ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ УРОВЕНЬ

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к устройствам для определения пространственного положения объектов, и может быть использовано в геодезии, строительстве, приборостроении для определения положения местной вертикали относительно направления вектора гравитационного поля.
Известен датчик угла наклона [Авторское свидетельство №1408222, кл. G01C 9/18], который содержит источник оптического излучения, расположенный в центре световода, выполненного в виде сферы, передающего поток излучения на оптически прозрачную сферу, примыкающую к внешней поверхности световода и содержащую пузырек газа и оптически поглощающуюся жидкость, сферическую щелевую диафрагму, формирующую узкий по профилю сечения оптический луч, расположенную с внешней стороны оптически прозрачной сферы, и приемники оптического излучения, установленные на внешней поверхности щелевой диафрагмы, обращенные чувствительными поверхностями к источнику оптического излучения.
Описанный аналог отличается значительной конструктивной сложностью, которая заключается в том, что световод, являющийся основой датчика, имеет сферическую форму, от точности выполнения которой зависит и точность собственно датчика. Сочетание источника оптического излучения со световодом так, как это предложено в аналоге (источник разделяет световод на две части) требует высокой степени подгонки их друг к другу, чтобы не нарушить равномерность оптической плотности световода, от которой также зависит точность показаний датчика. Большое количество приемников оптического излучения, расположенных по периферии световода, усложняет не только конструкцию датчика, но и вызывает снижение точности его показаний из-за того, что угловой размер пузырька не может быть меньше углового размера двух смежных приемников оптического излучения, что ограничивает минимальную величину измеряемого угла наклона. К недостаткам аналога следует также отнести и то, что в датчике используется оптически непрозрачная жидкость, которая в сочетании с овальной формой пузырька газа, создает краевой эффект, что требует весьма точной настройки приемников оптического излучения на некую усредненную интенсивность светового излучения, в конечном итоге снижающую точность показаний датчика.
В качестве прототипа предлагаемой полезной модели выбран фотоэлектрический уровень [Авторское свидетельство №1332145, кл. G01C
9/06], как наиболее близкий предлагаемому усовершенствованию по технической сущности и имеющий определенные преимущества перед аналогом, в частности, более простую и технологичную конструкцию. Он содержит оптически прозрачную (стеклянную) ампулу, заполненную непрозрачной жидкостью со светоотражающей поверхностью, и пузырек газа. Симметрично относительно середины ампулы установлены входные коллекторы фотоприемных элементов (светодиодов), охватывающие всю часть ампулы над пузырьком за исключением среднего участка для ввода светового потока, и представляют собой стеклянные пластины, посеребренные с боков. Имеющиеся в уровне световоды соединены с оптическими модуляторами, с помощью которых регулируют пропускание светового потока по световодам. Каждый модулятор выполнен в виде плоского световода из оптического стекла. Слой электрооптического материала, например жидкого кристалла, расположен между прозрачным электродом, нанесенным на светодиод и электродом подложки. Выходные концы световодов соединены с приемным коллектором, который передает световой поток на суммирующий фотодиод. Над входными коллекторами установлен осветитель с отражателем. Для исключения прохождения постороннего света на входные коллекторы, наружная поверхность ампулы покрыта непрозрачным лаком. На корпусе ампулы установлен измерительный узел в виде микросхемы.
Уровень- прототип обладает недостатком, выражающийся в усложненности оптической части конструкции. Так, фотоприемные элементы связаны с входными коллекторами через модуляторы, представляющие собой многослойную систему, и световоды. Кроме того, имеется еще один приемный коллектор, передающий световой поток с входных коллекторов на дополнительный фотодиод. Световой поток передается с источника оптического излучения через светоотражающую поверхность жидкости, находящейся в пределах пузырька с газом. Описанная многозвенная оптическая система обработки сигнала, поступающего с ампулы, требуют и усложненной конструкции измерительного узла и соответствующего алгоритма обработки светового сигнала.
Таким образом, задачей предлагаемого усовершенствования является создание простой и надежной конструкции фотоэлектрического уровня.
Поставленная задача решается за счет того, что в фотоэлектрическом уровне, содержащем оптически прозрачную ампулу, заполненную жидкостью и пузырьком газа, источник оптического излучения, два фотоприемных элемента, установленных симметрично относительно середины ампулы и связанные с
измерительным узлом, и несущий корпус, ампула заполнена оптически прозрачной жидкостью, при этом, источник излучения и фотоприемные элементы установлены на корпусе по разные стороны относительно ампулы. Решению поставленной задачи способствует и то, что между каждым фотоприемным элементом и измерительным узлом введены усилители электрического сигнала.
На чертеже фиг.1 дано схематическое изображение фотоэлектрического уровня (ниже - просто уровень) предлагаемой конструкции.
Предлагаемая конструкция фотоэлектрического уровня содержит несущий корпус 1, выполненный в форме пустотелого короба, в верхней части которого установлен источник 2 оптического излучения. С противоположной стороны, перекрывая сечение корпуса 1, размещена оптически прозрачная (стеклянная) ампула 3, наполненная прозрачной жидкостью 4 и пузырьком газа 5. Под ампулой 3 расположены пара фотоприемных элементов (фотодиодов) 6, которые смонтированы по краям этой ампулы. При этом положение фотодиодов таково, что при нахождении пузырька 5 газа строго по оси симметрии ампулы 3, оба фотодиода получают световой поток от источника 2 через жидкость 4 одинаковой интенсивности. Каждый из фотодиодов 6 связан с измерительным узлом 7, представляющим собой микропроцессор, через усилители 8 электрического сигнала. Для демонстрации работы уровня выбран стенд в виде качающейся платформы 9, связанной шарниром 10 с основанием 11. Привод качания платформы 9 осуществляется с помощью, например, гидроцилиндров 12. Измерительный узел 7 электрически связан с системой управления стенда (на чертеже не показана).
Работает фотоэлектрический уровень следующим образом.
В случае если платформа 9, на которой корпусом 1 представлен уровень, находится не в стабилизированном положении, а за такое принимается положение в случае ее наклона в вертикальной плоскости в ту или иную сторону, пузырек 5 сместится в ампуле 3 в противоположную сторону. При этом он перекроет поток излучения (света) от источника 2 одному из фотодиодов 6, уменьшив таким образом интенсивность излучения на этот фотодиод, в то время как на другой фотодиод интенсивность излучения через прозрачную жидкость 4 возрастет относительно первого. В этом случае на измерительный узел 7 в виде микропроцессора поступят два электрических позиционных сигнала разных величин - полновесный и ослабленный. В микропроцессоре на базе сравнения полученных сигналов вырабатывается сигнал пропорциональный углу наклона платформы 9, который является
командой для системы управления стендом. В последнем, этот сигнал превращается в электрические управляющие импульсы, направленные на золотники гидросистемы, включающей и выключающей гидроцилиндры 12, работа которых позволяет изменять угол наклона платформы в сторону его уменьшения. И так продолжается вплоть до получения сигналов с обоих фотодиодов о том, что они облучены оптическим излучением, прошедшим через ампулу 3, одновременно и в равной пропорции. Конструкция уровня такова, что позволяет регулировать положение ампулы 3 с пузырьком 5 в корпусе 1 путем воздействия на усилители 8. Другими словами, меняя с помощью усилителей 8 интенсивность сигнала, поступающего с фотодиодов на микропроцессор, можно, не прибегая к использованию стороннего уровня, выставить в исходное положение уровень предлагаемой конструкции на платформе 9.
Экспериментальный образец уровня заявляемой конструкции показал в работе высокую надежность и точность, а также экономичность ввиду своей простоты и использования недефицитной элементной базы.