Волоконно-оптический инклинометр Российский патент 2024 года по МПК G01B11/26 

Изобретение относится к оптоэлектронному приборостроению и может быть использовано для контроля абсолютного углового отклонения технических и естественных объектов относительно вертикали.

Основными областями применения являются статический контроль малоподвижных объектов: зданий, сооружений, плотин, шахтовых стволов, антенных опор, мостов и других объектов, где требуется высокоточный контроль углового положения.

Наиболее широко для контроля абсолютного углового положения применяются жидкостные электроизмерительные устройства [1-2], главным недостатком которых является нестабильность чувствительного элемента и его подверженность электромагнитному воздействию внешней среды, что существенно ограничивает их область применения.

Известно также измерительное устройство [3], содержащее герметическую емкость, заполненную жидкостью, со встроенными излучателем и фотоприемником. При изменении угла наклона световой луч отражается от поверхности жидкости, изменяет освещенность фотоприемника, в результате чего происходит изменение электрического сопротивления фотоприемника.

Известны также измерители угла наклона [4], имеющие емкости, наполненные электролитической жидкостью, в которой размещены электроды. В устройстве [4] электроды ориентированы параллельно оси наклона датчика. Изменение уровня жидкости, возникающее при наклоне, вызывает изменение электрического поля, что в свою очередь приводит к изменению электрического сопротивления между дифференциально включенными электродами.

Недостатком таких инклинометров является их подверженность электромагнитным влияниям и нестабильность, вызванная зависимостью электрического сопротивления электролита от температуры, что отрицательно сказывается на их метрологических характеристиках.

В устройстве [5] в качестве чувствительного элемента используется маятниковый груз, подвешенный на тонкой металлической нити в электролитической жидкости. Перемещение груза относительно неподвижных электродов, вызванное изменением угла наклона емкости, приводит к изменению электрического сопротивления между электродами.

В устройстве [6] используется герметичный корпус емкости, заполненной на 2/3 вязкой жидкостью, в который встроены излучающий и приемный волоконные световоды (ВС). Излучаемый световой пучок отражается от границы раздела жидкость-воздух и попадает на торец приемного ВС. В результате наклон корпуса преобразователя приводит к перемещению отраженного светового пучка и, как следствие, к изменению интенсивности излучения, вводимого в приемный световод, что регистрируется фотоприемником на выходе измерительного преобразователя.

Данное техническое решение по своему функциональному назначению и технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.

Недостатком известного преобразователя является низкая чувствительность и сильная зависимость от характеристик жидкости и от окружающей температуры.

Предлагаемое решение состоит в использовании дифференциальной схемы непосредственного приема излучения от подвижного торца излучающего световода торцами воспринимающих световодов.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании оптоволокна одновременно в качестве оптического канала и в качестве подвеса перемещаемого груза.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является существенное повышение чувствительности устройства и уменьшение температурной зависимости от характеристик жидкости.

В основу предлагаемого изобретения положена задача создания такого волоконно-оптического измерительного преобразователя абсолютного угла наклона, который исключит влияние параметров жидкости и существенно повысит чувствительность преобразователя.

Для решения поставленной задачи предлагается волоконно-оптический измерительный преобразователь абсолютного угла наклона, содержащий герметическую емкость, заполненную прозрачной жидкостью, размещенный в жидкости груз, подвешенный на нити подвеса, и волоконно-оптические элементы, соединенные с фотоприемниками, фиксирующие перемещение груза относительно вертикали. В качестве нити подвеса груза используется светоподводящее оптическое волокно, неподвижный конец которого связан с источником излучения, а подвижный конец закреплен на грузе и перемещается вместе с ним относительно торцов оптических волокон, соединенных с фото приемными элементами.

В заявленном волоконно-оптическом преобразователе абсолютного угла наклона общими признаками для него и для прототипа являются:

- герметическая емкость, заполненная жидкостью;

- волоконно-оптический излучатель;

- наличие чувствительных к перемещению груза приемников излучения, соединенных с электроусилительным устройством.

Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что: чувствительным элементом в прототипе является прием светового потока, отражаемого поверхностью жидкости, в то время как в заявляемом преобразователе чувствительным элементом является непосредственный прием оптическими волокнами потока, излучаемого торцом оптического световода, на котором подвешен груз.

Совокупность указанных существенных признаков заявленного изобретения обеспечивает достигаемый технический результат - повышение чувствительности и точности определения углов наклона.

Предлагаемое изобретение функционирует следующим образом (Фиг. 1).

В герметичный корпус емкости - 1, заполненной оптически прозрачной демпфирующей жидкостью - 2 (возможно отсутствие жидкости), помещается груз - 4, подвешенный на оптоволокне подвеса - 3. Один конец оптоволокна подвеса закреплен неподвижно на корпусе емкости и соединен с источником света - излучателем - 7. Второй конец закреплен на грузе и перемещается вместе с ним по отношению к корпусу, в зависимости от угла отклонения оси корпуса от вертикали. В нижней части корпуса неподвижно закреплены концы фотоприемных оптических волокон - 5 (например, четыре волокна), торцевые поверхности которых оптически связаны с торцевой излучающей поверхностью оптоволокна подвеса - 3. Противоположные концы фотоприемных волокон оптически связаны с фотоэлектрическими приемниками - 6, которые также, как и излучатель - 7, электрически связаны с измерительным блоком - 8.

Измерительный блок осуществляет электропитание излучателя - 7 и содержит измерительные цепи (например, мостовые или дифференциальные схемы), которые обрабатывают измерительные сигналы, поступающие от фотоприемников - 6. (В случае четырех фотоприемников производится определение значений углов отклонения по двум угловым координатам).

При перемещении груза, вызванном наклоном оси корпуса преобразователя, подвижный торцевой конец излучающего оптоволокна перемещается относительно торцевых концов фотоприемных волокон, в результате чего изменяются интенсивности освещения фотоприемников - 6. Это приводит к изменению параметров фотоприемников (например, электрического сопротивления), что воспринимается измерительной схемой блока - 8.

В случае применения мостовой или дифференциальной измерительных цепей, они настраиваются таким образом, чтобы их показания были нулевыми, при нулевом отклонении оси корпуса от вертикального положения.

Учитывая, что толщина оптических волокон, применяемых, например, в отрасли связи, составляет всего 0,1 мм, а угол рассеивания света для них чрезвычайно мал, торцевой конец такого оптоволокна представляет собой весьма концентрированный источник излучения, что приводит к высокой чувствительности устройства даже при весьма малых угловых отклонениях от вертикали. Так, например, при длине подвеса равной 50 мм, полная шкала отклонения может составить всего 6 угловых минут.

Таким образом, предлагаемое устройство представляет собой волоконно-оптический преобразователь абсолютного угла наклона (инклинометр), обладающий весьма высокой чувствительностью и стабильностью, что позволяет применять его для прецизионных дистанционных измерений абсолютного угла наклона строительных сооружений, гидротехнических конструкций, узлов машин и механизмов.

ЛИТЕРАТУРА

1. Kibrick, R. An evaluation of precision tilt-sensors for measuring telescope position / Robert Kibrick, Lloyd Robinson, Dave Cowley // Proc. SPIE 2479. - 1995. - P. 341-352.

2. Puccio, M.R. Electrolytic Tilt Sensors and Inclinometers: A Primer / M.R. Puccio // Sensors Magazine. - 2004. - V. 21. - P. 64.

3. Кульчин, Ю.H. Адаптивный волоконно-оптический измерительный преобразователь абсолютного углового положения / Ю.Н. Кульчин, О.Б. Витрик, А.В. Дышлюк // Измерительная техника: ежемесячный научно-технический журнал / Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. М. 2006. - №4. - С. 41-45. - ISSN 0368-1025.

4. Инклинометры с аналоговым и RS232-интерфейсом [Электронный ресурс] / URL: http://rentamatic.ru/naklon-i-uskorenie/inklinometry-hl-planar/inklinometry-s-analogovym-i-rs232-interfejsom/.

5. Наклономеры / инклинометры [Электронный ресурс] / URL: http://www.ntpgorizont.ru/product-category/tiltmeters.

6. Волоконно-оптический преобразователь абсолютного угла наклона. Полезная модель RU 79994 U1. Кульчин Ю.Н., Витрик О.Б., Дышлюк А.В.

Изобретение относится к оптоэлектронному приборостроению и может быть использовано для контроля абсолютного углового отклонения технических и естественных объектов относительно вертикали. Предлагаемое решение состоит в использовании дифференциальной схемы непосредственного приема излучения от подвижного торца излучающего световода торцами воспринимающих световодов. Сущность предлагаемого изобретения заключается в использовании оптоволокна одновременно в качестве оптического канала и в качестве подвеса перемещаемого груза. Техническим результатом предлагаемого изобретения является существенное повышение чувствительности устройства и уменьшение температурной зависимости. 1 ил.

Волоконно-оптический инклинометр, содержащий размещенный в прозрачной жидкости груз, подвешенный на гибком подвесе, волоконно-оптические световоды, чувствительные элементы, фиксирующие перемещение груза относительно вертикали, и измерительное устройство, соединенное с чувствительными элементами, отличающийся тем, что в качестве подвеса используется светоподводящее оптическое волокно, один конец которого закреплен на грузе, второй конец соединен с неподвижным источником света, а в качестве элементов, фиксирующих перемещение груза, используются оптические волокна, неподвижные торцы которых непосредственно оптически соединены с подвижным торцом оптоволокна подвеса.