waga 2.8 kg.
Zalety DL-101C:
- szybki pomiar,
-

możliwość rejestracji danych i ich transmisji,

- oprogramowanie dedykowane, programy pomiarowe.
Wady DL-101C:
- reaguje na zmiany temperatury,
-

czuły na zmiany warunków oświetlenia.

LITERATURA

Holejko K., Precyzyjne elektroniczne pomiary w geodezji, WNT, Warszawa 1987.

Ingensand H., Check of Digital Levels, FIG XXII International Congress Washington, D.C. USA, April 19-26

2002

Ingensand H, The evolution of digital levelling techniques

– limitations and new solutions,

www.fig.net/commission5/reports/gavle/ingensand.pdf
Płatek A., Elektroniczne techniki pomiarowe w geodezji, Wyd. AGH, Kraków 1995.
Wanic A., Instrumentoznawstwo geodezyjne i elementy technik pomiarowych, Wyd. UWM, Olsztyn 2007.
Wirujące lasery - Zestawienie obrotowych niwelatorów laserowych, cz. I, Magazyn Geoinformacyjny

GEODETA nr 6 (145), czerwiec 2007.

Wirujące lasery - Zestawienie obrotowych niwelatorów laserowych, cz. II, Magazyn Geoinformacyjny

GEODETA nr 7 (146), lipiec 2007.

Instrukcja

obsługi niwelator kodowy Topcon DL-101C/DL-102C

www.oen.dydaktyka.agh.edu.pl/dydaktyka/automatyka/c_elektroniczna_techn_pomiarowa/wykl17.html

www.leica-geosystems.pl/ www.tpi.com.pl/

www.muratorplus.pl/technika/maszyny-urzadzenia-budowlane/niwelator-laserowy-pr-20_58317.html

www.constructsystems.pl/w-praktyce/niwelator-laserowy-do-lania-stropow/

www.rotarylaserreviews.com/ www.spectraprecision.com/ www.woocash.pl/