Устройство для наблюдения оптической картины в скважинных фотоупругих датчиках Советский патент 1985 года по МПК E21C39/00 G01B11/16 G02B27/28 

Изобретение относится к горному делу, точнее к устройствам для измерения напряжений в горных породах. Цель изобретения - повьшение точности путем определения ориентации осей симметрии оптической картины в фотоупругих датчиках с зеркальным по крытием относительно линии горизонта и повьшение информативности за счет обеспечения возможности измерения йапряжений в фотоупругих датчи на расстоянии 60,5 м от устья скважины. На,фиг. 1 изображено устройство поперечный разрез; на фиг. 2 - то же, видсверху; на фиг. 3 -иузел визира с отвесом; на фиг. 4 - принципиальная оптическая схема наблюдения фотоупругого датчика, установленного в скважине, с помощью рассматриваемого устройства; на фиг. 5общий вид оптической картины в фотоупругом датчике. Устройство для наблюдения оптической картины состоит из поляризато ного 1 и анализаторного 2 узлов. По- ляризаторный узел содержит корпус 3, втулку-крьшку 4, поворотную втулку 5 и ручку 6. В корпусе 3 размещены защитное стекло 7, четвертьволновая пластинка 8, удерживаемые зажимным кольцом 9. Во втулке-крьшке 4 установлена поворотная втулка 5, в которой размещены защитное стекло, . 10, удерживаемое гайкой 11, поляроид 12, удерживаемый гайкой 13, и рас порная планка 14, на которой укреплена с;трелка-отвес 15. На защитном стекле 10 укреплена дополнительная .поляроидная пластинка 16. по крайней мере с одной прямолинейной кромкой IV и прорезью 18. С поворотной втулкой 5 « дополнительной поляроидной пластинкой 16 связаны стрелка 19 и нониусная шкала 20 (фиг. 2) . В анализа орном узле 2 размещены поляроид 21, четвертьволновая пластинка 22 и зрительная трубка 23. На корпусе 3 на одной линии с ручкой 6 укрепле визир 24, выполненный в виде планки (фиг, З) , снабженной отверстием 25, в котором крепится отвес 26. Поворо ная втулк1а 5 может свободно вращаться в крышке 4, а последняя в свою очередь в корпусе 3. На втулке-крышке 4нанесены компенсационная шкала 27 (фиг, 2 для отсчета дробных порядков и шкала 28 углов. 92 Оптически активные элементы устройства собраны в следующем порядке. В исходном положении оптические оси поляроида 12 и планки 16 ориентированы в направлении линии ручка 6 - визир 24. Оптические оси поляроида 12 поляризатора 1 и поляроида 21 анализатора 2 установлены под углом 90 одна к другой. Оптические оси четвертьволновых пластинок 8 и 22 повернуты относительно направлений соответствуктщих поляроидов 12 и 21 на угол 45 , а между собой на угол 90 . В результате оптическая система собрана по схеме круговой поляризации. В исходном положении оптическая ось дополнительной поляроидной пластинки 16 совмещена с оптической осью поляроида 12, а последняя установлена по визиру 24. В этом положении система поляроидов I2 и 16 полностью пропускает свет, При работе рассматриваемое устройство совместно с источником 29 света (фиг. 4} размещают перед устьем скважины 30 с датчиком 31. Луч света от источника 29 света проходит через дополнительную поляроидную пластинку 16, поляроид 12, четвертьволновую пластинку 8, попадает в скважину 30 и фотоупругий датчик 31. Пройдя по материалу датчика 31 и отразившись от зеркального слоя 32, нанесенного на заднюю торцовую поверхность датчи- ка 31, луч возвращается назад, повторно проходит по материалу датчика 31, далее по скважине 30 попадает в анализатор 2, проходит через четвертьволновую пластинку 23 и поляроид и попадает в глаз 33 наблюдателя (или фотоаппарат, другой светорегист рирующий прибор}. Если в фотоупругом датчике.31 нет внутренних напряжений, то луч света в системе полностью гасится. При наличии внутренних напряжений в фотоупругом датчике 31, возникших в нем за счет перераспределения или прироста напряжений в окружающей его породе, луч света, вошедший в датчик 31, вследствие эффекта двулучепреломления, разлагается на два поляризованных луча. Последние распространяются по материалу датчика 31 с разными скоростями. Вследствие этого они приобретают некоторую разность хода, пропорциональную напряжениям в датчике. Пройдя через анализатор 2, такие лучи на выходе даюТ интерференционную картину, состоящую из чередующихся цветных полос - изохром (при источнике 29 белого света Такая оптическая картина, наблюдаемая в кольцевом фотоупругом датчи ке, состоит из системы изохром, образующих сложный узор (фиг, 5), .всегда имеющий две оси симметрии 34 и 35. Направления этих осей совпадают с направлениями главных напряжений в породе. Задача измерения напряжений в породе и состоит в определении направления этих напряжерий и их величины. Таким образом, для определения направления действи главных напряжений в породе, надо измерить угол наклона осей симметрии оптической картины в датчике от носительно вертикали, горизонтали и или какого-либо другого фиксированного направления. Величина большего из главных напряжений в породе пропорциональна числу изохром, прошедших через какую-либо фиксированную точку оптической картины, величина меньшего напряжения в породе пропорциональна узору оптической ка тины, характеризуемому некоторым числом, определяемым по общему виду картины, . Для того, чтобы можно было направить луч света от источника 29 света в датчик 31, установленный в скважине.30 и одновременно вывести из датчика 31 и скважины 30 отражен ный от зеркального слоя 32 датчика . необходимо, чтобы расстояние d между центрами поляризатора и анализатора устройства было меньше диаметра скважины D, т,е, должно выполняться условие .d « D Кроме того, мертвая зона прибора т, где m - расстояние между внутренним кромками поляризатора и анализатора должна быть меньше d, т.е. m « d , Равенство (1) можно переписать в виде i 1. Путем конструктивных пр Л работок установлено, что последнее соотношение не следует делать меньш 0,8, т,е, 0,8. В итоге получают конструктивное соотношение 0.8 D Равенство (2) можно представить в виде -. Очевидно, случай -г О, идеальный, НО его невозможно реализовать, С другой стороны (фиг, 1) из конструктивных соображений можно принимать Объединяя неравенства (4)и (5), получаютО « Т 6. d Измерение угла наклона какой-либо оси симметрии оптической картины (фиг, 5), например оси 35, в случае горизонтальной скважины осуществляется следующим образом, Для наблюдения оптической картины . предлагаемое устройство размещают перед устьем скважины 30 с датчиком 31, так, что часть скважины перекрыта поляризатором 1, а другая часть ана«лизатором 2 (фиг, 1 и 4), Размещают,/ источник 29 света позади поляризато- ра 1, Перед измерением прибор следу ет -привести в исходное состояние, Дпя этого в исходное состояние приводится оптическая схема прибора. Крышка 4 устанавливается так, что нули ее шкал 27 и 28 размещены по вертикали - вдоль линии визир 24 - ручка 6, при этом такое же положение занимает планка 14, Оптические оси поляроидов 16 и 12 параллельны между собой и они полностью пропускают свет, В исходном состоянии прибор перед скважиной располагают так, что его ручка 6 ориентирована строго по вертикали вниз, тогда отвес 26 проходит вдоль планки 14 через нули шкал 27 и 28 и вдоль оси ручки 6, Стрелка-отвес .15 ориентирована по вертикали вниз и указывает на отсчет 180 , Стрелка 19 поворотной втулки 5 ориентирована на отсчет 90 по

шкапе 28. Ориентиропка прибора по 01весу 15 обеспечивает вывод его в строго вертикальное положение. Благодаря этому все отсчитываемые- по шкалам углы привязаны строго к вертикали 11пи горизонтали.

Процесс отсчета угла наклона оси симметрии оптической картины в датчике состоит в следующем,

Дополнительную поляроидную пластинку 16 совместно с защитным стеклом 10 поворачивают в поворотной втулке 5 по часовой стрелке на 90 , При этом оптическая ось поляроидной пластинки 16 оказывается ориентированной под углом 90 к оптической оси поляроида 12. В результате свет на участке пластинки 16 не проходит к датчику и в этом месте на оптической картине в датчике появляется тень со светлым участком, соответствующим прорези 18, Немного перемещая прибор перед скважиной, не сбивая отвес 26 и вращая крышку 4, совмещают планку 14 с наблюдаемой осью симметрии, ведя наблюдение через поляризатор. Затем по стрелке-отвесу 15 и щкале 28 отсчитывают угол, соответствующий наклону оси симметрии оптической картины. Это относительно грубый отсчет, так как ощибка измерения будет не менее цены деления щкалы 28, Для более точного отсчета угла необходимо крыщку 4 вернуть в исходное положение и затем, поворачивая поворот,ную втулку 5, совместить край тени на оптической ка этине, образованный прямолинейной кромкой 17 дополнитель ной поляроидной пластинки 16, совмес тить с. рассматриваемой осью симметри При этом светлая полоса от прорези 18 также параллельна оси симметрии, дополнительный проходящий чере прорезь, .облегчит наблюдение оптической карти й 1. На шкале 28 с использованием шкалы 20 берут точньй отсчет. Точность этого отсчета за счет нони- усной шкалы 20 в 10 раз вьш1е, чем отсчета непосредственно по шкале 28,

Определение порядка изохромы в фиксированной точке оптической картины, необходимой для вычисления величины максимального главного напряжения, выполняют следующим образом. Визуально наблюдая оптическую картину, подсчитывают число красных изохром, прошедших через выбранную точку наблюдения. Эту величину принимают за целый порядок отсчета. Затем методом компенсации определяют дробную часть отсчета. Для чего устройство „приводят в исходное положение и линию ручка 6 - визир 24 совмещают с осью симметрии. Далее, поворачивая крьш1ку 4 совместно с поворотной втулкой 5, добиваются, чтобы последняя красная изохрома, прошедшая через выбранную точку наблюдения на оптической, картине, вернулась в эту точку. По шкале 27 против визира 24 берут отсчет и этот отсчет принимают за дробную част порядка изохромы.

При наблюдении датчиков, установленных на расстоянии менее .1,0 м от устья скважины, зрительная труба мешает (датчик может оказаться вне пределов разрешающей способности зрительной трубы) , поэтому в этом случае ее необходимо убрать, вставив в гнездо анализатора 2 сменную капсулу с по ляроидной пластинкой 21 и четвертьволновой пластинкой 22, которые и выполняют роль анализатора.При наблюдении датчиков, установленных на расстоянии 0,5 ми менее от устья скважины, в качестве анализатора можно использовать непосредственно поляризатор, пропуская луч света, отраженный от датчика через поляризатор.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ В СКВАЖИННЫХ ФОТОУПРУГИХ ДАТЧИКАХ, включающее корпус с размещенными в нем поляризаторным, анализаторным узлами и отсчетными raKaJiaMH, осветитель и компенсируклцее устройство для отсчета дробных порядков. Отличающееся тем, что, с целью повьшения точности путем определения ориентации осей симметрии оптической картины в фото- упругих датчиках, оно снабжено отвесом и поворотной втулкой, в которой закреплены стрелка - отвес и поляроидная пластинка по крайней мере с одной прямолинейной кромкой, при этом отвес закреплен на корпусе, а поворотная втулка размещена в узле поляризатора, с возможностью осевого вращения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что, с целью повьшения информативности за счет i обеспечения возможности измерения О) напряжений в фотоупругих датчиках на расстоянии 0,5 м от устья скважины, поляризаторный узел использован в качестве анал-изаторного.