ЛАЗЕРНЫЙ ИНКЛИНОМЕТР
LASER INCLINOMETER

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно, к инклинометрам.
Оно может быть использовано для регистрации углового положения объектов на поверхности Земли с целью прецизионного изучения микросейсмических явлений в малогабаритных условиях, в частности, это устройство предназначено для мониторинга углового положения крупномасштабных строений (высотные здания, мосты, путепроводы, тоннели и др.).
Известны устройства для регистрации углов наклона объектов на поверхности Земли относительно вектора силы тяжести Земли: Патент RU 2107896 С1 от 27.03.1998, Кл. C1 G01C 9/20, Никитин А.К. Жидкостный оптический уровень; SU 1451541 А1 от 02.01.1987, Кл. G01C 9/12, Жмудь А.Ф., Тиссен В.М. Устройство для измерения угла наклона, SU 1059425 А1 от 07.12.1982, Кл. G01C 9/00, Гриневич Ф.Б., Новик А.Н., Лабузов А.Е. Устройство для измерения малых углов наклона. Перечисленные известные устройства используют принцип горизонтального расположения жидкости.
В качестве прототипа изобретения выбрано устройство для измерения угла наклона (Патент РФ №2510488, Кл. G01C 1/10 от 30.05.2012, Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А., Ляблин М.В. Устройство для измерения угла наклона, состоящее из платформы, на которой закреплены одномодовый стабилизированный лазер, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, расположенная на пути следования лазерного луча, и позиционно-чувствительное фотоприемное устройство (ПЧФУ) с блоком регистрации, измеряющим угол наклона платформы. При наклоне основания отраженный от поверхности жидкости лазерный луч изменяет свое угловое положение, что регистрируется ПЧФУ и обрабатывается блоком регистрации. В этом устройстве для увеличения чувствительности измерения угла наклона поверхности используется тонкий слой жидкости, что уменьшает нежелательные искажения ее поверхности.
В цитируемых устройствах и прототипе не предусмотрены способы компактного расположения элементов инклинометра, обеспечивающие малые габариты устройства с сохранением прецизионности измерения угла наклона поверхности.
Изобретение направлено на уменьшение габарита лазерного инклинометра.
Существенными признаками предполагаемого изобретения являются наличие платформы, на которой закреплены одномодовый стабилизированный по мощности лазер, расположенный таким образом, что путь следования его луча перпендикулярен к поверхности жидкости в кювете; кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, расположенная на пути следования луча от лазера; между лазером и поверхностью жидкости расположен оптический элемент, отклоняющий отраженный от поверхности жидкости лазерный луч; и позиционно-чувствительное фотоприемное устройство, которое выполнено на основе делительных пластинок, с блоком регистрации, измеряющим угол наклона платформы.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:
- лазер расположен так, что путь следования его луча перпендикулярен к поверхности жидкости в кювете. Это позволяет существенно уменьшить поперечные габариты инклинометра;
- применение позиционно-чувствительного фотометрического устройства, выполненного на основе делительных пластинок. Оно позволяет существенно уменьшить путь лазерного луча от поверхности жидкости до ПЧФУ, что приводит к уменьшению поперечных размеров инклинометра;
- между лазером и поверхностью жидкости расположен оптический элемент, отклоняющий отраженный от поверхности жидкости лазерный луч и позволяющий направить его луч на ПЧФУ.
Сочетание указанных признаков позволяет достичь указанной цели - уменьшения габаритов инклинометра.
Перечень иллюстраций:
1. На фиг. 1 (приложение) представлена схема осуществления перпендикулярного расположения лазерного луча по отношению к поверхности жидкости с применением отклоняющего лазерный луч устройства с ПЧФУ и блок обработки.
2. На фиг. 2 (приложение) показано расположение луча, отраженного от поверхности жидкости и направленного на ПЧФУ, выполненное на основе делительной пластинки.
На фиг. 1 (приложение) представлены элементы где:
1. Лазер
2. Путь лазерного луча
3. Элемент, отклоняющий отраженный от поверхности жидкости лазерный луч
4. Путь отраженного от поверхности жидкости лазерного луча
5. Позиционно-чувствительное фотоприемное устройство
6. Пятно от лазерного луча
7. Кювета с жидкостью
8. Поверхность жидкости
9. Платформа
10. Корпус инклинометра
11. Блок обработки
На фиг. 2 (Приложение) представлена схема работы ПЧФУ на основе делительной пластинки где:
12. Линза
13. Делительная пластинка
14. Отражающий слой металла
15. Фотоприемник №1
16. Фотоприемник №2
17. Линия деления лазерного луча
18. Сечение лазерных лучей, падающих на фотоприемники №1 и №2
Работа устройства
1. Установка лазерного луча перпендикулярно поверхности жидкости в инклинометре
Лазерный луч 2 от лазера 1 располагается вертикально по отношению в поверхности жидкости 8 и после прохождения отклоняющего оптического элемента (оптический куб) 3 отражается от поверхности жидкости 8 в кювете 7. Отраженный от поверхности жидкости 8 луч 4 движется вертикально вверх и при помощи оптического куба 3 направляется на ПЧФУ 5 и затем на блок регистрации, определяющий величину смещения пятна 6 лазерного луча 4, возникающее при наклоне основания 9. Все указанные элементы расположены в корпусе инклинометра 10 (для наглядности на Фиг. 1 лазерный луч, отраженный от поверхности жидкости смещен).
Использование вертикального расположения лазерного луча 2 (фиг. 1) позволяет разместить оптические элементы, управляющие лазерным лучом 2 в положение, которое уменьшает поперечные размеры инклинометра.
Вертикальное расположение лазерного луча уменьшает поперечные размеры инклинометра до размеров оптических элементов: ширины лазерного источника 1, отклоняющего элемента 3, габаритных размеров поверхности 8 жидкости в кювете 7. Такое расположение значительно уменьшает габаритные размеры инклинометра.
2. Примененное позиционно-чувствительное фотометрическое устройство выполнено на основе делительных пластинок
В изобретении (G. A. Michelet and J. P. Trenton, Disposif de positionnement automatique d'un faisceau laser, French patent, FR 2 616 555-A1 (15 June 1987)) описано ПЧФУ, в котором в качестве позиционно-чувствительного элемента используются делительные пластинки.
На фиг. 2 показано ПЧФУ на основе делительных пластинок.
Делительная пластинка 13 представляет собой оптическую пластинку с нанесенной на ее поверхность металлической пленкой 14. Линия контакта (ЛК) 17 металлической пленки и стеклянной поверхности - прямая. Это необходимо для деления пятна лазерного луча на две равные части. Лазерный луч 4 после отражения от поверхности жидкости располагается под углом 45° к оптической пластинке 13. При помощи линзы 12 лазерный луч 4 фокусируется на ЛК 17 так, чтобы половина мощности лазерного луча проходила через оптическую пластинку 13 и регистрировалась фотоприемником 16, а вторая отражалась и регистрировалась фотоприемником 15. На Фиг. 2 показаны профили лазерных лучей 18 после деления лазерного луча делительной пластинкой 13.
При смещении пятна лазерного луча в поперечном направлении изменяется освещенность на фотоприемниках 15 и 16, что регистрируется как угол наклона лазерного луча вследствие наклона основания 9.
В ПЧФУ на основе делительных пластинок отсутствуют позиционные шумы, возникающие при фокусировке лазерного луча на фотоприемнике. Эти шумы возникают вследствие позиционной неоднородности коэффициента квантовой эффективности фоточувствительного слоя фотоприемника. Поскольку разделение лазерного луча происходит на делительной пластинке, то позиционные шумы значительно снижены. Все это позволяет уменьшить шумы в инклинометре и увеличить его чувствительность к измерению углов наклона объектов на поверхности Земли.
В этом методе делительных пластинок лазерный луч фокусируется в пятно с меньшим диаметром, чем в других устройствах с ПЧФУ. Это уменьшает длину фокусированного лазерного луча, что в конечном итоге уменьшает габариты инклинометра.
Пример конкретного выполнения
На макете был испытан инклинометр. В качестве лазера использован одномодовый стабилизированный по мощности лазерный источник (диаметр 30 мм, длина 200 мм), в качестве оптического отклоняющего элемента выбран оптический куб с размером грани 25 мм, диаметр поверхности жидкости в кювете равен 50 мм, фокусное расстояние линзы в ПЧФУ на основе делительных пластинок равно 75 мм, диаметр фотоприемников 10 мм. В качестве блока регистрации использовался 24 бит Амплитудно-Цифровой Преобразователь с размерами 80×80×30 мм. Таким образом, габариты инклинометра не превышают размеры 150 мм.
Таким образом, применение вертикального расположения лазерного луча в инклинометре по отношению к поверхности жидкости, оптического элемента, выводящего отраженный лазерный луч от поверхности жидкости, и позиционно-чувствительного фотометрического устройства на основе делительных пластинок многократно уменьшает габариты инклинометра, что расширяет возможности применения инклинометра в ограниченном пространстве.