Laboratorio de Instrumentos Topográficos y Geodésicos

La actividad de este laboratorio se centra en la calibración de instrumentos utilizados en topografía y geodesia (teodolitos, estaciones totales, distanciómetros electrónicos, miras, niveles, etc.), así como de equipos de medición óptica para grandes rangos, basados en el uso de la interferometría, como son los sistemas láser tracker y los escáneres láser.

La trazabilidad de las mediciones se asegura mediante la calibración de los instrumentos con patrones de mayor nivel metrológico, básicamente sistemas interferométricos láser y patrones materializados, siguiendo procedimientos técnicos validados.

Distanciómetros electrónicos

La mayoría de los medidores electrónicos de distancias utilizan la longitud de onda del haz emitido, como patrón de distancias. El método, denominado “de los excedentes fraccionarios”, consiste en determinar el número entero de semilongitudes de onda más la fracción de longitud de onda que recorre el haz entre la emisión y el retorno, tras ser reflejado por un reflector.

Los distanciómetros más exactos pueden emitir ondas de distinta frecuencia y la distancia medida se obtiene como solución de un sistema de ecuaciones, tras medir el desfase entre la emisión y la recepción, para cada una de ellas. Otros obtienen la distancia contando el tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción. Por último, algunos otros modifican la frecuencia hasta que la onda emitida y la recibida estén en fase, realizando esta operación para varias frecuencias emitidas.

En cualquiera de los casos, la longitud de onda varía con el coeficiente de refracción del aire en el que se propaga, por lo que es necesaria una corrección debida a las condiciones ambientales.

Los distanciómetros electrónicos se calibran sobre un banco de ensayo, de 25 m de capacidad, por comparación con un sistema interferométrico láser, con una incertidumbre entre 0,1 mm y 0,6 mm, dependiendo del tipo. El principal límite a la incertidumbre viene dado por la resolución del propio distanciómetro. El campo de calibración puede ampliarse hasta los 50 m, utilizando una línea base existente dentro del laboratorio, calibrada mediante un sistema láser tracker, en cuyo caso la
incertidumbre alcanza 1 mm.

Miras ínvar

Las miras ínvar (aleación FeNi36), poseen un bajo coeficiente de dilatación (1.5 E-6 K-1) que garantiza su estabilidad y precisión en cualquier condición atmosférica. Se utilizan en procesos de nivelación de primer orden y en grandes obras, por ejemplo, en construcción de túneles, carreteras, embalses o centrales térmicas, y suelen tener longitudes de 1 m, 2 m y 3 m, contando con escalas tanto numeradas como codificadas.

Su calibración se realiza sobre el mismo banco interferométrico anterior, con compensación de condiciones ambientales, y un sistema óptico automático de detección de los trazos o marcas, obteniéndose una incertidumbre del orden de 5 mm, más otros 0,3 mm por metro de longitud.

Teodolitos

Los teodolitos son instrumentos de medición mecánico-ópticos consistentes básicamente en un telescopio con el que se establece la visual al punto de interés (línea de puntería), y que puede girar respecto a dos ejes dotados de círculos graduados, uno vertical (principal) y otro horizontal (secundario), posibilitando la medición de ángulos horizontales y  verticales con elevada precisión.

La calibración de los ángulos horizontales se basa en el método de auto-cierre angular, por el que la suma de los ángulos horizontales medidos en una serie de punterías suma 2p radianes. El procedimiento de calibración consiste en medir estos ángulos en diferentes partes del círculo graduado, haciendo punterías a un conjunto de colimadores ópticos, variando el origen de lecturas, y realizándose un análisis estadístico de las diferentes series de medidas.

La calibración de los ángulos verticales se realiza mediante punterías a diferentes trazos de una medida materializada de longitud, de bajo coeficiente de dilatación, previamente calibrada y dispuesta en posición vertical. Suele emplearse una mira ínvar de 3 metros como las utilizadas en nivelación de alta exactitud. También puede utilizarse, como en el caso de los ángulos verticales, un conjunto de colimadores dispuestos en un plano vertical.

Sistemas láser tracker

Estos sistemas de medición por coordenadas constan de un medidor de distancias (interferómetro IFM, medidor electrónico de distancias absoluto, ADM, o ambos) y dos encoders angulares, uno horizontal y otro vertical. Mediante un espejo y un sistema de seguimiento, orienta el haz del medidor de distancias hacia un retrorreflector esférico, registrando la posición del mismo en el espacio a partir de las lecturas del medidor de distancias y de los dos encoders angulares. Dicha posición, en coordenadas esféricas, puede posteriormente convertirse a coordenadas cartesianas, obteniendo la posición (X, Y, Z) del retrorreflector.

Poseen rangos de medida de ± 70 m, con incertidumbres de unas pocas decenas de micrómetros, por lo que son ampliamente empleados en el control de grandes estructuras en construcción ferroviaria, naval, espacial y en la verificación de aerogeneradores.

En el laboratorio se determinan los errores de posición y de medición de longitud de estos sistemas, mediante un procedimiento técnico propio basado en las normas ISO 10360-10 y ASME B89.4.19, verificándose que estos errores son inferiores a los Máximos Errores Permitidos (MEP) establecidos por el fabricante o por el solicitante del servicio, si éste ha
establecido unos MEP más restrictivos que los del fabricante, para sus necesidades.

Verificación de errores de longitud de un LT mediante barra patrón en fibra de carbono (izqda.) y en el banco interferométrico (dcha.)

Escáneres láser

Son dispositivos que analizan un objeto o una escena, y generan una nube de puntos, con información de su posición en el espacio (x, y, z) respecto a un origen determinado por el propio escáner, a partir de la cual obtiene datos de su geometría y ocasionalmente de su color. La información obtenida se puede usar para construir modelos digitales tridimensionales que se utilizan en una amplia variedad de aplicaciones.

El proceso de calibración consiste en generar distancias cuyo valor se determina mediante un sistema interferométrico láser (SIL) y medirlas también mediante el escáner láser y su software asociado para determinar las desviaciones de éste respecto a aquellas y obtener la curva de calibración del equipo.

La calibración del escáner láser consiste en medir la distancia entre dos esferas de referencia, una fija (situada al final del banco interferométrico) y otra móvil, situada en varias posiciones a lo largo del banco de 25 m. La separación entre la esfera móvil y la fija, en sus diferentes posiciones relativas, es a su vez medida con un sistema interferométrico láser (SIL). Finalmente se comparan las distancias medidas por el escáner láser con las medidas por el SIL.