Створные измерения деформации сооружений

Под створными понимают геодезические измерения, выполняемые с целью определения незначительных отклонений промежуточных точек от прямой, проходящей через два крайних (исходных) пункта, называемых опорными. Створные измерения применяют при изучении деформаций сооружений, а также для установки технологического оборудования в проектное положение. При этом относительно опорных точек в натуре разбивают и закрепляют монтажные оси, которые могут совпадать с рабочими осями устанавливаемого технологического оборудования или быть параллельными им.

Монтажная ось представляет собой прямолинейный отрезок или систему жестко связанных по азимуту прямолинейных отрезков, закрепленных в натуре опорными точками. При значительной длине монтажной оси путем створных наблюдений определяют ряд промежуточных точек, находящихся в одном створе с опорными. Точность осуществления монтажной оси зависит от назначения устанавливаемого технологического оборудования.

В некоторых случаях точность установки технологического оборудования на участке протяженностью 2-3 км составляет десятые доли миллиметра (линейные ускорители элементарных частиц), следовательно, разбивка монтажных осей в натуре должна осуществляться в два-три раза точнее. Уникальные по точности створные измерения выполняют при создании ускорителей элементарных частиц, направляющих путей большого протяжения, специальных передающих антенн, автоматических поточных производственных линий и т. п. В дальнейшем, в период эксплуатации подобных сооружений, должен осуществляться геодезический контроль за положением технологического оборудования.

Наиболее распространенные традиционные способы створных измерений — оптический и струнно-оптический. Однако в отдельных случаях они не обеспечивают требуемую точность и не позволяют автоматизировать процессы измерений и контроля, что часто бывает необходимо по условиям радиационной обстановки на объекте и требованиям техники безопасности. Эти недостатки могут быть устранены путем использования дифракционных средств измерений.

Дифракционный способ створных измерений основан на опыте Юнга. На рис. 5.40-5.41 показаны принципиальная схема устройства и приборы для створных наблюдений.

Рис. 5.40. Схема дифракционного способа створных измерений

Рис. 5.41.
а — лазер и однощелевая марка; б — двухщелевая марка

Устройство для дифракционного створения состоит из лазера 1 и марки 2 (рис. 5.41), установленной в начальной точке створа и имеющей одиночную щель А (рис. 5.41, а), двухщелевой марки (рис. 5.41, б.) со щелями А₁ и A₂ (рис. 5.40) и полупрозрачного экрана Э3 с сеткой нитей, установленного в конечной точке створа. Для наблюдения интерференционной картины экран Э₃ снабжен окуляром с увеличением (2-3)х.

Интерференционная картина (рис. 5.42) состоит из чередующихся ярких и темных полос, формирующихся в плоскости экрана Э₃ (см. рис. 5.40) в области перекрытия лазерных пучков. Линия АС, соединяющая центр одиночной щели А с центром сетки нитей С, является створом.

Рис. 5.42. Интерференционная картина, наблюдаемая в плоскости экрана

На промежуточной точке, нестворность которой нужно определить, устанавливают двухщелевую марку. Если ось симметрии обеих щелей А₁ и А₂ (точка О) находится на линии АС, то в окуляре наблюдается совпадение сетки нитей с яркой центральной полосой интерференционной картины, образованной в результате дифракции света от двойной щели. При перемещении двухщелевой марки перпендикулярно створу на величину ∆₁ (центр марки О сместится в точку О') изменяется разность хода световых лучей А'₂С₁ и А'₁С₁, вследствие чего смещаются на величину ∆₂ полосы интерференционной картины, наблюдаемые в окуляр. Например, если разность хода лучей равна длине волны источника света, то в точке С наблюдается вместо максимума минимум освещенности.

Зависимость между величиной смещения ∆₁ двухщелевой марки относительно створа и величиной смещения ∆₂ центра интерференционной картины выражается формулой:

∆₁ = [L₁/(L₁ + L₂)]∆₂,

где L₁ — расстояние от начала створа до двухщелевой марки, см; L₂ — расстояние от двухщелевой марки до сетки нитей, см.

Для определения смещения (нестворности) ∆₁ промежуточной точки измеряют величины L₁, L₂ и величину смещения А₂, перемещая сетку нитей до совмещения ее с центром интерференционной картины. Дифракционный способ створения с использованием лазера в качестве излучателя позволяет определять нестворность промежуточной точки на линии длиной до 400 м со среднеквадратической ошибкой около 0,1 мм.

Для определения нестворности точек в двух взаимно перпендикулярных плоскостях применяют зонные пластины (линзы Френеля), состоящие из чередующихся прозрачных и непрозрачных колец (или линий), а также точечные диафрагмы. В окуляре приемника света наблюдается интерференционная картина, состоящая из чередующихся ярких и темных колец. Для удобства наблюдения приемное устройство может иметь сетку нитей в виде концентрических окружностей.

В СССР разработан лазерный интерференционный створофиксатор ЛИСТ-1 с визуальной регистрацией, в котором применяют зонные пластины. В комплекс ЛИСТ-1 входит лазерный створоуказатель, состоящий из газового лазера, который установлен на подставке, снабженной накладным уровнем и центрирующим устройством. При выполнении работ с помощью горизонтирующего устройства лазер устанавливают таким образом, чтобы ось лазерного пучка была точно направлена вдоль линии створа.

Зонные марки (рис. 5.43, а, б) служат для формирования интерференционной картины.

Рис. 5.43.
а — зонная марка; б — зонная марка с электроприводом; в — экран
1 — электродвигатель; 2 — редуктор; 3 — конические шестерни; 4 — цилиндрический уровень; 5 — внешняя рамка; 6 — оправа; 7 — полуоси; 8 — подставка с подъемными винтами и центрировочным устройством; 9 — зонная пластинка; в — экран-марка

Основной частью зонной марки является зонная пластина, которая закреплена в специальной раме, снабженной юстировочными винтами. С помощью юстировочных винтов ось симметрии зонной пластины может совмещаться с вертикальной осью вращения марки. Рамка с зонной пластиной установлена на подставке, которая имеет цилиндрический уровень и лимб, используемый для установки зонной пластины под расчетным углом к заданному створу.

Для дистанционных измерений используют зонную марку (рис. 5.43, б), у которой разворот зонной пластины относительно линии створа на заданный угол осуществляют с помощью электродвигателя 1, управление работой которого производится с пульта управления. Определение положения центра интерференционной картины осуществляется с помощью полупрозрачного экрана-марки (рис. 5.43, в).

Экран с сеткой нитей установлен на подставке с центрировочным вкладышем и может перемещаться с помощью микрометренного винта. Величина перемещения экрана определяется по индикатору часового типа с точностью до 0,01 мм.

К достоинствам использования лазеров в дифракционных створофиксаторах с визуальной индикацией относится возможность выполнения измерений при длине створа в несколько сот метров с точностью до десятых долей мм. К недостаткам — быстрое утомление глаз, что вызвано значительной интенсивностью лазерного излучения, создающего интерференционную картину высокой степени яркости.

Поэтому параллельно с созданием лазерных створофиксаторов с визуальной индикацией были разработаны несколько модификаций створофиксаторов с фотоэлектрической индикацией, которые позволяют осуществлять дистанционный съем информации.

Устройства такого типа обычно применяются при строительстве уникальных сооружений, например, при создании опорного створа ускорителя. Они обеспечивают высокую точность и скорость измерений.
  
Например, при створе длиной 864 м средняя квадратическая ошибка определения нестворности среднего пункта составила 0,18 мм, или в угловой мере — 0,08". Точность измерения можно еще более повысить, если исключить влияние внешних условий. Аналогичное устройство используют в США для контроля положения 273 блоков магнитов Стенфордского ускорителя. Устройство (рис. 5.44) состоит из источника света — гелий-неонового лазера 1, зонных пластин 2 и фотодетектора 3.

Рис. 5.44. Схема лазерного интерференционного створофиксатора
1 — лазер; 2 — зонные пластины; 3 — фотодетектор; 4 — конечная точка створа; 5 — проверяемый магнитный блок; 6 — начальная точка створа

Створ, относительно которого определяются смещения оборудования ускорителя в плане и по высоте, проходит через центры зонных пластин, укрепленных на железобетонных столбах в начальной 6 и конечной 4 точках.

Для ослабления влияния внешних условий лазерный пучок проходит в трубе, в которой создан вакуум порядка 1 Па. Контроль за положением блоков магнитов осуществляется автоматически на участке протяженностью 3 км. На каждом блоке 5, положение которого контролируется, шарнирно прикреплена зонная пластина, имеющая возможность устанавливаться вертикально, перекрывая лазерный пучок, или автоматически выводиться из него.

Зонные пластины изготовлены из листов меди и покрыты никелем. Пластины имеют систему прямоугольных отверстий, расположенных таким образом, чтобы при их освещении лучом лазера в центре создаваемого ими изображения источника света освещенность возрастала, т. е. в плоскости изображения, совпадающего с плоскостью фотодетектора, происходило сложение световых колебаний.

Чтобы изображение источника света находилось в плоскости детектора, фокусное расстояние f каждой зонной пластины должно удовлетворять условию:

l/f = l/L₁ + l/L₂,

где L1 и L2 — расстояния от зонной пластины до лазера и до фотодетектора. Для удобства измерений смещений исследуемых точек в горизонтальном и вертикальном направлениях расположение щелей выбрано так, чтобы освещенность изображения возрастала по двум взаимно перпендикулярным направлениям и в плоскости фотодетектора наблюдался яркий крест, образованный двумя светящимися линиями.

Для осуществления геодезического контроля блоков магнитов в световой поток, создаваемый лазером, вводят поочередно дистанционно зонные пластины до тех пор, пока не получат информацию о положении всех 273 магнитов. При смещении исследуемой точки смещается изображение источника света (яркий крест). Величина смещения измеряется с помощью фотоприемника. Для повышения точности измерений изображение креста сканируется узкой щелью в горизонтальном и вертикальном направлениях. Координаты х и у центра изображения светящегося креста определяют по максимуму светового потока, попадающего на фотоэлемент через движущуюся щель.

Зная координаты х и у центров изображений от зонных пластин, установленных на конечных точках створа, и измерив координаты центра изображений от зонной пластины, установленной на промежуточной точке створа, определяют нестворность промежуточных точек как в плане, так и по высоте. Чувствительность фотодетектора позволяет фиксировать сдвиги размером 0,025 мм на любой из 273 поверяемых точек ускорителя. В случае нестворности поверяемого магнита на недопустимую величину установка его в проектное положение осуществляется дистанционно с помощью прецизионных гидравлических домкратов. Подобная автоматизация измерений позволила исключить необходимость присутствия обслуживающего персонала, занимающегося проверкой положения оборудования, в помещении ускорителя.

Необходимо отметить, что при створных измерениях опорная линия может быть задана коллимированным световым пучком, а для регистрации положения энергетической оси пучка использованы фотоэлектрические датчики дифференциального типа. Оптическая схема такого датчика показана на рис. 5.45.

Рис. 5.45. Оптическая схема датчика дифференциального типа
1 — световой пучок; 2 и 6 — фотоприемники; 3 и 5 — конденсоры; 4 — призма; 7 — блок электроники; 8 — регистрирующий прибор

Световой пучок, задающий опорную линию, попадает на светоделительную призму (оптический нож) 4 и разделяется на два пучка, каждый из которых проходит конденсоры 3 и 5 и попадает на фотодиоды 2 и 6. Сигналы с выхода фотодиодов после усиления и обработки в электронном блоке 7 поступают на регистрирующий прибор, по показаниям которого определяют величину смещения точки относительно створа, задаваемого световым пучком.

Дифференциальный фотоэлектрический датчик позволяет выполнять измерения относительно энергетической оси светового пучка, генерируемого лазером или другим источником излучения, с точностью 12 мкм в диапазоне ±5 мм. Рассмотренные методы измерений деформаций с помощью лазеров применимы в основном на объектах, имеющих линейную форму.

Иногда строят сооружения, очертания которых могут значительно отступать от линейных, например, кольцевые ускорители, радиотелескопы, арочные плотины и т. д. В работе для измерения деформации сооружений, имеющих нелинейную конфигурацию, было предложено использовать лазерную систему на основе лучевода, позволяющую измерять как высотные, так и поперечные смещения точек. Эта система (рис. 5.46) состоит из лазера 1, линзового лучевода 2 и фотоэлементов 3.

Рис. 5.46. Схема линзового лучевода
1 — лазер; 2 — линзовый лучевод; 3 — фотоприемник; 4 — труба; 5 — исследуемые точки

Линзовый лучевод представляет собой периодическую последовательность линз, расположенных на определенном расстоянии друг от друга. Линзы лучевода жестко скреплены с исследуемыми точками 5 объекта. Лазерный пучок последовательно фокусируется линзами лучевода и отклоняется в нужном направлении. Угол отклонения ε луча зависит от величины смещения h оси пучка относительно центра линзы и фокусного расстояния f линзы: ε = h/f.

При смещении какой-либо линзы пучок, направляемый ею на последующую линзу, также смещается. Величины таких смещений фиксируются фотоприемниками, скрепленными с линзами, либо видеокамерами. При анализе положения точек необходимо дифференцировать их смещения и смещения лазерного пучка, вызванные смещением предыдущих линз или лазера.