Соединительный узел оптического измерителя деформаций Советский патент 1992 года по МПК G01B11/16 

Изобретение относится к области устройств для измерения деформаций твердых тел и может быть использовано в сейсмологии, строительстве, маркшейдерском деле.

Известен лазерный интерферометр для измерения деформаций, содержащий светоделитель, два зеркала, одно из которых связано с основанием, а другое - непосредственно с объектом, и измерительную систему.

Недостатком известного устройства является то, что интерференционная картина оказывается чувствительной как к квазистатическим, так и динамическим деформациям. Последние приводят к смазыванию интерференционных полос и к снижению точности определения квазистатических деформаций.

Известен лазерный измеритель деформаций, содержащий светоделитель, зеркала, создающие эталонное и рабочее плечи интерферометра, модулятор и измерительную систему,

В известном устройстве осуществляется измерение частоты излучения в информационном пучке при отражении от зеркала,

VJ

VI

00

ел

i

связанного с исследуемым объектом. При этом в модуляторе осуществляется дифракция на ультразвуковой волне известной частоты, вследствие чего с помощью измерительной системы выделяется комби- национная частота, определяемая частотой ультразвуковой волны с частотой колебаний исследуемого тела.

В реализованном на основе данного авторского свидетельства приборе ИПЛ-ЗОК1 Новосибирского приборостроительного завода при использовании ультразвука частотой 4,3 МГц нижний предел частоты измеряемых перемещений равен 10 Гц. Измерение колебаний более низкой частоты приводит к снижению точности получаемых данных.

Наиболее близким к предлагаемому устройству является лазерный интерферометр для измерения деформаций, содержащий основание, установленный на нем источник монохроматического излучения, расположенный по ходу светового пучка светоделитель, зеркала, образующие рабочее и эталонное плечи интерферомет- ра, коллиматор, диафрагму, фотоприемник и подключенную к нему измерительную систему. Интерферометр характеризуется наличием соединительного узла оптического измерителя деформации с объектом в виде подпружиненных в осевом направлении штоков, укрепленных на основании и соединяющих подвижные зеркала с объектом.

Известное устройство предназначено для измерения деформаций типа волн ежа- тия (растяжения). При измерении деформаций изгибного типа, особенно медленных (квазистатических), указанное устройство обладает низкой точностью. Это связано с тем, что при изготовлении соединительного узла оптического измерителя деформаций с объектом в виде подпружиненных в осевом направлении штоков, соприкасающихся с объектом с противоположных сторон, их

движение, а следовательно, и движение подвижных зеркал синхронно, и при перемещении не меняет суммарной разности хода в плечах интерферометра. При использовании устройства связи статического измерителя деформаций с объектом в виде

одиночного подпружиненного штока, установленного на основании и соединяющего объект с подвижным зеркалом оптического измерителя деформаций, интерференционная картина оказывается чувствительной как к квазистатическим, так и динамическим деформациям, что приводит к снижению точности определения квазистатических деформаций.

5

0 5 Q

g п

5

0

Целью изобретения является повышение точности измерения низкочастотных квазистатических деформаций.

Поставленная цель достигается тем, что соединительный узел оптического измерителя деформации с объектом, содержащий основание с установленным на нем коническим штоком, снабжен платформой с балансирными массами, одна поверхность которой предназначена для установки на ней зеркала измерителя, а противоположная выполнена с коническим углублением, платформа установлена на штоке осесимметрично таким образом, что центр тяжести платформы расположен ниже ее точки опоры, и связана с основанием через демпфирующую среду, помещенную в выполненное в основании термостатированное углубление, в котором размещена коническая часть штока.

Размещение точки опоры подвижной платформы выше ее центра тяжести позволяет верхней плоскости упомянутой платформы сохранять горизонтальное положение при изменении углового положения основания. Снабжение подвижной платформы балансирными массами также способствует устойчивому сохранению горизонтального положения верхней плоскости подвижной платформы. Наличие зазора, заполненного демпфирующей средой, позволяет разделить колебания, в которых участвует оптический измеритель деформации, на быстрые и медленные (по отношению к характерной постоянной времени оптического измерителя деформации). При этом медленные деформации, изменяющие угловое положение основания измерителя, влияют на относительное положение зеркал в рабочем плече интерферометра и приводят к сдвигу полос интерфе- ренционной картины, что позволяет определить величину деформаций. Быстрые деформации не оказывают влияния ча положение подвижного зеркала рабочего плеча интерферометра и сглаживаются.

Работа устройства основана на том известном свойстве вязкоупругих сред, что при малых характерных временах действия возмущающей силы они деформируются подобно упругим телам, а при больших - подобно жидкостям. Например, для принятой в теории вязкоупругости модели Максвелла поведение вязкоупругого тела описывается комплексным модулем

Y-(lu) Yi -H Y2,

гдеУ1 V.E Е2+й/У

у, 5l. E2-tV

w - частота действующего возмущения;

/ - вязкость среды;

Е - модуль упругости.

YI аналогичен модулю Юнга для твердых тел, a Y2 - коэффициенту вязкости для жидкостей. Поведение среды определяется величиной отношения модуля упругости Е к коэффициенту вязкости t, определяющей характерную для данной среды частоту од. При ш/(Оо 1 среда демонстрирует упругие свойства, а при ю/од 1 - вязкие, что подтверждает сказанное выше.

Таким образом, заполненный соответствующим веществом зазор в приборе служит фильтром, позволяющим разделить механические колебания, приходящие к прибору, на низко- и высокочастотные.

Таким образом, совокупность упомянутых выше признаков позволяет повысить точность измерения деформаций квазистатического типа за счет исключения смазывания интерференционных полос вследствие устранения влияния вибрационных колебаний на движение подвижной платформы относительно основания, а следовательно,и жесткосвязанного с подвижной платформой подвижного зеркала рабочего плеча интерферометра относительно неподвижного.

Термостабилизация позволяет избежать изменения вязкоупругих характеристик заполняющей зазор среды при колебаниях температуры окружающего воздуха, что также способствует достижению поставленной цели.

На чертеже изображена схема соединительного узла оптического измерителя деформаций с обьектом.

Соединительный узел оптического измерителя деформаций с обьектом состоит из основания 1 с коническим штоком 2, на котором установлена осесимметричная платформа 3 с балансирными массами 4. Одна поверхность платформы 3 служит для установки зеркала 5, являющегося элементом оптического измерителя деформации, а противоположная - выполнена с коническим углублением. Платформа 3 установлена на штоке 2 осесимметрично таким образом, что центр тяжести платформы 3 расположен ниже ее точки опоры на штоке 2. Основание 1 выполнено с углублением 6, в котором с зазором установлена платформа 3. Углубление 6 заполнено демпфирующей средой 7 и снабжено термостэтирую- щим устройством 8. На основании 1 расположены также элементы оптического измерителя деформаций: источник иэлучения 9, неподвижное зеркало 10. светоделитель 11, диафрагма 12, приемник излучения 13, соединенный с регистратором 14.

Соединительный узел оптического измерителя деформаций с обьектом работает

0 следующим обра зом.

Узел устанавливаемся основанием на горизонтальную поверхность объекта. Платформа 3 посредством балансирных масс А устанавливается равновесным образом.

5 При этом зеркало измерителя 5 обеспечивает начальную точку отсчета оптического измерителя деформаций. Деформации объекта вызывают изменения углового положения основания 1, а следовательно, и

0 изменения углового положения платформы 3 относительно основания 1. По возникающему при этом сдвигу интерференционной картины судят о величине деформации. Колебания высокой частоты передаются от ос5 нования 1 к платформе 3 через демпфирующую среду 7 и зеркало 5, укрепленное на платформе 3, колеблется синхронно с зеркалом эталонного плеча 10 и такие колебания оказываются компенсиро0 ванными в общей интерференционной картине. При воздействии на основание 1 колебаний низкой частоты платформы 3, демпфированная слоем среды 7, вследствие расположения центра тяжести платформы 3

с ниже точки подвеса занимает горизонтальное положение под действием силы тяжести и, следовательно, изменяет свое положение относительно основания 1. Термостатирую- щее устройство 8 служит для сохранения

Q вязкоупругих свойств демпфирующей среды 7. Оно же позволяет путем изменения температуры перестраивать узел связи без смены вещества, заполняющего зазор. Пример. Узел предлагаемой конструкс ции, в котором в качестве источника монохроматического излучения использован гелий-неоновый лазер ОКГ-11 с вертикальным расположением оптической оси и плоское зеркало которого размещено на подвижной платформе, применяли для измерения ползучести образца горной породы - алевролита - размерами 30x30x250, опертого по концам, При этом зазор между подвижной платформой и основанием был равен 0,5 мм и заполнен битумом марки 200. Температура окружающего воздуха была равна 20°С. Основание прибора имело три точки опоры. Две опоры были установлены на горизонтальной плите, а третья - на середину призматического образца алевроли0

та. Затем к середине образца была приложена постоянная весовая нагрузка 40 кГ. Под действием статической нагрузки в результате ползучести образца горной породы происходило увеличение стрелы его прогиба.

Для сравнения аналогичное измерение было проведено с использованием интерферометра по прототипу с двумя зеркалами, установленными с противоположных сторон образца. Такое устройство не позволило измерять деформацию балки вследствие низкой точности устройства, так как при фиксации деформаций изгибного типа зеркала перемещаются синхронно, Использование лазерного интерферометра по прототипу с одним подвижным зеркалом для измерения ползучести образца горной породы аналогично тому, как это было сделано в примере, невозможно из-за полного смазывания интерференционной картины в результате действия вибрационного фона.

Таким образом, узел предлагаемой конструкции позволяет по сравнению с прототипом повысить точность измерения квазистатических деформаций.

Техническая эффективность предлагаемого решения, как это следует из приведен0

5

0

5

ного примера, обусловлена возможностью измерения квазистатических деформаций изгибного типа вплоть до ползучести с характерными временами 10с.

Из сказанного следует подтверждение работоспособности предлагаемого устройства и достижимость поставленной цели.

Формула изобретения

Соединительный узел оптического измерителя деформаций с объектом, содержащий основание с установленным на нем коническим штоком, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения низкочастотных квазистатических деформаций, он снабжен платформой с балансирными массами, одна поверхность которой предназначена для установки на ней зеркала измерителя, а противоположная выполнена с коническим углублением платформа установлена на штоке осесим- метрично так, что центр тяжести платформы расположен ниже ее точки опоры, и связана с основанием через демпфирующую среду, помещенную в выполненное в основании термостатированное углубление, в котором размещена коническая часть штока.

Изобретение относится к устройствам для измерения деформаций твердых тел и может быть использовано в сейсмологии, строительстве, маркшейдерском деле, при испытании материалов. Целью изобретения является повышение точности измерения деформаций, преимущественно низкочастотных (квазистатических). Основание с ус- тановленным на нем источником монохроматического излучения, расположенным по ходу светового пучка светоделителем, зеркалами, образующими рабочее эталонное плечи интерферометра, коллиматором, диафрагмой, фотоприемником и подключенной к нему измерительной системой жестко связано с подвижной платформой с балансирными массами, отделенной от основания зазором, заполненным демпфирующей средой, а точка опоры платформы расположена выше ее центра тяжести. Ось источника света ориентируется параллельно или перпендикулярно плоскости платформы, с которой жестко связано плоское зеркало источника монохроматического излучения, а поддерживающий подвижную платформу шток размещен на основании с возможностью вертикального перемещения относительно основания, а внешняя стенка зазора между основанием и подвижной платформой термостатирована. 1 ил. со С

//

ю