ПОЛЯРИСКОП ШАХТНЫЙ КОМПАКТНЫЙ
COMPACT MINE POLARISCOPE

Изобретение относится к подземной, открытой и строительной геотехнологиям и может быть использовано как устройство для измерения характеристик механических напряжений при недропользовании в массиве пород, в бетонной и тюбинговой крепи горных выработок или тоннелей и метрополитенов, а также в несущих конструкциях мостов и виадуков, в теле высотных, гидротехнических и других ответственных сооружений с задачей оценки и расчета устойчивых параметров объектов.
Полярископы шахтные применяют для определения абсолютных и относительных (во времени) величин главных нормальных напряжений и их составляющих по конкретным направлениям внешних нагрузок в объектах исследования. Метод определения или расчета напряжений заключается в фотофиксации качественных и/или измерении количественных характеристик цветной интерференционной картины в оптически активных материалах, например стекло крон-флинт ГКФ-8 или синтетический каучук уретановый СКУ-10, из которых изготавливают фотоупругие датчики.
Фотоупругие датчики представляют собой круглые диски с зеркальным слоем на задней плоскости и осевым отверстием. Датчики устанавливают на напрягающий цемент в шпурах массива пород, в крепи выработок или в несущих элементах сооружений. Затем прибором измеряют характеристики цветной интерференционной картины, которые обусловлены напряженным состоянием исследуемого объекта [1, 2].
Известны конструкции полярископов шахтных [2, 3], оптические системы которых идентичны и состоят из следующих узлов (рис. 1,а и 1,б): лампа 1; поляроид-поляризатор 2; полупрозрачное зеркало 3; датчик фотоупругий 4 в шпуре или отверстии объекта 5; компенсатор поворотный КПК Берека 6; поляроид-анализатор 7; зрительная трубка, включающая: объектив 8, сетку 9 и окуляр диоптрийный 10; не обозначены линзы и защитные стекла.
Принципиальные отличия данных устройств заключаются в схемах освещения оптической системы, что значительно влияет на качество цветной картины, а также на технологию и стоимость изготовления приборов.
Аналогом изобретения является поляризационный шахтный прибор ПШП-Р (рудничный) [2]. В приборе применена Т-образная схема освещения: свет от лампы 1 проходит поляризатор 2, получает плоскую поляризацию, отражается от зеркала 3 и входит в датчик 4, где отражается от его зеркального покрытия, затем проходит поворотный компенсатор КПК 6, анализатор 7 и поступает в зрительную трубку (рис. 1,а). Из датчика 4 свет выходит в виде двух лучей, поляризованных в направлении действия главных напряжений, причем один из них опаздывает относительно другого. Эта разность хода лучей связана с разностью величин главных напряжений, действующих в объекте и в датчике, в нем установленном. Значения разности хода лучей фиксируют компенсатором 6.
Недостатками прибора ПШП-Р являются:
1. Потери светового потока, т.е. освещенности, контрастности, ухудшение качества интерференционной цветной картины, за счет удлинения и преломления трассы лучей при двойном прохождении через зеркало 3.
2. Усложнение конструкции и технологии сборки прибора из-за необходимости сопряжения двух ортогональных корпусов для установки зеркала 3 точно под углом 45°.
3. Большой вес прибора в комплекте - 11 кг.
Ближайшим прототипом заявляемого изобретения по совокупности существенных признаков является малогабаритный шахтный полярископ ПШ-3 [3]. Прибор собран по У-образной схеме освещения, исключающей зеркало 3. Свет от лампы 1 под острым углом к оптической оси прибора проходит поляризатор 2, входит в датчик 4, отражается от его зеркального покрытия, поступает в анализатор 7 и далее в зрительную трубку (рис. 1,б).
Недостатками прибора ПШ-3 являются:
1. Неопределенная глубина установки датчика 4 в связи с неизвестным значением угла входа света в оптическую схему (x°).
2. Искажение качественных и количественных характеристик информации, а именно потери светового потока, т.е. освещенности, контрастности и значений разности хода лучей за счет того, что свет входит в датчик 4 не по нормали к его плоскости.
3. Отсутствие поворотного компенсатора КПК обуславливает значительную трудоемкость фиксации разности хода поляризованных лучей и цветной интерференционной картины, которые получают в данном случае путем сложных манипуляций с отвесом и четвертьволновыми пластинами, приклеенными к поляроидам 2 и 7 (аналог компенсации по методу Тарди).
4. Сложность изготовления прилива для установки лампы 1.
Целью изобретения является уменьшение потерь светового потока, что позволит: повысить качество фотофиксации и/или измерения характеристик цветной интерференционной картины в фотоупругом датчике и создать компактный шахтный полярископ для изучения напряженного состояния горных и строительных объектов.
Сущность изобретения заключается в следующем.
В полярископе шахтном компактном использована соосная схема освещения оптической системы (рис. 2,а и 2,б). Свет от 4-х миниатюрных ламп (светодиодов) 1, расположенных в рефлекторе унитарного корпуса прибора диаметрально через 90°, параллельными пучками проходит поляризатор 2 и поляризуется. Далее по нормали входит в четыре характерные зоны фотоупругого датчика 4: а, б, в, г (соответственно зоны: I, II, III, IV [1]), отражается от его зеркального покрытия и получает разность хода поляризованных лучей. Затем лучи через отверстие в рефлекторе проходят поворотный компенсатор КПК Берека 6, с помощью которого измеряют величину разности хода в нанометрах. Наконец, лучи поступают в анализатор 7, где окончательно формируется интерференционная картина, фиксируемая визуально или фото- и видеоаппаратурой через зрительную трубку 8, 9 и 10.
Новая совокупность существенных признаков и наличие связей между ними, в частности, за счет применения в полярископе компактном соосной схемы освещения позволяет уменьшить потери светового потока, получить высокое качество интерференционной картины, а также упростить и облегчить конструкцию прибора. Достигают этого путем подачи пучков света от 4-х ламп (светодиодов) параллельно оси оптической системы и по нормали конкретно в четыре характерные зоны фотоупругого датчика, в котором под нагрузкой возникает разность хода поляризованных лучей и изначально формируется цветная интерференционная картина. Лампы устанавливают в унитарном (едином) корпусе совместно с оптической системой прибора, что обеспечивает уменьшение потерь и искажения светового потока за счет его подачи не под острым или прямым углом к оптической оси. Кроме того, отсутствие зеркала, прилива или ортогонального корпуса для установки освещения значительно упрощает и облегчает конструкцию прибора. Вес полярископа компактного составляет 2 кг, в комплекте 4 кг.
Источники информации
1. Инструкция по определению приращения напряжений с помощью фотоупругих датчиков: утв. МЧМ СССР 12.02.1975. - Свердловск: ИГД МЧМ СССР, 1977. - С. 4-7, 44 с.
2. Экспериментальные методы исследования деформаций и напряжений: справочное пособие. - Киев: «Наукова думка», 1981. - С. 446-447, 584 с.
3. Геомеханические системы диагностики и контроля состояния и свойств массива горных пород: сб. научн. тр. / ИГД СОАН СССР. - Новосибирск, 1978. - С. 104-106, 136 с.