Устройство для определения угла наклона Советский патент 1980 года по МПК G01C9/20 

1

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к устройствам для измерения углов наклона.

Известны устройства для определе- 5 ния наклона, содержащие резервуар, частично заполненный ртутью, и жестко связанную с ним оптическую системуi включающую в себя источник света, фокусирующую линзу и мишень. Световой 0 луч направляется под углом к поверхности ртути и отражается от нее на фокусирующее зеркало, на котором рассматривается изображение. О горизонтальности судят по углу наклона изображения мишени f .

Известен наклономер с резервуаром, который имеет форму цилиндра с плоским дном и крышей и заполнен электролитом. Имеются также две пары элeк-2Q тродов, которые включены в мостовые измерительные схемы р . Известно бесконтактное устройство для измерения угловых перемещений, содержащее источник света, линейный поляризатор,25 два анализатора поляризованного света, два фотоприемника с идентичными характеристиками, импульсный генератор и электронный блок обработки измерительных сигналов Сз1 30

Известные датчики углов наклона объекта имеют целый ряд недостатков, основным из которых является сложность конструкции, при работе таких устройств в широком интервале темпе.ратур для достижения высокой точности измерения необходимо предъявлять весьма жесткие требования к отдельным элементам и устройству в целом.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является устройство для определения угла наклона, принцип действия которого основан на использовании свойств поляризационной оптики, содержащее источник света, поляризатор, модулятор, анализатор, фотоприемный блок и систему поворота плоскости поляризации линейно поляризованного луча, выполненную в виде оптически прозрачного резервуара, частично заполненного жидкостью, обладаюгдей естественным вращением плоскости поляризации линейно поляризованного луча, например скипидаром.

При наклоне устройства относительно вертикали слой вьвие упомянутой жидкости в резервуаре имеет различную толщину и, следовательно, плоскость

поляризации лучей, просвечивакяцих резервуар в различных местах, повернута на разную величину. По этой разнице в повороте плоскости поляризации лучей и судят об угле наклона 41,

Однако лучи, просвечивающие опти чески прозрачный резервуар с вышеупомянутой жидкостью, имеют вполне определенную конечную толщину, поэтому при наклоне устройства клиновидный слой жид кости создает в различных точках сечения луча разный поворот плоскости поляризации, что, естественно, ухудшает точность измерения.

Цель изобретения - повышение точности измерения угла наклона.

Эта цель достигается тем, что в устройство для определения угла наклона, содержащее источник света, поляризатор, модулятор, анализатор, фотоприемный блок, регистратор и систему поворота плоскости поляризации линейно поляризованного луча, расположенную между поляризатором и модулятором и выполненную в виде оптически прозрачного резервуара, который частично заполнен жидкостью, обладающей естественным вращением плоскости поляризации линейно поляризованного луча, введены оптические элементы, обеспечивающие вращение луча, выходящего из системы поззорота плоскости поляризации, на угол 180 вокруг оптической оси, и его вторичное прохождение через систему поворота плоскости поляризации в обратном направлении, выполненные в вида установленных под резервуаром призмы Дове и двух зеркал преломляющих поляризованный луч.

На чертеже приведена принципиальная схема предлагаемого устройства.

Устройство состоит из источника 1 света, коллиматора 2, поляризатора 3 резервуара 4 с прозрачными верхней крышкой 5 и нижней б, который частично заполнен жидкостью 7, обладающей естественным вращением плоскости поляризации, зеркал 8 и 9, призмы Дове 19, поляризационного модулятора 11, выполненного, например, на основе ячейки Фарадея, анализатора 12, линзы 13, фотоприемника 14, электронного регистратора 15 и электронного блока 16 управления.

Устройство работает следунадим образом.

Свет от источника 1 формируется параллельно в пучок коллиматора 2 и, пройдя поляризатор 3, становится линейно поляризованным, проходит последовательно через прозрачну верхнюю крышку 5 резервуара 4, слой жидкости 7, прозрачную нижнюю крышку 6 и, отразившись от зеркала 8, попадает на призму Дове 10. Пройдя призму 10 и отразившись от зеркала 9 свет снова проходит жидкость 7, затем через поляризационный модулятор 11 (управляемый электронным блоком 16), анализатор 12 и линзу 13, попадает на фотоприемник 14, выход которого связан с электронным регистратором 15.

В том случае, когда нижняя крышка б резервуара 4 находится в горизонтальной плоскости, слой жидкости имеет равную толщину по всей площади. Система элементов 11-16, предназначенная для измерения поворота плоскости поляризации линейно поляризованного излучения, показывает нулевое отклонение. При наклоне устройства в плоскости его оптической оси (нижняя крышка б не лежит в горизонтальной плоскости), слой жидкости становится разнотолщинным, и поляриметрическая схема, состоящая из элементов 11-16, зарегистрирует сигнал, отличный от нуля и пропорциональный углу наклона

Вследствие того, что луч света имеет конечную толщину, а слой жидкости при наклоне устройства имеет клиновидную форму сечения. Плоскость поляризации света, распространяющегося бли;ке к центру резервуара, повернется на меньший угол чем плоскость поляризации света, расположенного ближе к стенке резервуара. Для того, чтобы это явление не ухудшило точность, введен элемент 10 (в данном случае призма Дове), вращающийся луч вокруг оптической оси на угол , благодаря чему свет, прошедигий резервуар с жидкостью в первый раз ближе к стенке, при втором (обратном) прохождении пройдет жидкость ближе к центру.И наоборот свет прошедший ближе к центру(в прямом направлении) при втором пересечении (в обратном направлении) пройдет дальше от центра. Таким образом, неравномерность во вращении плоскости поляризации по сечению пучка, возникакииая при первом прохождении, компенсируется при его втором (обратном) прохождении резервуара с жидкостью.

Устройство отличается сравнительно простой конструкцией и выполнено с чувствительностью не хуже 0,1 угл с при работе в широком температурном диапазоне, так как линейные приращения чувствительного элемента (жидкост с естественным вращением плоскости поляризации) не ведут к погрешности в измерениях. На базе представленной схемы возможны и другие конструктивные решения. Например, если направить излучение от источника света на поверхность жидкости под углом, отличным от нормального, то вместо зеркал 8 и 9 и призмы Дове можно использовать одно зеркало, расположенное под нижней крышкой резервуара и параллельно ей.

Техническое преимущество предлагаемого устройства по сравнению с. известными заключается в повышении чувствительности за счет устранения поляризованного дефекта устройства.

Формула изобретения

Устройство для определения угла наклона, содержащее источник света, поляризатор, модулятор, анализатор, фотоприемный блок, регистратор и систему поворота, плоскости поляризации линейно поляризованного луча, расположенную между поляризатором и модулятором, и выполненную в виде оптически прозрачного резервуара, который частично заполнен жидкостью, обладающей естественным вращением плоскости поляризации линейно поляризованного луча, отличающееся тем, что, с целью повышения точности из мерения, в него введены оптические элементы,обеспечивающие вращение луча, выходящего из системы поворота

плоскости поляризации, на угол 180 вокруг оптической оси, и его вторичное прохождение через систему поворота плоскости поляризации в обратном направлении, выполненные в виде установленных под резервуаром призмы Дове и двух зеркал, прело шя1ощих поляризованный-луч.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Японии № 49-909,

0 кл. 107 Е 5, опублик. 10.01.74.

2. Патент QUA № 3442028,

33-206, опублик. 06.05.69.

кл. 3. Патент США № 3932039, кл. 356-138, опублик. 08.08.74. 5 4. Авторское свидетельство СССР по заявке № 2371449/18-10, кл. G 01 С 9/20, 14.06.76.(прототип).