СмартПульс
- держите руку на пульсе высоких технологий!
Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций
СмартПульс
- держите руку на пульсе высоких технологий!
Новости, статьи, обзоры мобильных устройств, компьютеров, комплектующих, радиолюбительских конструкций
Главная - DIY (Сделай сам!) - Лаборатория радиолюбителя (измерительные приборы и оборудование) - Использование вспомогательного лазера для измерений лазерным дальномером на открытой местности (инструкция по сборке и применению)
Предисловие
Современные лазерные дальномеры (лазерные рулетки) позволяют производить измерения с высокой точностью даже на значительных расстояниях.
Но на открытой местности ими пользоваться можно только на малых расстояниях; фактически, на тех же, на которых можно произвести замер обычной механической рулеткой.
Причина этого - элементарна: при высоком внешнем освещении (характерном для открытого пространства) метка лазерного дальномера видна очень плохо, и прицелиться на нужный объект можно только с близкого расстояния!
Как решить эту проблему?
Решение - весьма очевидное, но требующее некоторого рукоделия: для прицеливания использовать параллельный луч более мощного лазера.
Этот луч будет лучше виден, и, соответственно, с его помощью можно будет навести на цель и луч дальномера.
Но сначала - несколько слов о принципе действия
лазерных дальномеров.
Оглавление
1. Принцип действия лазерных
дальномеров
2. Лазерный дальномер
(лазерная рулетка) Lomvum LV5800 (LV-120M)
3. Зелёный лазер мощностью
50 мВт
4. Сборка лазерного дальномера
со вспомогательным лазером
5. Настройка и испытания лазерного
дальномера со вспомогательным лазером для прицеливания
6. Окончательный диагноз
возможности измерений лазерным дальномером со вспомогательным лазером
Самая очевидная идея по принципу работы лазерного дальномера - радиолокационная, как в войсках ПВО.
Посылаем на объект лазерный импульс, замеряем время прихода отраженного сигнала, рассчитываем расстояние, и дело в шляпе!
Но на практике такая система оказалась слишком дорогой, а точность - недостаточно высокой. То, что хорошо для ПВО, оказалось не очень подходящим для строительно-ремонтных работ.
И тогда была создана система фазового измерения расстояний.
Её принцип действия тоже прост.
Прибор сравнивает фазу отправленного и отраженного сигнала, и по разности фаз определяет расстояние.
Но здесь тоже есть свои тонкости.
Если на объект послать длинноволновый сигнал, то из-за пологого нарастания и спада сигнала точность определения фазы получается невысокой.
А если подать коротковолновый сигнал, то точность определения фазы получается лучше, но тогда возникает другая сложность: в отраженном сигнале укладывается несколько его периодов, и прибор не будет знать, к какому именно периоду относится вычисленная фаза. Для него абсолютно одинаково будут выглядеть фазы, отличающиеся от рассчитанной на n*360 градусов, где n - произвольное целое число. В результате ошибка определения расстояния может отличаться от реального расстояния в разы.
Решается эта проблема соломоновым по своей мудрости способом: определением расстояния за несколько циклов измерения.
На первом цикле расстояние определяется приблизительно с помощью длинноволнового сигнала; а на втором и последующих - определяется уже точно с помощью коротковолновых сигналов.
На многих моделях дальномеров это можно наблюдать визуально: лазер зажигается, потом гаснет, потом снова зажигается.
Подробнее можно прочесть на Хабр-е.
Почему важно понимание принципа работы дальномера?
Это важно с точки зрения выбора дальномера по предельному расстоянию. Учитывая особенности математики его работы, можно сделать вывод, что увеличение дальности требует не столько увеличения мощности лазера, сколько изменения математического алгоритма его работы (частоты модуляции сигнала и количества измерений).
Теперь ознакомимся с необходимыми компонентами для
создания нашей системы измерения с помощью вспомогательного лазера.
Эта лазерная рулетка имеет стандартный набор возможностей, характерный для большинства таких измерителей среднего уровня.
То есть, основной функцией является измерение расстояния, а остальные данные (площадь, объём, высота зданий и т.п.) получаются расчётным путём из результатов нескольких измерений расстояния в правильной последовательности. Подробно всё описано в инструкции к этому лазерному дальномеру (она должна также подходить и для других лазерных дальномеров серии Lomvum LV с аналогичными функциями).
В этой статье использована модель с дальностью измерения до 120 м. Точность указана ±2 мм; но производитель на всякий случай разъясняет, что она достижима только при наиболее благоприятных условиях измерения: температуре, оптимальной отражающей способности поверхности, невысоком уровне внешнего освещения и т.п.).
Вид лазерного дальномера (лазерной рулетки) Lomvum LV спереди:
Помимо органов управления и дисплея (описанных в инструкции), здесь также есть т.н. "пузырьковый" уровень - два жидкостных индикатора наклона (по направлениям вперёд-назад и вправо-влево).
Вид лазерного дальномера сзади:
Здесь указаны основные технические параметры прибора, в том числе мощность лазера, которая не превышает 1 мВт.
Также здесь находится крышка батарейного отсека. Питается прибор от 2-х батареек формата AAA (мизинчиковые).
Вид на дальномер со стороны боевой части:
Здесь видна маленькая линза лазера в металлическом обрамлении и большая линза фотоприёмника.
Испытания подтвердили, что этот дальномер, действительно, может измерить расстояние даже чуть более 120 м:
Но есть нюанс: измерить большие расстояния без проблем можно только в помещении, где яркость освещения значительно ниже, чем на улице. А на улице подобный замер можно произвести только в сумерках или ночью, поскольку при высоком внешнем освещении пятно лазера быстро теряется из виду с увеличением расстояния.
Кстати, именно ночью и было сделано это фото дисплея дальномера.
Днём на улице пятнышко от лазера теряется уже на расстоянии 5 м на стене, освещённой косыми солнечными лучами под углом около 10 градусов. Если же стена освещена солнечными лучами под углом 20-45 градусов (типичный случай в полдень в средних широтах), то найти пятнышко сложно уже с расстояния в 3 м.
Но, хотя пятнышко и становится невидимым, измерение вполне успешно работает (разве что сложно сказать, расстояние до какого именно места будет измерено).
В помощь дальномеру будет применён дополнительный лазер, который будет описан в следующей главе.
А в заключение этой главы надо сказать, что
лазерный дальномер, который только что здесь описан, уже снят с
производства и отсутствует в продаже (был куплен примерно 3 года назад).
Наиболее близкая по параметрам модель, которая сейчас есть в продаже -
Lomvum LV66U (цена на
Алиэкспресс от $24 за прибор с
дальностью 50 м и до $32 за прибор с
дальностью 100 м). В новом приборе пузырьковый уровень заменён на
электронный; и дополнительно внедрена возможность прямых угловых
измерений (по наклону прибора).
Для прицеливания дальномером при высоком внешнем освещении в помощь ему был куплен зелёный лазер мощностью 50 мВт; длина волны 532 нм.
Почему зелёный и почему 50 мВт?
Зелёный - потому, что чувствительность глаза к зелёному цвету - наибольшая. Кроме того, просто эстетичнее выглядит, когда цвета пятен от собственного лазера дальномера и вспомогательного лазера различаются.
А мощность 50 мВт выбрана из соображений, что мощность вспомогательного лазера должна быть во много раз больше мощности собственного лазера дальномера; тогда вспомогательный лазер действительно будет полезен. Можно выбрать лазер и с большей мощностью (хуже точно не будет; хотя и не факт, что будет лучше).
Вид лазера спереди:
Спереди видна немного утопленная линза фокусировки луча.
Вид лазера сзади:
С виду это устройство - лазер, как лазер, ничего особенного. Но на самом деле это лазер со сложной конструкцией, называемой DPSS: твёрдотельный лазер с диодной накачкой. Только такими и бывают лазеры с длиной волны 532 нм.
Особенность принципа их работы состоит в том, что излучение от исходного лазерного диода является инфракрасным с длиной волны 1064 нм; а зелёным оно становится после прохождения через нелинейный кристалл, преобразующий инфракрасное излучение в видимое с удвоением частоты (в дебри теории вдаваться не будем).
Рекомендуемый рабочий ток - до 300 мА (напряжение на лазере при таком токе составило 1.78 В).
Габариты: длина 23 мм (без выводов), диаметр 13 мм.
Теперь - внимание! Техника безопасности!
Мощность этого лазера такова, что он может вызвать необратимое снижение зрения при прямом попадании в глаза. Соответственно, при использовании должна быть исключена такая возможность, а по окончании использования он должен быть незамедлительно выключен (во избежание случайного повреждения зрения). Также необходимо опасаться и отражений луча от различных предметов (блестящие металлические поверхности, стекло и т.п.). Рассеянное отражение (от бумаги, камня, почвы и т.п.) опасности не представляет.
Прямое тепловое воздействие этого зелёного лазера - невелико. Ничего испарять и резать такой лазер не может; а если навести на руку, то тепло едва ощущается.
Купить такой зеленый лазер можно на
Алиэкспресс, цена - $6.5 с учётом
доставки (на дату публикации статьи).
Сборка всей конструкции требует решения двух проблем. Первая - закрепление вспомогательного лазера на дальномере с возможностью его съёма; вторая - обеспечения его питания.
Закрепление вспомогательного лазера на дальномере было осуществлено с помощью силиконовой ленты (откуда она взялась в доме, даже и не могу вспомнить; но оказалась очень кстати).
Лазер был закреплён на нижней стороне дальномера (на верхней он сильно загораживал бы дисплей):
С лицевой стороны дальномера силиконовая лента слегка закрывает верхнюю часть дисплея, измерениям это не мешает:
Для подачи питания на лазер, теоретически, можно было бы подключиться к батарейкам самого прибора; но практически это сделать сложно.
Проще запитать лазер от небольшого повербанка (ток в 300 мА может отдать любой повербанк).
Чтобы не сжечь лазер, в цепь надо включить резистор, ограничивающий ток. В данном случае подходящим оказался резистор 7.5 Ом мощностью 1 Вт.
Кроме того, для подключения к повербанку пришлось распотрошить USB-удлинитель, и использовать его часть с разъёмом USB-папа.
В итоге макетная конструкция выглядела так (здесь хорошо видны все элементы):
После завершения испытаний конструкция была слегка облагорожена термоусадочной трубкой, надетой на места возможного перетирания проводов.
Теперь переходим к настройке и испытаниям
конструкции.
Настройка сводится к банальному совмещению лучей лазера дальномера и дополнительного лазера. Тонкость тут состоит в том, что ни в коем случае не следует добиваться их полного совмещения "тютелька в тютельку". У лучей должно остаться небольшое расхождение в 0.5 - 1 градус, чтобы пятно зелёного луча в дальномере не сфокусировалось бы в ту же точку, что и красного; и не мешало бы измерению.
Для совмещения лучей выбираем более-менее ровную поверхность на расстоянии в несколько метров, так, чтобы оба пятна (красное и зелёное) были бы хорошо видны.
Затем, пользуясь мягким креплением зелёного лазера, направляем его луч примерно параллельно лучу красного лазера:
На этой фотографии отлично видно, насколько пятно от зелёного дополнительного лазера ярче пятна от красного лазера дальномера.
Дальше возможны два варианта работы.
Если расстояние до объекта не очень большое, или же яркость внешнего света не очень велика, то зелёный лазер можно использовать просто для облегчения поиска пятна от красного лазера: оно где-то рядом. После того, как оно нашлось, уже непосредственно наводим красное пятно на интересующий нас объект и измеряем расстояние.
Если же расстояние - большое, или же яркость
внешнего света настолько велика, что обнаружить зрительно пятно от
красного лазера не удаётся, то придётся ориентироваться только на
положение пятна зелёного лазера.
Теперь - тест получившейся системы двух лазеров при различных внешних условиях.
Совершенно ожидаемым образом наихудшие результаты получились в яркий солнечный день, когда измеряется расстояние до освещённой Солнцем стороны объекта.
Видимость пятна зелёного лазера при этом сохраняется до расстояния примерно в 70 м, но измерить такие расстояния уже не получается.
На следующей картинке представлена последовательность трёх измерений при таких условиях:
Первое измерение (с результатом 28.735 м) было сделано при хорошей видимости пятна от зелёного лазера, здесь всё хорошо; хотя пятно от красного лазера прибора не было видно абсолютно никак.
Затем я отошел на расстояние примерно 70 м, что соответствовало видимости пятна от зелёного лазера на грани его различимости, и сделал измерение. Оно показало не ожидаемую величину около 70 м, а 123.56 м (т.е. с аномальной ошибкой). Повторные измерения завершались ошибкой 204 (ошибка вычисления) или ошибкой 255 (отраженный луч слишком слабый).
Вероятные причины этих ошибок - высокий уровень внешнего освещения, а также измерение с рук без опоры (дрожание луча).
После этого я стал подходить ближе к цели, и последний результат (48.173 м) соответствует расстоянию, начиная с которого результаты измерений стали устойчивыми и без ошибок.
Также были проведены тестовые измерения в пасмурную погоду.
В этом случае видимость пятна от зелёного луча превышала 150 м, но устойчивый результат измерения получался до расстояния 100 м (что очень неплохо).
На этом можно перейти к окончательному диагнозу.
Использование вспомогательного лазера очень хорошо помогло измерениям при высоком внешнем освещении, но панацеей не стало.
Если в пасмурную погоду результат можно считать близким к идеальному, то в солнечную погоду даже вспомогательный лазер не смог в полной мере помочь измерениям на большие расстояния (свыше 50 м).
Кроме того, при таких измерениях к их результатам надо подходить творчески: то есть, отметать "подозрительные" результаты с аномальными ошибками.
В целом же опыт использования дополнительного лазера для измерений - положительный, и может рекомендоваться для применения в случаях необходимости.
Может возникнуть вопрос: а почему такой элементарный способ улучшения возможностей измерения лазерной рулеткой не применяется массово в серийных изделиях?
Это, конечно, только гипотеза; но наиболее вероятное предположение - это соблюдение техники безопасности. В серийных дальномерах применяются лазеры с мощностью до 5 мВт (чаще - до 1 мВт), а здесь применяется лазер с мощностью на порядок выше с соответствующим ростом опасности (ещё раз - строго соблюдайте технику безопасности!).
К этому надо добавить, что серийно выпускаются дальномеры и с зелёным лазером. Но в них зелёный лазер - тоже маломощный, и некоторое улучшение возможностей работы достигается только за счёт большей заметности пятна зелёного цвета по сравнению с красным при равной мощности излучения (пример дальномера с зелёным лазером на Алиэкспресс).
Для измерений очень больших расстояний (сотни метров и свыше километра) применяются совершенно иные дальномеры, так называемые "оптические", хотя они тоже являются лазерными.
Они работают на инфракрасных лазерах невидимого излучения, а наводка на объект осуществляется с помощью оптической системы (обычно - с помощью встроенной 6-кратной подзорной трубы).
К сожалению, их точность невелика (около 1 м), пример оптического дальномера на Алиэкспресс.
Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
В заключение - ещё раз ссылки на дальномер, аналогичный рассмотренному в статье, и на зелёный лазер.
Лазерный дальномер Lomvum LV66U стоит на Алиэкспресс от $24 за прибор с дальностью 50 м и до $32 за прибор с дальностью 100 м.
Зелёный лазер можно купить на Алиэкспресс, цена - $6.5 с учётом доставки.
Реклама. ООО "АЛИБАБА.КОМ (РУ)" ИНН 7703380158
Все цены приведены на дату публикации статьи и в дальнейшем могут меняться в любую сторону, проверяйте!
Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" - здесь.
Ваш Доктор.
14 июня 2023 г.
Вступайте в группу
SmartPuls.Ru
Контакте!
Анонсы статей и обзоров, актуальные события и мысли о них.
Комментарии вКонтакте:
При копировании (перепечатке) материалов ссылка на источник (сайт SmartPuls.ru) обязательна!
Доктора!
(Администрация сайта - контакты и информация)
Группа
SmartPuls.Ru
Контакте
- анонсы обзоров, актуальные события и мысли о них