Libelle

Rozwój elektroniki, mechaniki precyzyjnej i optoelektroniki przyniosły w ostatnich latach wiele nowych rozwiązań technicznych przyrządów przeznaczonych do wyzna-czania kierunku poziomego, wychyleń kierunku z tego położenia i określenia ich wartości. W przyrządach tych systemy pomiarowe najczęściej bazują na właściwościach wahadła swobodnego, którego położenie przetwarzane jest na odpowiednie wielkości elektryczne, a następnie na wielkości kątowe (Pelzer, 1988). Powstały między innymi elektroniczne libelle pojemnościowe, indukcyjne, fotoelektryczne (Gocał, 1993; Zaca-rinnyj, 1976). W libellach elektronicznych wyróżnić można dwie zasadnicze części: zespół pomiarowy i rejestrujący. Libelle elektroniczne z uwagi na wysoką dokładność pomiarową kąta znalazły szerokie zastosowanie w szeregu zadaniach pomiarowych wchodzących w zakres geodezji inżynieryjnej. Spotykane są również przyrządy do poziomowania, w których zastosowano rtęć w charakterze samopoziomującego zwier-ciadła, zastępując w ten sposób wahadło swobodne.

Właściwości światłowodów włóknistych (mała średnica rdzenia – punktowe źródło światła) autor wykorzystał dla opracowania koncepcji optoelektronicznych libelli światłowodowych w wersjach: mechanicznej i cieczowej.

Libella optoelektroniczna – mechaniczna

Ogólny widok projektu libelli przedstawiono na rysunku 5.37 (Ćmielewski, 2002b).

Rys. 5.37. Widok libelli optoelektronicznej w wersji mechanicznej Fig. 5.37. Mechanical version of optical-electronic level

Podstawą konstrukcyjną libelli jest zawieszenie swobodne wahadła wyposażonego w odcinki światłowodów, których końce optycznie współpracują z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych obrazowych pozyskiwanych przetwornikiem CCD. Na rysunku 5.38 przedstawiono schematycznie budowę wnętrza optoelektronicznej libelli w wersji mechanicznej.

Rys. 5.38. Budowa optoelektronicznej libelli światłowodowej w wersji mechanicznej na podstawce pomiarowej (projekt)

Fig. 5.38. Structure of optical-electronic level in mechanical version on measuring holder (project)

Optoelektroniczną libellę światłowodową w wersji mechanicznej stanowi zamknięta w górnej części kondesorem optycznym komora, wewnątrz której za pomocą osadzonej w pionowym otworze wzdłużnym regulowanej ośki zamocowane jest dwuramienne wahadło obciążone ciężarkiem. W ramionach wahadła osadzone są symetrycznie dwa odcinki światłowodów. W niewielkiej odległości od każdego z ramion wahadła naprze-ciwlegle do końca każdego z odcinków światłowodów wahadła umieszczone są po jednym układzie optycznym zaopatrzonym w światłowody sprzęgnięte z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD). Otwór wzdłużny służy do przesu-nięcia pionowego wahadła powodując zejście odcinków światłowodów z osi układów optycznych. Konstrukcyjne przesunięcie wahadła pozwala w czasie pracy libelli opto-elektronicznej określić kierunek mierzonego pochylenia.

Na rysunku 5.39 przedstawiono sposób przykładowego osadzenia światłowodu w ramieniu wahadła.

Rys. 5.39. Sposób osadzenia światłowodu w ramieniu wahadła libelli Fig. 5.39. Method of mounting the optical fibre in arm of level pendulum

Propagowane przez optyczny kondensor światło jest transmitowane przez odcinki światłowodów w wahadle do układów optycznych sprzęgniętych za pomocą światłowo-dów z systemem centralnej rejestracji i przetwarzania danych (CRPD). System ten spełnia funkcję analizatora ilości światła propagowanego w światłowodach libelli, a następnie zamienia je na szukany kąt pochylenia obiektu „α” (dla libelli skalibrowanej). Jednakowy rozkład natężenia światła w światłowodach występuje przy poziomym ustawieniu libelli. Ewentualne pochylenia badanego obiektu powodują kątowe odchyle-nia ramion wahadła od położeodchyle-nia zerowego i zmiany ilości światła poddawanego analizie systemem CRPD.

Podczas wykonywania pomiarów geodezyjnych związanych z określeniem pochyle-nia obiektów mogą wystąpić sytuacje analizy obrazów dla ramiepochyle-nia lewego L i prawego P, zilustrowane na rysunku 5.40. Natomiast funkcyjne zmiany analizowanego natężenia światła dla ramienia lewego i prawego będą przebiegać jak na wykresie 5.41.

Rys. 5.40. Przypadki analizowanego obrazu optoelektronicznej libelli światłowodowej Fig. 5.40. Cases of analyzed images of optical-electronic optical fibre level

Rys. 5.41. Rozkład zmian natężenia światła dla lewego i prawego ramienia wahadła Fig. 5.41. Change schedule of light intensity for left and right arm of pendulum

Założenia projektowe libelli sprawdzono na modelu (rys. 5.42), w którym rolę wahadła spełniała luneta tachymetru TC1800 z zamontowaną diodą laserową jako źródło światła wprowadzanego, natomiast część stałą projektowanej libelli stanowił optyczny układ kolimujący zaopatrzony w odcinek światłowodu (o średnicy rdzenia 0,05 mm) zakoń-czony również układem kolimujacym skierowanym na przetwornik CCD połązakoń-czony z komputerem.

Rys. 5.42. Badanie modelowe pochylenia ramienia wahadła libelli Fig. 5.42. Inclination testing of level pendulum arm

W czasie badań odchylano wiązkę światła laserowego o wartość 50cc względem stałego układu kolimacyjnego i rejestrowano obraz wychodzącej wiązki. Dla każdego obrazu obliczono stopień szarości w skali od 0 (kolor czarny) do 255 (kolor biały). Wyniki obserwacji przedstawiono na wykresie (rys. 5.43).

Rys. 5.43. Rozkład stopnia szarości (zmian natężenia światła) względem kąta wprowadzenia światła do układu

Fig. 5.43. Grey codes distribution (changes of light intensity) with reference to angle of light emitted in optical system

Wykonano również badania doświadczalne powtarzalności stopnia szarości dla mini-malnych wartości rozkładu szarości (skrajne wartości kąta odchylenia światła) i dla maksymalnej wartości stopnia szarości. Przy dziesięciokrotnych naprowadzeniach na ustalone wartości kątowe wprowadzenia światła odchylenia standardowe szarości zawierały się w granicach od 0,15 do 0,17.

Dla zwiększenia zakresu pomiarowego libelli jej dolną część zaopatruje się w podstawę uchylną z śrubą ustawczą i czujnikiem mikrometrycznym (rysunek 5.38). Wskazania czujnika zegarowego, dla stałego ramienia „d” pozwalają określić wartość występującego pochylenia.

Libella optoelektroniczna – cieczowa

Rys. 5.44. Widok libelli optoelektronicznej w wersji cieczowej Fig. 5.44. View of optical-electronic level in liquid version

Istotą konstrukcyjną rozwiązania jest pomiar zmiany emitowanego przez końce wiązki światłowodów biegu promieni świetlnych w cieczy swobodnej znajdującej się w po-jemniku pochylonym o dowolny kąt α. Funkcyjne pochylenia pojemnika przypisane jest odczytom dokonywanym matrycą przetwornika CCD dla położenia obrazów biegu promieni świetlnych jak na rysunku 5.45.

Rys. 5.45. Schemat budowy libelli optoelektronicznej w wersji cieczowej Fig. 5.45. Structure scheme of optical-electronic level in liquid version

Optoelektroniczna libella światłowodowa w wersji cieczowej w zależności od liczby światłowodów i ich rozmieszczenia nad pojemnikiem z cieczą może być typu liniowe-go, gdy zaopatrzona jest w dwa światłowody lub typu płaszczyznowego dla czterech światłowodów. Na rysunkach 5.46 i 5.47 przedstawiono działanie libelli optoelektro-nicznej dla typu liniowego i płaszczyznowego.

Rys. 5.46. Schemat optoelektronicznej libelli światłowodowej cieczowej z przypadkami pomiarowymi dla typu liniowego

Rys. 5.47. Schemat optoelektronicznej libelli światłowodowej cieczowej z przypadkami pomiarowymi dla typu płaszczyznowego

Fig. 5.47. Scheme with plane type measuring cases of optical-electronic level in liquid version

Obrazy plamek, promieni światła emitowanego przez światłowody po przejściu przez pojemnik z cieczą są przetwarzane, rejestrowane i analizowane w układzie współrzędnych prostokątnych za pomocą matrycy przetwornika CCD i przenośnego komputera.

Dla wyznaczenia parametrów dokładnościowych wykonano prototyp libelli typu liniowego (rys. 5.48), a cykl obserwacji testowych przeprowadzono na egzaminatorze uchylnym przedstawionym na rysunku 5.49, przy czym aktywny był jeden światłowód.

Rys. 5.48. Prototyp libelli optoelektronicznej typu liniowego Fig. 5.48. The prototype of optical-electronic level in liquid version

Testy polegały na symulowaniu wielokrotnych pochyleń co 1 mm w zakresie 10 mm na egzaminatorze uchylnym. Wyniki przedstawiono w tabeli 5.15. Podczas prac testowych identyfikacji środka geometrycznego plamki P1 dla jednego aktywnego światłowodu dokonywano poprzez uśrednienie współrzędnych pikseli obrazu rejestrowanego przez przetwornik CCD.

Tabela 5.15 Table 5.15 Zestawienie wyników pomiarów przy symulowanych przewyższeniach o wartości co 1 mm/m

Table of hight differences measurements simulated of 1 mm/m interval Lp. Wartość symulowana Simulated value S

d

y

y y

d =

−

k

d

D=

⋅

d

D−

=

Δ

0,029 6,02”

Występujący w tabeli 5.15 współczynnik k jest stałą mnożną wyznaczaną w procesie kalibracji. Współczynnik k jest uzależniony od konkretnej konstrukcji prototypu libelli.