Устройство и блок-схема прибора

Введение

При выполнении маркшейдерских и геодезических съемок производится измерение расстояний.

Высокоточные измерения расстояний производятся с помощью радио- и светодальномеров. Горный инженер-маркшейдер должен знать конструкцию приборов, уметь самостоятельно производить измерения расстояний, производить обработку результатов измерений.

За время выполнения лабораторной работы необходимо изучить устройство прибора, выполнить обработку результатов.

Назначение маркшейдерского светодальномера МСД-1М

Маркшейдерский светодальномер МСД-1м – это высокоточный дальномер, предназначенный для измерения расстояний в подземных горных выработках, опасных по газу и пыли, а также при маркшейдерских и геодезических работах на поверхности.

Прибор является усовершенствованным вариантом дальномера МСД-1, разработанного в 1965-1969 гг. сотрудниками ВНИМИ. В дальномере МСД-1М увеличены дальность действия и однозначно определяемое расстояние применением трех измерительных частот вместо двух.

Основные технические характеристики

МСД-1М относится к типу фазовых светодальномеров с фиксированными частотами, фотоэлектрической регистрацией фазы отраженного сигнала, с плавнопеременной измерительной оптической линией задержки.

Источником излучения в светодальномере является полупроводниковый светодиод из арсенида галлия. В качестве источника питания используется аккумуляторная батарея из тринадцати элементов КНГ-15. Аккумуляторные батареи вставляют в приемопередатчик. Продолжительность работы без смены батарей не менее 5 часов.

В комплект прибора входит приемопередатчик, три отражателя, три штатива и зарядное устройство.

Технические характеристики светодальномера указаны в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики светодальномера МСД-1М

Устройство и блок-схема прибора

В комплект прибора входит приемопередатчик, три отражателя, три штатива и зарядное устройство. Устройство приемопередатчика представлено на рис. 1.

Рис 1. Устройство приемопередатчика светодальномера МСД-1м

1 – блок питания; 2 – электронный блок; 3 – электроннооптический блок; 4, 6 – зажимные винты; 5, 7 – ручки наводки в горизонтальной и вертикальной плоскостях; 8 – ручка выключения питания; 9 – ручка переключения рода работ; 10 – ручка переключателя частот; 11 - индикатор; 12 – ручка фазовращателя; 13 – ручка поворота зеркала; 14 - уровень; 15 – ручка ОЛЗ; 16 – визирная трубка; 17 – ручка диафрагмы.

Приемопередатчик конструктивно состоит из трех частей: электронно-оптической, электронной и блока питания. Электроннооптическая часть включает в себя всю оптическую систему приемопередатчика с источником света, фазовый переключатель, усилитель мощности, ФЭУ и усилитель низкой частоты.

Электронная часть состоит из высокочастотного блока, низкочастотного блока, фазовращателя и индикатора. Все узлы этой части тоже расположены в одном корпусе. На лицевой панели электронного блока имеются переключатель рода работ, переключатель частот и нуль – индикатор, на правой панели – ручки " грубо" и " точно" фазовращателя.

В нижней части приемопередатчика расположен блок питания. Он включает в себя преобразователь и выпрямитель.

Отражатель представляет собой часть трипельпризмы с входной гранью размером 40х78 мм. Отражающие грани имеют алюминиевое или серебряное покрытие.

Блок схема светодальномера представлена на рис.2.

Свет модулируется непосредственно в источнике света 1 – светодиоде. Источником модулирующего напряжения является кварцевый генератор. Для реализации парафазного метода напряжение кварцевого генератора проходит фазовый манипулятор, в котором под действием сигналов из импульсного генератора происходит дискретное изменение фазы напряжения на π радиан с частотой 80 Гц. После усиления промодулированное по фазе измерительное напряжение поступает на светодиод. Под действием измерительного напряжения в светодиоде происходит модуляция излучения по интенсивности с частотой кварцевого генератора. Кроме того, скачками изменяется на π фаза модуляции света с частотой 80Гц.

Промодулированный по интенсивности и по фазе световой поток оптическая система 2 посылает вдоль измеряемой линии на отражатель. Отраженный луч приемная оптическая система 7 направляет на катод ФЭУ 8, который служит демодулятором, так как к его внешнему электроду 10 приложено измерительное напряжение.

Внешний электрод представляет собой металлическую пластинку с круглым отверстием. Он установлен в околокатодном участке ФЭУ. Электрод 10 выполняет также роль диафрагмы.

Рис. 2 Блок-схема светодальномера

Модулирующее напряжение поступает на электрод 10 после прохождения фазовращателя и усилителя. С помощью фазовращателя можно плавно изменять в пределах одного периода фазу проходящего через него напряжения, а, следовательно, и фазу работы демодулятора. В результате взаимодействия потока, образованного отраженным лучом, с модулирующим напряжением, поступающим на электрод 10, в анодной цепи ФЭУ возникают токи, сила которых определена выражениями. Какой из этих токов характерен для данного момента времени, зависит от того, что происходит с фазой измерительного напряжения в манипуляторе. Если манипулятор не изменяет его фазы, то получают ток, а если в нем происходит изменение фазы напряжения на π, то снимаемый ток определяется выражением. В анодной цепи ФЭУ получают ток, сила которого изменяется по трапецеидальному закону. После усиления ток проходит через синхронный детектор на нуль – индикатор. Под действием сигналов импульсного генератора в детекторе происходит синхронно с работой фазового переключателя изменение направления тока, протекаемого через нуль – индикатор 9. Из-за инерционности нуль – индикатора его показания равны 1-1π.

При измерениях наблюдатель, вращая ручку фазовращателя, совмещает стрелку индикатора 9 с нулем, т.е. добивается того, чтобы 1-1π =0. При изменении α в пределах одного периода получают два нулевых показания на индикаторе. Основным нулевым показанием (или нулем " совмещенным" является такое, когда направление движения ручки фазовращателя совпадает с направлением движения стрелки индикатора к нулю. При совмещенном нулевом показании:

φ _n - φ _отр = N * 2π + π /2-α, или φ _n - φ _отр= N * 2π + A (1)

C учетом этого, длина измеряемой линии

S = N * v / (2f) + l (2)

Второе слагаемое находят с помощью оптической линии задержки (ОЛЗ), состоящей из призм 3 – 5, 11. Луч, прошедший калибровочную линию, направляют на ФЭУ зеркалом 6, которое одновременно закрывает приемную оптическую систему 7 для отраженных лучей. Для получения l наблюдатель, не меняя положения ротора фазовращателя, при котором наблюдалось нулевое показание на индикаторе во время приема отраженного луча, включает ОЛЗ и, измеряя ее длину, тоже совмещает стрелку индикатора с нулем. Отсчет по шкале 12 при этом равен l.

Частоту f₃ выбрано так, чтобы ее длина полуволны при +20°С и давлении 760мм рт. ст. равнялась 1 000 000 м. Частота f₁ выше частоты f₃ на 1/500, поэтому длина полуволны разностной частоты F_1-3 равна 500 м. Частота f₂ меньше частоты f₃ на 1/20_, следовательно длина полуволны частоты F_3-2 равна 20 м. В МСД-1м частота f₃ считается основной, и многозначность решают для этой частоты. С учетом того, что в дальномере имеются только три частоты, и что длина волны частоты F_1-3 равно предельной дальности действия дальномера, формула решения многозначности примет вид

N₃ = 20c + d (3)

C учетом значений имеющихся частот

d = 20(l₃ - l₂) + l₃ c = 20(l₁ - l₃) - l₁

где l_i = L_i/(λ /2),

L_i – отсчет по шкале ОЛЗ на частоте f_i.

После округления с и d подставляем в (3).

Расстояние S = N₃ λ ₃/2 + L₃

При высокоточных измерениях на каждой из имеющихся в дальномере частот проводят равноточные измерения. При этом ставят одинаковые требования к стабильности всех частот. По результатам измерений решают многозначность для каждой частоты и вычисляют три независимые значения длины измеряемой линии.