Метрологическое обеспечение процесса измерения расстояний

Размещено на http://www.allbest.ru/

47

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время практически ни один род деятельности человека не обходится без измерений. Так или иначе, с измерениями мы сталкиваемся каждый день, хотим мы того, или нет - будь то время, количество денег в кармане или температура воздуха за окном.

С измерением же расстояния мы сталкиваемся несколько реже, но это нисколько не умаляет его важности. В настоящее время, наиболее технологически емкими процессами, связанными с измерением расстояний, являются геодезия, строительство, проведение ремонтных работ и военное дело, в той области, где оно затрагивает баллистику и ведение боевых действий, что, несомненно, является важной составляющей нашей жизни.

Как следствие из вышесказанного, вопрос измерения расстояния актуален и важен в наше время, поэтому, объектами изучения в данной курсовой работе являются методы и средства измерения параметров и контроля процесса измерения расстояния с помощью оптических дальномеров.

Целью курсового проекта является получение знаний по разработке метрологического обеспечения процессов управления качеством, мероприятий метрологического контроля и надзора, направленных на соблюдение правил единства измерений, высокое качество продукции на основе современных методов управления качеством.

Задачами, решаемыми в курсовом проекте, являются:

1. изучение современных методов и средств измерения расстояний;

2. приобретение теоретических и практических навыков эксплуатации контрольно-измерительных средств - оптических дальномеров;

3. изучение номенклатуры измеряемых и контролируемых параметров продукции и технологических процессов, установление оптимальных норм точности измерений и достоверности методов контроля, выбора средств измерения, испытания и контроля;

4. ознакомление с методиками измерения и стандартами, на основе которых проводятся измерения.

В первой главе настоящей курсовой работы описаны теоретические и нормативные основы процесса измерения расстояний. Также перечислены основные показатели качества дальномеров, рассмотрены статистические методы анализа ошибок и погрешностей при проведении измерений.

Во второй главе приводятся конкретные методы измерениярасстояния, производится отбор дальномеров с рассмотрением их характеристик, проводится анализ точности используемого оборудования.

В третьей главе проводится квалиметрический анализ имеющихся средств измерения с последующим выбором дальномера, наиболее удовлетворяющего требованиям потребителя.

В четвертой главе описаны нормативные документы, касающиеся вопросов техники безопасности в лазерной дальнометрии; приведена классификация приборов по мощности излучения и опасным эксплуатационным факторам; рассмотрены вопросы медицинского и экологического контроля процесса измерения.

Объектом исследования являются существующие на сегодняшний день оптические дальномеры.

Предметом исследования являются физические основы дальнометрии и методики проведения измерений.

1. Метрологическое обеспечение процесса измерения расстояний

1.1 Описание объекта измерения

Объектом измерения является расстояние, то есть разница положений двух объектов в пространстве. Длина кратчайшего отрезка, которым можно соединить эти два объекта и называется расстоянием между ними.

Единицей измерения расстояния, как и длины, является метр (1 м). На практике чаще всего используется либо эта единица, либо дольные единицы - миллиметр (1 мм = 10^-3 м) и сантиметр (1 см = 10^-2 м). Реже используется кратная единица километр (1 км = 10³ м), но только в тех случаях, когда точность измерения в подобных величинах достаточна.

Существует более 15 разновидностей приборов, устройств и приспособлений для измерения расстояния - от линеек до электронных тахеометрических устройств и комплексов. В данной работе речь пойдет о применении оптических дальномеров, также именуемых тахеометрами. Данные приборы имеют различную конструкцию и отличаются между собой по широте набора выполняемых функций, в зависимости от их назначения и предъявляемых требований.

В настоящее время широко используются средства линейных измерений, основанные на принципах лазерной дальнометрии. Современные углоизмерительные приборы, такие как электронные тахеометры, снабжены лазерными дальномерами, что позволяет проводить не только измерения углов между объектами, но и расстояния до этих объектов. При этом развитие и совершенствование лазерных дальномеров, возрастающие требования к их точности и надежности приводят к необходимости создания новых методов и средств контроля метрологических характеристик таких приборов. Поэтому метрологический контроль измерительных систем лазерных дальномеров является на данный момент актуальной задачей.

Погрешности современных измерительных систем оптико-электронных дальномерных приборов подчиняются достаточно сложной зависимости, которая до конца не изучена и может быть выявлена только в результате экспериментальных исследований [1].

Поскольку речь идет об оптических дальномерах, то стоит упомянуть и единицы измерения, которыми оперируют внутренние системы электронных дальномеров. За единицу времени (по причине высокой скорости распространения света в воздухе) принимается наносекунда (1 нс = 10^-9 с). Как будет сказано ниже, электронная система измерения посылает сигнал в направлении объекта, до которого измеряется расстояние, и ждет ответа. Поскольку сигнал доходит до объекта и возвращается к приемнику, проходя при этом расстояние равное 2L, время возвращения сигнала равно 6,6 нс при L=1 м.

1.2 Нормативная документация на процесс измерения расстояний

В качестве нормальных условий измерений, если другое не установлено в нормативно-технической документации на объект измерения, принимают: температуру окружающей среды 293 К (20°С); атмосферное давление 101,3 кПа (760 мм рт. ст.); относительную влажность окружающего воздуха 60%; относительную скорость движения внешней среды 0 м/с.

Измерения выполняют, как правило, двойными наблюдениями параметра в каждом из установленных сечений или мест (при числе повторных наблюдений в каждом сечении или месте m, равном двум).

Для уменьшения влияния систематических погрешностей на результат измерения наблюдения производят в прямом и обратном направлениях, на разных участках шкалы отсчетного устройства, меняя установку и настройку прибора и соблюдая другие приемы, указанные в инструкции по эксплуатации на средства измерения. При этом должны быть соблюдены условия равноточности наблюдений (выполнение наблюдений одним наблюдателем, тем же методом, с помощью одного и того же прибора и в одинаковых условиях).

Перед началом наблюдений средства измерений следует выдерживать на месте измерений до выравнивания температур этих средств и окружающей среды [2].

Основными нормативными документами, обеспечивающими процесс измерения расстояний в целом и в строительстве в частности, являются:

· ГОСТ 26433.0-85. Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве. Правила выполнения измерений. Общие положения. - данный стандарт распространяется на здания, сооружения и их элементы и устанавливает общие положения по проведению измерений при контроле точности геометрических параметров, а также в процессе выполнения разбивочных работ в строительстве [2].

· ГОСТ 21830-76. Приборы геодезические. Термины и определения. - стандарт устанавливает применяемые в науке, технике и производстве термины и определения основных понятий геодезических приборов [3].

· ГОСТ Р 53340-2009. Приборы геодезические. Общие технические требования. - данный стандарт распространяется на геодезические приборы и устанавливает их классификацию, технические требования и методы испытаний [4].

· ГОСТ 19223-90. Cветодальномеры геодезические. Общие технические условия. - стандарт распространяется на светодальномеры, предназначенные для измерения расстояний при топографо-геодезических работах и не распространяется на светодальномеры, применяемые в космической геодезии и маркшейдерии [5].

В качестве рабочих средств измерений применяют: дальномеры, теодолиты, линейки, рулетки металлические и проч.

1.3 Теоретические основы дальнометрии

Дальномер - прибор для определения расстояния без непосредственного измерения на местности. Применяется в геодезии, маркшейдерии, топографии, строительстве и при выполнении ремонтных работ, а также в военном деле, радио- и гидролокации, навигации. Дальномеры конструируют как в виде самостоятельных средств измерений, так и в комбинациях с другими геодезическими приборами [6].

По принципу действия различают дальномеры геометрических и физических типов. Измерение расстояний дальномером первого типа основано на решении треугольника (рис. 1.1), в котором определяемое расстояние

измерение расстояние дальномер

, (1.1)

причём одна из величин правой части (b или в) является постоянной, а другая измеряется с помощью оптических элементов прибора. По этому признаку различают дальномер с постоянным углом в и дальномер с постоянной базой b. Среди первых наибольшее распространение имеет нитяной дальномер для зрительных труб геодезических приборов, в котором постоянный угол образован лучами, проходящими через 2 дальномерных штриха сетки нитей и узловую точку объектива, а базой является измеряемый отрезок между изображениями дальномерных штрихов, проектируемых через зрительную трубу на рейку с равноотстоящими делениями. Нитяными дальномерами снабжены многие геодезические инструменты (теодолиты, нивелиры и др.). Относительная погрешность нитяного дальномера 0,3--1%. Другие модификации дальномера имеют устройства для образования двух изображений визирной цели и измерения их взаимного смещения (дальномер двойного изображения, см. рис 1.2). B таких дальномерах угол в создаётся с помощью линзового или клинового компенсатора; причём если в = const, то базой служит раздвоенное изображение дальномерной рейки; если в изменяется, то постоянной базой служит рейка с визирными марками, расстояния между которыми известны (рис. 1.3, а). Для измерения расстояний до недоступных объектов применяют внутрибазные дальномер с постоянным углом и переменной базой на приборе (рис. 1.3, б) [3], [7].

Рис. 1.1 Схема, поясняющая принцип действия дальномера геометрического типа: b=AB -- база, в -- параллактический угол, h -- высота треугольника, т.е. расстояние L

Рис. 1.2 Устройство монокулярного дальномера: B1 и B2 -- отражатели концах базы; O1 и O2 -- оптические системы, строящие изображения; С --призма, совмещающая оба изображения в общей фокальной плоскости F; Ок -- окуляр. В кружках показано видимое в окуляр изображение до (а) и после совмещения (б)



Pис. 1.3 Схемы определения расстояний с помощью дальномеров: а - оптического топографического (ОТД); б - внутрибазного геодезического (ДВГ)

Имеются также конструкции, позволяющие редуцировать измеряемые наклонные расстояния в соответствующие горизонтальные положения. Различные типы дальномеров двойного изображения имеют относительную погрешность измерений не выше 1:1000-1:5000, что определяет область их применения (теодолитные ходы, маркшейдерия и полигонометрия) [8].

Более сложные дальномеры геометрического типа имеют собственную постоянную базу. Они разделяются на две группы: монокулярные и бинокулярные (стереоскопические).

Монокулярный дальномер (рис. 1.2) устроен таким образом, что изображение объекта (цели) видно в окуляре Ок составленным из двух половин, разделённых горизонтальной линией; разные половины изображения построены лучами, прошедшими различные оптические системы дальномер (O1 и O2).

В случае очень удалённого объекта, когда попадающие в дальномер лучи A1 и A2 практически параллельны, обе половины изображения находятся в одном месте на горизонтальной линии раздела и образуют цельное изображение. С приближением объекта к дальномеру параллельность лучей A1 и А2 нарушается, и половинки изображения расходятся вдоль линии раздела. Для измерения расстояния до объекта требуется свести смещенные половинки изображения с помощью оптического компенсатора, расположенного в одной из оптических систем. Результат измерения прочитывается на специальной шкале. Погрешность монокулярных дальномер двойного изображения Дальномер 0,1% при длинах до 1 км [4], [5].

Монокулярные дальномеры с базой 3--10 см широко применяют в качестве фотографических дальномеров. Обычно фотографические дальномеры объединяют в одну оптическую систему с видоискателем фото- или киноаппарата. Лучи света от объекта съёмки проходят в фотографический дальномер (рис. 1.4) через две различные оптические системы (основную и дополнительную). Построенные этими системами изображения видны в окуляре дальномер несовмещёнными. Для наведения объектива на резкость и получения чёткого фотоснимка оба изображения совмещают в одно перемещением оптического компенсатора, связанного с механизмом фокусировки объектива фотоаппарата [9].

Рис. 1.4 Фотографический дальномер: C1 и C2 -- призмы, В -- объектив фотоаппарата, К -- рычаг; до фокусировки глаз видит в видоискателе два изображения (а), после фокусировки -- поворота объектива и смещения рычага с призмой -- одно (б)

Стереоскопический дальномер с постоянной базой (рис. 1.5) представляет собой двойную зрительную трубу с двумя окулярами. Действие дальномер основано на стереоскопическом эффекте: рассматриваемые отдельно каждым глазом изображения сливаются в одно объёмное, в котором ощущается разница в расположении предметов по глубине. Для определения расстояния до объекта (цели) изображение объекта совмещают с изображением специальной метки («марки»), находящейся в фокальной плоскости дальномер Объект и «марка» должны как бы находиться на одинаковом расстоянии от наблюдателя. Смещение оптического компенсатора, требуемое для совмещения «марки» и цели, пропорционально определяемому расстоянию. Точность стереоскопического дальномера, особенно с базой в несколько м, на порядок выше точности монокулярных дальномеров [7].

Рис. 1.5 Внешний вид (а) и схема устройства (б) стереоскопического дальномера: A1, A2 -- окна; B1, B2 -- отражатели (призмы); O1, O2 -- оптические системы, строящие изображения; К -- компенсатор для совмещения «марки» с изображением; C1 и C2 -- призмы; Ок -- окуляр; в -- поле зрения с «марками»

Принцип действия дальномеров физического типа -- световых, радио и акустических -- состоит в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномер сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. B импульсном методе определяемое расстояние равно [10]

, (1.2)

где н - известная скорость распространения электромагнитных волн (скорость света с в оптических дальномерах или звука v); t - промежуток времени между излучаемым и принимаемым импульсами. Импульсные дальномеры используются для измерений больших расстояний с низкой точностью. Дальномеры данного вида непосредственно измеряют промежуток времени t, за который световой импульс проходит удвоенное расстояние до 2L, так что [10]

, (1.3)

где k -- постоянная дальномера, зависящая от устройства.

B геодезических дальномерах применяют более точный фазовый метод, основанный на измерении разности фаз излучаемого и отражённого сигналов, причём [10]

, (1.4)

где F - частота колебаний, Гц;

N - целое число колебаний, укладывающихся в измеряемом отрезке;

?г - разность фаз (F задана, ?г измеряется фазометрическим устройством).

В фазовых дальномерах используется непрерывный световой поток с искусственно создаваемыми высокочастотными изменениями (модуляцией) его интенсивности (рис. 1.6). При плавном изменении частоты модуляции изменяется разность фаз модуляции у посылаемого и отражённого потоков света. В результате в дальномер наблюдаются максимумы и минимумы интенсивности света, по числу которых определяют время t, а затем L. По величине и точности светодальномеры делят на большие, средние и малые (топографические), позволяющие измерять расстояния 20--25 км с точностью 1:400 000, 5--15 км с точностью 1:300 000, а 3--5 км с точностью 1:10 000 -- 1:100 000.

Рис. 1.6 Блок-схема модулирующего дальномера

В радиодальномерах обычно используют электромагнитные волны сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Геодезическими фазовыми радиодальномерами можно измерять расстояния от 200 м до 30 км. Акустические дальномеры (эхолоты, гидролокаторы), использующие ультразвуковой сигнал, применяются для определения расстояний до подводных объектов: эхолоты - при съёмке подводного рельефа морского шельфа и внутренних водоёмов, гидролокаторы - для качественных и количественных характеристик донных грунтов, а также для поиска и съёмки подводных инженерных сооружений и коммуникаций [10].

В связи с сильным поглощением и рассеянием света и радиоволн конденсированными средами (жидкостями и твёрдыми телами) свето- и радиодальномеры применяются только в атмосферных условиях и в космическом пространстве. Для определения расстояний в толще вод океанов и морей используют акустические дальномеры, поскольку поглощение водой ультразвука незначительно. Теоретически радиус действия дальномера физического типа определяется мощностью посылаемых сигналов и чувствительностью приёмного устройства дальномера, фиксирующего отражённый сигнал. В приведенной таблице показано сравнение диапазонов измерений и точности для разных типов сигналов, используемых в дальномерах физического типа.

Таблица 1.1 Сравнительные характеристики физических дальномеров

Характеристики Тип сигнала	Диапазон измерений (в воздухе)	Погрешность (класс точности)	Применение
Ультразвук	0,3?15 м	0,2	Эхолоты и гидролокаторы
Радиосигнал	200?30000 м	0,03	Геология, радары
ИК-излучение	5?1500 м	0,01	Спортивные и охотничьи дальномеры
Лазер видимого диапазона	0,1?45000 м	0,001?0,005	Инженерия, военное дело

Изучаемые в данной работе оптические дальномеры относятся к физическим дальномерам, работающим, преимущественно, на излучении видимого диапазона и смежных электромагнитных излучениях (ИК- и УФ-диапазона). Исходя из этого положения, данные дальномеры называются оптическими, поскольку электромагнитное излучение данных длин волн подчиняется законам оптики, в том числе геометрической.

1.4 Разработка системы показателя качества

К показателям качества оптических дальномеров относятся:

· диапазон измерений;

· погрешность, класс точности;

· длина волны, класс безопасности - подробнее вопрос будет рассмотрен в п. 4.2;

· величина и степень влияния случайной погрешности;

· влияние условий окружающей среды - влияние перепадов влажности воздуха, температуры, атмосферного давления;

· удобство эксплуатации - габаритные размеры, вес, необходимость дополнительных аккумуляторов;

· степень защиты оболочки IPxx - стандарт пылевлагозащищенности оборудования [11];

· память прибора, сопряжение с компьютером;

· источник питания, количество измерений на 1 комплект батарей

· гарантийный срок.

Большинство приведенных здесь показателей качества интересуют потребителя в первую очередь и всегда указываются в описаниях приборов и инструкциях к ним.

1.5 Статистический анализ ошибок и погрешностей

В качестве формулы для расчета расстояния в системах импульсных дальномеров используется (1.3). В качестве же формулы для расчета расстояния в системах дальномеров используется (1.4).

Так как в обоих случаях мы имеем дело с косвенными измерениями, то погрешность необходимо считать следующим образом [12]:

, (1.5)

для импульсного метода измерения и [12]

, (1.6)

для фазового метода измерений.

Для расчета класса точности воспользуемся формулой [12]:

, (1.7)

где Дx - абсолютная погрешность измерений, x_max - верхний предел измерений, x_min - нижний предел измерений.

2. Анализ методов и средств измерений

2.1 Описание метода измерения

Как уже было сказано ранее, принцип действия дальномеров физического типа -- световых, радио и акустических -- состоит в измерении времени, которое затрачивает посланный дальномер сигнал для прохождения расстояния до объекта и обратно. Расстояние, определяемое в импульсном методе, рассчитывается по формуле (1.2).

Импульсные дальномеры используются для измерений больших расстояний с низкой точностью. Дальномеры данного вида непосредственно измеряют промежуток времени t, за который световой импульс проходит удвоенное расстояние до 2L, согласно (1.3), где k -- постоянная дальномера.

B геодезических дальномерах применяют более точный фазовый метод, основанный на измерении разности фаз излучаемого и отражённого сигналов, что видно из формулы (1.4). В фазовых дальномерах используется непрерывный световой поток с искусственно создаваемыми высокочастотными изменениями (модуляцией) его интенсивности. При плавном изменении частоты модуляции изменяется разность фаз модуляции у посылаемого и отражённого потоков света. В результате в дальномер наблюдаются максимумы и минимумы интенсивности света, по числу которых определяют время t, а затем расстояние L.

В оптических дальномерах наиболее используемым является лазерное излучение видимого диапазона излучения (длины волн 400?700 нм), реже - инфракрасное излучение (длина волны 1400 нм).

Измерения выполняют, как правило, двойными наблюдениями параметра в каждом из установленных сечений или мест (при числе повторных наблюдений в каждом сечении или месте m, равном двум).

Для уменьшения влияния систематических погрешностей на результат измерения наблюдения производят в прямом и обратном направлениях, на разных участках шкалы отсчетного устройства, меняя установку и настройку прибора и соблюдая другие приемы, указанные в инструкции по эксплуатации на средства измерения. При этом должны быть соблюдены условия равноточности наблюдений (выполнение наблюдений одним наблюдателем, тем же методом, с помощью одного и того же прибора и в одинаковых условиях) [2].

2.2 Отбор средств измерения

В качестве изучаемого оборудования рассмотрены дальномеры физического типа, работающие на лазере видимого диапазона (оптические дальномеры). Поскольку, несмотря на возможную продуктивность и пользу для личного опыта, не представлялось возможным изучить оптические дальномеры военного назначения, были рассмотрены и изучены оптические лазерные дальномеры, применяемые в строительстве и при выполнении ремонтных работ, называемые в быту «лазерными рулетками». Данное бытовое определение прибора обусловлено точностью, приблизительно равной точности металлических рулеток, относительно низкой ценой, удобством и простотой эксплуатации.

Для практического рассмотрения и применения были отобраны строительные лазерные дальномеры, имеющие приблизительно равные пределы измерения (от 80 до 100 метров), как имеющие равную мощность излучения и класс лазерной безопасности. Все рассмотренные дальномеры работают по импульсному методу, описанному в п. 1.3.

2.2.1 ADA Robot 80

Дальномер ADA Robot 80 выпускается немецкой компанией ADA Instruments (слово ADA является акронимом от «Additional Accuracy» - дополнительная точность). Внешний вид аппарата представлен на рис. 2.1. Технические характеристики представлены в табл. 2.1.



Рис. 2.1 Дальномер ADA Robot 80

Таблица 2.1 Технические характеристики дальномера ADA Robot 80

Предел измерений	0,05?80 м
Точность	± 1,5 мм
Память прибора	20 измерений
Габаритные размеры, мм	116х60х30
Вес, г	160
Сопряжение с компьютером	Нет
Единицы измерения	метры, футы, дюймы
Макс. кол-во измерений на 1 комплект батарей	5000
Источник питания	4 батареи типа ААА/1.5 В
Степень защиты оболочки	IP54
Диапазон рабочих температур	до 0°C до +40°C
Гарантийный срок	1 год
Длина волны	635 нм
Класс безопасности	2, < 1 мВт

Данный аппарат предназначен для измерения расстояний в пределах от 0,05 до 80 метров, имеет прорезиненный корпус со степенью защиты IP54 (проникающая пыль не нарушает работу устройства; защита от брызг, падающих в любом направлении), снабжен трехстрочным ЖК-дисплеем [13].

2.2.2 Condtrol Mettro 100 Pro

Дальномер Condtrol Mettro 100 Pro производства российской компании Condtrol, занимающейся оборудованием для неразрушающего контроля. Внешний вид аппарата представлен на рис. 2.2. Технические характеристики представлены в табл. 2.2.

Рис. 2.2 Дальномер Condtrol Mettro 100 Pro

Таблица 2.2 Технические характеристики дальномера Condtrol Mettro 100 Pro

Данный аппарат предназначен для измерения расстояний в пределах от 0,1 до 100 метров, имеет прорезиненный корпус со степенью защиты IP54 (проникающая пыль не нарушает работу устройства; защита от брызг, падающих в любом направлении), снабжен четырехстрочным ЖК-дисплеем и визирным прицелом для удобства наведения [14].

2.2.3 Bosch GLM 80

Дальномер Bosch GLM 80 компании Bosch, существующей с конца XIX века и выпускающей оборудование для строительных ремонтных работ. Внешний вид аппарата представлен на рис. 2.3. Технические характеристики представлены в табл. 2.3.

Рис. 2.3 Дальномер Bosch GLM 80

Таблица 2.2 Технические характеристики дальномера Bosch GLM 80

Предел измерений	0,05?80 м
Точность	± 1,5 мм
Память прибора	20 измерений
Габаритные размеры, мм	111х51х30
Вес, г	140
Сопряжение с компьютером	нет
Единицы измерения	метры, сантиметры, миллиметры
Макс. кол-во измерений на 1 комплект батарей	25000
Источник питания	аккумулятор Li-Ion 1250 мА*ч/3,7 В
Степень защиты оболочки	IP54
Диапазон рабочих температур	До -10°C до +50°C
Гарантийный срок	3 года
Длина волны	635 нм
Класс безопасности	2, < 1 мВт

Данный аппарат предназначен для измерения расстояний в пределах от 0,05 до 80 метров, имеет прорезиненный корпус со степенью защиты IP54 (проникающая пыль не нарушает работу устройства; защита от брызг, падающих в любом направлении), снабжен четырехстрочным ЖК-дисплеем и разъемом стандарта micro-USB для зарядки аккумулятора [15].

2.2.4 Makita LD100P

Японский дальномер Makita LD100P - продукт компании Makita, существующей с 1915 года. Внешний вид аппарата представлен на рис. 2.4. Технические характеристики представлены в табл. 2.4.

Рис. 2.4 Дальномер Makita LD100P

Таблица 2.4 Технические характеристики дальномера Makita LD100P

Предел измерений	0,05?100 м
Точность	± 1,5 мм
Память прибора	20 измерений
Габаритные размеры, мм	126?51?47
Вес, г	125
Сопряжение с компьютером	Нет
Единицы измерения	метры, сантиметры, миллиметры
Макс. кол-во измерений на 1 комплект батарей	5000
Источник питания	2 батареи типа АА/1,5 В
Степень защиты оболочки	IP54
Диапазон рабочих температур	До -10°C до +50°C
Гарантийный срок	2 года
Длина волны	635 нм
Класс безопасности	2, < 1 мВт

Данный аппарат предназначен для измерения расстояний в пределах от 0,05 до 100 метров, имеет прорезиненный корпус со степенью защиты IP54 (проникающая пыль не нарушает работу устройства; защита от брызг, падающих в любом направлении), снабжен четырехстрочным ЖК-дисплеем [16].

2.3 Анализ точности

В качестве вероятностно-статических методов для оценки погрешности используются формулы (1.5) и (1.7), как наиболее приемлемые в случае контроля точности измерений импульсных лазерных оптических дальномеров.

Поскольку на заводе-изготовителе производится настройка оборудования, его калибровка и тестовые замеры, потребителю нет необходимости повторно проверять точность измерений, выполняемых с помощью оптических дальномеров. Здесь же мы можем привести только диапазоны измерений для каждого из выбранных устройств, абсолютную погрешность и класс точности.

Таблица 2.5 Статистические характеристики изучаемых устройств

Характеристика Прибор	Диапазон измерений	Абсолютная погрешность	Класс точности
ADA Robot 80	0,05?80 м	1,5 мм	0,002
Condtrol Mettro 100 Pro	0,1?100 м	1 мм	0,001
Bosch GLM 80	0,05?80 м	1,5 мм	0,002
Makita LD100P	0,05?100 м	1,5 мм	0,002

3. Квалиметрическая оценка и анализ

3.1 Сравнение характеристик отобранного оборудования

Для квалиметрического анализа необходимо свести все показатели качества и проанализировать полученный результат. Данные по показателям качества сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1 Сводная таблица показателей качества оптических дальномеров

Дальномер Показатель Качества	ADA Robot 80	Condtrol Mettro 100 Pro	Bosch GLM 80	Makita LD100P
Предел измерений	0,05?80 м	0,1?100 м	0,05?80 м	0,05?100 м
Точность	± 1,5 мм	± 1 мм	± 1,5 мм	± 1,5 мм
Класс точности	0,002	0,001	0,002	0,002
Память прибора	20 измерений	50 Измерений	20 измерений	20 измерений
Габаритные размеры, мм	116х60х30	120х65х35	111х51х30	126?51?47
Вес, г	160	160	140	125
Сопряжение с компьютером	Нет	Нет	нет	нет
Единицы измерения	метры, футы, дюймы	метры, футы, Дюймы	метры, сантиметры, миллиметры	метры, сантиметры, миллиметры
Макс. Кол-во измерений на 1 комплект батарей	5000	3000	25000	5000
Источник питания	4 батареи типа ААА/1.5 В	3 батареи типа ААА/1.5 В	аккумулятор Li-Ion 1250 мА*ч/3,7 В	2 батареи типа АА/1,5 В
Степень защиты оболочки	IP54	IP54	IP54	IP54
Диапазон рабочих температур	до 0°C до +40°C	до -20°C до +50°C	до -10°C до +50°C	до -10°C до +50°C
Гарантийный срок	1 год	3 года	3 года	2 года
Длина волны	635 нм	650 нм	635 нм	635 нм
Класс безопасности, мощность излучения	2, < 1 мВт	2, < 1 мВт	2, < 1 мВт	2, < 1 мВт
Цена, руб.	4 990	6 200	6 341	8 950

3.2 Квалиметрическая оценка оборудования

Для квалиметрической оценки качества оборудования применим лабораторный способ оценки - оценка по шкале измерения эффективности лазерных дальномеров. На основе имеющихся показателей качества проведем ранжирование (бальную оценку) некоторых из них и оценим по ряду критериев: критерий Лапласа, критерий Вальда, критерий Сэвиджа, и критерий Гурвица.

Таблица 3.2 Бальная оценка дальномеров

Дальномер Показатель качества	ADA Robot 80	Condtrol Mettro 100 Pro	Bosch GLM 80	Makita LD100P
Предел измерений	7	10	7	9
Точность измерений	9	10	9	9
Память прибора	7	10	7	7
Источник питания	6	4	10	6
Макс. Кол-во измерений на 1 комплект батарей	4	3	10	4
Диапазон рабочих температур	7	10	9	9
Гарантийный срок	8	10	10	6
Длина волны	10	8	10	8
Цена	10	9	8	7

По данным таблицы построим матрицу для дальнейшего анализа (3.1).

. (3.1)

Применим критерий Лапласа (3.2):

, (3.2)

для оценки оборудования принимающий значение (3.3):

, (3.3)

что для нашего набора соответствует прибору в третьей строке матрицы.

Применим критерий Вальда (3.4):

, (3.4)

принимающий в нашем случае значение (3.5):

, (3.5)

что опять же соответствует третьей строке матрицы.

Применим критерий Сэвиджа, для чего предварительно построим матрицу разностей (3.7) по формуле (3.6):

, (3.6)

. (3.7)

Применим критерий Сэвиджа согласно формуле (3.8):

, (3.8)

. (3.9)

Как мы видим, по критерию Сэвиджа наилучшим также признается третий прибор.

Применим критерий Гурвица для вынесения окончательного решения относительно наилучшего дальномера (3.11) по формуле (3.10):

, (3.10)

. (3.11)

На основе результатов, полученных в (3.11), построим график (рис 3.1).



Рис. 3.1 Оптимистично-пессимистичный анализ

Как видно на рис. 3.1, прибор №3 является наилучшим, поскольку имеет наименьший разброс значений и расположенную выше точку пессимистического ожидания.

Исходя из полученных данных, по ряду показателей надежности наиболее удобным и качественным оптическим дальномером можно признать дальномер Bosch GLM 80, выпускаемый немецкой компанией Bosch.

4. Техника безопасности и экологические аспекты применения оптических дальномеров

4.1 Нормативные документы по технике безопасности при работе с лазерным оборудованием

Практическое применение оборудования с использованием лазерного излучения сопряжено с определенным риском. так, при попадании лазерного излучения в глаз человека, возможны различные повреждения глазного аппарата человека вплоть до термических ожогов.

При попадании на кожу возможны лучевые ожоги I, II, реже - III и IV степени. Подробнее медицинские аспекты эксплуатации лазерного оборудования и меры первой медицинской помощи будут рассмотрены в пункте 4.3.

Здесь же стоит упомянуть ряд нормативных документов, регулирующих классификацию, правила эксплуатацию и прочие вопросы, связанные с лазерным оборудованием. Основными нормативными документами являются:

· ГОСТ 12.1.040-83 ССБТ. Лазерная безопасность. Общие положения - устанавливает классификацию опасных и вредных производственных факторов при эксплуатации лазеров, требования и нормы по видам производственных факторов ,методы контроля, требования к построению и изложению стандартов по лазерной безопасности, общие требования к средствам коллективной защиты от опасных и вредных производственных факторов [17];

· ГОСТ 12.1.031-81 ССБТ. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения - настоящий стандарт устанавливает методы измерений параметров лазерного излучения в диапазоне длин волн от 0,2 до 20 мкм с целью определения степени опасности излучения для организма человека [18];

· ГОСТ 12.3.002-75 ССБТ. Процессы производственные. Общие требования безопасности - стандарт устанавливает общие требования безопасности к производственным процессам [19];

· ГОСТ 12.4.011-89 ССБТ. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация - стандарт распространяется на средства, применяемые для предотвращения или уменьшения воздействия на работающих опасных и вредных производственных факторов, устанавливает классификацию и общие требования к средствам защиты [20];

· ГОСТ 12.4.123-83 ССБТ Средства коллективной защиты от инфракрасных излучений - стандарт распространяется на средства коллективной защиты от инфракрасных в спектральном диапазоне от 0,75 до 25 мкм [21];

· ГОСТ 50723-94. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий - устанавливает комплект требований по безопасности к лазерным изделиям на стадии проектирования, изготовления, эксплуатации и при сертификации [22];

· СанПиН 5804. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров - устанавливает классы лазерной безопасности и санитарные нормы по их эксплуатации [23];

· МЭК 825-1-93. Безопасность лазерных изделий - устанавливает комплект требований по безопасности к лазерным изделиям на стадии проектирования, изготовления, эксплуатации и при сертификации [24];

· ГОСТ Р МЭК 60825-1-2009. Безопасность лазерной аппаратуры. - данный стандарт аутентичен стандарту МЭК 60825-1-2007 и применяется для обеспечения безопасности лазерной аппаратуры, испускающей лазерное излучение в диапазоне длин волн от 180 нм до 1мм [25].

4.2 Практические вопросы техники безопасности

При эксплуатации оптических дальномеров, основанных на лазерном излучении, существует ряд опасные и вредные производственные факторы, которые рассмотрены в таблице [17], [18], [20], [21], [22], [23], [24], [25].

Таблица 4.1 Опасные и вредные производственные факторы

Опасные и вредные производственные факторы	Класс лазера
	1	2	3	4
Лазерное излучение:
Прямое, зеркальное отраженное	-	+	+	+
диффузно отраженное	-	-	+	+
Повышенная напряженность электрического поля	-(+)	+	+	+
Повышенная запыленность и загазованность воздуха рабочей зоны	-	-	-(+)	+
Повышенный уровень ультрафиолетовой радиации	-	-	-(+)	+
Повышенная яркость света	-	-	-(+)	+
Повышенные уровни шума и вибрации	-	-	-(+)	+
Повышенный уровень ионизирующих излучений	-	-	-	+
Повышенный уровень электромагнитных излучений ВЧ- и СВЧ-диапазонов	-	-	-	-(+)
Повышенный уровень инфракрасной радиации	-	-	-(+)	+
Повышенная температура поверхностей оборудования	-	-	-(+)	+
Химические опасные и вредные производственные факторы	При работе с токсичными веществами

где «+» - имеют место всегда; «-» - отсутствуют; «-(+)» наличие зависит от конкретных технических характеристик лазера и условий его эксплуатации.

Применяемое на практике оборудование соответствует классам лазерной безопасности, указанным в соответствующих стандартах. На корпусе датчиков размещена предупредительная этикетка (рис. 4.1) и сообщение о соответствующем классе лазерной безопасности, из указанных в таблице 4.2.

Рис. 4.1 Предупредительная этикетка знак лазерной опасности

Таблица 4.2 Классы безопасности лазерного оборудования

Длина волны	400-700 нм
Мощность излучения, мВт	?0,4	?1	?5	?20
Класс безопасности	1 и 1М	2 и 2М	3R	3В

4.2.1 Класс 3В

В датчиках установлен полупроводниковый лазер с непрерывным излучением и длиной волны 660 нм. Максимальная выходная мощность 20 мВт. Датчики относятся к классу 3В лазерной безопасности.

При работе с датчиком необходимо соблюдать следующие меры безопасности:

· не направляйте лазерный луч на людей;

· не смотрите на лазерный луч через оптические инструменты;

· устанавливайте датчик таким образом, чтобы лазерный луч располагался выше или ниже уровня глаз;

· устанавливайте датчик таким образом, чтобы лазерный луч не попадал на зеркальную поверхность;

· при работе с датчиком рекомендуется использовать защитные очки;

· не смотрите на лазерный луч, выходящий из датчика, и луч, отраженный от зеркальной поверхности;

· не разбирайте датчик;

· используйте защитный экран, установленный на датчике для блокирования выходящего пучка;

· используйте функцию отключения лазера в случае опасности.

Всю ответственность за соблюдение требований лазерной безопасности несет потребитель [17], [22], [25].

4.2.2 Класс 3R

В датчиках установлен полупроводниковый лазер с непрерывным излучением и длиной волны 660 нм. Максимальная выходная мощность 5 мВт. Датчики относятся к классу 3R лазерной безопасности.

При работе с датчиком необходимо соблюдать следующие меры безопасности:

· не направляйте лазерный луч на людей;

· не смотрите на лазерный луч через оптические инструменты;

· устанавливайте датчик таким образом, чтобы лазерный луч располагался выше или ниже уровня глаз;

· при работе с датчиком рекомендуется использовать защитные очки;

· не смотрите на лазерный луч

· не разбирайте датчик [17], [22], [25].

4.2.3 Класс 2 и 2М

Лазеры, испускающие видимое излучение в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм, безопасны при мгновенном облучении, но могут быть опасны при непосредственном облучении пучком широко открытых глаз. Время, равное 0,25 с, принято при определении класса и минимального риска повреждения при мгновенном облучении. Максимальная выходная мощность 1 мВт. Датчики относятся к классу 2 лазерной безопасности.

Лазеры, испускающие видимое излучение и безопасные для короткого времени экспозиции только для открытого (невооруженного глаза), относятся к классу 2М. Для данного класса, в противоположность классу 2, использование оптических инструментов повышает риск повреждения глаз.

При работе с датчиком необходимо соблюдать следующие меры безопасности:

· не направляйте лазерный луч на людей;

· не разбирайте датчик;

· не смотрите в лазерный луч [17], [22], [25].

4.2.4 Класс 1 и 1М

Лазеры, безопасные при любых обоснованно предсказуемых условиях работы, включая использование оптических инструментальных средств для прямого наблюдения пучка как невооруженным глазом, так и с использованием оптических инструментов (лупы или бинокля). Непосредственное наблюдение пучка лазера класса 1, который излучает энергию в видимом диапазоне, может вызвать эффект потери или притупления зрения при низкой освещенности внешней среды. Максимальная выходная мощность <0,4 мВт. На корпусе датчиков размещена предупреждающая этикетка. К классу 1 также относятся лазеры большой мощности, полностью закрытые так, что исключаются потенциальные опасности излучения при длительном использовании (закрытый лазер).

Если лазерное изделие является безопасным при длительном использовании, включая непосредственное наблюдение пучка как невооруженным глазом, так и с использованием оптических инструментов (лупы или бинокля), устройству присваивают класс 1М.

При работе с датчиком необходимо соблюдать следующие меры безопасности:

· не смотрите в лазерный луч длительный период времени

· не разбирайте датчик [17], [22], [25].

4.3 Вопросы медицинского контроля

Лица, работающие с лазерным излучением, должны проходить медицинское обследование в соответствии с приказом Министерства здравоохранения России № 555 от 27.09.89 [25].

При поражении лазерным излучением возможны обмороки (тепловой стресс), ожоги, кровотечения, шок, летальный исход от остановки сердца и дыхания

В случае подозрения на повреждение лазерным изучением глаз или кожного покрова пострадавший должен быть доставлен в медпункт. При поражении глаз или повреждении кожи пострадавший должен быть обследован специалистом офтальмологом или дерматологом.

Степень выраженности лазерных поражений кожного покрова различна: от ожогов I степени эпидермиса вплоть до ожогов IV степени - обугливания. Возможно наличие комбинированных лазерных поражений - ожог и резаная рана, лазерный ожог и ожог от возгорания одежды и т.д. Лазерные ожоги имеют некоторую специфику, проявляющуюся в очерченности границ поражения в виде окружности, овала, ломаной линии, кратерообразного углубления, различной степени выраженности повреждения. Для лазерного ожога специфично наличие зон, разнородных по степени нарушений, отличающихся по структуре, форме и цвету. Отек ткани умеренный, рана болезненна. Сроки заживления лазерных ожогов различны в зависимости от длины волны и мощности лазерного излучения.

Первая помощь при ожогах заключается в предотвращении дальнейшей травматизации и загрязнения поврежденной поверхности, что осуществляется наложением асептической повязки (индивидуальный пакет), промыванием раны дезинфицирующим раствором. При ожогах век и роговицы необходимо закапать 0,15%-ный раствор дикаина или заложить за веко глазную лекарственную пленку с дикаином, или мазь с антибиотиками, или сульфаниламидами. Мазь наносят на пораженные участки кожи век. На обожженные веки и прилегающие участки лица должна быть наложена повязка (индивидуальный перевязочный пакет). При ожоге радужной оболочки и заднего отдела глаза, в том числе и глазного дна, вызванном лазерным излучением видимого и инфракрасного диапазонов спектра, на пораженный глаз накладывают асептическую повязку. При ослаблении зрения накладывают бинокулярную повязку и пострадавшего срочно направляют к офтальмологу [22], [23].

4.4 Экологические аспекты

Поскольку, в отличие от машиностроения, строительства, производства стройматериалов и прочих, при проведении измерения расстояния с помощью оптических дальномеров не происходит загрязнения окружающей среды, не так остро стоит проблема обеспечения экологической безопасности.

Тем не менее, при проведении работ с использованием оптических дальномеров, особенно с использованием видимого лазерного луча высокой мощности, необходимо соблюдать ряд правил, связанных с безопасностью людей, не участвующих технологическом процессе измерения, а так же случайных животных. Подобные вопросы, в целом, решаются простым соблюдением техники безопасности при работе с дальномерами.

Отдельную опасность в плане экологических вопросов представляет эксплуатация оборудования с нарушениями техники безопасности, а так же использование оборудования образом, не соответствующим его назначению. Примерами такого использования может служить как непредумышленное, так и преднамеренное ослепление водителей наземного транспорта, пилотов авиатранспорта, что влечет за собой опасность аварий или техногенных катастроф.

В целом же эксплуатация лазерных дальномеров не представляет какой-либо опасности для окружающей среды, за исключением случаев, указанных выше.

Заключение

В данной курсовой работе было рассмотрено метрологическое обеспечение процесса измерения расстояний с помощью оптических дальномеров. Данная отрасль техники актуальна и важна в современном мире, причем настолько, что некоторые виды человеческой деятельности на определенном этапе своего развития столкнулись бы с рядом технических и процессных проблем, связанных с невозможностью своего дальнейшего развития. К таким отраслям техники и областям знаний относятся геология, строительство, полигонометрия, военное дело. Технический уровень, стоящий перед уровнем автоматизации и компьютеризации, уже к середине XX века не удовлетворял потребностей соответствующих областей.

В первой части настоящей курсовой работы были изучены теоретические и нормативные основы дальнометрии в целом и оптической дальнометрии в частности. Были изложены основные физические принципы, на которые опирается дальнометрия.

Во второй части были отобраны инструменты для измерения расстояния. В качестве инструментов были выбраны лазерные оптические дальномеры, применяемые в строительстве и при выполнении ремонтных работ.

В третьей части был проведен квалиметрический анализ дальномеров, и из представленного ряда приборов был выбран образец, максимально удовлетворяющий нашим потребностям по ряду характеристик.

В четвертой части были затронуты вопросы техники безопасности и экологичности, связанные с эксплуатацией лазерных оптических дальномеров. Были описаны классы лазеров, используемых в подобных устройствах, основные вредные производственные, затронуты вопросы медицинского контроля при работе с лазерными дальномерами.

В процессе выполнения курсовой работы были получены навыки анализа технических особенностей оптических дальномеров, были расширены и углублены знания в области физических особенностей радиолокационного оборудования и дальнометрического оборудования.

Список литературы

1. Виноградов Н.С. Разработка методов метрологического контроля измерительных систем лазерного дальномера : автореф. дисс. … канд. тех. наук (05.11.01 - математическое моделирование, численные методы и комплексы программ) / Н.С. Виноградов; рук. работы Е.А. Воронцов. - Спб. : НИУ ИТМО, 2012. - 19 с.

2. ГОСТ 26433.0-85. Система обеспечения точности геометрических параметров в строительстве. Правила выполнения измерений. Общие положения. - Введ. 1986-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2001. - 21 с.

3. ГОСТ 21830-76. Приборы геодезические. Термины и определения. Введ. 1976-17-05. - М. : Изд-во стандартов, 1976. - 27 с.

4. ГОСТ Р 53340-2009. Приборы геодезические. Общие технические требования. Введ. 2010-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 2010. - 15 с.

5. ГОСТ 19223-90. Cветодальномеры геодезические. Общие технические условия. Введ. 1991-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1991. - 15 с.

6. Краткий Топографо-геодезический Словарь-справочник / Ф.Я. Герасимов [и др.]. -- Москва: «Недра», 1968. -- 221 стр., 135 рис.

7. Бородулин Г.И., Обзор современной светодальномерной аппаратуры / Г.И. Бородулин // «Геодезия и картография» - 1970. - №7.

8. Захаров А.И. Новые теодолиты и оптические дальномеры. / А.И. Захаров - М.: Недра, 1966. - 261 с.

9. Кондрашков, А.В. Электрооптические дальномеры [Текст] / А.В. Кондрашков. - Москва : издательство геодезической литературы, 1959. - 248 с.

10. Лобачев, Виктор Михайлович. Радиоэлектронная геодезия [Текст] / В. М. Лобачев, 1980. - 327 с.

11. ГОСТ 14254-96. Степени защиты, обеспечиваемые оболочками (код IP). Введ. 1997-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1997. - 15 с.

12. Новицкий, П.В. Оценка погрешностей результатов измерений. / П.В. Новицкий, И.А. Зограф - Л.: «Энергоатомиздат», 1991. - 304 с.

13. Купить дальномер ADA Robot 80 : Интернет магазин 220 Вольт - продажа электроинструмента и бензоинструмента с доставкой по всей России. - . - Режим доступа: http://www.220-volt.ru/catalog-80250.

14. Купить дальномер Condtrol Mettro 100 Pro: Интернет магазин 220 Вольт - продажа электроинструмента и бензоинструмента с доставкой по всей России. - . - Режим доступа: http://www.220-volt.ru/catalog-61504/

15. Купить дальномер Bosch GLM 80 : Интернет магазин 220 Вольт - продажа электроинструмента и бензоинструмента с доставкой по всей России. - . - Режим доступа: http://www.220-volt.ru/catalog-43209.

16. Купить дальномер Makita LD100P : Интернет магазин 220 Вольт - продажа электроинструмента и бензоинструмента с доставкой по всей России. - . - Режим доступа: http://www.220-volt.ru/catalog-38893.

17. ГОСТ 12.1.040-83 ССБТ. Лазерная безопасность. Общие положения. Введ. 1994-12-23. - М. : Изд-во стандартов, 1994. - 37 с.

18. ГОСТ 12.1.031-81 ССБТ. Методы дозиметрического контроля лазерного излучения. - Введ.01.01.82. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1981.- 28с. - (Государственный стандарт).

19. ГОСТ 12.3.002-75 ССБТ. Процессы производственные. Общие требования безопасности; - Введ.01.07.76. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1976.- 8с. - (Межгосударственный стандарт).

20. ГОСТ 12.4.011-89 ССБТ. Средства защиты работающих. Общие требования и классификация. - Введ.01.07.90. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1990.- 8с. - (Межгосударственный стандарт).

21. ГОСТ 12.4.123-83 ССБТ Средства коллективной защиты от инфракрасных излучений. - Введ.01.01.84. - М.: ИПК Изд-во стандартов, 1984.- 8с. - (Государственный стандарт).

22. ГОСТ 50723-94. Лазерная безопасность. Общие требования безопасности при разработке и эксплуатации лазерных изделий. Введ. 1996-01-01. - М. : Изд-во стандартов, 1996. - 37 с.

23. СанПиН № 5804-91. Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров. Введ. 1994-12-23. - М. : Изд-во стандартов, 1994. - 37 с.

24. МЭК 825-1-93. Безопасность лазерных изделий.. IEC 825-1 publication, 1993.

25. ГОСТ Р МЭК 60825-1-2009. Безопасность лазерной аппаратуры. Введ. 2010-10-04. - М. : Изд-во стандартов, 2010. - 78 с.

Размещено на Allbest.ru