Фотоупругий датчик Советский патент 1980 года по МПК E21C39/00 

Изобретение относится к горному делу, в частности к приборам для измерения напряжений и деформации в горных породах. Известны фотоупругие датчики для измерения напряжений в горных породах, выполненные в виде цилиндра из оптически чувствительных материалов ij Известен также фотоупрушй датчик для измерения напряжений в горных породах, включающий элемент из оптически чувствительного материала - стекла, с одной стороны которого последовательно размещены поляризационный фильтр, электролампочка и параболическое зеркало s Однако снятие отсчете по датчику производится визуально с помощью полярископа, что ограничивает точность измерений я не позволяет проводить измерения в недоступных участках горного массива. Цель изобретения - проведение измерений с повьпиенной точностью в недоступ ных участках массива пород. Цель достигается тем, что датчик снабжен дополнительным поляризационным фильтре, размещенным с другой стороны элемента, и .фотоприемникам, v становленным последовательно с дополнительнЕ м поляризационным фильтр Ж4.: Поляризационный фильтр, электрическая лампочка и параболическое зеркало последовательно размещены с стороны элемента из оптически чувствительного материала, а дополнительный поляризацисжный фильтр и фотопри 1ник последовательно размешены с другой стороны того же элемента. Такое устройство датчика позволяет фиксировать с помощью элемента из оптически чувствительного материала изменение напряжений в породе, а наличие электролампочки с параболическим зеркалом и двух поляризационных фильтров обеспечивает преобразсшание механического сигнала в оптический в виде интерференционной картины на выходе дополнительного поляризационного фильтра, преобразуемой в электрический сигнал в 37 фотоприемнике. Последний по сравнению с визуальным наблюдением позволяет повысить чувствительность датчика, которая дополнительно увеличивается за счет размещения фотоприемника в зоне высокого градиента изменения интерференционных полос, число которых пропорционально кон центрации напряжений в соответствующей области элемента из оптически чувствительного материала. Такой датчик не тре буетнепосредственного наблюдения и может устанавливаться в недоступных участ ках массива горнык пород. На чертеже приведена принципиальная схема датчика. Фотоупругий датчик состоит из элемен та 1, осветительного блока 2, блок прием ника 3 и проводов 4. Элемент 1 изготовляется из оптически чувствительного материала и предназначен для преобразования механической информации в оптическую. В качестве оп.тически t чувствительного материала могут использоваться оптическое стекло, эпоксималы и т. п. Осветительный блок 2 включает после довательно размещенные за элементом 1 поляризационный фильтр, состоящий из. четвертьволновой пластинки 5 и поляроида 6, монохроматический фильтр 7, матовое стекло 8, электролампочку 9, пара болическое зеркало 10. Все элементы осветительного блока 2 заключены в чех лы 11. Блок приемника 3 включает последсйва тельно установленные с другой стороны элемента 1 дополнительный поляризационный фильтр, состоящий из четвертьволновой пластинки 12 и анализатора 13, и фотоприемник 14 . Элементы блока приемника 3 заключены в чехол 15. Провода к электролампочке 9 могут быть пропущены сбоку элемента 1 или через специальное отверстие в нем. Для обеспечения герметичности датчика чехлы 11 и 15 приклеиваются к соответствующим концам элемента 1. Форма последне го определяется задачами измерения и может быть в виде прямоугольного парал лелепипеда при измерении одной компонен ты напряжений, в виде кругового ЦИЛИЕД ра при измерении разности главных напря жений и т. п. Датчик устанавливают в скважине и приклеивают к ее стенкам. В процессе изменения напряженно-деформированного состояния породы элемент 1 деформируется совместно с окружающей его породой, в результате в нем появляются на4пряжения и материал приобретает свойство двулучепреломления. Чувствительность датчика при выбранном оптически чувствительном материале определяется разрешающей способностью фотоприемника и дополнительно увеличивается за счет размещения последнего против области элемента 1 с наиболее высокой концентрацией напряжений. Последнее достигается за счет подбора формы элемента 1 и условий его сцепления с поверхностью скважины. В частности для элемента 1, выполненного в виде кругового цилиндра при условии контактирования с проскальзыванием, область наибольшей концентрации напряжений совпадает с его геометрической- осью, а при услсжии полного сцепления поле напряжений так распределено по сечению датчика, что в любой его точке будет одна и та же разность главных напряжений и следовательно фотоприемник может быть размещен против любой точки датчика. Возможна установка нескольких фотоприемников. Датчик работает следующим образом. К электролампочке 9 подается питание. Луч света от нее проходит через матовое стекло 8, монохроматический фильтр 7и далее через поляризатор 6 и четвертьволновую пластинку 5 попадает в элемент 1. Поляризованный луч света, пройдя через оптически чувствительный материал элемента 1 и протерпев двойное лучепреломление, выйдет из последнего с некоторой разностью хода, пропорциональной приросту напряжений. Пройдя дополнительный поляризахшонный фильтр, лучи света аа анализаторе 13 дадут интерференционную картину, представляющую собой чередование светлых и темных полос. Далее лучи попадают в фотоприемник 14, где вызывают появление электрического тока, 8качестве фотоприемника может использоваться фоторезистор. Фотоприемник 14 выдает во внешнюю цепь, электрический сигнал, сипа которого определяется количеством света,.прошедшего через анализатор, а получаемая информация зависит также от того, сколько раз сменились темные и .светлые полосы перед фотоприемником. Число сигналов будет тем больше, чем большее количество раз произойдет смена полос. ПЬследнее зависит от концентрации напряжений в области эпемента 1, против которой расположен фотоприемник 14. Предложенный датчик в конечном счете преобразует механические сигналы, поступающие к нему от породы, в электричес5787654

кие. Последние могут быть перепаны на соответствующий измеритепьвый прибор. Такой датчик может найти применение в автоматизированных системах контроля за состоянием породного массива на гор-, s нодобьшаюшик предприятиях. Формула изобретения Фотоупругий датчик для измерения вапряжений в горных породах, включающий элемент из оптически чувствительного материала, с одной стороны которого последовательно размещены поляризационный фильтр, электролампочка н параболическое зеркало, отличающийся

тем, что, с цепью проведения измерений с повышенной точностью в недоступных участках массива пород, он снабжен дополнительным поляризационным фиттьтром. размещенным с другой стороны элемента, и фотоприемником , установленным последовательно с дополнительным поляризационным фильтром. Источники информации, принятые во внимание при экспертизе 1.Авторское свидетельство СССР № 342049, кл. Е 21 С 39/ОО, 09.09.70. 2.Патент Великобритании № 965312, кл. Q01 Х/ЕХ 7, опублик. ОЗ.05.62.