Устройство для определения угла наклона Советский патент 1979 года по МПК G01C9/32 

1

Изобретение относится к измерительной технике.

Известны устройства для определения угла наклона (устройства горизонтирования), например уровень, содержащий резервуар, частично заполненный ртутью, с жестко связанной с ним оптической системой, включающей в себя источник света, фокусирующую линзу и мищень. Световой луч направляется под углом к поверхности ртути и отражается от нее на фокусирующее зеркало, изображение на котором рассматривается. О горизонтальности судят по углу наклона изображения мищени 1J.

Известно устройство для определения углов наклона, содержащее резервуар в форме цилиндра с плоским дном и крышкой, заполненный электролитом. Имеются также две пары электродов, которые включены в мостовые измерительные схемы 2.

Известно углоизмерительное устройство, содержащее источник света, линейный поляризатор, анализатор и приемное устройство 3. Бесконтактное устройство для измерения угловых перемещений и углов наклона содержит источник света, линейный поляризатор, два анализатора поляризованного света, два фотонриемника с идентичными характеристиками, импульсный генератор и

электронный блок обработки измерительных сигналов 4.

Такие устройства имеют сложную конструкцию, а при их работе в щироком интервале температур для достижения высокой точности измерения предъявляются жесткие требования к отдельным элементам и устройству в целом. Наиболее близкое к изобретению по технической сущности - устройство для измерения малых смещений и углов наклона 5J, принцип действия которого основан на использовании свойств поляризационной оптики. Устройство содержит источник света, коллимирующий узел,

поляризатор, два клина, изготовленных из кристаллического кварца и ориентированные так, чтобы оптические оси клиньев были параллельны падающему лучу. Один клин является правовращающим, а второй - левовращающим. По углу поворота плоскости поляризации вышедщего из клиньев линейно-поляризованного луча судят об измеряемой величине. При этом наклон определяется угловым положением

зеркала, вводимого в систему.

Цель изобретения - упрощение конструкции устройства для определения угла наклона. Поставленная цель достигается тем, что

в устройстве для определения угла наклона, содержащем источник света, поляризатор, систему поворота плоскости поляризации лииейпо-поляризованного луча, анализатор и фотоприемпый блок, система поворота плоскости поляризации линейно-поляризованного луча выполнена в виде оптически прозрачного резервуара, который частично заполпеи жидкостью, обладающей способностью естествеппого вращения плоскости поляризации липейно-иоляризованного луча, например скипидаром.

Известно, что некоторые жидкости обладают естественным вращением плоскости поляризации света и в то же время имеют изотропные свойства. Например, слой ски1;пдара в 10 см поворачивает плоскость поляризации желтого света на угол 29,6°. Это означает, что слой скипидара в 1 мкм поворачивает плоскость поляризации света па угол около I. Если, нанример, выбрать диаметр резервуара 10 см, то при наклоне его от горизонта на угол 1 разность высот жидкости (скипидара) у противоположных стенок резервуара составляет 0,5 мкм, что еоответствует повороту плоскости поляризации проходящего через этой слой света па угол 0,5.

Чувствительность фотоэлектрических устройств с поляризованным светом составляет доли угловой секунды, следовательно, предлагаемое устройство может быть выполнено с чувствительностью (точностью) не хуже-0,1, если в качестве прозрачной жидкости резервуара использовать скипидар или любую другую жидкость, обладающую таким же или большим естественным вращением плоскости поляризации света.

На чертеже показана принципиальная схема устройства для определения угла наклона. Устройство содержит источник 1 света, конденсаторы 2-5 и отражатели 6-9, которые формируют четыре параллельных луча 10-13. Лучи 10, 12 и 11, 13 лежат (проходят) во взаимно перпендикулярных плоскостях. Резервуар состоит из боковой цилиндрической стенки 14 и верхней и нижней крышек 15, 16 соответственно, которые выполнены из плоскопараллельных между собой пластин. Резервуар частично заполнен жидкостью 17, обладающей естественным вращением поляризации света, иапример скипидаром. На верхней крышке 15 укреплен линейный поляризатор 18, а на нижней крышке 16 - анализатор 19. В качестве поляризатора и апализатора могут быть использованы поляроиды. Лучи 10-13 входят в поляризаторы и крышки перпендику.лярно к их поверхностям. За анализаторами на пути лучей 10-13 устаповлепы фотоприемники 20-23, перекрестные выходы которых подключены к входам дифференциальных измерительных систем, вырабатывающих сигналы рассогласования при наклоне устройства.

Работа предложенного устройства, установленного на объекте, заключается в следующем. Свет от источника 1, сформированный

элементами 2-У, в виде лучей 10-13 проходит линейный поляризатор 18 и становится липейно-поляризоваииым. Затем линейно-поляризоваппые лучи последовательно ирохОу1,ят верхнюю крышку 15, жидкость 17,

нижнюю крышку 16 и анализатор 19. В исходном состоянии, когда устройство находится в горизонтальной плоскости, т. е. слой жидкости в резервуаре имеет равную толщину по ее поверхности, световые лучи, выходящие из анализатора 19, равны по интенсивности, токи на выходе фотоприемников 20-23 равны, и па выходе схем 24, 25 сигиалов рассогласования нет. Для получения максимальной чувствительиости устройства илоскости ноляризации света, вышедшего из жидкости Г/, и ось главного пропускания аиализатора 16 должны быть выставлены под углом 45°. Предположим, что устройство наклонено

в плоскости, образованной лучами 10 и 12. Тогда равенство интенсивностей лучей, выходящих из анализатора 19 и попадающих на фотонриемники 20 и 22, нарушается, так как слои жидкости, проходимой указанными лучами, становятся различными по высоте; угол поворота плоскости поляризации одного луча по отношению к оеи главного пропускания апализатора 19 увеличивается, а угол поворота плоскости поляризации второго луча уменьшается. Следовательно, на выходе дифференциальной измерительной схемы 25 иоявляется сигнал рассогласования, пропорциональный разности токов фотопрпемников 20, 22. Аналогично работает

и второй измерительный канал, содержащий фотоприемники 21, 23 и схему 24, если угол наклона устройства лежит в плоскости, образованной лучами 11 и 13. Предлагаемое устройство имеет сравнительно простую конструкцию, кроме того, оно может быть выполнено с чувствительностью не хуже 0,1 при работе в широком температурпом интервале, так как линейные приращения чувствительного элемента

(жидкости с естественным вращением плоскости поляризации) не вносят погрешности в измерения.

На базе схемы этого устройства могут быть выполнены и другие варианты конструкции, например, можно в каждом измерительном канале за анализатором установить общий модулятор световых лучей, а промодулированные в противофазе лучи направить на общий фотоприемник.

Формула изобретения

Устройство для оиределения угла наклона,

содержащее источник света, поляризатор,

систему поворота илоскости поляризации

лииейно поляризованного луча, анализатор

и фотопрнемный блок, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции, система поворота плоскости поляризации линейно-поляризованного луча выполнена в виде оптически прозрачного резервуара, который частично заполнен жидкостью, обладающий способностью естественного вращения плоскости поляризации линейно-поляризованного луча, например скипидаром.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Патент Японии .2 49-909, кл. 107 Е 5, 1974.

2.Патент США № 3442028, кл. 33-206, 1969.

3. Патент СССР Л-ь 27659, кл. G 01С 15/12, 1930.

4.Патент США № 3932039, кл. 356-138, 1974.

5.Патент Великобритании 1140G78, кл. G 1А, 1966.