یک متر لیزری بسازید!

اندازه‌گیری فاصله با استفاده از لیزر به روش هندسی

مقدمه:

اندازه­‌گیری آسان و دقیق فاصله‌ها، یکی از نیازهای مهندسان است. امروزه این فاصله‌سنجی با استفاده از روش­های مختلفی متداول شده است اما در این میان توانایی لیزر در تعیین موقعیت هدف با دقت بالا و سرعت بالا غیر قابل انکار است، چون حتی در مسافت‌های طولانی نیز، واگرایی آن اندک است. روش‌های مختلفی برای فاصله‌سنجی با لیزر وجود دارد که عمده آن‌ها عبارتند از: روش زمان پرواز نور- روش تداخل‌سنجی- روش هندسی.

در شکل زیر چیدمانی از سیستم فاصله سنجی به روش هندسی ارائه شده است:

در روش هندسی که اغلب به نام روش مثلثی ذکر می‌شود، چیدمان‌های مختلفی استفاده می‌شود. یکی از ساده‌ترین روش‌ها که با شناخت آن می‌توان روش‌های دیگر را متناسب با نیاز طراحی کرد، به این شکل است که نور لیزر از دو مکان به فاصله مشخص، به یک هدف که فاصله آن را می‌خواهیم بدست آوریم، تابیده می‌شود. اگر یکی از نورها به صورت عمودی به هدف بتابد و دیگری زاویه‌ای داشته باشد یک مثلث قائم ازاویه داریم که قاعده آن فاصله دو لیزر، وتر آن مسیر لیزری که مایل به هدف تابیده و ضلع دیگر آن همان مسیر لیزری است که عمود تابیده است. در این مثلث طول قاعده و زاویه وتر مشخص است و بدین طریق از این مثلث طول ضلع عمود که همان فاصله است، بدست می‌آید. برای سهولت و استفاده از یک لیزر می‌توانیم نور لیزر را با تقسیم‌کننده باریکه به دو قسمت تقسیم کنیم، یکی عمودی به هدف فرستاده شود و یکی پس از بازتاب از آینه قابل تنظیمی، به هدف برسد.

این اساس ساده فاصله‌سنجی به روش مثلثی یا هندسی است. از این ایده می‌توان به شکل‌های مختلف برای فاصله‌سنجی استفاده کرد.

هدف:

در این آزمایش قصد داریم با فاصله­‌سنجی لیزری به روش ساده هندسی آشنا شویم. اساس کار این آزمایش تاباندن نور لیزر به هدف از دو موقعیت مختلف است به ترتیبی که یک پرتو عمود و دیگری از فاصله معین و به صورت مایل به هدف تابانده می‌شود. سپس مثلث بین دو نقطه و هدف را رسم کرده و فاصله‌سنجی با اندازه‌گیری زاویه و ضلع قاعده مثلث قائم­ الزاویه، انجام می­شود.

 

چه کاری می‌خواهیم انجام دهیم و به چه لوازمی نیاز داریم:

برای اینکه بتوانیم فاصله یک شی را با استفاده از یک لیزر و محاسبات ساده هندسی تخمین بزنیم به اقلام زیر نیاز داریم:

 

برای انجام علمی‌تر آزمایش و افزایش دقت، این روش‌ها به شما کمک می‌کند:

  • موازی کردن پرتو لیزر با میز

 

آزمایش:

  • ابتدا نیم آینه را با زاویه ۴۵ درجه،مقابل باریکه لیزر قرار دهید بطوریکه پرتو بازتابیده به هدفی که در راستای عمود بر آن قرار دارد، بتابد. دقت کنید که پرتو لیزر موازی با سطح باشد. برای تنظیم ارتفاع لیزر نیز می‌توانید مقداری خمیر قابل انعطاف زیر آن بگذارید.
  • چون هر دو سطح نیم آینه بازتابنده‌اند، دو لکه بر روی هدف مشاهده می‌کنید. برای بالابردن دقت آزمایش، با استفاده از یک مانع، مسیر باریکه بازتابیده از سطح دوم نیم آینه را سد کنید.
  • حال یک آینه در پشت نیم آینه و در امتداد لیزر قرار دهید تا پرتو عبوری از نیم آینه، به آن بتابد.

  • آینه را بقدری بچرخانید که پرتو بازتابیده از آن نیز بر روی هدف بتابد. برای تنظیم پرتو بازتابیده در راستای عمود، می‌توانید از خمیری که در پشت آینه و به تکیه گاه چسبانده شده است، استفاده کنید. با فشردن سطح آینه به خمیر،می‌توانید زاویه آن را با سطح تغییر دهید.

  • زاویه آینه دوم را از روی نقاله بخوانید و فاصله آینه تا نیم آینه(L) را نیز با خط کش اندازه بگیرید.
  • با استفاده از رابطهtanϴ = x / L فاصله هدف را محاسبه کنید.

 

کاربرد:

  • فاصله‌سنج‌های لیزری در ادوات نظامی، محاسبات مهندسی و برخی ورزش‌ها مثل گلف و تیراندازی و… کاربرد دارند.

 

سؤال، پیشنهاد و نکته:

  • حداکثر و حداقل فواصلی که با استفاده از این سیستم می‌توان با دقت اندازه گرفت چقدر است؟
  • به نظر شما چه عواملی دقت سیستم ما را محدود می‌کند؟
  • با توجه به شکل بالا اگر صفر نقاله در قسمت رو به پایین باشد و نشانه ۳۵ درجه را نشان بدهد، در رابطه (۱) باید چه مقداری برایθ قرار بدهیم؟
  • اگر فاصله لیزر تا آینه ۲ متر و زاویه‌ای که نقاله نشان می‌دهد ۱۵ درجه باشد، فاصله شیء تا تقسیم‌گر، چه مقداری داشته است؟
  • برای افزایش دقت چه پارامترهایی در این آزمایش مهم هستند ؟لازم به ذکر است که اندازه‌گیری زاویهو اندازه‌گیری فاصله بین آینه و نیم آینه مهم هستند.
  • کمترین و بیشترین فاصله‌هایی که می‌توانید با این ابزار اندازه‌گیری کنید را تخمین بزنید و دقت آن را اندازه بزنید؟
  • فکر می‌کنید چطور می‌توانید این سیستم را اتوماتیک کنید تا بدون محاسبه فاصله، اندازه‌گیری شود؟
  • یکی دیگر از روش‌های هندسی، استفاده از یک عدسی برای تصویر کردن لکه نور لیزر روی هدف است. اگر نور لیزر موازی محور عدسی در کنار آن منتشر شود، هرچه لکه و در نتیجه فاصله هدف بیشتر باشد، تصویر به محور اپتیکی عدسی نزدیک‌تر می‌شود. در این صورت با اندازه‌گیری فاصله تصویر تا محور یا به طور دقیق‌تر با استفاده از یک آرایه آشکارساز می‌توانید با دقت خوبی، فاصله‌سنجی کنید. اغلب مترهای لیزری در بازار با این روش کار می‌کنند.

 

آزمایش‌های مرتبط:

 

بیشتر بدانید:

ارتباط با بخش

از متخصص نور بپرس

در این بخش می توانید سؤالات خود را در رابطه با نور و لیزر بپرسید تا متخصصین به آن‌ها پاسخ دهند

لینک ارتباط مستقیم با