Доклад на тему лазерные измерители

Обновлено: 08.05.2024

Слово “лазер” представляет собой абревиатуру английской фразы “Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”, переводимой как усиление света в результате вынужденного (индуцированного) излучения.

Гипотеза о существовании индуцированного излучения была высказана в 1917 г. А Эйнштейном. Советские ученые Н.Г. Басов и А.М. Прохоров и независимо от них американский физик Ч. Таунс использовали явление индуцированного излучения для создания микроволнового генератора радиоволн с длинной волны l=1,27 см.

Чтобы создать лазер или оптический квантовый генератор – источник когерентного света необходимо:

1) рабочее вещество с инверсной населенностью. Только тогда можно получить усиление света за счет вынужденных переходов.

2) рабочее вещество следует поместить между зеркалами, которые осуществляют обратную связь.

3) усиление, даваемое рабочим веществом, а значит, число возбужденных атомов или молекул в рабочем веществе должно быть больше порогового значения, зависящего от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала.

Первым квантовым генератором был рубиновый твердотельный лазер. Также были созданы: газовые, полупроводниковые, жидкостные, газодинамические, кольцевые (бегущей волны).

Лазеры нашли широкое применение в науке – основной инструмент в нелинейной оптике, когда вещества прозрачные или нет для потока обычного света меняют свои свойства на противоположные.

Лазеры позволили осуществить новый метод получения объемных и цветных изображений, названный голографией.

Нужна помощь в написании доклада?

Мы - биржа профессиональных авторов (преподавателей и доцентов вузов). Наша система гарантирует сдачу работы к сроку без плагиата. Правки вносим бесплатно.

Лазеры широко применяются в медицине, особенно в офтальмологии, хирургии и онкологии, способные создать малое пятно, благодаря высокой монохроматичности и направленности. В офтальмологии лазерное излучение с энергией 0,2 – 0,3 дж позволяет осуществлять ряд сложных операций, не нарушая целостности самого глаза. Одной из таких операций является приварка и укрепление отслоившейся сетчатки с помощью коагуляционных спаек. Кроме того, лазерный луч применяется для выжигания злокачественных и доброкачественных опухолей. В хирургии сфокусированный световой луч непрерывного лазера (мощностью до 100 Вт) служит чрезвычайно острым и стерильным скальпелем, осуществляющим бескровные операции даже на печени и селезенке. Весьма перспективно использование непрерывных и импульсных лазеров для прижигания ран и остановки кровотечений у больных с пониженной свертываемостью крови.

Лазерная обработка металлов. Возможность получать с помощью лазеров световые пучки высокой мощности до 1012 –1016 вт/см2 при фокусировки излучения в пятно диаметром до 10-100 мкм делает лазер мощным средством обработки оптически непрозрачных материалов, недоступных для обработки обычными методами (газовая и дуговая сварка). Это позволяет осуществлять новые технологические операции, например, просверливание очень узких каналов в тугоплавких материалах, различные операции при изготовлении пленочных микросхем, а также увеличения скорости обработки деталей. При пробивании отверстий в алмазных кругах сокращает время обработки одного круга с 2-3 дней до 2 мин. Наиболее широко применяется лазер в микроэлектронике, где предпочтительна сварка соединений, а не пайка. Основные преимущества: отсутствие механического контакта, возможность обработки труднодоступных деталей, возможность создания узких каналов, направленных под углом к обрабатываемой поверхности.

Первые сведения о применении лазерной локации относятся к 1962 г., когда была осуществлена локация Луны. Увеличение мощности, излучаемой лазером, сделает возможным картографирование поверхности Луны с Земли с высокой точностью (около 1,5 м). Лазерная локация применяется также в геофизике для определения высоты облаков, исследовании инверсионных и аэрозольных слоев в атмосфере, турбулентности и т.п.

Лазерные системы навигации и обеспечения безопасности полетов. Одним из основных элементов инерциальных систем навигации, широко используемых в авиации, являются гироскопы, которые в основном и определяют точность системы. Лазерные гироскопы обладают достаточно высокой точностью, большим диапазоном измерения угловых скоростей, малым собственным дрейфом, невосприимчивостью к линейным перегрузкам. Лазеры успешно применяются как измерители скорости полета (воздушной и путевой), высотомеры. Лазерные курсо-глиссадные системы обеспечивают безопасность полетов, связанную с увеличением точности систем посадки, снижения ограничений по метеоусловиям, обеспечением больших удобств работы экипажа при выполнении такого ответственного участка полета, как посадка. В близи взлетно-посадочного полотна установленные лазерные лучи создают геометрическую картину, позволяющую судить о правильности выдерживания траектории посадки.

Лазерные системы управления оружием резко повысили точность попадания. Лазерная полуактивная система наведения состоит из лазерного целеуказателя (лазерной системы подсвета цели) и боеприпаса с лазерной головкой самонаведения.

Все мастера, которые в той или иной степени связаны с деятельностью строительной, архитектурной, инженерной и пр., на собственном опыте сталкивались с тем, насколько ценны результаты точных измерений. Вряд ли можно найти такую сферу человеческой деятельности, где не потребовались результаты надежных и качественных, а потому точных измерений.

Почему нужна точность проведения измерений

Именно в результате измерений человек может получить максимально точную информацию, прийти к правильным выводам и принять логически и экономически обоснованные решения. С помощью точных измерений можно оценить качество, состояние, ущерб и избежать определенных рисков, связанных с нарушением техники безопасности.

Достоверность и точность полученных результатов измерений - это гарантия верности выводов и принимаемых решений. Очевидно, что искажение фактов и недостоверная информация может закончиться плачевно, поскольку приводит к неверным выводам. Может быть ошибочно снижено качество выпускаемой продукции. Следствие неверных вычислений - происшествия и аварийные ситуации.

Приборы на службе человека

Прошли те времена, когда в точных вычислениях не нуждались, или полагались на опыт мастеров и примерную оценку. С той поры было создано огромное число разнообразных приборов, которые позволили не только облегчить получение данных, но и ускорить процесс измерений и обработки полученных результатов.

Одним из таких полезных и незаменимых приборов стал лазерный измеритель. Это современный прибор, который относится к разряду оптоэлектронной аппаратуры. Он производится на основе высокотехнологичных решений, основанных на полученных технических разработках.

Про лазерные измерители

К лазерному типу измерительных приборов в настоящее время относится целый спектр помощников современного мастера. В этот разряд входят лазерные:

измерители;
уровни;
дальномеры;
нивелиры;
отвесы и пр.

Выбирая современные лазерные измерители, потребитель должен знать, что они наделены множеством вспомогательными функциями. Эти опции помогают приборам производить всевозможные математические операции, анализировать и сопоставлять результаты измерений, констатировать и фиксировать их, передавать на всевозможные коммуникаторы и другие гаджеты, включая ПК и мобильные дейвайсы. Там информация проходит последующую обработку.

Преимущества лазерной техники

Неоспоримым преимуществом лазерных измерителей можно считать их возможность проведения измерений даже в тех местах, которые считаются недоступными или труднодоступными. Это связано с использованием таких приборов без непосредственного контакта с объектом, который требуется измерить.

Среди преимуществ таких приборов также следует отметить экономию человеческих ресурсов: для проведения изменений не требуется участие двух человек, как это было прежде. Один специалист может провести как измерительные, так и разметочные работы, а также провести анализ ситуации по полученным результатам.

Категории лазерных измерителей

Среди целого списка приборов, которые работают на основе применения лазерных технологий, можно выделить измерители, которые классифицируются по своему. На этом основании выделяются лазерные:

дальномеры;
нивелиры;
рулетки;
уровни;
угломеры;
отвесы и пр.

Все эти лазерные приборы отличаются компактностью и точностью проведения измерений. Каждый из этих приборов предназначен для измерения расстояния до объекта, вычисления его габаритных размеров, формы, конфигурации. Процесс измерения при этом удивительно прост. Для его проведения достаточно навести лазерный луч на исследуемый предмет, измерить расстояние, и его формы. Если применялся дальномер, то на его экране мгновенно появятся данные о расстоянии до объекта.

Лазерные дальномеры

Лазерные дальномеры новейших конструкций позволяют проводить изменения в различных системах. Полученные данные помогут провести вычислительные операции с полученными цифрами, независимо от требований системы. Перевод возможен в любую из существующих систем измерений. Данные трансформируются и передаются на запоминающие устройства - ПК, КПК, прочие гаджеты и девайсы.

Лазерные нивелиры

Лазерные нивелиры – это электронно-оптические приборы, которые производители и создатели предложили для определения разности высот между несколькими точками. В продаже представлены две разновидности лазерных нивелиров. Отличаются они, прежде всего, принципом действия.

Работа ротационных лазерных нивелиров основана на ихспособности образовывать видимую плоскость:

наклонную,
вертикальную,
горизонтальную.

Образуется она за счет вращения лазерного луча с высокой частотой. Лазерные нивелиры стандартно применяют для проведения измерений вне помещений. Работают они в паре с лазерными приемниками. Эти приборы ставят на нивелирные рейки. С помощью пузырькового уровня производится начальная установка ротационного лазерного нивелира в горизонтальном положении.

Мультипризменные лазерные приборы

Еще одной разновидностью лазерных нивелиров являются мультипризменные лазерные приборы. Они отличаются удивительной компактностью и при этом повышенной надежностью ротационных нивелиров. Связано это с тем, что приборы не имеют вращающихся частей в своей конструкции, не требуют предварительной установки в горизонтальное положение. Вместе с тем, мультипризиенные лазерные нивелиры применяются преимущественно при проведении работ внутри помещений.

Лазерные уровни

Лазерные уровни используют там, где требуется определить отклонения плоскости объекта от горизонтального положения. Новейшие приборы способны выстроить вертикальные и горизонтальные плоскости. При помощи обычного пузырькового уровня производится предварительная установка лазерного прибора в рабочее положение. Производитель сегодня предлагает даже модели лазерных уровней, снабженные механическим угломером. Они позволяют:

производить измерение высокой точности углов,
разметить наклонные объекты,
контролировать угол наклона плоскости по отношению к горизонту.

Подобные аппараты назвали лазерными угломерами.

Лазерные отвесы

Лазерными отвесами называют современные аппараты, которые позволяют определить отклонения плоскости объекта от вертикали. Такие приборы применяют также для измерения углов горизонтальных и вертикальных. Лазерные отвесы отличаются миниатюрными размерами. Они удобны тем, что не потребуют от мастера предварительной подготовки рабочей поверхности. Лазерные отвесы - незаменимые устройства при проведении работ:

строительных,
монтажных,
контрольно-измерительных.

Любые типы лазерных измерителей в наши дни стали стандартными для оснащения мастеров. Ими пользуются монтажники, строители, инженеры, архитекторы, проектировщики в соответствии с допусками. Вместе с тем, такие приборы доступны по стоимости и для частных лиц. Они могут стать вашим лучшими помощниками, которые помогут вам получить высоко точные изменения, необходимые для работы. Особая подготовка не требуется,

Все лазерные устройства интуитивно понятны. Их основные функции человек, не слишком далекий от техники и электроники, в состоянии освоить в короткий промежуток времени. В любом случае, мастера нашей компании всегда готовы прийти на помощь и предоставить вам услуги по получению точных данных с помощью лазерной техники.

Дальномеры — приспособления, используемые для замеров расстояния во всевозможных отраслях человеческой деятельности. Это довольно большая группа устройств, различных по конструкции и принципу действия. Благодаря достижениям лазерной и цифровой техники лазерные измерители расстояния стали самыми популярными инструментами из-за своей точности, компактности и сравнительно невысокой стоимости.

История и эволюция дальномеров

До появления электронных устройств для определения дистанции использовались оптические приспособления для измерения расстояния. Наблюдательные и геодезические приборы оснащались угловыми шкалами, что позволяло применять методы косвенного расчёта дистанции до предметов.

Существовали и более сложные оптические инструменты для измерений. Это были в основном приборы, основанные на явлении параллакса. Подобными системами оснащены были фотокамеры прошлого века. С точки зрения точности, все эти оптические приспособления обладали большим разбегом погрешности показаний как в зависимости от дальности замера, так и от навыков пользователей.

Теоретическая база для создания активных дальномерных приспособлений, в основе которых заложен принцип посылания сигнала в направлении объекта с последующим анализом возвращённого отражения, были готова ещё в начале XX века. Толчком к практической реализации этого принципа послужила Вторая мировая война — армии мира нуждались в мгновенном измерении расстояний до целей. Так появились и бурно эволюционировали промышленные образцы радаров и эхолотов. Эти устройства, использовавшие в качестве сигнала радиоволны или ультразвук, были довольно громоздкими и неприспособленными для личного пользования.

Приборы на основе лазера

Качественным рывком в эволюции приборов для измерения длины стало появление источников электромагнитного излучения оптического диапазона. Во второй половине XX века были созданы первые действующие образцы квантовых генераторов, и с тех поры лазеры продолжали совершенствоваться. Приборы для измерения длины на их основе не стали исключением — в авангарде снова оказались военные. Первые лазерные дальномеры устанавливались на танках, использовались для целенаведения ракет, а также применялись в освоении космоса.

Совершенствование электроники и появление цифровых методов вычисления привело к созданию компактных электронных метров для измерения длины как ультразвуковых, так и лазерных. Первый в мире ручной лазерный прибор произвела компания Leica в 1993 году.

Принципы измерения

Существует два типа лазерных дальномеров. Принцип работы первых основан на замере времени, затраченного коротким импульсом света на отражение и возвращение его к прибору. Для работы таких устройств (их называют импульсными) требуются очень точные датчики, излучатели и способы обработки полученной информации. Прежде всего из-за того, что скорость света высока и промежутки времени, за которое он успевает пройти измеряемое расстояние, ничтожно малы. Использование нескольких коротких импульсов уменьшает погрешность замера. К особенностям приборов, работающих на этом принципе, относят:

способность измерять большие расстояния до предметов: от километража до космических величин;
невысокая точность замеров на малых дистанциях;
ограниченное применение в гражданских целях;
высокая стоимость.

Второй тип устройств называют фазными. Его реализация обходится значительно дешевле, так как не требует таких высокоскоростных и высокоточных элементов. Основой его является анализ разности фаз между излучаемым и отражённым сигналом. Повысить точность таких измерений на всём диапазоне расстояний позволяет использование импульсов различной частоты. Лазерные приборы, анализирующие сдвиг фаз, очень точны и являются самыми популярными на сегодняшний день среди всех дальномеров. Основные качества таких устройств:

невысокая стоимость и компактность;
точность до долей миллиметра;
ограниченная дальность измерений (до 250 м).

Световые в сравнении с ультразвуковыми

Ультразвуковые дальномеры работают на том же принципе, что и импульсные электромагнитные. Только блок приёма-передачи у них содержит не лазер и фотоприемник, а громкоговоритель и микрофон. И излучает он не световой поток, а звуковую волну. Электронно-цифровой модуль измеряет время, прошедшее от отправки ультразвукового импульса до возвращённого эха, и вычисляет расстояние до помехи на пути сигнала.

Основное преимущество таких приборов — они относительно просты и недороги. Кроме того, в отличие от лазерных, акустические измерители способны определять расстояние до прозрачных и пушистых предметов и лучше приспособлены для работы в сложной атмосфере. К недостаткам ультразвуковых устройств можно отнести:

небольшой диапазон замеряемых расстояний (до 20 м);
невысокая точность в сравнении с лазерными;
требовательны к тщательности измерений (случайные предметы в зоне работы и способны оказать влияние на результат);
качественный замер возможен только в пустых помещениях или открытом пространстве;

Виды и типы лазерных измерителей

Разнообразие сфер применения световых дальномеров чрезвычайно широко — от астрономических измерений до бытовых нужд. Разумеется, их конструкции очень отличаются друг от друга в зависимости от того, какие задачи они предназначены выполнять. Об устройствах, которыми оснащаются искусственные спутники земли, и о типах современного военного оборудования по понятным причинам открытые источники информируют скупо. Гражданского же назначения приборы можно разделить на следующие группы:

прицелы для охотничьего оружия;
устройства наблюдения;
устройства для игры в гольф;
геодезические приборы;
специализированные для лесного хозяйства;
лазерные рулетки.

Последний тип инструментов получил наибольшее распространение и за прошедшие 20 лет завоевал огромную популярность у домашних мастеров и профессионалов.

Лазерные рулетки

Даже модели начального уровня чрезвычайно компактны, позволяют делать мгновенные измерения, очень точны и оснащены дополнительными функциями, помогающими легко рассчитать площадь и объём. В основном недорогие приборы предназначены для работы в помещениях и приспособлены для измерения расстояний до 20 м. В большинстве случаев их возможностей достаточно для личного пользования.

Устройства для профессионального назначения предполагают работу на открытом пространстве и производятся в пыле и влагозащищенном исполнении. При использовании специальных светоотражающих мишеней их дальность действия может достигать 250 м. Более сложные приборы оснащены датчиками наклона, Bleutooth соединением, большой памятью для сохранения полученных данных, внушительным набором программ для косвенных измерений, функцией серийного замера и другими опциями.

Как работают лазерные измерительные приборы

Строительство и связанные с ним инженерные изыскания не обходятся без инженерно-геодезических работ. Здесь то и оказываются особенно полезны лазерные измерительные приборы, позволяющие более эффективно решать соответствующие задачи. Процессы, традиционно выполняемые при помощи классических нивелиров, теодолитов, приборов линейных измерений, - теперь способны показывать более высокую точность и вообще могут быть автоматизированы.

Методы геодезических измерений существенно эволюционировали с появлением лазерных геодезических приборов. Лазерный луч буквально видно, в отличие от визирной оси прибора, что делает планировочные работы при строительстве, измерение и контроль результатов более простыми. Луч определенным образом ориентируется и служит опорной линией, либо создается плоскость, по отношению к которой в дальнейшем могут проводиться измерения с помощью специальных фотоэлектрических индикаторов или посредством визуальной индикации луча.

Лазерные измерительные приборы создаются и улучшаются по всему миру. Серийно выпускаются лазерные нивелиры, теодолиты, насадки к ним, центриры, светодальномеры, тахеометры, системы управления строительными механизмами и т. д.

Так, компактные лазеры размещаются в ударопрочной и влагостойкой системе измерительного прибора, при этом демонстрируют высокую надежность работы и стабильность направления луча. Обычно лазер в таком приборе установлен параллельно его визирной оси, однако в некоторых случаях лазер монтируется в приборе так, что направление оси задается при помощи дополнительных оптических элементов. Визирная труба служит для наведения луча.

Чтобы уменьшить расходимость пучка света лазера, перед выходным отверстием луча устанавливают телескопическую систему, которая уменьшает угол расходимости пучка пропорционально своему увеличению.

Телескопическая система также помогает сформировать сфокусированный лазерные пучок на расстоянии в сотни метров от прибора. Если увеличение телескопической системы, скажем, тридцатикратное, то на расстоянии 500 м получится пучок лазера диаметром в 5 см.

Если осуществляется визуальная индикация луча, то для отсчетов применяют экран с нанесенной на него сеткой квадратов или концентрическими окружностями, а также нивелирную рейку. В этом случае точность отсчета зависит как от диаметра светового пятна, так и от амплитуды колебания луча из-за непостоянного показателя преломления воздуха.

Точность снятия отсчета можно повысить размещая в телескопической системе зонные пластины — прозрачные пластины с нанесенными на них чередующимися (прозрачными и непрозрачными) концентрическими кольцами. Явление дефракции делит луч на светлые и темные кольца. Теперь положение оси пучка может быть определено с высокой точностью.

Когда используют фотоэлектрическую индикацию, применяют фотоприемные системы разнообразных типов. Самое простое - перемещать один фотоэлемент вдоль вертикально или горизонтально установленной рейки через световое пятно, одновременно фиксируя сигнал на выходе. Погрешность при данном методе индикации доходит до 2 мм на 100 м.

Более совершенны двойные фотоприемники, например на разрезных фотодиодах, автоматически отслеживающие центр светового пучка и регистрирующие его положение в момент, когда освещенности обеих частей приемника идентичны. Здесь погрешность на 100 м доходит лишь до 0,5 мм.

Четыре фотоэлемента фиксируют положение луча по двум осям, и тогда максимальная погрешность на 100 м составляет всего 0,1 мм. Наиболее современные фотоприемные устройства умеют также выводить информацию в цифровом виде для удобства обработки полученных данных.

Большинство лазерных дальномеров, выпускаемых современной промышленностью, являются импульсными. Расстояние определяется исходя из времени, которое потребовалось лазерному импульсу для прохождения до цели и обратно. А поскольку скорость электромагнитной волны в среде измерения известна, то удвоенное расстояние до цели равно произведению этой скорости на измеренное время.

Источниками лазерного излучения в таких приборах для измерений расстояний более километра служат мощные твердотельные лазеры. В приборах же для измерения расстояний от единиц метров до нескольких километров установлены полупроводниковые лазеры. Дальнодействие подобных приборов достигает 30 километров с погрешностью в пределах долей метра.

Более точное измерение дальности достигается путем использования фазового способа измерения, когда в расчет принимается еще и разность фаз между опорным сигналом и тем, который прошел измеряемое расстояние, с учетом частоты модуляции несущей. Это так называемые фазовые лазерные дальномеры, работающие на частотах порядка 750 МГц, где используется лазер с арсенидом галлия.

Высокоточные лазерные нивелиры, применяются например при проектировании взлетно-посадочных полос. Они создают световую плоскость вращением лазерного пучка. Плоскость фокусируется в горизонтали благодаря двум взаимно перпендикулярным уровням. Чувствительный элемент перемещается по рейке, и отсчет снимается по полусумме границ области, в которой приемное устройство генерирует звуковой сигнал. Дальность действия таких нивелиров достигает 1000 м с погрешностью до 5 мм.

У лазерных теодолитов ось лазерного пучка создает видимую ось наблюдений. Она может быть направлена непосредственно вдоль оптической оси зрительной трубы прибора либо параллельно ей. Некоторые лазерные насадки позволяют использовать саму зрительную трубу теодолита как коллимирующий узел (для создания параллельных лучей — лазера и визирной оси трубы), а отсчет вести по отсчетному устройству самого теодолита.

Одной из первых выпускаемых насадок к теодолиту ОТ-02 была насадка ЛНОТ-02 с газовым гелий-неоновым лазером выходной мощностью 2 мВт и углом расходимости около 12 угловых минут.

Лазер с оптической системой фиксировался параллельно зрительной трубе теодолита, так чтобы расстояние между осью пучка и визирной осью теодолита было 10 см.

Центр перекрестия сетки теодолита совмещается с центром светового пучка на необходимом расстоянии. На объективе коллимирующей системы имелась цилиндрическая линза, разворачивающая пучок и сектор с углом раскрыва до 40 угловых минут для одновременной работы в точках, которые расположены на разной высоте в пределах доступного створа прибора.

Читайте также: