УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА Российский патент 2023 года по МПК G01C9/20 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к инклинометрам.

Оно может быть использовано для регистрации углового положения поверхности Земли с целью изучения микросейсмических колебаний в низкочастотной области спектра, для изучения медленного изменения ландшафта поверхности Земли с целью прогноза землетрясений, а также для контроля углового положения крупномасштабных физических установок, например, ускорителей коллайдеров элементарных частиц, интерферометрических гравитационных антенн, мостов, путепроводов, тоннелей, высотных зданий.

В технике существует много способов регистрации углового наклона поверхности Земли относительно вектора силы тяжести Земли. Известны: SU 1194125 А Хлобыстов А.В., "Устройство для измерения угла наклона объекта"; Патент РФ 2093791, Орловский государственный технический университет, Есипов, В.Н. "Датчик угла отклонения от вертикали"; Патент РФ 2107896, Российский университет дружбы народов, Никитин А.К., "Жидкостный оптический уровень"; Патент РФ №2510488, Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А., Ляблин М.В. "Устройство для измерения угла наклона".

В аналогах используется горизонтальная поверхность жидкости и отражение от нее лазерного или ультразвукового луча. Определение углового изменения основания относительно вертикального положения вектора силы тяжести происходит при помощи системы фотоприемников и датчиков ультразвука. Недостатком указанных аналогов является низкая точность измерения углов наклона поверхности Земли.

В качестве прототипа изобретения выбрано «Устройство для измерения угла наклона» - Патент РФ №2510488, Кл. G01C 1/10, от 30.05.2012, Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А. Ляблин М.В. Устройство для измерения угла наклона содержит: основание, на котором закреплены оптический одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, позиционно-чувствительное фотоприемное устройство и блок регистрации. При наклоне основания отраженный от поверхности жидкости лазерный луч изменяет угловое положение, что регистрируется позиционно-чувствительным фотоприемным устройством. При этом, в устройстве для увеличения чувствительности используется тонкий слой жидкости с отношением толщины слоя жидкости в кювете к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06, для уменьшения нежелательных искажений ее поверхности.

В цитируемых устройствах и прототипе существует зависимость сигнала от изменения температуры окружающей среды. При изменении температуры окружающей среды вязкая диэлектрическая жидкость в кювете изменяется в объеме, что приводит к смещению отраженного от поверхности жидкости лазерного луча, что в конечном итоге изменяет величину сигнала в устройстве и ухудшает точность измерения угла наклона.

Изобретение направлено на уменьшение влияния изменения температуры окружающей среды и соответственно температуры вязкой диэлектрической жидкости на результат измерения угла наклона основания.

Задачей изобретения является повышение точности измерения углового положения основания путем уменьшения влияния изменения температуры вязкой диэлектрической жидкости в инклинометре. Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения угла наклона, включающее в себя: основание, одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювету с вязкой диэлектрической жидкостью, с отношением толщины слоя жидкости в кювете к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06; поверхность вязкой диэлектрической жидкости, расположена на пути движения лазерного луча, регистрирующее устройство выполнено в виде интерферометрического устройства, состоящего из оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием только с одной стороны и фотоприемника с блоком регистрации; одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью и интерферометрическое устройство жестко закреплены на основании; оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости, и сторона без зеркального покрытия является ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости; оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием служит для отражений и перенаправлений путей движения лазерных лучей от поверхностей оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием к поверхности вязкой диалектической жидкости и обратно, при этом изменение интенсивности возникающих интерферирующих лазерных лучей на фотоприемнике, пропорционально наклону основания.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:

- интерферометрическое устройство выполнено в виде плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием только с одной стороны и фотоприемника с блоком регистрации;

- фотоприемник с блоком регистрации служит для регистрации, возникающей в интерферометрическом устройстве интерферирующих лазерных лучей;

- одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, интерферометрическое устройство жестко закреплены на основании;

- оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости таким образом, чтобы сторона оптической плоскопараллельной пластинки без зеркального покрытия являлась ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости;

- оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием служит для отражений и перенаправлений путей движения лазерных лучей от поверхностей плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием к поверхности вязкой диалектической жидкости и обратно.

Перечень иллюстраций:

На Фиг. 1 Приложение 1 представлена схема работы устройства для измерения угла наклона.

На Фиг. 2 Приложение 1 представлена схема работы устройства при изменении температуры окружающей среды.

На Фиг. 3. Приложение 2 представлено изменения длины оптического пути между лучами (11, 12) в устройстве при наклоне основания (1).

На Фиг. 1 Приложение 1 показана схема работы устройства для измерения угла наклона, где:

1. основание,

2. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью,

3. одномодовый стабилизированный лазерный источник,

4. оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием,

5. зеркальное покрытие,

6. фотоприемное устройство,

7. блок регистрации,

8. поверхность оптической плоскопараллельной пластинки без зеркального покрытия,

9. поверхность вязкой диэлектрической жидкости,

10. направление луча от одномодового стабилизированного лазерного источника,

11. направление первого лазерного луча (обозначено толстой сплошной линией),

12. направление второго лазерного луча (обозначено тонкой линией),

13. направление интерферирующих лазерных лучей.

На Фиг. 2. Приложение 1 показана схема работы устройства при изменении температуры окружающей среды. (Сплошными линиями обозначено устройство до изменения температуры окружающей среды. Штрихпунктирной линией показано устройство после изменения температуры окружающей среды), где:

1. основание,

2. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью,

3. одномодовый стабилизированный лазерный источник,

4. оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием,

5. зеркальное покрытие,

6. фотоприемник,

7. блок регистрации,

10. направление луча от одномодового стабилизированного лазерного источника,

11. направление первого лазерного луча (обозначено толстой сплошной линией),

12. направление второго лазерного луча (обозначено тонкой сплошной линией),

13. направление интерферирующих лазерных лучей,

14.объем вязкой диэлектрической жидкости в кювете,

15. уровень вязкой диэлектрической жидкости в кювете при изменении температуры окружающей среды,

16. изменение длины первого оптического луча при изменении температуры окружающей среды,

17. изменение длины второго оптического луча при изменении температуры окружающей среды.

На Фиг. 3. Приложение2 представлены изменения длины оптического пути между лучами (11, 12) в устройстве при наклоне основания (1). Сплошными линиями показано устройство до наклона основания. Штрихпунктирной линией показано устройство после наклона основания.

1. основание,

2. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью (до и после наклона основания,

3. одномодовый стабилизированный лазерный источник (до и после наклона основания),

4. оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием (до и после наклона основания),

6. фотоприемник (до и после наклона основания),

5. зеркальное покрытие (до и после наклона основания),

7. регистрирующее устройство (до и после наклона основания),

9. поверхность вязкой диэлектрической жидкости,

10. направление луча от одномодового стабилизированного лазерного источника (до и после наклона основания),

11. направление первого лазерного луча до наклона основания (обозначено сплошной толстой линией) (до и после наклона основания),

12. направление второго лазерного луча (обозначено тонкой линией) (до и после наклона основания),

13. интерферирующие лазерные лучи (до и после наклона основания),

18. угол наклона основания,

19. угол смещения первого и второго лазерных лучей (11, 12), отраженных от поверхности вязкой диэлектрической жидкости,

20. толщина плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием,

21. угол отражения лазерного луча от без зеркальной стороны плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием.

Устройство работает следующим образом:

На основании (1) закреплены: кювета с вязкой диэлектрической жидкостью (2), одномодовый стабилизированный лазерный источник (3), оптическая плоскопараллельная пластинка (4) с зеркальным покрытием (5), фотоприемник (6), блок регистрации (7).

Оптическая плоскопараллельная пластинка (4) с зеркальным покрытием (5) с одной стороны и с поверхностью без зеркального покрытия (8) с другой располагается параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости (9) таким образом, чтобы поверхность без зеркального покрытия (8) оптической плоскопараллельной пластинки (4) была бы ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости (9). Лазерный луч (10) от одномодового стабилизированного лазерного источника (3) направляется на поверхность без зеркального покрытия (8) оптической плоскопараллельной пластинки (4) и разделяется на два луча. Первый луч (11), (обозначен сплошной толстой линией) отражается в направлении поверхности вязкой диэлектрической жидкости (4), второй луч (12) (сплошной тонкой линия) проходит через оптическую плоскопараллельную пластинку (4) и отражается от зеркального покрытия (5). Отраженный от зеркального покрытия (5) второй лазерный луч (12) выходит из оптической плоскопараллельной пластинки (4) и направляется на поверхность вязкой диэлектрической жидкости (9). Оба луча (11, 12) отражаются от поверхности вязкой диэлектрической жидкости (9) и направляются в сторону оптической плоскопараллельной пластинки (4). Первый луч (11) проходит через поверхность без зеркального покрытия (8) оптической плоскопараллельной пластинки (4) и снова отражается от зеркальной покрытия (5), затем выходит из оптической плоскопараллельной пластинки (4). Второй луч (12) отражается от поверхности без зеркального покрытия (8) оптической плоскопараллельной пластинки (4) и совпадает с первым лучом (11), образуя интерферирующие лазерные лучи (13). Интерферирующие лазерные лучи (13) направляются на фотоприемник (6). Сигнал с фотоприемника (6) регистрируется блоком регистрации (7).

Доказательство независимости показаний устройства от изменения температуры - Фиг. 2 (Приложение 1).

При изменении температуры окружающей среды происходит изменение объема (14) диэлектрической жидкости в кювете (2) и изменение ее уровня (15) в кювете (2). Измененный уровень жидкости(15) в кювете показан штрихпунктирной линией (15). После изменения температуры окружающей среды лазерные лучи (11, 12) (см.Фиг. 1 Приложения 1) проходят дополнительное расстояние до измененного уровня жидкости (15) в кювете с вязкой диэлектрической жидкостью (2) и отражаются в направлении плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием (4) под теми же углами, что и до изменения температуры. После их отражений от поверхностей плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием (4) лучи (11, 12) совпадают и образуют интерферирующие лазерные лучи (13). При этом, суммарный оптический путь движения лазерных лучей (11, 12) при изменении температуры окружающей среды изменяется на одинаковую длину (16, 17) и, тем самым, не изменяет интерференционную картину. Интерферирующие лазерные лучи (13) направляются на фотоприемник (6). Сигнал с фотоприемника (6) регистрируется блоком регистрации (7).

Определение изменения длины оптического пути между лучами (11, 12) в устройстве при наклоне основания (1) (Фиг. 3. Приложение 2).

При наклоне основания (1) на угол β (18) (на Фиг. 3 Приложение 1 наклонное положение показано штрихпунктирной линией) отраженные от горизонтальной поверхности вязкой диэлектрической жидкости (9) лазерные лучи испытывают угловое смещение 2β (19) относительно наклонного положения. Угол смещения 2β (19) отраженных от поверхности вязкой диэлектрической жидкости лазерных лучей (11, 12) приводит к дополнительному изменению оптической длины первого луча (11) в оптической плоскопараллельной пластинке с зеркальным покрытием относительно второго луча (12), отраженного от без зеркальной поверхности (8). Изменение оптической длины первого луча (11) относительно второго (12) приводит к изменению интенсивности лазерного излучения в интерферирующих лучах (13). Изменение интенсивности интерферирующих лучей (13) регистрируется на фотоприемнике (6). Сигнал с фотоприемника (6) направляется в блок регистрации (7).

Определим величину изменения длины оптического пути первого луча(11) относительно второго (12) от угла наклона основания β (18). На Фиг. 3 Приложение 2 представлена иллюстрация определения изменения длины оптического пути первого луча (11) относительно второго луча (12).

На Фиг. 3 Приложение 2 при наклоне основании (1) на угол β (18) показан процесс изменения длины первого лазерного луча (11), относительно второго (12). При этом, на основании (1) закреплены: кювета с вязкой диэлектрической жидкостью (2), одномодовый стабилизированный лазерный источник (3), оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием (4), фотоприемное устройство (6). Наклонное положение установки и направления лазерных лучей (10, 11, 12, 13) показаны штрихпунктирными линиями). Направления лазерных лучей (10, 11, 12, 13) представлены в разделе «схема работы устройства для измерения угла наклона» (см. Фиг. 1 Приложение 1).

При толщине плоскопараллельной пластинки d (20), угле отражения лазерного луча от плоскопараллельной пластинки θ (21) и угле наклона 2β (19) лазерных лучей вследствие наклона основания(1) на угол β (18), величина изменения оптического длины ΔL первого лазерного луча (11) относительно второго (12) определяется из формулы

где n - показатель преломления стекла оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием (4).

Например, при угле θ=30°, d=3 мм, β=1 мкрад, n=1.5 получим ΔL=2.1⋅10^-9 м. Такое изменение оптической длины ΔL приводит к изменению мощности интерферирующих лучей на 8%. Такое изменение мощности интерферирующих лучей при наклоне основания на угол 10^-6 рад устойчиво регистрируется фотоприемником (6) с блоком регистрации (7).

Пример конкретного выполнения

В качестве:

- одномодового лазерного источника используется полупроводниковый одномодовый лазер;

- плоскопараллельной пластинки с зеркальным отражающим слоем используется плоскопараллельная пластинка с односторонним зеркальным покрытием, (промышленно выпускаемый оптический элемент);

- вязкой диэлектрической жидкости применяется вакуумное масло;

- фотоприемника используется кремниевый фотодиод;

- регистрирующего устройства используется амплитудно-цифровой преобразователь и компьютер.

Уменьшение шума регистрации, вызванное температурными изменениями, позволяет повысить точность измерения в низкочастотной области спектра угловых наклонов поверхности Земли более чем в 10 раз. Указанное выше качество позволяет использовать устройство для длительных измерений угла наклона поверхности Земли, в частности для прогноза землетрясений.

Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства для измерения угла наклона. Устройство включает в себя основание, одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювету с вязкой жидкостью, оптическую плоскопараллельную пластинку с зеркальным покрытием только с одной стороны и фотоприемник с блоком регистрации. Плоскопараллельная пластинка расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости так, что сторона без зеркального покрытия является ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости, и служит для отражений и перенаправлений путей движения лазерных лучей от поверхностей плоскопараллельной пластинки к поверхности вязкой диэлектрической жидкости и обратно. При этом изменение интенсивности возникающих интерферирующих лазерных лучей на фотоприемнике пропорционально наклону основания. Технический результат заключается в повышении точности измерения углового наклона основания устройства за счет уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды. 3 ил.

Устройство для измерения угла наклона, включающее в себя: основание, одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювету с вязкой диэлектрической жидкостью, с отношением толщины слоя жидкости в кювете к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06, поверхность вязкой диэлектрической жидкости расположена на пути движения лазерного луча, регистрирующее устройство, отличающееся тем, что регистрирующее устройство выполнено в виде интерферометрического устройства, состоящего из оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием только с одной стороны и фотоприемника с блоком регистрации; одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью и интерферометрическое устройство жестко закреплены на основании; оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости, и сторона без зеркального покрытия является ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости; оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием служит для отражений и перенаправлений путей движения лазерных лучей от поверхностей оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием к поверхности вязкой диэлектрической жидкости и обратно, при этом изменение интенсивности возникающих интерферирующих лазерных лучей на фотоприемнике пропорционально наклону основания.