УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА ПОВЕРХНОСТИ
DEVICE FOR MEASUREMENT OF ANGLE OF SLANTED SURFACE

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно, к устройствам для измерения углов наклона плоских и цилиндрических поверхностей и разности углов наклона двух поверхностей, для установки поверхностей под заданным углом к горизонтальной плоскости и может быть использовано в геодезии, строительстве, горном деле.
Известны датчики угла наклона объекта, основанные на поглощении оптического излучения жидкостью. Датчик содержит закрепленную на объекте оптически прозрачную кольцевую ампулу с жидкостью, частично поглощающей оптическое излучение, источник оптического излучения, расположенный в центре ампулы, и приемники оптического излучения. Недостатком таких устройств является чувствительность к перепадам температуры и низкая точность измерений (А.С. СССР №1139966, G01C 9/06; А.С. СССР №1000754, G01C 9/18, 9/02).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому - прототипом - является устройство для измерения наклона поверхности (квадрант), выпускаемое ОАО «Новосибирский приборостроительный завод» (Квадрант оптический КО-10. Паспорт, АЛ 2.787.046 ПС, 2007 г.).
Указанное устройство содержит основание для установки на плоские или цилиндрические поверхности, на котором закреплен корпус, закрытый наружным кожухом, жестко закрепленную в корпусе параллельно основанию ось с установленной на ней втулкой, лимб с круговой равномерной измерительной шкалой, закрепленный в оправе на втулке внутри корпуса, фланец, закрепленный на втулке снаружи корпуса и кожуха, два пузырьковых уровня горизонта, закрепленных на фланце перпендикулярно друг другу, отсчетную круговую шкалу, оцифрованную в угловых единицах и индекс. Втулка выполнена с возможностью ее поворота ручным поворотом фланца и точного поворота механизмом тонкой наводки.
В данном устройстве-прототипе отсчетная круговая шкала размещена на кожухе, индекс нанесен на стекле, закрепленном во фланце, на фланце выполнено стеклянное окно для отсчетной круговой шкалы, круговая измерительная шкала оцифрована в угловых единицах. Кроме того, устройство содержит оптический канал, включающий объектив, светопровод, зеркало, микрометр со шкалой, блок призм и окуляр. Отсчет угла наклона основания устройства относительно горизонтальной плоскости производится после установки продольного уровня путем поворота фланца, на котором он закреплен, в горизонтальное положение. Отсчет производится визуально через окуляр после совмещения поворотом маховичка микрометра штрихов верхнего (перевернутого) и нижнего (прямого) изображения измерительной шкалы лимба. При этом отсчет полного значения угла наклона (градусы, десятки минут, единицы минут, десятки секунд, единицы секунд) производится по положению делений трех шкал (прямого и перевернутого изображений измерительной шкалы лимба и шкалы микрометра) относительно друг друга и штриха неподвижного индекса.
Прототип имеет следующие недостатки. Визуальное снятие показаний через окуляр оптического канала ограничивает точность отсчета. Сложность процедуры отсчета увеличивает время на снятие показаний и вызывает утомляемость при работе с устройством. Точность отсчета зависит от состояния оператора и не является постоянной от измерения к измерению. Кроме того, устройство не позволяет производить автоматическое измерение разности углов наклона двух плоскостей. Для определения разности углов наклона двух плоскостей необходимо провести два независимых измерения и затем вычислить разницу между полученными результатами.
Задачей изобретения является получение следующих технических результатов: повышение точности и повторяемости результатов измерений при одновременном повышении удобства работы, уменьшении времени на проведение измерений за счет снятия показаний устройства с экрана цифрового индикатора и расширение функциональных возможностей устройства путем автоматического измерения разности углов наклона двух плоскостей.
Указанные технические результаты достигаются следующим образом. Предлагаемое устройство для измерения угла наклона поверхности, как и прототип, содержит основание для установки на плоские или цилиндрические поверхности, на котором закреплен корпус, закрытый наружным кожухом, жестко закрепленную в корпусе параллельно основанию ось, с установленной на ней втулкой, лимб с круговой равномерной измерительной шкалой, закрепленный в оправе на втулке внутри корпуса, фланец, закрепленный на втулке снаружи корпуса и кожуха, два пузырьковых уровня горизонта, закрепленных на фланце перпендикулярно друг другу, отсчетную круговую шкалу, оцифрованную в угловых единицах, и индекс, причем втулка выполнена с возможностью ее поворота ручным поворотом фланца и точного поворота механизмом тонкой наводки. В отличие от прототипа в устройстве выполнено следующее: отсчетная круговая шкала размещена на фланце, индекс размещен на кожухе над отсчетной круговой шкалой, на лимбе имеются шкала нулевой метки в виде непериодической последовательности прозрачных штрихов с непрозрачными промежутками и круговая прозрачная зона, а измерительная шкала выполнена в виде последовательности равных по ширине прозрачных штрихов, разделенных равными им по ширине непрозрачными промежутками, при этом устройство дополнительно содержит оптико-электронное устройство, содержащее два диаметрально противоположных относительно оси вращения лимба отсчетных канала, каждый из которых содержит осветитель и нониус, расположенные по одну сторону лимба, а также оптически связанный с ними фотоприемник, расположенный по другую сторону лимба, и интерполятор, входами связанный с выходами фотоприемника, устройство цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов, входами связанное с выходами интерполяторов, цифровой индикатор, входами связанный с выходами устройства цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов, размещенный на корпусе с возможностью его наблюдения через окно в кожухе, кнопку выбора режимов работы и обнуления показаний цифрового индикатора, связанную с другим входом устройства цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов, причем нониусы выполнены в виде пластины, на которой имеется прозрачная зона, размещенная напротив круговой прозрачной зоны лимба, и индикаторные шкалы, четыре из которых размещены напротив измерительной шкалы лимба и имеют прозрачные штрихи и непрозрачные промежутки, равные по ширине штрихам и промежуткам на измерительной шкале лимба, при этом индикаторные шкалы имеют относительные угловые сдвиги в угловых периодах данных шкал, обеспечивающие формирование первой шкалой сигнала +SIN(α×N), второй шкалой сигнала -SIN(α×N), третьей шкалой сигнала +COS(α×N), четвертой шкалой сигнала -COS(α×N)), где α - текущий угол поворота лимба, N - общее количество штрихов измерительной шкалы лимба, пятая шкала размещена на том же расстоянии от оси вращения лимба, что и шкала нулевой метки лимба и имеет аналогичную ей структуру, пятая шкала одного из нониусов оптически связана со шкалой нулевой метки лимба при совмещении нулевого отсчета отсчетной круговой шкалы с индексом, а количество фотодиодов и их размещение в фотоприемнике соответствует количеству и размещению индикаторных шкал и прозрачной зоны нониуса.
Устройство цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов может быть реализовано с использованием контроллеров общего назначения (серии AVR, PIC и др.) или программируемых логических интегральных схем (ПЛИС). Для установки на цилиндрические поверхности в основании выполнен угловой паз. Измерительный лимб и нониусы могут выполняться из твердого прозрачного и непрозрачного материала, преимущественно из стекла. Шкалы могут изготавливаться различными известными методами, например на стекле - методом напыления.
В частном случае реализации устройство цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов дополнительно содержит разъем стандартного USB-интерфейса для подключения к персональному компьютеру. Это позволяет расширить функциональные возможности датчика, а именно осуществлять удаленный доступ к результатам измерения с возможностью еще более удобного их представления на экране компьютера и в случае необходимости автоматизированный сбор и архивирование этих результатов за любой период времени в базе данных компьютера без участия человека.
Пример конкретного выполнения устройства приведен на чертежах.
На фиг.1 представлена схема устройства для измерения угла наклона поверхности. На фиг.2 показано размещение отсчетной круговой шкалы на фланце относительно индекса на кожухе. На фиг.3 представлен измерительный лимб. На фиг.4 показано взаимное расположение шкал и прозрачной зоны нониуса.
На чертежах цифрами обозначены: 1, 12 - нониусы, 2, 11 - конденсоры, 3, 10 - светодиоды, 4 - фланец, 5, 6 - пузырьковые уровни горизонта, 7 - втулка, 8 - ось вращения, 9 - оправа, 13 - лимб, 14, 15 - фотоприемники, 16 - механизм тонкой наводки, 17, 18 - интерполяторы, 19 - устройство цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов, 20 - цифровой индикатор, 21 - разъем USB-интерфейса, 22 - кнопка выбора режимов работы и обнуления показаний цифровых индикаторов, 23 - основание, 24 - отсчетная шкала, 25 - кожух, 26 - индекс, 27 - измерительная шкала, 28 - круговая прозрачная зона, 29 - шкала нулевой метки, 30 - круговой вырез, 31 - прозрачная зона, 32, 33, 34, 35, 36 - индикаторные шкалы.
Устройство для измерения угла наклона поверхности (фиг.1) содержит основание 23, на котором закреплен корпус (на чертеже не показан), закрытый наружным кожухом 25. В корпусе жестко закреплена параллельно основанию 23 ось 8 с установленной на ней втулкой 7. На втулке 7 внутри корпуса закреплен в оправе 9 лимб 13 из стекла, а снаружи корпуса и кожуха 25 закреплен фланец 4. Втулка 7 выполнена с возможностью ее поворота ручным поворотом фланца 4 и точного поворота механизмом тонкой наводки 16. На фланце 4 закреплены отсчетный пузырьковый уровень горизонта 6 и перпендикулярно ему второй пузырьковый уровень горизонта 5.
Устройство для измерении угла наклона поверхности также содержит оптико-электронное устройство, включающее два отсчетных канала, размещенных диаметрально противоположно относительно оси вращения лимба 13, устройство 19 цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов и цифровой индикатор 20. Со входом устройства 19 цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов связана кнопка 22 выбора режимов работы и обнуления показаний цифровых индикаторов 20. Устройство 19 цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов содержит внешний разъем USB-интерфейса 21. Устройство 19 цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов реализовано с использованием контроллера общего назначения ATmega168 серии AVR.
Первый отсчетный канал содержит осветитель, включающий светодиод 3 и конденсор 2, и нониус 1, расположенные по одну сторону лимба 13, оптически связанный с ними фотоприемник 14, расположенный по другую сторону лимба 13, а также интерполятор 17, входами связанный с выходами фотоприемника 14. Второй отсчетный канал содержит осветитель, включающий светодиод 10 и конденсор 11, и нониус 12, расположенные аналогично с одной стороны лимба 13, оптически связанный с ними фотоприемник 15, расположенный по другую сторону лимба 13, и интерполятор 18, входами связанный с выходами фотоприемника 15.
С выходами интерполяторов 17, 18 связаны соответственно входы устройства 19 цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов, с выходами которого связаны соответствующие входы цифрового индикатора 20. Цифровой индикатор 20 размещен на корпусе с возможностью его наблюдения через окно в кожухе 25 (фиг.2).
На фланце 4 (фиг.2) имеется круговая отсчетная шкала 24, оцифрованная в угловых единицах, на кожухе 25 над круговой отсчетной шкалой 24, а именно на оси, проходящей через центр отсчетной шкалы 24 перпендикулярно основанию 23, размещен индекс 26.
На лимбе 13 (фиг.3) выполнены последовательно от внешнего края круговая прозрачная зона 28, круговая равномерная измерительная шкала 27 в виде последовательности прозрачных равных по ширине штрихов, разделенных равными им по ширине непрозрачными промежутками, и шкала 29 нулевой метки в виде непериодической последовательности прозрачных штрихов, разделенных непрозрачными промежутками. Взаимное размещение шкал и зон может быть иным. Наличие кругового выреза 30 в центре лимба 13 позволяет выполнять центровку лимба 13 относительно оси его вращения 8 по специальной центровочной окружности на лимбе 13 (на рисунке не показана), имеющей общий центр с измерительной шкалой 27 лимба, с последующей его фиксацией в оправе 9.
Нониусы 1, 12 (фиг.4) выполнены в виде стеклянной пластины, на которой имеется прозрачная зона 31 и пять индикаторных шкал 32, 33, 34, 35, 36.
Нониусы 1, 12 установлены так, что прозрачная зона 31 размещена напротив круговой прозрачной зоны 28 лимба 13 на том же расстоянии от оси вращения лимба, что и круговая прозрачная зона 28 лимба 13, четыре индикаторные шкалы 32, 33, 34, 35 размещены в два ряда напротив измерительной шкалы 27 лимба 13, шкала 36 размещена на том же расстоянии от оси вращения лимба 13, что и шкала 29 нулевой метки лимба 13. Шкала 36 нониуса 1 оптически связана со шкалой нулевой метки 29 лимба 13 при совмещении нулевого отсчета отсчетной шкалы 24 с индексом 26.
Шкалы 32, 33, 34, 35 нониусов 1, 12 содержат чередующиеся прозрачные, равные по ширине штрихи с непрозрачными промежутками. Периоды указанных шкал нониусов 1, 12 и измерительной шкалы 27 лимба 13 равны. Шкала 36 нониусов 1, 12 имеет структуру, аналогичную структуре шкалы 29 нулевой метки лимба 13.
Шкалы 32, 33, 34, 35 имеют относительные угловые сдвиги начальных штрихов данных шкал, обеспечивающие формирование шкалой 32 сигнала +SIN(α×N), шкалой 35 - сигнала -SIN(α×N), шкалой 34 - сигнала +COS(α×N), шкалой 33 - сигнала -COS(α×N)), где α - текущий угол поворота лимба 13, N - общее количество штрихов измерительной шкалы 27 лимба 13. Шкалы 32, 33, 34, 35 могут иметь иное взаимное размещение с угловыми сдвигами, обеспечивающими формирование вышеуказанных сигналов.
Радиальная длина штрихов измерительной шкалы 27 лимба 13 выбрана такой, чтобы ее штрихи перекрывали шкалы 32, 33, 34, 35 нониусов 1, 12, но не попадали в зону шкалы нулевой метки 36 и прозрачной зоны 31 нониусов 1, 12.
Количество фотодиодов и их размещение в фотоприемниках 14, 15 соответствует количеству и размещению индикаторных шкал 32, 33, 34, 35, 36 и прозрачной зоны 31 соответственно нониусов 1, 12. В данном устройстве фотоприемники 14, 15 содержат по 6 фотодиодов.
Устройство для измерения угла наклона поверхности работает следующим образом. Устройство устанавливают основанием 23 на контролируемую плоскую или цилиндрическую поверхность и поворачивают на основании так, чтобы пузырьковый уровень горизонта 5 был расположен горизонтально.
Перед началом измерений после подачи питания на устройство устанавливают отсчетную шкалу 24 в нулевое положение относительно индекса 26 на кожухе 25, для чего ручным поворотом фланца 4 относительно оси 8 устанавливают отсчетную шкалу 24 относительно индекса 26 в положение «0» и механизмом тонкой наводки 16 поворачивают втулку 7 с лимбом 13 до установления показаний «0» во всех разрядах цифрового индикатора 20.
Излучение светодиодов 3, 10 проходит через прозрачную зону 31 и прозрачные штрихи шкал 32-36 нониусов 1, 12, а также через прозрачную зону 28 и прозрачные штрихи измерительной шкалы 27 лимба 13 и регистрируется соответствующими фотодиодами фотоприемников 14, 15.
Показания «0» на цифровом индикаторе 20 при повороте лимба 13 регистрируются один раз за оборот лимба 13 при установлении шкалы нулевой метки 29 лимба 13 напротив шкалы 36 нониуса 1 и возникновении максимальной оптической связи между ними. При этом на соответствующем фотодиоде фотоприемника 14 формируется короткий импульс нулевой метки. На фотодиоде фотоприемника 14, расположенном напротив прозрачной зоны 31 нониуса 1, при любом положении лимба 13 создается необходимое опорное напряжение, выводящее сигнал фотодиода, формирующего импульс нулевой метки, из области насыщения.
Затем поворачивают фланец 4 вручную и механизмом тонкой наводки 16 до выставления отсчетного пузырькового уровня горизонта 6 в горизонтальное положение: пузырек выставляют в среднее положение с точностью половины деления отсчетного пузырькового уровня горизонта 6.
При этом в процессе поворота лимба 13 изменяется по гармоническим законам освещенность фотодиодов фотоприемников 14, 15, соответствующих шкалам 32-35, вследствие чего эти фотодиоды формируют сигналы +SIN(α×N), -SIN(α×N), +COS(α×N) и -COS(α×N)). Изменение освещенности фотодиодов по гармоническим законам SIN(α×N) и COS(α×N), при вращении измерительного лимба 13 достигается соответствующим подбором величины зазора между нониусами 1, 12 и лимбом 13. Фотодиоды, формирующие сигналы +SIN(α×N) и -SIN(α×N), включены встречно-параллельно, формируя на выходах фотоприемников 14, 15 суммарный сигнал SIN(α×N). Так же включены и фотодиоды, формирующие сигналы +COS(α×N) и -COS(α×N), создавая на выходах фотоприемников 14, 15 суммарный сигнал COS(α×N). Один период сигналов SIN(α×N) и COS(α×N) соответствует повороту лимба 13 на один период штрихов его измерительной шкалы 27. При этом относительный фазовый сдвиг между сигналами SIN(α×N) и COS(α×N) (+90° или -90°) определяется направлением вращения лимба 13.
Далее, сигналы SIN(α×N) и COS(α×N) с фотоприемников 14, 15 поступают на входы соответствующих интерполяторов 17, 18, каждый из которых формирует на своих выходах две последовательности прямоугольных (со скважностью 2) импульсов А и В, сдвинутые относительно друг друга на четверть их периода в ту или другую сторону в зависимости от разности фаз входных сигналов SIN(α×N) и COS(α×N), (+90° или -90°), т.е. в зависимости от направления вращения измерительного лимба 13, и имеющие период в K раз меньший (значение K может составить от единиц до тысяч, в зависимости от выбора коэффициента интерполяции), чем период входных сигналов SIN(α×N) и COS(α×N). Это позволяет многократно уменьшать дискретность отсчета угла. В то же время использование измерительной шкалы 27, не содержащей нумерацию, позволяет выполнить шкалу 27 с лучшим угловым разрешением, т.к. по сравнению с прототипом отсутствует необходимость нумерации штрихов для визуального снятия отсчета по шкале.
Импульсы с интерполяторов 17, 18 поступают на соответствующие входы устройства 19 цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов, где производится сначала независимое накопление показаний от каждого из двух интерполяторов 17, 18 по каждому фронту импульсов последовательностей A и B в сторону увеличения или уменьшения в зависимости от знака сдвига между последовательностями A и B. Далее устройство 19 цифровой обработки и усреднения данных отсчетных каналов производит операцию автоматического усреднения этих данных и выдачу усредненного результата на цифровой индикатор 20 в формате «градусы, минуты, секунды». Если измеренный угол наклона отрицательный, показания высвечиваются на цифровом индикаторе 20 со знаком «минус».
Возможна выдача результата измерений через разъем USB-интерфейса 21 по запросу от внешнего компьютера. Через этот же разъем компьютером передаются команды, задающие режим работы устройства (аппаратное обнуление показаний цифрового индикатора 20 по импульсу нулевой метки, или выключение реакции на этот импульс с обнулением в произвольном положении лимба 13 по кнопке 22, или по специальной команде обнуления от компьютера через разъем USB-интерфейса 21) и информация о состоянии устройства. Кроме того, сама кнопка 22 позволяет выбрать режимы работы между обнулением показаний цифрового индикатора 20 по импульсу нулевой метки, или выключением реакции на этот импульс с обнулением в произвольном положении лимба 13 по самой кнопке 22, или по команде обнуления от компьютера. В предложенном устройстве кнопка 22 выполняет функцию обнуления показаний цифрового индикатора 20 при коротком нажатии на нее, а функцию переключения режимов - при длинном нажатии.
Оснащение устройства оптико-электронным блоком, позволяющим снимать показания либо с цифрового индикатора 20, либо с экрана внешнего компьютера, значительно повышает удобство работы с устройством, сокращает время на снятие показаний, повышает точность измерения и повторяемость результатов измерения за счет исключения влияния состояния оператора. Использование в отсчетных системах интерполяторов 17, 18 позволяет применить измерительную шкалу 27 лимба 13 с большим периодом штрихов с сохранением дискретности отсчета угла, что значительно упрощает технологию изготовления лимба 13. С другой стороны, при использовании измерительной шкалы 27 с тем же периодом штрихов будет достигнута гораздо меньшая дискретность отсчета угла.
Наличие кнопки 22 и возможность обнуления показаний цифрового индикатора 20 при произвольном положении лимба 13 позволяет, обнулив показания цифрового индикатора 20 при установке устройства на одной плоскости, после его установки на другую контролируемую плоскость, сразу получить на цифровом индикаторе 20 разницу углов наклона этих плоскостей с учетом знака разницы углов. Такую же задачу можно решить при подключении через разъем USB-интерфейса 21 внешнего компьютера, передавая от него команду обнуления.
В предлагаемом устройстве наличие второй, диаметрально противоположной относительно первой отсчетной системы и последующее автоматическое усреднение данных обеих отсчетных систем обеспечивает существенное повышение точности измерения за счет компенсации второй отсчетной системой ошибок первой отсчетной системы, вызванных несоосностью установки измерительной шкалы 27 лимба 13. Соответственно, это позволило упростить юстировку оптической схемы при изготовлении устройства за счет менее жестких требований к ее качеству, в частности требований к соосности размещения измерительной шкалы 27 лимба 13 относительно оси его вращения 8, при сохранении уровня точности измерения. За счет того что каждая из двух отсчетных систем выполнена компактно и имеет оптическую связь с небольшой областью лимба 13, влияние несоосности размещения измерительной шкалы 27 лимба 13 относительно оси его вращения 8, на сохранение постоянной разности фаз между сигналами SIN(α×N) и COS(α×N) отсчетных систем при вращении лимба 13 практически отсутствует, что приводит к отсутствию ошибок интерполяции в каждой отсчетной системе и, следовательно, повышает точность отсчета в пределах углов, соответствующих одному периоду штрихов измерительной шкалы 27.
По предложенному техническому решению изготовлен опытный образец устройства, который продемонстрировал вышеуказанные преимущества перед устройством-прототипом.
Таким образом, по сравнению с прототипом предлагаемое изобретение позволяет повысить точность и повторяемость результатов измерений при одновременном повышении удобства работы с ним, уменьшить время на проведение измерений за счет снятия показаний устройства с экрана цифрового индикатора и расширить функциональные возможности устройства путем автоматического измерения разности углов наклона двух плоскостей.