RU193722U1

RU193722U1 - Лазерный инклинометр

Info

Publication number: RU193722U1
Application number: RU2019119005U
Authority: RU
Inventors: Алексей Борисович Чуриков; Василий Васильевич Семенников
Original assignee: Акционерное общество "Металкомп"
Priority date: 2019-06-19
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2019-11-11

Abstract

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к оптическим устройствам для определения углов наклона объектов и может быть использована, например, в строительстве для контроля положения исследуемой плоскости или направляющей контактным способом. Лазерный инклинометр содержит 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, выполненным с кольцевой щелью, размеры которой удовлетворяют условию формирования дифракционной картины Фраунгофера. Блок обработки выполнен с возможностью вычисления углового положения инклинометра на основе дифракционной картины, формируемой при отражении от поверхности жидкости и регистрируемой светочувствительной матрицей. Полезная модель позволяет повысить точность определения углового положения устройства. 5 з.п. ф-лы; 1 ил.

Description

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.

Claims

1. Лазерный инклинометр, содержащий корпус, размещённую внутри него жидкость, источник лазерного излучения, направляемого на поверхность указанной жидкости, двумерную светочувствительную матрицу и блок обработки, отличающийся тем, что источник лазерного излучения снабжён дифрагирующим элементом, выполненным с кольцевой щелью, размеры которой удовлетворяют условию формирования дифракционной картины Фраунгофера, а блок обработки выполнен с возможностью вычисления углового положения инклинометра на основе дифракционной картины, формируемой при отражении от поверхности жидкости и регистрируемой светочувствительной матрицей.

2. Лазерный инклинометр по п.1, отличающийся тем, что дифрагирующий элемент выполнен в виде кольцевой диафрагмы, образованной металлической маской на прозрачной пластине.

3. Лазерный инклинометр по п.1, отличающийся тем, что жидкость представляет собой жидкий металл.

4. Лазерный инклинометр по п.1, отличающийся тем, что корпус выполнен в форме параллелепипеда.

5. Лазерный инклинометр по п.4, отличающийся тем, что источник лазерного излучения расположен таким образом, что выходящий из него пучок параллелен нижней грани корпуса, внутри корпуса размещено полупрозрачное зеркало, направляющее указанный пучок нижней грани и пропускающее отражённый от жидкости пучок к светочувствительной матрице, расположенной на верхней грани.

6. Лазерный инклинометр по п.1, отличающийся тем, что блок обработки выполнен на основе микропроцессора.