ЛАЗЕРНЫЙ ИНКЛИНОМЕТР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим устройствам для определения углов наклона объектов и может быть использована, например, в машиностроении для контроля положения исследуемой плоскости или направляющей контактным способом.
Из уровня техники известно УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА (см. патент РФ 2510488 опубл.10.12.2013)
Устройство включает в себя источник света, кювету с жидкостью, поверхность которой установлена на пути движения света, регистрирующее устройство отраженного от поверхности жидкости луча света. Имеется общее для всех элементов основание, источник света выполнен в виде одномодового стабилизированного лазерного источника, кювета с 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.
Из уровня техники известен лазерный инклинометр, взятый за прототип, содержащий корпус, размещённую внутри него жидкость, источник лазерного излучения, направляемого на поверхность указанной жидкости, двумерную светочувствительную матрицу и блок обработки (см. патент US4332090, кл.G01C9/18, опубл. 01.06.1982). Основным недостатком известного устройства является ограниченная применимость, обусловленная относительно большой ошибкой производимых измерений.
Технической проблемой является устранение указанного недостатка. Технический результат заключается в повышении точности определения углового положения устройства. Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что в лазерном инклинометре, содержащем корпус, размещённую внутри него жидкость, источник лазерного излучения, направляемого на поверхность указанной жидкости, двумерную светочувствительную матрицу и блок обработки, источник лазерного излучения снабжён дифрагирующим элементом, а блок обработки выполнен с возможностью вычисления углового положения инклинометра на основе дифракционной картины, формируемой при прохождении лазерного излучения через дифрагирующий элемент, отражении от поверхности жидкости и регистрируемой светочувствительной матрицей. Дифрагирующий элемент предпочтительно выполнен в виде кольцевой диафрагмы, образованной металлической маской на прозрачной пластине. Жидкость предпочтительно представляет собой жидкий металл, а корпус выполнен в форме параллелепипеда. Источник лазерного излучения предпочтительно расположен таким образом, что выходящий из него пучок параллелен нижней грани корпуса, внутри корпуса размещено полупрозрачное зеркало, направляющее указанный пучок к нижней грани и пропускающее отражённый от жидкости пучок к светочувствительной матрице, расположенной на верхней грани. Блок обработки предпочтительно выполнен на основе микропроцессора.
На чертеже представлен предлагаемый лазерный инклинометр и линии распространения пучков лазерного излучения при его наклоне.
Предлагаемый лазерный инклинометр выполнен в герметичном корпусе 1 в форме параллелепипеда, любая из сторон которого может быть выбрана как опорная при проведении измерений. Внутри корпуса 1 размещена снабжённая датчиком температуры ванна с жидкостью 2, формирующей при любом положении корпуса горизонтальную отражающую поверхность. В качестве жидкости 2 используют жидкий легкоплавкий металл, например, сплав галлия (92 %) и олова (8 %)с температурой плавления 20°С. В корпусе 1 жёстко закреплён источник одномодового лазерного излучения 3, снабжённый оптической системой, дающей слабо расходящийся луч, и расположенный таким образом, что выходящий из него пучок I параллелен нижней грани и направляется к ней с помощью полупрозрачного зеркала 4. Отражённый от жидкости 2 пучок II проходит через зеркало 4 и попадает на светочувствительную матрицу 5, расположенную на верхней грани корпуса 1.
Источник лазерного излучения 3 снабжён дифрагирующим элементом 6 и оптическим фильтром 7. Дифракционная картина, формируемая дифрагирующим элементом 6 при отражении от поверхности жидкости 2, анализируется в подключенном к матрице 5 блоке обработки (позицией не обозначен) на основе микропроцессора, который по полученным данным вычисляет точное угловое положение инклинометра. Результат выводится на экран, расположенный на внешней поверхности корпуса 1 (на чертежах не показано). Источник излучения 3, микрокорнтроллер и экран подключены к блоку питания.
Дифрагирующий элемент 6 выполнен в виде кольцевой диафрагмы, образованной прозрачной пластиной с нанесенным слоем металла (маской), в котором выполнена кольцевая щель размерами, сравнимыми с длиной волны монохромного лазерного излучения, что дает на матрице 5 не изображение щели, а дифракционную картину Фраунгофера. Размеры диафрагмы таковы, что дают несколько дифракционных колец на матрице 5, причем полностью ее заполняющих. Таким образом, относительная яркость каждой точки изображения описывается математически и позволяет проводить анализ изображения с использованием всех пикселей светочувствительной матрицы 5 для повышения точности измерения смещения изображения.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Пучок I одномодового лазерного излучения от источника 3 проходит через кольцевую диафрагму элемента 6 и фильтр 7, после чего попадает на полупрозрачное зеркало 4, отклоняется на 90 градусов и попадает на поверхность жидкого металла 2. Затем, отражаясь обратно (пучок II), проходит через полупрозрачное зеркало 4 и попадает на светочувствительную двумерную матрицу 5.  При отклонении опорной поверхности корпуса 1 от горизонтальной плоскости по любой оси происходит смещение центра изображения на светочувствительной матрице 5. Это происходит из-за того, что жидкий металл 2 представляет собой зеркало, которое всегда расположено строго горизонтально (отклонения от горизонта могут вызываться только влиянием поверхностного натяжения на малом расстоянии от ограничивающих стенок и внешними вибрациями), и, когда возникает наклон инклинометра, угол падения пучка I меняется и изображение на матрице смещается на угол вдвое больше угла падения умноженного на длину пути от зеркала 4 до матрицы 5 (точнее на тангенс угла, но при малых углах они равны). Изображение дифракционной картины на матрице 5 анализируется микропроцессором блока обработки, который на основе него определяет направление и величину наклона устройства. Прибор имеет рабочий диапазон плюс/минус 10 градусов и точность не ниже 0,05 угловых секунды (эквивалентно 0,25 мкм/метр).
Высокая точность измерения достигается за счет того, что измерение отклонения пучка излучения при отражении производится путем анализа смещения изображения на двумерной светочувствительной матрице и при расчете учитываются значения освещенности всех её пикселей. При этом источник одномодового лазерного излучения позволяет дать точное дифракционное изображение без расплывчатости и отклонений распределения яркости от уравнений Фраунгофера. Дополнительный эффект дает то, что дифрагирующий элемент выполнен в виде кольцевой диафрагмы, при этом уменьшается динамический диапазон освещенности матрицы и за счет этого уменьшаются отклонения от расчетной величины освещенности дифракционного изображения из-за нелинейности чувствительности матрицы.