Видеонаклономер

Изобретение относится к области технической физики и может служить для измерения наклонов фундаментов, стен, опорных колонн зданий и сооружений, наклонов скважин, тоннелей, а также в геодезических приборах. Техническим результатом изобретения является точность измерений за счет стабильности пространственного положения оптической оси объектива. Видеонаклономер содержит сосуд с жидкостью. Над жидкостью установлены оптически связанные друг с другом и с поверхностью жидкости объектив, светоделительный элемент, источник света и позиционно-чувствительный фотоприемник, формирующий видеосигнал с видеокадрами. Между объективом и поверхностью жидкости установлено зеркало с круглым окном, центр которого лежит на оптической оси объектива. Зеркало закреплено под углом к основанию сосуда так, чтобы изображения источника света в видеокадре, отраженные от зеркала и поверхности жидкости, не накладывались друг на друга во всем диапазоне измерений. Диаметр окна в зеркале определяется по соответствующей формуле. 1 ил.

 

Изобретение относится к области технической физики и может служить для измерения наклонов фундаментов, стен, опорных колонн зданий и сооружений, наклонов скважин, тоннелей, а также в геодезических приборах.

Известны наклономеры, снабженные пузырьковым уровнем, закрепленным на брусе, наклоны которого приводят к изменению положения газового пузырька в ампуле с жидкостью относительно шкалы или иного регистрирующего устройства /1/.

Известны наклономеры, снабженные маятником, установленным в корпусе, наклоны которого приводят к изменению положения маятника относительно шкалы или иного регистрирующего устройства /2/.

Известен наклономер, содержащий сосуд с жидкостью, на котором установлены оптически связанные друг с другом посредством поверхности жидкости источник и приемник света /3/.

Первые два из указанных наклономеров обладают ограниченным диапазоном и невысокой точностью измерений, третий - зависимостью результата измерений от уровня жидкости (ее испарения).

Наиболее близким к заявленному изобретению по совокупности признаков (прототипом) является наклономер, содержащий сосуд с жидкостью, над которой установлены оптически связанные друг с другом и с поверхностью жидкости объектив, светоделительный элемент, источник света и позиционно-чувствительный фотоприемник /4/.

Прототип, обладая высокой точностью и большим диапазоном измерений, но имеет недостаток, заключающийся в том, что нестабильность пространственного положения оптической оси объектива влияет на точность измерений. Она может возникнуть, например, из-за температурных деформаций.

Задача, решаемая настоящим изобретением, состоит в устранении недостатка, присущего прототипу, и обеспечения тем самым независимости результатов измерений от стабильности пространственного положения оптической оси объектива.

Для решения этой задачи в предлагаемом видеонаклономере, содержащем сосуд с жидкостью, над которой установлены оптически связанные друг с другом и с поверхностью жидкости объектив, светоделительный элемент, источник света и позиционно-чувствительный фотоприемник, формирующий видеосигнал, содержащий видеокадры, в соответствии с изобретением и в отличие от прототипа между объективом и поверхностью жидкости установлено зеркало с круглым окном, центр которого лежит на оптической оси объектива, зеркало закреплено под углом к основанию сосуда так, чтобы изображения источника света в видеокадре, отраженные от зеркала и жидкости, не накладывались друг на друга во всем диапазоне измерений.

Изобретение поясняется представленной на чертеже схемой, содержащей сосуд 1 с жидкостью 2, над которой установлены объектив 3, светоделительный элемент 4 (призма-куб), источник света 5, позиционно-чувствительный фотоприемник 6 (ПЗС-матрица), зеркало 7 с круглым окном 8 и видеокадр 9 с изображением источника света 10, отраженным от жидкости, и с изображением источника света 11, отраженным от зеркала.

Видеонаклономер работает следующим образом.

Основание сосуда 1 с жидкостью 2 устанавливается на контролируемой поверхности, наклон которой относительно горизонтальной плоскости (поверхности жидкости 2) необходимо измерить.

Светоделительный элемент 4 делит оптическую ось объектива 3 на две оси, на одной из которых в фокальной плоскости объектива 3 установлен источник света 5, а на другой - также в фокальной плоскости объектива 3 - позиционно-чувствительный фотоприемник 6.

От объектива 3 на зеркало 7 и сквозь окно 8 на поверхность жидкости 2 направляется параллельный пучок света, содержащий изображение источника света 5. Свет отражается от зеркала 7 и поверхности жидкости 2, попадает в объектив 3 и фокусируется на позиционно-чувствительном фотоприемнике 6, формирующем видеосигнал, содержащий видеокадры 9, в которых наблюдаются два изображения источника света 10 (отраженное от зеркала) и 11 (отраженное от поверхности жидкости).

Зеркало 7 закреплено под углом наклона к основанию видеонаклономера так, что изображение 11 располагается, например, в углу видеокадра 9. При этом оно остается неподвижным, независимо от наклонов основания сосуда с жидкостью.

В исходном состоянии, когда сосуд 1 установлен на горизонтальной поверхности, изображение 10 располагается в центре видеокадра 9.

При наклонах контролируемой поверхности изображение 10 перемещается в видеокадре 9 так, что расстояние между ним и изображением 11 находится в строгой зависимости от искомого угла наклона контролируемой поверхности, что и служит основанием для выполнения измерений.

Измерения осуществляются на основе компьютерной обработки видеосигнала позиционно-чувствительного приемника 6, содержащего изображения 10 и 11. При этом важно, чтобы яркость этих изображений в видеокадре была одинаковой, что обеспечивается выполнением равенства:

где k_З - коэффициент отражения зеркала, k_Ж - коэффициент отражения поверхности жидкости, D_ОБ - диаметр выходного отверстия объектива, D_OK - диаметр окна в зеркале.

Приняв k_З≈1, определим требуемый диаметр окна в зеркале 7:

При изменении пространственного положения оптической оси объектива 3 изображения 10 и 11 в видеокадре синхронно смещаются так, что искомое расстояние между ними остается неизменным, чем и решается поставленная задача.

Преимущество предлагаемого видеоуровнемера в сравнении с прототипом состоит в независимости результатов измерений от стабильности пространственного положения оптической оси объектива 3 и, как следствие, в повышении точности измерений при значительных перепадах температуры.

Источники информации

1. Литвинов Б.А., Лобачев В.М., Воронков Н.Н. Геодезическое инструментоведение. М., "Недра", 1971 г., стр.33.

2. Елисеев С.В. Геодезические инструменты и приборы. М., "Недра", 1973 г., стр.109.

3. Высокоточные угловые измерения./Под ред. Ю.Г.Якушенкова. М.: "Машиностроение", 1987 г., стр.328.

4. Патент RU №2258906 от 20.04.2005. Видеонаклономер.

Видеонаклономер, содержащий сосуд с жидкостью, над которой установлены оптически связанные друг с другом и с поверхностью жидкости объектив, светоделительный элемент, источник света и позиционно-чувствительный фотоприемник, формирующий видеосигнал с видеокадрами, отличающийся тем, что между объективом и поверхностью жидкости установлено зеркало с круглым окном, центр которого лежит на оптической оси объектива, зеркало закреплено под углом к основанию сосуда так, чтобы изображения источника света в видеокадре, отраженные от зеркала и поверхности жидкости, не накладывались друг на друга во всем диапазоне измерений, при этом диаметр окна в зеркале определяется по формуле:
,
где D_ОБ - диаметр выходного отверстия объектива, k_ж - коэффициент отражения поверхности жидкости (k≤1).