Лазерный инклинометр для длительной регистрации угловых наклонов земной поверхности
LASER INCLINOMETER FOR LONG-TERM RECORDING OF EARTH SURFACE ANGLES

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к инклинометрам.
Оно может быть использовано для регистрации углового положения поверхности Земли с целью прецизионного изучения микросейсмических явлений в низкочастотной области спектра, а также для изучения медленного изменения ландшафта поверхности Земли, для предсказания землетрясений в условиях, соответствующих температурно-стабилизированной при помощи кондиционера исследовательской лаборатории.
В области создания научной аппаратуры для наблюдения наклонов земной поверхности разработаны методы регистрации углового наклона поверхности Земли относительно вектора силы тяжести Земли. Известны: Патент SU 1451541 А1, от 02.01.1987, Жмудь АФ. Тиссен В.М. "Устройство для измерения угла наклона", Патент SU 1059425 А от 07.12.1982, Гриневич Ф.Б., Новик А.Н., Лабузов А.Е., "Устройство для измерения малых углов наклона".
В качестве прототипа изобретения выбирается Патент РФ №2510488, от 30.05.2012, Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А., Ляблин М.В., "Устройство для измерения угла наклона", содержащее основание, на котором закреплены: одномодовый стабилизированный лазер, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью и позиционно-чувствительное фотоприемное устройство (ПЧФУ) с блоком регистрации. При наклоне основания отраженный от поверхности жидкости лазерный луч изменяет свое угловое положение, что регистрируется ПЧФУ. В этом устройстве для увеличения чувствительности измерения угла наклона поверхности Земли используется тонкий слой жидкости для уменьшения нежелательных искажений ее поверхности.
Кроме того известна публикация «А laser sensor of a seismic slope of the Earth surface» Physics of Particles & Nuclei Letters; Jan2013, Vol. 10 Issue 1, p 43-48, 6p. Batusov, V. Budagov, J. Lyablin, M, в которой описана подвижная платформа инклинометра служащая для юстировки отраженного от поверхности жидкости лазерного луча. Платформа содержит непосредственно юстировочное устройство которое позволяет изменять угол наклона всех элементов инклинометра. Это приводит к изменению положения отраженного от поверхности жидкости в кювете лазерного луча на позиционно чувствительном фотоприемнике.
В цитируемых устройствах и прототипе существует сильная зависимость показаний инклинометра от изменения температуры окружающей среды. Это мешает высокоточному измерению угла наклона поверхности Земли в области низких частот (в течение одного дня). Даже незначительное изменение температуры приводит к нежелательному наклону инклинометра.
Известны способы создания температурной стабильности исследовательского оборудования (Патент RU 2630948 С1 от 06.03.2016., «Способ термостабилизации электронной аппаратуры», Патент RU 2240606 С2, от 2002.10.10, «Устройство термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры»). Как правило, для температурной стабилизации используются термостаты, работающие по принципу обратной связи (на изменение температуры включается система охлаждения или обогрева температурно-стабильного объема). Также существуют методы пассивной температурной стабилизации, в которых используется плавление вещества. Известно, что во время плавления вещества его температура не изменяется и это свойство использовано в качестве температурно-стабилизирующего фактора.
Все цитируемые способы температурной стабилизации объема установки ограничены тем, что их использование требует увеличения габаритов устройства, что является дополнительным, не всегда выполнимым условием.
Изобретение направлено на устранение недостатка, присутствующего в аналогах и прототипе (наличие сильной зависимости величины сигнала наклона земной поверхности от температуры окружающей среды), и значит на повышение точности регистрации длительных угловых наклонов поверхности Земли. Для этого применяется методы температурной резистивности в конструкции инклинометра:
- изменение температуры не изменяет угол наклона инклинометра.
Изобретение решает техническую задачу, а именно, увеличение резистивности измерений устройства к изменениям температуры окружающей среды.
Устройство содержит неподвижную платформу, жестко закрепленную на скальном грунте и подвижную платформу. Подвижная платформа установлена на неподвижной платформе при помощи трех позиционеров. На подвижной платформе закреплены: одномодовый стабилизированный лазер, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, фокусирующая линза и позиционно-чувствительное фотоприемное устройство с блоком регистрации. При этом используемые позиционеры выполнены из одинакового материала, и имеют одинаковые геометрические размеры.
Отличительными признаками устройства являются: наличие фокусирующей линзы, закрепленной на подвижной платформе, которая служит для фокусировки лазерного луча, после его отражения от жидкости на позиционно чувствительном фотоприемном устройстве и трех позиционеров, имеющих равные геометрические размеры, выполненные из одинакового материала, которые обеспечивают параллельное положение подвижной платформы относительно неподвижной платформы.
Перечень иллюстраций и чертежей
1. Схема лазерного инклинометра (фиг. 1, приложение 1)
2. Смещение лазерного луча на позиционно-чувствительном фотоприемнике при изменении температуры окружающей среды (фиг. 2, приложение 2)
3. Неизменное положение лазерного луча на позиционно-чувствительном фотоприемнике при изменении температуры с использованием линзы на примере использования призмы (фиг. 3, приложение 2)
4. Расположение инклинометра на комплексе с подвижной и неподвижной платформами с опорами их разного материала (фиг. 4, приложение 3)
На фиг. 1 приложение 1 изображено устройство, в котором
1. Скальный грунт
2. Неподвижная платформа
3. Подвижная платформа
4. Позиционеры
5. Кювета
6. Жидкость в кювете
7. Лазер
8. Линза
9. Позиционно-чувствительное устройство
10. Блок обработки
Устройство работает следующим образом: лазерный лучный луч от одномодового лазерного источника 7 направляется на кювету 5 с вязкой диэлектрической жидкостью и отражается от поверхности жидкости 6. После отражения лазерный луч через линзу 8 фокусируется на позиционно-чувствительное фотооприемное устройство 9. Результаты измерения положения пятна лазерного луча на ПЧФУ 9 поступают в блок обработки 10. При наклоне подвижной платформы 3, которая установлена на неподвижной платформе 2, имеющая жесткое крепление за скальный грунт 1, при помощи трех одинаковых позиционеров 4 производится юстировка пятна лазерного луча на центре ПЧФУ 9. Непосредственно перед началом работы инклинометра позиционеры 4 устанавливаются в положение, обеспечивающее параллельность подвижной 3 и неподвижной платформы 2. При наклоне земной поверхности отраженный от поверхности жидкости лазерный луч изменяет свое угловое положение, что приводит к его смещению на ФПЧУ 9. На ФПЧУ 9 возникает сигнал рассогласования пропорциональный углу наклона поверхности Земли, который регистрируется и анализируется в блоке обработки 10. Зарегистрированный сигнал позволяет судить о наклоне земной поверхности.
Изменение температуры окружающей среды, как правило, происходит за длительный промежуток времени день-ночь.
Использование терморезистивных элементов, а именно, линзы, закрепленной на подвижной платформе и служащей для фокусировки лазерного луча на позиционно-чувствительное фотоприемное устройство, позиционеров, выполненных из одинакового материала и имеющих одинаковые геометрические размеры, обеспечивающие параллельность расположения подвижной платформы относительно неподвижной платформы, позволяют длительную работу инклинометра при изменении температуры окружающей среды.
Пояснение к работе терморезистивных элементов
1 Фокусирующая линза
1.1 Работа устройства без применения фокусирующей линзы
На фиг. 2 приложение 2 обозначены новые элементы:
11 - стеклянная призма,
12 обозначение призмы, лазерного луча опоры под ПЧФУ, ПЧФУ при начальной температуре
13 обозначение призмы, лазерного луча, опоры под ПЧФУ, ПЧФУ при изменениях температуры
14 стальная опора для ПЧФУ
15 смещение лазерного луча вследствие изменения температуры.
На примере использования в устройстве призмы в качестве элемента вводящего и выводящего лазерный луч в кювету проиллюстрируем стабильность работы инклинометра с линзой при изменении температуры окружающей среды. На фиг. 2 приложение 2 показано движение лазерного луча в инклинометре до температурного изменения окружающей среды 12 и после температурного изменения окружающей среды 13 без использования линзы. Как видно в силу разного фокуса температуры окружающей среды. Подобное смещение лазерного луча может быть интерпретировано как недопустимый наклон инклинометра при точных измерениях.
1.2 Работа устройства с применением фокусирующей линзы
На фиг. 3 приложение 2 обозначены новые элементы
6 - Фокусирующая линза
16 опора под фокусирующую линзу
В силу свойства фокусирующей линзы - неизменности положения фокусного пятна при параллельном смещении лазерного луча 13 на линзе 6 относительно предыдущего положения 13.параллельное смещение лазерного луча перед линзой не приводит к смещению ее фокуса Параллельное смещение лазерного луча возникает из разницы изменения высоты одинаковых опор под фотоприемником 14 и линзой 16 и изменения высоты лазерного луча после отражения от призмы при изменении температуры.
2. Позиционеры выполненные из одинакового материала и имеющие одинаковые геометрические размеры.
2.1 Работа устройства с разными типами позиционеров.
На фиг. 4 приложение 3 обозначены новые элементы
16 и 17 Опоры позиционера выполненные из разных материалов
Позиционеры 4 с опорами 16 и 17, которые выполненные из разных материалов имеют разные коэффициенты температурного расширения. При изменении температуры окружающей среды происходит разномасштабное изменение размеров опор 16 и 17 позиционеров 4. Это приводит к наклону подвижной платформы 3 и, соответственно, к нежелательному шуму в инклинометре.
Применение терморезистивных элементов, работающих одновременно: фокусирующей линзы и позиционеров выполненных из одинакового материала и имеющих одинаковые геометрические размеры позволяет проводить измерения с пониженным влиянием измерения температуры окружающей среды температуры на результаты изменений.
Устройство может быт выполнено следующим образом.
Все металлические элементы инклинометра (подвижная и неподвижная платформы опоры для лазерного источника, ФПЧУ и линзы) выполняются из нержавеющей стали. Используется лазерный источник с длиной волны 0.65 мкм и мощностью 5 мВт. В качестве диэлектрической вязкой жидкости используем вакуумное масло. В качестве ФПЧУ используется квадрантный фотоприемник. В качестве блока обработки используется АЦП и компьютер.