Лазерные нивелиры

В последние годы для определения отметок точек при инженерно-геодезических работах в промышленном и гражданском строительстве все больше начинают применять лазерные нивелиры. В отличие от обычных нивелиров, применяемых для определения отметок точек путем прокладки нивелирных ходов, лазерные нивелиры для подобных целей практически не применяются. Они несколько дороже обычных и требуют источников питания для лазера и фоторегистрирующего устройства, а также соблюдения дополнительных мер по технике безопасности при работе с ними. По этим причинам их в основном используют при выполнении строительно-монтажных работ внутри зданий, для задания опорной плоскости при укладке полов, установке и выравнивании стен и перегородок, контроле отметок фундамента здания, установке бетонных блоков или для нивелирования площадей, вертикальной планировки, автоматизации геодезического контроля при движении строительных машин и механизмов во время работы, прокладке дренажных и канализационных систем.

С помощью лазерных нивелиров также выполняют контроль качества дорог, когда требуется осуществлять контроль ровности покрытия при выемке и перемещении грунта, забивке свай, строительстве аэродромов и т. д. Если сравнивать с традиционными технологиями, лазерные нивелиры позволяют максимально увеличить производительность труда, исключить необходимость перепроверки и сократить время, затрачиваемое на выполнение работ.

Конструкции первых лазерных нивелиров были достаточно просты, так как представляли собой стандартный нивелир с закрепленным на нем газовым лазером (см. рис. 3.18). Зрительная труба нивелира использовалась в качестве коллиматора.

Рис. 3.18. Оптическая схема нивелира Ni-007 с лазерной насадкой
1 — гелиево-неоновый лазер; 2 — пучок лазерного излучения; 3 — нивелир Ni-007

При нивелировании поверхности высокая производительность достигается использованием лазерных приборов со сканирующими излучателями. Впервые такой лазерный нивелир был предложен Студебеккером (США) в 1964 г.. Оптическая схема подобного «ротационного» лазерного нивелира представлена на рис. 3.19.

Рис. 3.19. Лазерный нивелир для задания световой плоскости:
1 — пентапризма; 2 — цилиндрические уровни; 3 — электродвигатель с полым валом; 4 — корпус прибора; 5 — полая обойма; 6 — трипка, с помощью которой можно изменять высоту световой плоскости; 7 — коллиматор; 8 — трегер; 9 — подъемные винты горизонтирующего устройства; 10 — головка штатива; 11 — лазер

Большинство лазерных нивелиров снабжено компенсаторами, позволяющими автоматически удерживать пучок лазерного излучения горизонтально или с заданным уклоном. Установка в горизонтальное положение производится при помощи электронных и жидкостных уровней или автоматической системы самонивелировки.

Для обеспечения стабильности положения в пространстве лазерной плоскости при работе в конструкции некоторых моделей лазерных нивелиров устанавливается система стабилизации положения лазерного пучка, аналог которой ранее использовался в профессиональной видеоаппаратуре. Такое конструктивное решение позволяет автоматически корректировать вибрации, возникающие на строительной площадке во время работы тяжелой техники.

Для фиксации лазерной плоскости (лазерного пучка) можно использовать как обычные нивелирные рейки, так и рейки, оснащенные специальным приемником излучения. Более простые типы лазерных нивелиров снабжены только цилиндрическим уровнем, скрепленным с лазером и коллимирующей оптической системой.

У некоторых лазерных нивелиров высота излучателя может меняться путем вертикального смещения прибора относительно головки штатива. В современных лазерных нивелирах в основном используются полупроводниковые лазеры, пучок излучения от которых формируют с помощью оптической системы слабо расходящимся (практически параллельным) либо трансформируют с помощью цилиндрической линзы в виде веера (рис. 3.20). Чтобы создать световую плоскость либо световой сектор, лазерный пучок развертывают с помощью сканирующей головки, выполненной в виде зеркального гальванометра (рис. 3.20, а) или вращающейся призмы (зеркала), установленных на валу электродвигателя (рис. 3.20, б, в).

Рис. 3.20. Устройства для развертки лазерного пучка:
а) с помощью гальванометра; б) с помощью вращающейся многогранной призмы; в) с помощью вращающегося зеркала, установленного на валу электродвигателя

В некоторых лазерных нивелирах пучок лазерного расщепляют на два пучка, один из которых развертывают в виде плоскости, а другой направляют вертикально (рис. 3.21). Также созданы лазерные приборы, которые позволяют создавать отвесную световую плоскость.

Рис. 3.21. Оптическая схема развертки с двумя сканирующими пучками:
1 и 3 — пучки лазерного излучения, составляющие с горизонтальной плоскостью углы «+» и «-» или с вертикалью углы 90° + ε и 90° - ε; 2 — горизонтальная линия; 4 — сканирующая головка; 5 — лазер с коллимирующей оптической системой

Как уже отмечалось, в лазерных нивелирах могут также использовать две световые плоскости, создаваемые двумя сканирующими пучками лазерного излучения (рис. 3.21). Внешний вид такого лазерного нивелира показан на рис. 3.22.

Рис. 3.22. Лазерный нивелир, задающий два лазерных пучка, образующих равносигнальную зону

В нем лазерный пучок от лазера попадает на сканирующий узел, осуществляющий не только развертку пучка с определенной угловой скоростью, но и расщепление его на два пучка. Один из световых пучков составляет с горизонтальной плоскостью угол «-ε», а другой «+ε», благодаря чему достигается возможность создания равносигнальной зоны, так как при сканировании лазерные пучки частично перекрывают друг друга (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Создание равносигнальной зоны:
а) соотношение интенсивностей в пучках лазерного излучения; б) соотношение интенсивностей в пучках, когда фотоприемник смещен относительно центра равносигнальной зоны; в) соотношение интенсивностей в пучках, когда фотоприемник находится в центре равносигнальной зоны

Отсчет производится по плоскости, симметричное положение которой соответствует одинаковой амплитуде светового сигнала. При небольшом смещении относительно плоскости симметрии вниз или вверх меняется соотношение интенсивностей в пучках 2 и 1, как это показано на рис. 3.23, б. Если глаз находится в плоскости симметрии, то при частоте вращения вала двигателя, равной 10 с-1, свет от сканирующего излучателя вследствие инерционности глаза будет казаться непрерывным, хотя в действительности за 1 с будет 20 вспышек одинаковой интенсивности (рис. 3.23, в). Если глаз сместить ниже или выше плоскости симметрии, то он зафиксирует в течение одной секунды взаимно чередующиеся десять ярких и десять слабых вспышек.

Для определения положения плоскости симметрии, т. е. горизонтальной плоскости, визуальным методом используют стеклянный диск, в оправе которого имеется прорезь, а на поверхности стекла нанесена сетка (рис. 3.24).

Рис. 3.24. Стеклянный диск, устанавливаемый на рейке.
Отсчет по рейке производится, когда мерцающие точки А и В займут симметричное положение относительно прорези (точка С1)

Диск перемещают вдоль нивелирной рейки, пока мерцающие нижний и верхний лазерные пучки А и В не расположатся симметрично на сетке диска в точках А и В, как показано на рис. 3.24. В этот момент плоскость симметрии проходит через точку С, соответствующую средней прорези, по центру которой берут отсчет.

При работе с этим прибором могут быть использованы рейки, снабженные фотодетектором (рис. 3.25).

Рис. 3.25. Лазерный нивелир «Ротолайт» (1) с фотоприемником (2), установленным на нивелирной рейке

При фотоэлектрической индикации фотоэлектрический детектор передвигается по рейке в поисках минимального отсчета между двумя максимумами. Когда положение фотодетектора соответствует положению плоскости симметрии, стрелка индикатора находится на нуле. Во время производства измерений приемник лазерного излучения перемещается вдоль рейки до появления показаний на индикаторе, после чего берется отсчет по шкале рейки. Точность измерений составляет порядка единиц мм на 100 м, а дальность действия — 150-200 м, т. е. несколько выше, чем при визуальной индикации, когда дальность действия составляет 50-100 м, при этом сильно зависит от освещенности (при солнечном освещении визуальная индикация ухудшается).

Для обеспечения высокой точности и увеличения длины плеч при нивелировании выпускается широкий спектр моделей приемников лазерного излучения, которые предназначены для определения положения лазерного пучка или плоскости. Если приемник находится выше уровня глаз, то для контроля за его положением можно использовать выносной экран, на котором отображается отчет по рейке. Кроме ручных выпускаются приемники, которые закрепляют на рабочем органе землеройной машины (грейдера, экскаватора, бульдозера и т. п.) и используют для геодезического контроля выполняемых работ.

В простейшем случае для обеспечения горизонтального (вертикального) положения пучка лазерного излучения используется карданный подвес, чем достигается автоматическая вертикальная установка лазерного луча. В большинстве приборов применяются жидкостные компенсаторы.

В СССР с70-х годов прошлого столетия на протяжении нескольких лет серийно выпускался лазерный нивелир, который широко использовался в автоматизированной системе контроля вертикальной планировки СКП-1. В этом приборе в качестве излучателя использовался гелиево-неоновый лазер. В современных лазерных нивелирах в основном используются полупроводниковые лазеры, пучок излучения от которых формируют с помощью оптической системы слабо расходящимся (практически параллельным). Производимые на сегодняшний день лазерные нивелиры в зависимости от функциональных возможностей и мощности излучения (дальности действия) можно условно разделить на приборы для внутренних работ и приборы для внешних работ. Лазерные нивелиры для внешних работ снабжены более мощными лазерными излучателями, задающими горизонтальную линию или плоскость. Некоторые конструкции предусматривают возможность задания наклонного направления или плоскости, что удобно при выносе проекта в натуру.

Эти приборы отличаются повышенным радиусом действия и увеличенной скоростью вращения луча с возможностью ее изменения. Они позволяют задавать уклон в одной или двух плоскостях и применяются при производстве земляных работ при пересеченном рельефе местности. Большинство лазерных нивелиров, предназначенных для внутренних работ, могут задавать как горизонтальную, так и вертикальную световые плоскости (направления). Для расщепления пучка на два ортогональных направления установлена делительная призма. Эти приборы, как и приборы для наружных работ, снабжены компенсаторами.