Лазерный нивелир Советский патент 1992 года по МПК G01C15/00 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к геодезическому приборостроению.

Наиболее близким по технической сущности является лазерный нивелир, содержащий точечный источник излучения, например полупроводниковый лазер, расположенный в фокусе объектива формирующей оптической системы, и оптический блок развертки, вращением которого в пространстве - световая опорная плоскость.

Недостатком данного устройства является то, что угловые флуктуации от диаграмм напраеленности лазерного пучка относительно от вращения оптического блока развертки приводят к линейным смещениям пучка на выходе объектива и, как следствие, к линейным смещениям пучка на

выходе оптического блока развертки. В результате происходят линейные периодические смещения пучка по высоте на выходе оптического блока развертки относительно проектной плоскости.

Достигаемый технический результат заявляемого изобретения состоит в обеспечении возможности учета угловых флуктуации опорного светового пучка посредством измерения его линейных смещений на выходе оптического блока развертки и согласованного управления каким-либо параметрам светового пучка, что ведет к повышению точности нивелирования.

Это достигается тем, что в лазерный нивелир введены фотоэлектрический анализатор поперечных смещений со светоделителем, жестко-скрепленным с

XI XI

О

ч

ю ел

пентапризмой, установленным перед ее выходным окном и ориентированным главной плоскостью параллельно оптической оси, кварцевый генератор и генератор опорного напряжения, первый и второй входы которого электрически сопряжены с выходом фотоэлектрического анализатора поперечных смещений и с выходом кварцевого генератора соответственно, а выход - с входом лазера, при этом вычислитель выполнен в виде блока анализа суммы и разности сигналов, вход которого электрически сопряжен с выходом коорди- натно чувствительного фотоприемника, первого и второго фазовых детекторов, первые входы которых электрически сопряжены с первым и вторым выходами блока анализа суммы и разности сигналов соответственно, управляемого кварцевого генератора, вход которого электрически сопряжен с вторым выходом блока анализа суммы и разности сигналов, а первый и второй выходы электрически сопряжены с вторыми входами первого и второго фазовых детекторов, сумматора, первый и второй входы которого электрически сопряжены с выходами первого и второго фазовых детекторов соответственно, интегратора, первый вход которого электрически сопряжен с выходом сумматора, а выход - с блоком индикации, и блока управления, интегратором, вход которого электрически сопряжен с вторым выходом блока анализа суммы и разности сигналов, а выходы - с вторым входом интегратора.

На фиг,1 представлен задающий прибор 1; на фиг. 2. - измерительная марка 2.

Задающий прибор содержит корпус 3, в котором вдоль оптической оси последовательно размещены источник 4 света на основе полупроводникового лазера, объектив 6, линзовый компенсатор 6, закрепленный в маятниковом подвесе 7, и оптический блок развертки светового пучка в опорную плоскость 8 в виде пентапризмы, установленной на осевой системе в виде полного цилиндра 9.

В свою очередь цилиндр 9 установлен в корпусе посредством подшипников 10 с возможностью вращения от привода 11.

На выходной грани пентапризмы 8 по оптической оси размещен светоделитель- ный блок в виде призмы 12, дополненный двумя клиньями 13 и 13 до цилиндрической линзы, т.е. представляющей собой плоскопараллельную пластину в меридиональной и плосковыпуклую линзу в сагиттальной плоскостях. Выход-юе окно 14 в корпусе 3 задающего прибора 1 выполнено в виде цилиндрического концентрического мениска.

Светоделительное ребро призмы 12 задает две оптические оси анализатора положения выходного светового пучка, вдоль одной из которых расположены конденсор 15, нейтральный светофильтр 16, а вдоль второй - объектив 5 и кольцевое зеркало 17. Причем в фокальных плоскостях конденсора 15 и объектива 5 соответственно установлены фотоприемники 18 и 19. Выходы обоих фотоприемников соединены с входами дифференциального усилителя 20, выход которого соединен с входом генератора опорного напряжения (ГОН) 21, являющегося источником питания для полупроводникового

лазера 4. Причем второй вход ГОН 21 соединен с выходом кварцевого генератора 22. Для предварительного горизонтирования задающего прибора корпус 1 оснащен подъемными винтами 23 и пузырьковым уровнем

24. Питание привода 11 и электронных блоков задающего прибора осуществляется блоком питания (БП) 25.

Измерительная марка содержит коор- динатно-чувствительный фотоприемник

(КЧФ) 26, блок 27 анализа мгновенной суммы и разности сигналов КЧФ, фазовый детектор 28, индикатор 29, дополнительный фазовый детектор 30, сумматор 31 сигналов, интегратор 32, устройство 33 управления

интегратором и управляемый кварцевый ге-. нератор (УКГ) 34.

Устройство работает следующим образом.

Перед началом работы задающий прибор 1 посредством подъемных винтов 23 по пузырьковому уровню 24 приводится в положение, при котором ось вращения свето- делительного блока занимает отвесное положение. После включения блока питания

свет от источника 4 последовательно проходит объектив 5 с линзовым компенсатором 6, оптический блок 8 развертки. Так как источник света 4 находится в фокальной плоскости эквивалентной системы 5-6,

содержащей объектив 5 и линзовый компенсатор 6, то на Светоделительное ребро-анализатор призмы 12 поступает параллельный пучок света, часть которого через выходное окно направляется на измерительную марку, а другая часть светоделительными гранями призмы 12 на фотоприемники 18 и 19. Причем возможные отклонения светового пучка на входе призменного блока развертки 8 от вертикального положения из-за непроизвольных наклонов корпуса 3 задающего прибора устраняются линзовым компенсатором 6, установленным в корпусе на маятниковом подвесе 7.

При угловых флуктуациях диаграммы

направленности светового пучка источника

4 излучения происходят линейные поперечные смещения светового пучка на выходе компенсирующей линзы 6 относительно оси вращения оптического блока 8 развертки. В результате в процессе развертки пучка в опорную плоскость на выходе из блока 8 развертки происходят периодические смещения пучка по высоте, что является основной составляющей ошибки измерений. Для исключения влияния выходного окна 14 на расходимость светового пучка выходная грань светоделительного блока 12 выполнена в виде цилиндрической линзы, причем совместно с выходным окном она составляет конфокальную систему с увеличением равным 1х. Включение в одну из ветвей анализатора положения выходного светового пучка нейтрального светофильтра 16 позволяет уравнять оптические коэффициенты пропускания обеих ветвей анализатора.

При смещении энергетического центра пучка относительно делительного ребра светоделителя ,12 в поперечном направлении происходит перераспределение световой энергии между фотоприемниками 18 и 19.Разность сигналов фотоприемников, выделенная усилителем 20, воздействует на ГОН 21 таким образом, что изменяет скважность вырабатываемых им импульсов при постоянной частоте их повторения, которая определяется кварцевым генератором 22. Таким образом скважность световых им- пулысов, вырабатываемых источником 4 излучения, будет нести дополнительную информацию о смещении опорного луча в поперечном направлении при его вращении.

В измерительной марке 2 световой пучок воздействует на КЧФ 26, соединенный с входами блока 27. анализа на выходе которого в любой момент времени присутствуют два сигнала: на выходе - - мгновенная разность сигналов фотоприемников, а на выходе + - мгновенная сумма сигналов фотоприемников, причем если световой пучок не выходит за пределы чувствительной площадки КЧФ. то сигнал суммы будет практически постоянным, а сигнал разности будет иметь величину, пропорциональную отклонению энергетического центра пучка от геометрического центра КЧф. При этом его фаза будет зависеть от направления этого отклонения. Этот сигнал поступает на вход фазового детектора 28, в качестве опорного сигнала в котором используется суммарный сигнал блока 27 анализа.

Выход фазового детектора 28 поступает на один из входов сумматора 32, на второй вход которого поступает сигнал с выхода дополнительного фазового детектора 30.

Сигнал на выходе дополнительного фазового детектора 30 пропорционален изменению скважности импульсов, снимаемых с выхода + блока анализа 27, а в качестве

5 опорного сигнала используется напряжения УКГ 34, синхронизируемого этим же сигналом.

Таким образом сумматор 31 позволяет учитывать поправку за счет измерения

0 скважности световых импульсов. Поскольку время пребывания светового пучка на КЧФ 26 ограничено скоростью развертки, размером площадки КЧФ и углом расходимости пучка в горизонтальной плоскости, то для

5 повышения чувствительности устройства используется интегратор 32, позволяющий интегрировать выходной сигнал в течение времени, определяемого устройством управления интегратором 33. Устройство уп0 равления интегратором 33 позволяет устанавливать время интегрирования, кратное частоте следования световых импульсов, и поэтому вход устройства управления интегратором 33 соединен с выходом +

5 блока анализа 27.

Формула изобретения Лазерный нивелир, содержащий передающий блок с расположенными на опти0 ческой оси лазером, коллимирующей системой, компенсатором наклона и пен- тапризмой, установленной с возможностью поворота вокруг оси, совмещенной с оптической осью, приемный блок с координатно

5 чувствительным фогоприемншом. вычислитель и блок индикации, отличающий- с я тем, что, с целью повышения точности за счет уменьшения влияния ошибок, обусловленных положением оси вращения

0 пентапризмы, в него введены фотоэлектрический анализатор поперечных смещений со светоделителем, жестко скрепленным с пентапризмой, установленным перед ее выходным окном и ориентированным глав5 ной плоскостью параллельно оптической оси. кварцевый генератор и генератор опорного напряжения, первый и второй входы которого электрически сопряжены с выходом фотоэлектрического анализатора

0 поперечных смещений и с выходом кварцевого генератора соответственно, а выход - с входом лазера, при этом вычислитель выполнен в виде блока анализа суммы и разности сигналов, вход которого электрически

5 сопряжен с выходом координатно чувствительного фотоприемника, первого и второго фазовых детекторов, первые входы которых электрически сопряжены с первым и вторым выходами блока анализа суммы и разности сигналов соответственно управляемого кварцевого генератора, вход которого электрически сопряжен с вторым выходом блока анализа суммы и разности сигналов, а первый и второй выходы электрически сопряжены с вторыми входами первого и второго фазовых детекторов, сумматора, первый и второй входы которого электрически сопряжены с выходами первого и второго фазовых детекторов соответственно, интегратора, первый вход которого электрически сопряжен с выходом сумматора, а выход - с блоком индикации, и блока управления интегратором, вход которого электрически сопряжен с вторым выходом блока анализа суммы и разности сигналов, а выходы - с вторым входом интегратора,

1518

25

Фиг.1

J2

29

фиг.г