Устройство для измерения углов наклона поверхности

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и касается устройства для измерения углов наклона поверхности. Устройство включает в себя закрепленные на платформе одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювету с вязкой диэлектрической жидкостью, расположенную на пути лазерного луча, позиционно-чувствительное фотоприемное устройство с блоком регистрации сигнала, служащие для определения положения лазерного луча отраженного от поверхности жидкости. Кроме того, устройство дополнительно содержит расположенную на пути луча и связанную с платформой плоскопараллельную оптическую пластинку, предназначенную для отражения части лазерного луча, расположенное на платформе второе позиционно-чувствительное фотоприемное устройство с блоком регистрации, служащие для регистрации сигнала углового шумового движения лазерного луча, и блок обработки, служащий для вычитания сигнала углового шумового движения лазерного луча из основного сигнала. Технический результат заключается в повышении чувствительности устройства. 1 ил.

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к инклинометрам.

Оно может быть использовано для регистрации углового положения поверхности Земли с целью изучения микросейсмических явлений в низкочастотной области спектра и также для изучения медленного изменения ландшафта поверхности Земли с целью предсказания землетрясений.

В технике существует множество способов регистрации углового наклона поверхности Земли относительно вектора силы тяжести Земли. Известны: Патент SU 1194125 А Хлобыстов А.В.," Устройство для измерения угла наклона объекта"; Патент РФ 2093791, Орловский государственный технический университет, Есипов, В. Н."Датчик угла отклонения от вертикали"; Патент РФ 2107896, Российский университет дружбы народов, Никитин А.К., "Жидкостный оптический уровень"; Патент РФ №2510488, Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А. Ляблин М. В."Устройство для измерения угла наклона".

В аналогах используется горизонтальная поверхность жидкости и отражение от нее лазерного и (или) ультразвукового луча. Определение углового изменения основания относительно вертикального положения вектора силы тяжести происходит при помощи системы фотоприемников и датчиков ультразвука. Недостатком указанных аналогов является низкая точность измерения углов наклона основания.

В качестве прототипа изобретения выбираем устройство для измерения угла наклона Патент РФ №2510488, Кл. G01C l/10, от 30.05.2012, Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А. Ляблин М. В., "Устройство для измерения угла наклона содержит: основание (платформа) на котором закреплены: оптический одномодовый стабилизированный лазерный источник (лазер), кювета с вязкой диэлектрической жидкостью; позиционно-чувствительное фотоприемное устройство (ПЧФУ); и блок регистрации. При наклоне основания отраженный от поверхности жидкости лазерный луч изменяет свое угловое положение (два угла), что регистрируется ПЧФУ. При этом, в устройстве, для увеличения чувствительности измерения углов наклона поверхности Земли, используется тонкий слой вязкой диэлектрической жидкости в кювете для уменьшения нежелательных искажений ее поверхности.

В цитируемых устройствах и прототипе существует угловой шум луча от светового источника. Известно, что луч от лазера испытывает хаотичные угловые наклоны, которые вызваны тепловым искажением положения зеркал его резонатора. Вполне очевидно, что этот шум присутствует при измерении угла наклона поверхности Земли.

Изобретение направлено на устранение недостатка, присутствующего в аналогах и прототипе (наличие в структуре сигнала шума углового движения лазерного луча), и на повышение чувствительности к регистрации угловых колебаний основания.

Целью изобретения является повышение точности измерения углового положения основания путем уменьшения влияния шума углового движения лазерного луча.

Поставленная цель достигается тем, что устройство содержит: закрепленные на общей платформе одномодовый стабилизированный лазерный источник; кювету с вязкой диэлектрической жидкостью, расположенную на пути лазерного луча; два позиционно-чувствительные фотоприемные устройства с блоками регистрации, блок обработки сигналов; и плоскопараллельную оптическую пластинку, расположенную на пути луча перед его отражением от поверхности жидкости, служащую для отражения части лазерного луча. При этом второе позиционно-чувствительное фотоприемное устройство с блоком регистрации служит для регистрации сигнала углового шумового движения лазерного луча, а в блоке обработки сигнал углового шумового движения лазерного луча вычитается из основного сигнала.

Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:

1) плоскопараллельная оптическая пластинка, расположенная на пути луча, служащая для отражения части лазерного луча на второе ПЧФУ;

2) второе позиционно-чувствительное фотоприемное устройство, служащее для регистрации сигнала углового шумового движения отраженного от пластинки лазерного луча;

3) блок обработки сигналов с двух ФПЧУ, служащий для вычитания сигнала углового шумового движения лазерного луча из основного сигнала.

Указанные выше отличительные признаки служат для достижения цели, а именно, повышения точности измерения углового положения основания путем уменьшения влияния шума углового движения лазерного луча.

На фиг. 1. (приложение) показана схема модифицированного инклинометра.

Устройство содержит:

1 - Лазерный источник

2 - Плоскопараллельную оптическую пластинку

3 - Основное позиционно-чувствительное устройство с блоком регистрации углового положения лазерного луча

4 - Дополнительное второе позиционно-чувствительное фотоприемное устройство с блоком регистрации углового положения лазерного луча

5 – Кювету с вязкой диэлектрической жидкостью

6 - Блок обработки

7 - Платформу.

Устройство работает следующим образом.

Перед отражением луча исходящего из лазерного источника 1, от поверхности жидкости в кювете 5 на пути его следования расположена плоскопараллельная оптическая пластинка 2, связанная с платформой. Отраженный от нее лазерный луч направляется на дополнительное ПЧФУ 4, которое регистрирует хаотичное угловое движение лазерного луча от лазерного источника 1. Прошедший через плоскопараллельную пластинку 2 и отраженный от поверхности жидкости в кювете 5 лазерный луч регистрируется основным ПЧФУ 3. В силу горизонтальности поверхности жидкости в кювете 5 угловые наклоны основания 7 приводит к наклону отраженного от поверхности жидкости лазерного луча, которое регистрируется основным ПЧФУ 3.

Таким образом, сигнал с основного ПЧФУ 3 пропорционален сумме углов наклона основания 7 и углов хаотичного движения лазерного луча от лазерного источника 3. Сигнал с дополнительного ПЧФУ 4 пропорционален только углам наклона хаотичного движения лазерного луча. Вычитая при помощи устройства 6 сигнал дополнительного ПЧФУ 4 из сигнала основного ПЧФУ 3, получаем очищенный от угловых хаотических движений сигнал наклона основания.

Пример конкретного выполнения.

В качестве лазерного источника может быть использован полупроводниковый лазер с выводом лазерного излучения через одномодовое оптическое волокно. В качестве вязкой диэлектрической жидкости применимо вакуумное масло. В качестве дополнительного и основного ПЧФУ могут быть использованы квадрантные фотоприемники. В качестве регистрирующего устройства - амплитудно-цифровой преобразователь. В качестве вычитающего устройства используем, например, компьютер.

Очищенный, таким образом, сигнал уменьшает шум при регистрации наклонов основания, а также расширяет частотный диапазон прецизионной регистрации угловых колебаний основания. Уменьшение шума хаотического движения лазерного луча, на основе работы с опытным образцом, позволяет, убедится в том, что точность измерения увеличилась более чем в 10 раз.

Устройство для измерения углов наклона поверхности, включающее в себя закрепленные на платформе одномодовый стабилизированный лазерный источник; кювету с вязкой диэлектрической жидкостью, расположенную на пути лазерного луча; позиционно-чувствительное фотоприемное устройство с блоком регистрации сигнала, служащие для определения положения лазерного луча, отраженного от поверхности жидкости, отличающееся тем, что с целью повышения точности измерений путем снижения влияния углового шумового движения лазерного луча на пути его следования до отражения от поверхности жидкости в устройство дополнительно введены: плоскопараллельная оптическая пластинка, расположенная на пути луча и связанная с платформой, служащая для отражения части лазерного луча; позиционно-чувствительное фотоприемное устройство с блоком регистрации, расположенные на платформе, служащие для регистрации сигнала углового шумового движения лазерного луча, и блок обработки, служащий для вычитания сигнала углового шумового движения лазерного луча из основного сигнала.