УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА
INCLINOMETRE

Устройство относится к области технической физики и может быть использовано для стабилизации положения научно-исследовательских установок, например метрологических установках с длинными лазерными реперными линиями, линейных коллайдеров (ILC, CLIC), больших телескопов и др., а также может являться детектирующим устройством наклона земной поверхности сейсмического и индустриального происхождения.
Известно устройство (аналог) по заявке №74770, опубликованное 01.01.1949 для измерения наклона. Устройство содержит кювету с диэлектрической жидкостью, которая помещена между обкладками двух конденсаторов. Недостаток устройства - низкая чувствительность и высокий уровень шумов.
Известно устройство (аналог) по заявке №2089852, опубликованное 10.09.1997, для измерения наклона относительно горизонта. Устройство содержит источник света, плавающее тело с прикрепленной к нему стеклянной пластиной в виде тонкого стеклянного диска с нанесенной на ней угломерной шкалой и зрительную трубу с окуляром.
Недостаток устройства - низкая чувствительность к измеряемым угловым наклонам, остаточная негоризонтальность плавающего тела, ограничивающая область применения устройства.
Известно устройство (прототип), содержащее источник света, зрительную трубу с окуляром и кювету в виде прозрачного герметичного цилиндра, частично заполненную жидкостью (патент США N 2782675 О се Feb 26 1957).
Недостатки данного устройства заключаются в недостаточной чувствительности, большом уровне шумов, необходимости в визуальном наблюдении отраженного луча света, что ограничивает область его применения.
Задача настоящего изобретения состоит в радикальном поднятии чувствительности и одновременном снижении шумов устройства. Это необходимо как для проведения операций по стабилизации положения лазерного луча в пространстве на большие (более 100 м) расстояния, так и для прецизионной стабилизации положения крупных научно-исследовательских установок (линейные ускорители, телескопические системы большого диаметра и др.) от сейсмических шумов земного и индустриального происхождения.
Поставленная задача решается тем, что в устройстве для измерения угла наклона, включающем в себя источник света, кювету с жидкостью, поверхность которой установлена на пути движения света, регистрирующее устройство отраженного от поверхности жидкости луча света, введено общее для всех элементов основание, источник света выполнен в виде одномодового стабилизированного лазерного источника, кювета заполнена вязкой диэлектрической жидкостью, например масло, с отношением толщины слоя жидкости в кювете к диаметру кюветы в пределах от 0.04 до 0.06, регистрирующее устройство выполнено в виде позиционно чувствительного фотоприемного устройства с блоком регистрации, измеряющее угол наклона основания как изменение положения пятна отраженного от поверхности жидкости лазерного луча на позиционно-чувствительном фотоприемнике.
Общее основание повышает стабильность взаимного расположения элементов устройства. Стабилизированный одномодовый лазерный источник увеличивает чувствительность и точность измерения угла наклона основания в силу симметричного распределения плотности мощности в сечении его пучка, отсутствия шума межмодовых биений, стабилизации мощности излучения, которая увеличивает точность измерения положения на позиционно-чувствительном фотоприемнике. Кювета с вязкой полярной жидкостью (масло) с отношением толщины слоя жидкости к диаметру кюветы от 0,04 до 0,06 обеспечивает стабильное геометрическое положение поверхностного слоя жидкости с отсутствием поверхностных шумовых звуковых волн и отсутствием испарения. Позиционно чувствительное фотоприемное устройство (ПФУ) с регистрирующим электронным устройством (АЦП) и компьютером для записи полученной информации обеспечивает непрерывный мониторинг углового положения поверхности Земли в двух угловых координатах.
На Рис.1 показана схема устройства, где 1 - лазер, 2 - основание, 3 - кювета с жидкостью, 4 - позиционно-чувствительное фотоприемное устройство, 5 - выходящий лазерный луч, 6 - отраженный от поверхности лазерный луч, 7 - смещенный относительно первоначального положения вследствие наклона основания лазерный луч, 8 - положение поверхности жидкости до углового наклона основания, 9 - положение поверхности жидкости после наклона основания. Наклон поверхности жидкости и отраженного лазерного луча показаны относительно основания.
Устройство работает следующим образом. Одномодовый стабилизированный лазерный источник (1) посылает свой луч на поверхность жидкости в кювете (3). Луч, отраженный от поверхности жидкости, регистрируется позиционно-чувствительным устройством (4). Все элементы (1, 3, 4) закреплены на общем основании (2), расположенном на поверхности Земли. Сигнал о положении луча на ПФУ регистрируется аналого-цифровым преобразователем и записывается на компьютер.
При наклоне земной поверхности происходит наклон основания (2). В силу неизменности горизонтального положения жидкости происходит изменение углового положения отраженного лазерного луча (7) на удвоенный угол наклона основания φ=2θ (8, 9) относительно предыдущего положения луча (6), что вызывает смещение пятна лазерного луча на позиционно-чувствительном фотоприемнике, приводящее к линейному относительно угла наклона основания изменению величины регистрируемого сигнала.
В процессе измерения устройство калибруется путем измеряемого наклона основания, что дает возможность представить зарегистрированный сигнал в единицах угла наклона основания.
Полученный сигнал в дальнейшем используется для стабилизации положения как лазерной реперной линии, так и положения прецизионных научно-исследовательских установок.
Также полученный сигнал является дополнительным каналом информации по тектонике Земли. Регистрация сигнала решает задачу прецизионного определения амплитуды и направления поверхностных сейсмических волн в виде периодического наклона земной поверхности. По сути, рассматриваемое устройство является новым типом сейсмографа поверхностных сейсмических волн.