УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА Российский патент 2023 года по МПК G01C1/00 

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

Оно может быть использовано для регистрации колебаний углового положения поверхности Земли с целью изучения микросейсмических явлений, как в высокочастотной области спектра для изучения землетрясений, так и в низкочастотной области спектра для изучения медленного изменения ландшафта поверхности Земли с целью прогноза землетрясений.

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

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 используется Патент РФ №2510488 «Устройство для измерения угла наклона», Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А. Ляблин М. В., МПК G01C1/10.

Изобретение содержит основание, на котором закреплены: оптический одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, позиционно-чувствительное фотоприемное устройство (ПЧФУ); и блок регистрации. При наклоне основания отраженный от поверхности вязкой диэлектрической жидкости лазерный луч изменяет свое угловое положение, что регистрируется ПЧФУ. При этом, в устройстве для уменьшения нежелательных искажений поверхности, используется тонкий слой вязкой диэлектрической жидкости в кювете с отношением толщины слоя жидкости в кювете к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06.

В цитируемых устройствах и прототипе существует шум углового смещения луча от одномодового стабилизированного лазерного источника, вызванный изменением деформации лазерного резонатора при тепловом обмене активной зоны лазера и окружающей среды. При этом происходит шумовое угловое смешение лазерного луча, которое регистрируется как сигнал в ПФЧУ. Этот вид шума существенно уменьшает чувствительность инклинометра.

Изобретение направлено на устранение недостатка, присутствующее аналогам и прототипу. Уменьшение в структуре сигнала шума углового смешения лазерного луча приведет к повышению чувствительности регистрации угловых колебаний основания.

Предполагаемое изобретение решает задачу повышения точности измерения углового положения основания путем уменьшения влияния шума углового смещения луча от одномодового лазерного источника, вызванного изменением деформации лазерного резонатора при тепловом обмене активной зоны лазера и окружающей среды.

Решение поставленной задачи достигается тем, что устройство для измерения угла наклона содержит: 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, регистрирующее устройство.

Поверхность вязкой диэлектрической жидкости расположена на пути движения лазерного луча, при этом используется путь движения лазерного луча перпендикулярный относительно поверхности вязкой диэлектрической жидкости; в качестве регистрирующего устройства служит интерферометрическое устройство, состоящее из оптической клиновидной пластинки, одна из плоскостей которой, расположена параллельно поверхность вязкой диэлектрической жидкости, оптического, отклоняющего путь движения лазерного луча, устройства и фотоприемника с блоком регистрации; дополнительно введен угловой позиционер служащий для настройки интерферометрического устройства, который состоит из подвижной платформы, юстировочного винта и шаровой опоры; при этом, лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью и интерферометрическое устройство жестко закреплены на подвижной платформе, оптическая клиновидная пластинка и оптическое отклоняющее путь движения лазерного луча устройство расположены на пути движения лазерного луча, также, оптическое, отклоняющее путь движения лазерного луча устройство, служащее для вывода интерферирующих лазерных лучей, отраженных от поверхности вязкой диэлектрической жидкости и поверхности оптической клиновидной пластинки параллельной поверхности вязкой диэлектрической жидкости, на фотоприемник. Оптическое, отклоняющее путь движения лазерного луча, устройство выполнено в виде оптического делительного куба.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:

• Перпендикулярное, относительно поверхности вязкой диэлектрической жидкости, направление движение лазерного луча;

• для регистрации изменения углового положения отраженного от поверхности вязкой диэлектрической жидкости лазерного луча используется интерферометрическое устройство,

• интерферометрическое устройство, состоит из отклоняющего лазерный луч устройства, оптической клиновидной пластинки фотоприемника и блока регистрации, при этом, оптическая клиновидная пластинка расположена на пути следования лазерного луча и одна из ее плоскостей параллельна поверхности вязкой диэлектрической жидкости,

• Оптическое, отклоняющее лазерный луча, устройство расположено на пути движения лазерного луча,

• угловой позиционер, служащий для настройки интерферометрического устройства, расположен на основании и включает в себя: подвижную платформу, котировочный винт и шаровую опору,

• одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью и интерферометрическое устройство жестко закреплены на подвижной платформе,

• оптическое, отклоняющее путь движения лазерного луча, устройство выполнено в виде оптического делительного куба.

Совокупность вышеуказанных признаков позволяют достичь цели, а именно, повышение точности измерения углового положения основания путем уменьшения влияния шума углового смещения лазерного луча от одномодового стабилизированного лазерного источника.

При шумовом изменении углового направления лазерного луча от одномодового стабилизированного лазерного источника не происходит изменения в интерферирующих лучах, поскольку одновременно на угол изменения направления луча от лазерного источника наклоняются как отраженный от наклонной пластинки лазерный луч так и от поверхности жидкости лазерный луч.

Перечень иллюстраций.

На Фиг. 1 Приложение 1 представлены элементы устройства для измерения угла наклона с оптическим отклоняющим устройством выполненным в виде оптического делительного куба.

На Фиг. 2 Приложение 1 представлена схема прохождения лазерных лучей в инклинометре во время измерения угла наклона основания.

На Фиг. 3. Приложение 2. представлена схема прохождения лазерных лучей в инклинометре при изменении наклона основания

На Фиг. 4. Приложение 2 представлена схема прохождения лазерных лучей в инклинометре при изменении углового направления лазерного луча от одномодового стабилизированного лазерного источника.

На Фиг. 1 Приложение 1 содержатся элементы, где:

1. основание,

2. подвижная платформа,

3. котировочный винт,

4. шаровая опора,

5. одномодовый стабилизированный лазерный источник,

6. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью,

7. слой жидкости в кювете с толщиной к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06,

8. оптическая клиновидная пластинка,

9. оптическое, отклоняющее путь движения лазерного луча, устройство, выполненное в виде оптического куба,

10. фотоприемник,

11. блок регистрации.

На Фиг. 2 Приложение 1 показаны элементы инклинометра и пути движения лазерных лучей

1. основание,

2. подвижная платформа,

3. котировочный винт,

4. шаровая опора,

5. одномодовый стабилизированный лазерный источник,

6. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью,

7. слой жидкости в кювете с толщиной к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06,

8. оптическая клиновидная пластинка,

9. оптическое, отклоняющее путь движения лазерного луча, устройство, выполненное в виде оптического куба,

10. фотоприемник,

11. блок регистрации,

12. путь движения лазерного луча от одномодового стабилизированного лазерного источника,

13. поверхность вязкой диэлектрической жидкости,

14. путь движения лазерного луча отраженного от поверхности оптической клиновидной пластинки,

15. путь движения лазерного луча отраженного от поверхности вязкой диэлектрической жидкости,

16. путь движения интерферирующих лазерных лучей,

17. направление движения подвижной платформы,

На Фиг. 3 Приложение 2 показаны элементы инклинометра и пути движения лазерных лучей. Штриховые линии соответствуют элементам инклинометра и путям движения лазерных лучей при наклоне основания. Сплошные линии - без наклона.

5. одномодовый стабилизированный лазерный источник,

6. кювету с вязкой диэлектрической жидкостью,

8. оптическая клиновидная пластинка,

12. путь движения лазерного луча от одномодового стабилизированного лазерного источника,

13. поверхность вязкой диэлектрической жидкости,

14. путь движения лазерного луча отраженного от поверхности оптической клиновидной пластинки

15. путь движения лазерного луча отраженного от поверхности вязкой диэлектрической жидкости

18. угол между отраженными от оптической клиновидной пластинки и от поверхности жидкости лазерными лучами.

На Фиг. 4 показаны элементы и пути движения лазерных лучей. Штриховые линии путей движения лазерных лучей соответствуют положению при наклоне лазерного луча от одномодового стабилизированного лазерного истопника.

5. одномодовый стабилизированный лазерный источник,

6. кювету с вязкой диэлектрической жидкостью,

8. оптическая клиновидная пластинка,

12. путь движения лазерного луча от одномодового стабилизированного лазерного источника,

13. поверхность вязкой диэлектрической жидкости,

14. путь движения лазерного луча отраженного от поверхности оптической клиновидной пластинки,

15. путь движения лазерного луча отраженного от поверхности вязкой диэлектрической жидкости.

Устройство представленное на Фиг. 2 Приложение 1 содержит основание (1) на котором жестко закреплеены: угловой позиционер, состоящий из подвижной платформы (2), юстировочного винта (3) и шаровой опоры (4). На подвижной платформе (2) закреплены одномодовый одномодовый стабилизированный лазерный источник (5) кювета с вязкой диэлектрической жидкостью (6), слой жидкости в кювете с толщиной к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06 (7), оптическая клиновидная пластинка (8), оптическое, отклоняющее путь движения лазерного луча, устройство выполненное в виде оптического куба (9), фотоприемник(Ю),блок регистрации(11).

Работа устройства иллюстрируется на Фиг. 2 Приложение 1 Одномодовый стабилизированный лазерный источник (5) устанавливается таким образом, чтобы его луч(12) был перпендикулярно направлен к поверхности вязкой диэлектрической жидкости (13).

Лазерный луч (12) проходит через оптический делительный куб (9) и оптическую клиновидную пластинку (8). Затем происходит последовательно: отражение лазерного луча (12) от поверхности оптической клиновидной пластинки (8) и от поверхности вязкой диэлектрической жидкости (13). Отраженный лазерный луч(14) от плоскости оптической клиновидной пластинки(8), которая параллельна поверхности вязкой диэлектрической жидкости (13) и отраженный лазерный луч(15) от поверхности жидкости (13) совпадают и интерферируют между собой. При помощи оптического делительного куба (9) интерферирующие лазерные лучи (16) позиционируется на фотоприемнике (10) с блоком регистрации (11).

При помощи углового позиционера, включающего в себя подвижную платформу(2), котировочный винт (3) и шаровую опору(4) производится юстировка (17) интерферирующих лазерных лучей (16). При изменении угла наклона подвижной платформы (2) котировочным винтом(З) происходит изменение угла наклона оптической клиновидной пластинки (8) относительно поверхности вязкой диэлектрической жидкости. Подбирая необходимый угол наклона подвижной платформы (2) устанавливается плоскость оптической клиновидной пластинки в параллельное положение с поверхностью вязкой диэлектрической жидкости (13). При наклоне основания (1) происходит изменение интенсивности лазерного излучения в интерферирующих лучах(16) пропорциональное углу наклона основания(1). Изменение интенсивности лазерного излучения, которое пропорционально углу наклона основания, принимается фотоприемником (10) с блоком регистрации(11).

Направления лазерных лучей в инклинометре при наклоне основания представлены на Фиг. 3 Приложение 2.

Независимость показаний инклинометра от угла наклона лазерного луча демонстрируется направлением лазерных лучей до и после наклона основания Фиг. 3 Приложение 2.

Сплошными линиями показаны элементы инклинометра и направление лазерных лучей до наклона основания, а штриховые линиями - после наклона основания.

После наклона основания(1) (Фиг. 2 Приложение 1) происходит наклон элементов инклинометра, а именно, кюветы с вязкой диэлектрической жидкостью(б), оптическая клиновидная пластинки (8), одномодовый стабилизированный лазерный источник(5) (показаны штриховой линией). В силу горизонтальности поверхности жидкости происходит угловое расхождение (18) между лазерными лучами (14, 12), отраженными от поверхности оптической клиновидной пластинки (8) и от поверхности жидкости (13). Угловое расхождение(18) - угол между отраженными от оптической клиновидной пластинки и от поверхности жидкости лазерными лучами. Возникающий угол (18) между лазерными лучами (14, 12), отраженными от поверхности оптической клиновидной пластинки (8) и от поверхности жидкости (13), изменяет интенсивность интерферирующих лазерных лучей(16) (Фиг. 2 Приложение 1). Изменение интенсивности интерферирующих лазерных лучей (16) (Фиг. 2 Приложение 1) в дальнейшем принимается фотоприемником (8) с блоком регистрации (11).

Ход лазерных лучей после наклона лазерного луча показан на Фиг. 4 Приложение 2.

Независимость показаний инклинометра от влияния шума углового смещения луча от одномодового лазерного источника (5) обеспечивается тем, что шумовой наклон лазерного луча происходит одновременно, как в отраженном от поверхности вязкой диэлектрической жидкости(13)лазерном лучом (15),так и в отраженном от поверхности оптической клиновидной пластинки (8)лазерном лучом(14),при этом, параллельность этих лазерных лучей не изменяется. Поэтому, шум углового смещения луча от одномодового лазерного источника не изменяет параллельности интерферирующих лучей (16) (Фиг. 2 Приложение 1) и, следовательно, не изменяет их интенсивности. В конечном итоге показания инклинометра становятся независимы от влияния шума углового смещения луча от одномодового лазерного источника (5).

Пример конкретного выполнения.

В качестве:

- одномодового лазерного источника может быть использован одномодовый полупроводниковый лазер с выводом лазерного излучения через одномодовое оптическое волокно,

- вязкой диэлектрической жидкости применимо вакуумное масло,

- фотоприемника может быть использован кремниевый фотодиод,

- блока регистрации - амплитудно-цифровой преобразователь и компьютер.

Клиновидная оптическая пластинка, оптический делительный куб производятся оптическими фирмами и они доступны потребителям.

Кроме того, оптическое отклоняющее устройство может быть выполнено в виде плоскопараллельной делительной пластинки. Этот оптический элемент серийно производится оптическими фирмами. При отсутствии оптического делительного куба оптическое отклоняющее устройство может быть выполнено в виде плоскопараллельной делительной пластинки.

Кювета, крепление элементов инклинометра, подвижная платформа, юстировочное устройство, шаровая опора произведены, как опытный образец на механическом производстве в Объединенном Институте Ядерных Исследований.

Использование изобретения позволяет уменьшить влияние шума углового смещения лазерного луча от одномодового лазерного источника более чем в 10 раз, что увеличивает конечную точность измерения угла наклона.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к инклинометрам, и может быть использовано для регистрации колебаний углового положения поверхности Земли с целью изучения микросейсмических явлений. Устройство содержит основание, одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювету с вязкой диэлектрической жидкостью, регистрирующее устройство, выполненное в виде интерферометрического устройства, состоящего из оптической клиновидной пластинки, оптическое устройство, отклоняющее путь движения лазерного луча, выполненное в виде оптического куба и фотоприемника с блоком регистрации. Также для юстировки интерферометрического устройства служит угловой позиционер, содержащий подвижную платформу, котировочный винт и шаровую опору. Луч от одномодового лазерного источника перпендикулярен поверхности жидкости. Использование в качестве регистрирующего устройства интерферометрического устройства позволяет сделать регистрацию углового наклона основания малочувствительной к угловому наклону лазерного луча от одномодового лазерного источника. Технический результат – повышение точности измерения изменения углового положения основания. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. 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, а поверхность вязкой диэлектрической жидкости расположена на пути движения лазерного луча и регистрирующее устройство, отличающееся тем, что используется путь движения лазерного луча перпендикулярный относительно поверхности вязкой диэлектрической жидкости; в качестве регистрирующего устройства служит интерферометрическое устройство, состоящее из оптической клиновидной пластинки одна из плоскостей которой расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости; введено оптическое, отклоняющее путь движения лазерного луча, устройство и фотоприемник с блоком регистрации; дополнительно введен угловой позиционер, служащий для настройки интерферометрического устройства, который состоит из подвижной платформы, юстировочного винта и шаровой опоры; при этом, одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью и интерферометрическое устройство жестко закреплены на подвижной платформе; оптическая клиновидная пластинка и оптическое отклоняющее путь движения лазерного луча устройство расположены на пути движения лазерного луча, также оптическое отклоняющее путь движения лазерного луча устройство служит для вывода интерферирующих лазерных лучей, отраженных от поверхности вязкой диэлектрической жидкости и поверхности оптической клиновидной пластинки параллельной поверхности вязкой диэлектрической жидкости, на фотоприемник.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оптическое, отклоняющее путь движения лазерного луча устройство, выполнено в виде оптического делительного куба.