Цифровые и лазерные нивелиры

Лекция №20

В настоящее время наибольшая степень автоматизации геометрического нивелирования достигается при использовании цифровых нивелиров, которые выпускаются только зарубежными фирмами.

20.1.

Эти приборы являются пассивными. В качестве приемного устройства в них использована ПЗС-матрица (прибор с зарядовой связью), устанавливаемая в плоскости изображений, создаваемых зрительной трубой цифрового нивелира. В качестве примера на рис. 20.1. представлена оптическая схема цифрового нивелира DINI, выпускаемого фирмой Trimble (США), а на рис. 20.2.-внешний вид этого прибора.

20.2.

С помощью ПЗС-матри-цы 10 распознается кодовая маска на нивелирной рейке, изображение которой получают с помощью объектива 1 в плоскости сетки нитей 7 и в плоскости чувствительной поверхности ПЗС-матрицы. В отличие от традиционных оптических нивелиров, при работе с цифровым нивелиром отсчет производится автоматически и вносится в память прибора. С помощью цифрового нивелира можно автоматически осуществлять отсчеты по нивелирной рейке, определять расстояния до рейки и вычислять превышения между нивелируемыми точками. Например, цифровые нивелиры фирмы Trimble (США) позволяют выполнять нивелирование с высокой точностью (0,4 мм/1,0 мм на 1 км двойного хода) и сохранять данные измерений во внутренней памяти или на карте памяти через стандартный разъем РСМС1А. Внутренняя память рассчитана на хранение измерений 8000 точек. Данные нивелирных ходов могут быть уравнены по методу наименьших квадратов программным обеспечением. Уникальные возможности цифровых нивелиров обеспечивают возможность увеличить производительность на 50% по сравнению с традиционными оптико-механическими приборами, а также достигнуть наивысшего уровня точности измерений, что позволяет их использовать для выполнения нивелирных работ всех классов и слежения за деформациями.

Аналогичные технические характеристики имеют цифровые нивелиры и других фирм (Sokkia, Торсоn и др.). Все цифровые нивелиры являются самоустанавливающимися и высокоточными (см. табл. 20.1),

поэтому для нивелирования обычно используются инварные рейки, для менее точных работ фиберглассовые, имеющие несколько больший температурный коэффициент расширения, и поэтому менее точные. На эти рейки наносится кодовая маска, по которой автоматически считываются отсчеты в процессе нивелирования. Все фирмы выпускают рейки к кодовым нивелирам, которые не могут быть использованы для визуального отсчета.

Как правило, цифровые нивелиры используются при выполнении высокоточных геодезических работ. Особенно эффективно их использование при измерении деформаций сооружений и исследовании движений земной коры, вызванных как естественными причинами, так и техногенными факторами.

Современные цифровые нивелиры позволяют значительно повысить производительность при выполнении нивелирования, однако диапазон измеряемых превышений и скорость выполнения работ во многом диктуются используемым методом измерений, т.е. геометрическим нивелированием.

Поэтому интерес исследователей всегда вызывал метод тригонометрического нивелирования, позволяющий определять превышения между точками, удаленными на значительные расстояния. При этом ограничения по дальности обусловлены в первую очередь снижением точности из-за влияния внешних условий (вертикальной рефракции).

Скорость нивелирования и диапазон измеряемых превышений могут быть во много раз повышены, если использовать принцип измерений, основанный на сканировании лазерным пучком в вертикальной плоскости с угловой скоростью. При этом в плоскости развертки вдоль нивелируемой трассы перемещалась вертикальная рейка с двумя отражателями. Вертикальный угол на каждый отражатель определялся по временному интервалу между импульсами: между опорным импульсом и импульсом от соответствующего отражателя, т.е. так же, как при измерении углов сканирующим устройством. Так как частота сканирования может составлять сотни Гц и более, то скорость передвижения отражателя вдоль трассы практически не ограничена.

Таблица 20.1.

Технические характеристики цифровых нивелиров

Цифровые нивелиры Sokkia(Япония) и Trimble(США)

	DINI®12 | ШМ® 12Т	DINI®12T | зга, зом
Trimble,США	Sokkia, Япония

Точность

Ошибка на 1 км двойного хода, мм
Электронные измерения: - инварная кодовая рейка - складная кодовая рейка	0,3 1,0	0,3 1,0	0,7 1,3	0,6
Визуальные измерения: - складная рейка, метрическая оцифровка	1,5	1,5	2,0	1,5
Наименьший электронный отсчет, мм	0,001

Диапазон измерений, м

Электронные измерения: -инварная кодовая рейка -складная кодовая рейка	1,5-100 1,5-100
Визуальные измерения: -складная рейка, метрическая оцифровка	от 1,3
Точность измерения расстояний
Тахеометрический режим: -инварная кодовая рейка -складная кодовая рейка	0,5Ох0,001м 1,00x0,001м
Электронные измерения (длина плеча 20м по отрезку рейки 0,3м): -инварная кодовая рейка, (мм) -складная кодовая рейка, (мм)	20 25	20 25	25 30	20 25
Визуальные измерения, мм: -складная рейка, метрическая оцифровка	0,2	0,2	0,3	0,2
Время электронного считывания по рейке, с.				<3
Время угловых измерений, с.		0,3
Увеличение зрительной трубы	32х	32х	26х	32х
	Компенсатор
Диапазон компенсации			+15'
Точность установки	±0.2" |	+0.2"		+0.5"	0,3"
Продолжительность работы, час
Продолжительность работы с полностью заряженным аккумулятором				>10
Масса прибора, кг	3.1	3.6	3.0	2.8

20.5.

20.4.

В последние годы для определения отметок точек при инженерно-геодезических работах в промышленном и гражданском строительстве все больше начинают применять лазерные нивелиры. В отличие от обычных нивелиров, применяемых для определения отметок точек путем прокладки нивелирных ходов, лазерные нивелиры для подобных целей практически не применяются. Они несколько дороже обычных и требуют источников питания для лазера и фоторегистрирующего устройства, а также соблюдения дополнительных мер по технике безопасности при работе с ними. По этим причинам их в основном используют при выполнении строительно-монтажных работ внутри зданий, для здания опорной плоскости при укладке полов, установке и выравнивании стен и перегородок, контроле отметок фундамента здания, установке бетонных блоков или для нивелирования площадей, вертикальной планировки, автоматизации геодезического контроля при движении строительных машин и механизмов во время работы, прокладке дренажных и канализационных систем.

20.3.

С помощью лазерных нивелиров также выполняют контроль качества дорог, когда требуется осуществлять контроль ровности покрытия при выемке и перемещении грунта, забивке свай, строительстве аэродромов и т. д. Если сравнивать с традиционными технологиями, лазерные нивелиры позволяют максимально увеличить производительность труда, исключить необходимость перепроверки и сократить время, затрачиваемое на выполнение работ. Конструкции первых лазерных нивелиров были достаточно просты, так как представляли собой стандартный нивелир с закрепленным на нем газовым лазером (см. рис. 20.3). Зрительная труба нивелира использовалась в качестве коллиматора.

При нивелировании поверхности высокая производительность достигается использованием лазерных приборов со сканирующими излучателями. Впервые такой лазерный нивелир был предложен Студебеккером (США) в 1964 г. Оптическая схема подобного «ротационного» лазерного нивелира представлена на рис. 20.4.

20.4.

Большинство лазерных нивелиров снабжено компенсаторами, позволяющими автоматически удерживать пучок лазерного излучения горизонтально или с заданным уклоном. Установка в горизонтальное положение производится при помощи электронных и жидкостных уровней или автоматической системы самонивелировки.

Для обеспечения стабильности положения в пространстве лазерной плоскости при работе в конструкции некоторых моделей нивелиров устанавливается система стабилизации положения лазерного пучка, аналог которой ранее использовался в профессиональной видеоаппаратуре. Такое конструктивное решение позволяет автоматически корректировать вибрации, возникающие на строительной площадке во время работы тяжелой техники.

20.5.

Для фиксации лазерной плоскости (лазерного пучка) можно использовать как обычные нивелирные рейки, так и рейки, оснащенные специальным приемником излучения. Более простые типы лазерных нивелиров снабжены только цилиндрическим уровнем, скрепленным с лазером и коллимирующей оптической системой.

20.9.

У некоторых лазерных нивелиров высота излучателя может меняться путем вертикального смещения прибора относительно головки штатива. В современных лазерных нивелирах в основном используются полупроводниковые лазеры, пучок излучения от которых формируют с помощью оптической системы слабо расходящимся (практически параллельным) либо трансформируют с помощью цилиндрической линзы в виде веера (рис. 20.7). Чтобы создать световую плоскость либо световой сектор, лазерный пучок развертывают с помощью сканирующей головки, выполненной в виде зеркального гальванометра (рис. 20.7, а) или вращающейся призмы (зеркала), установленных на валу электродвигателя (рис. 20.7, б, в).

В некоторых лазерных нивелирах пучок лазерного расщепляют на два пучка, один из которых развертывают в виде плоскости, а другой направляют вертикально (рис. 20.8). Также созданы лазерные приборы, которые позволяют создавать отвесную световую плоскость.

Как уже отмечалось, в лазерных нивелирах могут также использовать две световые плоскости, создаваемые двумя сканирующими пучками лазерного излучения (рис. 20.8). Внешний вид такого лазерного нивелира показан на рис. 20.9. В нем лазерный пучок от лазера попадает на сканирующий узел, осуществляющий не только развертку пучка с определенной угловой скоростью, но и расщепление его на два пучка. Один из световых пучков составляет с горизонтальной плоскостью угол «—ε», а другой «+ε», благодаря чему достигается возможность создания равносигнальные зоны, так как при сканировании лазерные пучки частично перекрывают друг друга (рис. 20.10).

20.11.

20.10.

Отсчет производится по плоскости, симметричное положение которой соответствует одинаковой амплитуде светового сигнала. При небольшом смещении относительно плоскости симметрии вниз или вверх меняется соотношение интенсивностей в пучках 2 и 1, как это показано на рис. 20.10, б. Если глаз находится в плоскости симметрии, то при частоте вращения вала двигателя, равной 10 с¹, свет от сканирующего излучателя вследствие инерционности глаза будет казаться непрерывным, хотя в действительности за 1 с будет 20 вспышек одинаковой интенсивности (рис. 20.10, в). Если глаз сместить ниже или выше плоскости симметрии, то он зафиксирует в течение одной секунды взаимно чередующиеся десять ярких и десять слабых вспышек.

Для определения положения плоскости симметрии, т. е. горизонтальной плоскости, визуальным методом используют стеклянный диск, в оправе которого имеется прорезь, а на поверхности стекла нанесена сетка (рис. 3.24). Диск перемещают вдоль нивелирной рейки, пока мерцающие нижний и верхний лазерные пучки А и В не расположатся симметрично на сетке диска в точках А и В, как показано на рис. 20.11. В этот момент плоскость симметрии проходит через точку С, соответствующую средней прорези, по центру которой берут отсчет.

При работе с этим прибором могут быть использованы рейки, снабженные фотодетектором (рис. 20.12). При фотоэлектрической индикации фотоэлектрический детектор передвигается по рейке в поисках минимального отсчета между двумя максимумами. Когда положение фотодетектора соответствует положению плоскости симметрии, стрелка индикатора находится на нуле. Во время производства измерений приемник лазерного излучения перемещается вдоль рейки до появления показаний на индикаторе, после чего берется отсчет по шкале рейки. Точность измерений составляет порядка единиц мм на 100 м, а дальность действия — 150—200 м, т.е. несколько выше, чем при визуальной индикации, когда дальность действия составляет 50—100 м, при этом сильно зависит от освещенности (при солнечном освещении визуальная индикация ухудшается).

20.13.

Для обеспечения высокой точности и увеличения длины плеч при нивелировании выпускается широкий спектр моделей приемников лазерного излучения, которые предназначены для определения положения лазерного пучка или плоскости. Если приемник находится выше уровня глаз, то для контроля за его положением можно использовать выносной экран, на котором отображается отчет по рейке. Кроме ручных выпускаются приемники (рис. 20.13), которые закрепляют на рабочем органе землеройной машины (грейдера, экскаватора, бульдозера и т.п.) и используют для геодезического контроля выполняемых работ.

В простейшем случае для обеспечения горизонтального (вертикального) положения пучка лазерного излучения используется карданный подвес, чем достигается автоматическая вертикальная установка лазерного луча. В большинстве приборов применяются жидкостные компенсаторы.

В СССР с 70-хгодов прошлого столетия на протяжении нескольких лет серийно выпускался лазерный нивелир, который широко использовался в автоматизированной системе контроля вертикальной планировки СКП-1. В этом приборе в качестве излучателя использовался гелиево-неоновый лазер. В современных лазерных нивелирах в основном используются полупроводниковые лазеры, пучок излучения от которых формируют с помощью оптической системы слабо расходящимся (практически параллельным). Производимые на сегодняшний день лазерные нивелиры в зависимости от функциональных возможностей и мощности излучения (дальности действия) можно условно разделить на приборы для внутренних работ и приборы для внешних работ (см. табл. 3.8 Приложения). Лазерные нивелиры для внешних работ снабжены более мощными лазерными излучателями, задающими горизонтальную линию или плоскость. Некоторые конструкции предусматривают возможность задания наклонного направления или плоскости, что удобно при выносе проекта в натуру.

Эти приборы отличаются повышенным радиусом действия и увеличенной скоростью вращения луча с возможностью ее изменения. Они позволяют задавать уклон в одной или двух плоскостях и применяются при производстве земляных работ при пересеченном рельефе местности. Большинство лазерных нивелиров, предназначенных для внутренних работ, могут задавать как горизонтальную, так и вертикальную световые плоскости (направления). Для расщепления пучка на два ортогональных направления установлена делительная призма. Эти приборы, как и приборы для наружных работ, снабжены компенсаторами.

Например, японская фирма Sokkia выпускает лазерные нивелиры различных типов, которые различаются между собой как по внешнему виду, так и по назначению. Модельный ряд этих нивелиров, называемый Triах (рис. 20.14), достаточно разнообразен и содержит лазерные нивелиры как для наружных, так и для внутренних работ.

Для работ на строительной площадке, а также внутри строящихся зданий может быть использован лазерный нивелир Sokkia LT-60R, компактный и удобный в использовании (рис. 20.14). Корпус прибора конструктивно совмещен с многофункциональным регулируемым кронштейном, позволяющим устанавливать нивелир на стандартный штатив, крепить к стене или размещать на любой другой конструкции. Лазерный нивелир LT-60R. предназначен для создания вертикальных и горизонтальных опорных плоскостей; кроме того он задает вертикальный пучок лазерного излучения. Радиус действия прибора составляет 60 м. Технические характеристики этого прибора, как и других приборов данного модельного ряда, приведены в табл. 20.2.

Значительно меньший радиус действия (10 м) имеет лазерный нивелир LS101, который обеспечивает одновременное построение двух вертикальных и одной горизонтальной плоскостей. Механический маятниковый компенсатор автоматически устанавливает световые плоскости в горизонтальное и вертикальное положение. При отклонении компенсатора от заданного диапазона прибор автоматически отключается.

Для наружных работ, связанных с выполнением вертикальной планировки, прокладкой труб, монтажом оборудования и др. видов работ могут быть использованы ротационные лазерные нивелиры EL400HVC и МР400С. Они имеют электронный автоматический компенсатор, реализующий функцию «Tilt», позволяющую контролировать горизонт инструмента при особо точных работах. Эти приборы имеют большой диапазон работы и высокую степень защиты от пыли и влаги.

Кроме того, для наружных работ могут быть использованы лазерные нивелиры LРЗОАС, LРЗ1АС, которые задают горизонтальную плоскость инфракрасным лазерным лучом, стабилизированным маятниковым компенсатором. Эти приборы при работе с приемником обеспечивают радиус действия более 100 м (см. табл. 20.3).

Отечественной промышленностью (УОМЗ) выпускается два типа лазерных нивелиров: НЛ-30 и НЛ-20 (см. табл. 20.3), которые компактны и малоэнергоемки, так как в качестве излучателя в них используется полупроводниковый лазер.

Лазерный нивелир НЛ-30 (рис. 20.15) предназначен в основном для выполнения инженерно-геодезических работ в строительстве.

20.15.

В приборе пучок лазерного излучения расщепляется на два пучка, один из которых развертывается в горизонтальной плоскости, другой направлен перпендикулярно этой плоскости, т.е. вертикально. Таким образом, при работе прибора создаются видимая горизонтальная плоскость и видимый отвесный луч. Прибор приводится в рабочее положение по цилиндрическому уровню. Для выполнения измерений при строительно-монтажных работах может быть использована специальная нивелирная рейка вместе с фотоприемным устройством, позволяющая определять положение лазерной плоскости.

Таблица 20.2.

Технические характеристики лазерных нивелиров, выпускаемых фирмой Sokkia (Япония)

Параметры	LT60R	LS101	EL400HVC	LP31AC	LP30AC	МР400С
Количество плоскостей	Горизон­тальная / верти­кальная, зенитный луч	2 верти­кальных и 1 горизон­тальная	Горизон­тальная и вертикаль­ная	Горизон­тальная	Горизон­тальная	Горизон­тальная и верти­кальная
Точность построения плоскости	10 мм на 30 м	3 мм на 9 м	30 " или 15 мм на 100 м	9" или 4,8 мм на 10 м	6" или 3,4 мм на 100 м	30" или 15 мм на 100 м
Радиус действия по гори­зонтали, м			150 м с прием­ником	120 м с прием­ником	150 м с прием­ником	150 м с прием­ником
Радиус действия по вертика­ли, м				-	. -	-
Компенса­тор	-	маятнико­вый	электрон­ный	маятнико­вый	маятнико­вый	электрон­ный
Диапазон работы компенса­тора	-	±5	±4,5°	±10'	±10'	±4,5°
Длина волны излучения лазера	635 нм, клЗЯ	635 нм	635 нм	785 нм	785 нм	635 нм
Продолжи­тельность работы, час.			160 час. Батарейки 40 час. аккумуля­тор	50 час. Батарейки 17 час. аккумуля­тор	50 час. Батарейки 20 час. аккумуля­тор	160 час. Батарейки 40 час. аккумуля­тор
Источник питания	щелочные батареи типаАА	щелочные батареи типаАА	2 щелочные батарейки LR-20 или D/аккуму-лятор TRG	Аккумуля­тор BDC 39/4 Батарейки LR-20 iwhD	Аккумуля­тор BDC 39/4 Батарейки LR-20 или D	щелочные батарейки LR-20 или D/акку- мулятор TRG-BDS-
Масса, кг	1,2	0,9	1,3	2,0	2,0	1,3
Скорость вращения пучка лазерного излучения, об/мин.	0/80/ 150/600		0-600			0-600
Углы развертки, град	2/8/25
Габаритные размеры, мм	150х100х 130		150х160х 170			150х160х 170
Гарантий­ный срок	2 года	1 год	2 года	2 года	2 года	2 года

Таблица 20.3

Технические характеристики лазерных нивелиров НЛ-30 и НЛ-20К

Технические параметры Угол компенсации	НЛ-30	НЛ-20К
	-	15'
Точность	30"	20"
Источник излучения	диодный лазер	диодный лазер
Длина волны излучения	650 Нм	650 Нм
Диаметр луча на выходе	5 мм	5 мм
Скорость вращения	0-350 об/мин.	0-600 об/мин.
Дальность (с детектором)	100 м	150 м
Дальность (без детектора при визуальном отсчете)	30 м	30 м
Класс лазерной опасности
Продолжительность работы	20 ч	20 ч
Диапазон температур	-20 "С - +50 "С	-20 "С - +50 °С
Масса	1,5 кг
Питание — съемная аккумуляторная батарея	4,8 В	4,8 В

НЛ-20К в отличие от НЛ-30 является самоустанавливающимся (см. табл. 20.3). В рабочее положение он приводится по круглому уровню. Горизонтальность световой плоскости обеспечивает жидкостный компенсатор. Угол компенсации довольно большой и составляет 15', что создает дополнительные удобства во время работы. Отклонение пучка излучения от горизонтального положения характеризуется средней квадратической ошибкой 20 ", что соответствует ошибке по высоте 2 мм на каждые 20 м. Прибор излучает видимый красный лазерный пучок излучения в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Один из пучков, вращаясь, образует видимую лазерную плоскость, второй пучок создает видимую ортогональную линию.

Дата добавления: 2015-05-09