Устройство для наблюдения оптической картины в скважинных фотоупругих датчиках

 

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 фотоупругих 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.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (1!) ЗСВ бщууц

13,,""" g

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Явлю

Ъ фиг. 1

ГОСУДАРСТ8ЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3686129/22-03 (22) 05.01.84 (46) 23.12,85. Бюл. У 47 (71) Институт горного дела СО АН СССР ,(72) Г. И. Кулаков (53) 535.511(088.8) (56) Трумбачев В. Ф. и др. Измерение напряжений и деформаций методом фотоупругих покрытий. — М.: Наука, 1966, с. 57-62, Авторское свидетельство СССР

В 363865, кл. G 01 В 11/18, 1970. (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ НАБЛЮДЕНИЯ

ОПТИЧЕСКОЙ КАРТИНЫ B СКВАЖИННЫХ ФОТОУПРУГИХ ДАТЧИКАХ, включающее корпус с размещенными в нем поляризаторным, анализаторным узлами и отсчетными шкалами, осветитель и компенсирующее устройство для отсчета дробных порядков, отличающее с я тем, (Ю 4 Е 2 1 С 39 / 00; G 0 1 В ) 1 / 1 8, а 02 В 27/28 что, с целью повышения 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, о т л ич а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения информативности за счет обеспечения возможности измерения напряжений в фотоупругих датчиках .на расстоянии «0»5 м от устья скважины, поляризаторный узел использован в качестве анализаторного, I 199939

Изобретение относится к горному делу, точнее к устройствам для измерения напряжений в горных породах.

Цель изобретения — повышение точности путем определения ориентации осей симметрии оптической картины в фотоупругих датчиках с зеркальным покрытием относительно линии горизонта и повышение информативности за счет обеспечения воэможности измерения"; напряжений в фотоупругих датчиках на расстоянии 60,5 м от устья скважины.

На фиг. 1 изображено устройство поперечный разрез; на фиг. 2 — то же, вид сверху; на фиг. 3 вЂ, узел 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.

10 !

20

Устройство для наблюдения оптической картины состоит из поляриэаторного I и анализаторного 2 узлов. По» ляризаторный узел 1 содержит корпус

3, втулку-крышку 4, поворотную втулку 5 и ручку 6, В корпусе 3 размеще30 ны защитное стекло 7, четвертьволновая пластинка 8, удерживаемые. зажимным кольцом 9. Во втулке-крышке 4 установлена поворотная втулка 5, в которой размещены защитное стекло, .

10, удерживаемое гайкой 11, поляроид 12, удерживаемый гайкой 13, и распорная планка 14, на которой укреплена стрелка-отвес 15, На защитном стекле 10 укреплена дополнительная

40 .поляроидная пластинка 16. по краинеи мере с одной прямолинейной кромкой

17 и прорезью 18, С поворотной втулкой 5 и дополнительной поляроидной пластинкой 16 связаны стрелка 19 и нониусная шкала 20 (фиг. 2) . В ана45 лизаторном узле 2 размещены поляроид

21, четвертьволновая пластинка 22 и зрительная трубка 23, На корпусе

3 на одной линии с ручкой 6 укреплен визир 24, выполненный в виде планки (фиг. 3), снабженной отверстием 25, в котором крепится отвес 26. Поворотная втулка 5 может свободно вращаться в крышке 4, а последняя в свою очередь в корпусе 3. На втулке-крышке 4"нанесены компенсационная шкала

27 (фиг, 2} для отсчета дробных порядков и шкала 28 углов.

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 анализа-. о тора 2 установлены под углом 90 одна к другой. Оптические оси четвертьволновых пластинок 8 и 22 повернуты относительно направлений соответствующих поляроидов 12 и 21 на угол 45 о 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 12 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 датчика 31, луч возвращается назад, пов горно 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 светорегистрирующий 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

I199939

0 йс а 1

t D

2, такие лучи на выходе даю интерференционную картину, состоящую из чередующихся цветных полос — изохром (при источнике 29 белого света), Такая оптическая картина, наблюда- 5 емая в кольцевом фотоупругом датчике, состоит из системы изохром, образующих сложный узор (фиг, 5), всегда имеющий две оси симметрии

34 и 35. Направления этих осей сов- 10 падают с направлениями главных напряжений в породе. Задача измерения напряжений в породе и состоит в опI ределении направления этих напряжений и их величины. Таким образом, !5 для определения направления действия главных напряжений в породе, надо измерить угол наклона осей симметрии оптической картины в датчике относительно вертикали, Горизонтали и 20 или какого-либо другого фиксированного направления. Величина большего из главных напряжений в породе пропорционапьна числу изохром, прошедших через какую-либо фиксирован- 25 ную точку оптической картины, величина меньшего напряжения в породе пропорциональна узору оптической кар» тины, характеризуемому некоторым числом, определяемым по общему виду картины.

Для того, чтобы можно было на- править луч света от источника 29 света в датчик 31, установленный в скважине.30 и одновременно вывести из датчика 31 и скважины 30 отраженный от зеркального слоя 32 датчика луч,. неббходимо, чтобы расстояние Й между центрами поляризатора и анализатора устройства было меньше диаметра скважины D, т.е. должно вы40 полнят ь ся усло вне (3) О с

d (4) ш 1

7 4 (5) (6) d D

Кроме того, мертвая зона прибора m 45 где ш — расстояние между внутренними кромками поляризатора и анализатора

У должна быть меньше d, т,е, В исходном состоянии прибор перед

50 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, 55 Стрелка-отвес 15 ориентирована по вертикали вниз и указывает на отсчет о

180 . Стрелка 19 поворотной втулки

5 ориентирована на отсчет 90 по о

m ca d (2) Равенство (1) можно переписать в виде «А 1. Путем конструктивных про3 работок установлено, что последнее соотношение не следует делать меньше

0,8, т.е. Ы > 0,8. В итоге получают

З конструктивное соотношение

Равенство (2) можно представить в виде

Очевидно, случай — = О, идеальный, FO но его невозможно реализовать. С другой стороны (фиг. 1) из конструктивных соображений можно принимать

Объединяя неравенства (4) и (5), получают

Измерение угла наклона какой-либо оси симметрии оптической картнны (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

4 лизатором 2 (фиг. 1 и 4), Размещают,: источник 29 света позади поляризато-. ра 1. Перед измерением прибор следу ет привести в исходное состояние, Для 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, IO

3 1199 пп<але 28. Ориентировка прибора по огнесу 15 обеспечивает вывод его в строго вертикальное положение. Благодаря этому все отсчитываемые по шкалам углы привязаны строго к вертикали или горизонтали.

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

Дополнительную поляроидную пластинку 16 совместно с защитным стеклом IO поворачивают в поворотной ф втулке 5 по часовой стрелке на 90

При этом оптическая ocb 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 оптичес- 20 кой картине в датчике появляется тень ео светлым участком, соответствующим прорези 18. Немного перемещая прибор перед скважиной, не сбивая отвес 26 и вращая крьппку 4, совмещают планку 25

14 с наблюдаемой осью симметрии, ведя наблюдение через поляризатор.

Затем по стрелке-отвесу 15 и шкале

28 отсчитывают угол, соответствующий наклону оси симметрии оптической ЗО картины. Это относительно грубый отсчет, так как ошибка измерения будет не менее цены деления шкалы 28. Для более точного отсчета угла необходимо крыпку 4 вернуть в исходное положение и затем, поворачивая поворот.ную втулку 5, совместить край тени на оптической картине, образованный прямолинейной кромкой 17 дополнитель ной поляроидной пластинки 16, совмес- 40 тить с. рассматриваемой осью симметрии, При этом светлая полоса от прорези

18 также параллельна оси симметрии, а дополнительный свет, проходящий через прорезь,,облегчит наблюдение оптичес939 ь кой картины. На шкале 28 с использованием шкалы 20 берут точньп отсчет.

Точность этого отсчета за счет нониусной шкалы 20 в 10 раз вьппе, чем от« счета непосредственно по шкале 28, Определение порядка иэохромы 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 крьппку

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 часть 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 поляроидной пластинкой 21 и четвертьволновой пластинкой 22, которые и выполняют роль анализатора.При на— блюдении датчиков, установленных на расстоянии 0,5 м и менее от устья скважины, в качестве анализатора можно испольэовать непосредственно поляризатор, пропуская луч света, отраженный от датчика через поляризатор, 1199939 в д

Фиа. Я

Составитель Н, Якимович

Редактор Н. Бобкова Техред Л.Ицкеш Корректор Е, Рошко

Заказ 7842/37, Тираж 481 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР .по .делам изобретений.и открытий

113035, Москва, _#_-.35, .Раушская наб,, д. 4/5

Филиал ППП "Патент", r, Ужгород, ул. Проектная, 4