RU2740489C1 - Laser inclinometer for long-term recording of earth surface angles - Google Patents
Laser inclinometer for long-term recording of earth surface angles Download PDFInfo
- Publication number
- RU2740489C1 RU2740489C1 RU2020122047A RU2020122047A RU2740489C1 RU 2740489 C1 RU2740489 C1 RU 2740489C1 RU 2020122047 A RU2020122047 A RU 2020122047A RU 2020122047 A RU2020122047 A RU 2020122047A RU 2740489 C1 RU2740489 C1 RU 2740489C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- laser beam
- earth
- fixed
- temperature
- positioners
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C1/00—Measuring angles
- G01C1/08—Sextants
- G01C1/10—Sextants including an artificial horizon
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
- G01C9/00—Measuring inclination, e.g. by clinometers, by levels
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к инклинометрам.The invention relates to instrumentation, namely to inclinometers.
Оно может быть использовано для регистрации углового положения поверхности Земли с целью прецизионного изучения микросейсмических явлений в низкочастотной области спектра, а также для изучения медленного изменения ландшафта поверхности Земли, для предсказания землетрясений в условиях, соответствующих температурно-стабилизированной при помощи кондиционера исследовательской лаборатории.It can be used to register the angular position of the Earth's surface in order to accurately study microseismic phenomena in the low-frequency region of the spectrum, as well as to study the slow change in the landscape of the Earth's surface, to predict earthquakes under conditions corresponding to a temperature-stabilized research laboratory using an air conditioner.
В области создания научной аппаратуры для наблюдения наклонов земной поверхности разработаны методы регистрации углового наклона поверхности Земли относительно вектора силы тяжести Земли. Известны: Патент SU 1451541 А1, от 02.01.1987, Жмудь АФ. Тиссен В.М. "Устройство для измерения угла наклона", Патент SU 1059425 А от 07.12.1982, Гриневич Ф.Б., Новик А.Н., Лабузов А.Е., "Устройство для измерения малых углов наклона".In the field of creating scientific equipment for observing the tilts of the earth's surface, methods have been developed for recording the angular tilt of the earth's surface relative to the earth's gravity vector. Known: Patent SU 1451541 A1, 01/02/1987, Zhmud AF. Thyssen V.M. "Device for measuring the angle of inclination", Patent SU 1059425 A from 07.12.1982, Grinevich FB, Novik AN, Labuzov AE, "Device for measuring small angles of inclination".
В качестве прототипа изобретения выбирается Патент РФ №2510488, от 30.05.2012, Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А., Ляблин М.В., "Устройство для измерения угла наклона", содержащее основание, на котором закреплены: одномодовый стабилизированный лазер, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью и позиционно-чувствительное фотоприемное устройство (ПЧФУ) с блоком регистрации. При наклоне основания отраженный от поверхности жидкости лазерный луч изменяет свое угловое положение, что регистрируется ПЧФУ. В этом устройстве для увеличения чувствительности измерения угла наклона поверхности Земли используется тонкий слой жидкости для уменьшения нежелательных искажений ее поверхности.As a prototype of the invention, RF Patent No. 2510488, dated 05/30/2012, Joint Institute for Nuclear Research, Budagov Yu.A., Lyablin MV, "A device for measuring the angle of inclination" is chosen, containing a base on which are fixed: single-mode stabilized laser , a cuvette with a viscous dielectric liquid and a position-sensitive photodetector (PCHFU) with a registration unit. When the base is tilted, the laser beam reflected from the surface of the liquid changes its angular position, which is recorded by the PFC. This device uses a thin layer of liquid to increase the sensitivity of measuring the angle of inclination of the Earth's surface to reduce unwanted distortion of its surface.
Кроме того известна публикация «А laser sensor of a seismic slope of the Earth surface» Physics of Particles & Nuclei Letters; Jan2013, Vol. 10 Issue 1, p 43-48, 6p. Batusov, V. Budagov, J. Lyablin, M, в которой описана подвижная платформа инклинометра служащая для юстировки отраженного от поверхности жидкости лазерного луча. Платформа содержит непосредственно юстировочное устройство которое позволяет изменять угол наклона всех элементов инклинометра. Это приводит к изменению положения отраженного от поверхности жидкости в кювете лазерного луча на позиционно чувствительном фотоприемнике.Also known is the publication "A laser sensor of a seismic slope of the Earth surface" Physics of Particles & Nuclei Letters; Jan2013, Vol. 10
В цитируемых устройствах и прототипе существует сильная зависимость показаний инклинометра от изменения температуры окружающей среды. Это мешает высокоточному измерению угла наклона поверхности Земли в области низких частот (в течение одного дня). Даже незначительное изменение температуры приводит к нежелательному наклону инклинометра.In the cited devices and prototype, there is a strong dependence of the inclinometer readings on changes in the ambient temperature. This interferes with high-precision measurement of the angle of inclination of the Earth's surface in the low-frequency region (within one day). Even a slight change in temperature will cause the inclinometer to tilt unwantedly.
Известны способы создания температурной стабильности исследовательского оборудования (Патент RU 2630948 С1 от 06.03.2016., «Способ термостабилизации электронной аппаратуры», Патент RU 2240606 С2, от 2002.10.10, «Устройство термостабилизации радиоэлектронной аппаратуры»). Как правило, для температурной стабилизации используются термостаты, работающие по принципу обратной связи (на изменение температуры включается система охлаждения или обогрева температурно-стабильного объема). Также существуют методы пассивной температурной стабилизации, в которых используется плавление вещества. Известно, что во время плавления вещества его температура не изменяется и это свойство использовано в качестве температурно-стабилизирующего фактора.Known methods of creating temperature stability of research equipment (Patent RU 2630948 C1 from 06.03.2016., "Method of thermal stabilization of electronic equipment", Patent RU 2240606 C2, from 2002.10.10, "Device for thermal stabilization of electronic equipment"). As a rule, thermostats operating according to the feedback principle are used for temperature stabilization (the cooling or heating system of a temperature-stable volume is switched on to change the temperature). There are also passive temperature stabilization methods that use material melting. It is known that during the melting of a substance its temperature does not change and this property is used as a temperature-stabilizing factor.
Все цитируемые способы температурной стабилизации объема установки ограничены тем, что их использование требует увеличения габаритов устройства, что является дополнительным, не всегда выполнимым условием.All the cited methods of temperature stabilization of the volume of the installation are limited by the fact that their use requires an increase in the dimensions of the device, which is an additional, not always feasible condition.
Изобретение направлено на устранение недостатка, присутствующего в аналогах и прототипе (наличие сильной зависимости величины сигнала наклона земной поверхности от температуры окружающей среды), и значит на повышение точности регистрации длительных угловых наклонов поверхности Земли. Для этого применяется методы температурной резистивности в конструкции инклинометра:The invention is aimed at eliminating the disadvantage present in the analogs and the prototype (the presence of a strong dependence of the magnitude of the signal of the earth's surface tilt on the ambient temperature), and therefore at improving the accuracy of recording long-term angular tilts of the earth's surface. For this, the methods of temperature resistivity are used in the design of the inclinometer:
- изменение температуры не изменяет угол наклона инклинометра.- temperature change does not change the tilt angle of the inclinometer.
Изобретение решает техническую задачу, а именно, увеличение резистивности измерений устройства к изменениям температуры окружающей среды.The invention solves a technical problem, namely, increasing the resistance of the device measurements to changes in the ambient temperature.
Устройство содержит неподвижную платформу, жестко закрепленную на скальном грунте и подвижную платформу. Подвижная платформа установлена на неподвижной платформе при помощи трех позиционеров. На подвижной платформе закреплены: одномодовый стабилизированный лазер, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, фокусирующая линза и позиционно-чувствительное фотоприемное устройство с блоком регистрации. При этом используемые позиционеры выполнены из одинакового материала, и имеют одинаковые геометрические размеры.The device contains a fixed platform rigidly fixed to rocky ground and a movable platform. The movable platform is mounted on a fixed platform using three positioners. Fixed on a movable platform: a single-mode stabilized laser, a cuvette with a viscous dielectric liquid, a focusing lens, and a position-sensitive photodetector with a registration unit. The used positioners are made of the same material and have the same geometric dimensions.
Отличительными признаками устройства являются: наличие фокусирующей линзы, закрепленной на подвижной платформе, которая служит для фокусировки лазерного луча, после его отражения от жидкости на позиционно чувствительном фотоприемном устройстве и трех позиционеров, имеющих равные геометрические размеры, выполненные из одинакового материала, которые обеспечивают параллельное положение подвижной платформы относительно неподвижной платформы.Distinctive features of the device are: the presence of a focusing lens mounted on a movable platform, which serves to focus the laser beam, after its reflection from the liquid on a position-sensitive photodetector, and three positioners having equal geometric dimensions, made of the same material, which provide a parallel position of the movable platforms relative to a fixed platform.
Перечень иллюстраций и чертежейList of illustrations and drawings
1. Схема лазерного инклинометра (фиг. 1, приложение 1)1. Diagram of the laser inclinometer (Fig. 1, Appendix 1)
2. Смещение лазерного луча на позиционно-чувствительном фотоприемнике при изменении температуры окружающей среды (фиг. 2, приложение 2)2. Displacement of the laser beam on the position-sensitive photodetector when the ambient temperature changes (Fig. 2, Appendix 2)
3. Неизменное положение лазерного луча на позиционно-чувствительном фотоприемнике при изменении температуры с использованием линзы на примере использования призмы (фиг. 3, приложение 2)3. The invariable position of the laser beam on the position-sensitive photodetector when the temperature changes using a lens for the example of using a prism (Fig. 3, Appendix 2)
4. Расположение инклинометра на комплексе с подвижной и неподвижной платформами с опорами их разного материала (фиг. 4, приложение 3)4. Location of the inclinometer on a complex with movable and fixed platforms with supports of different materials (Fig. 4, Appendix 3)
На фиг. 1 приложение 1 изображено устройство, в которомFIG. 1
1. Скальный грунт1. Rocky ground
2. Неподвижная платформа2. Fixed platform
3. Подвижная платформа3. Movable platform
4. Позиционеры4. Positioners
5. Кювета5. Cuvette
6. Жидкость в кювете6. Liquid in the cuvette
7. Лазер7. Laser
8. Линза8. Lens
9. Позиционно-чувствительное устройство9. Position-sensitive device
10. Блок обработки10. Processing unit
Устройство работает следующим образом: лазерный лучный луч от одномодового лазерного источника 7 направляется на кювету 5 с вязкой диэлектрической жидкостью и отражается от поверхности жидкости 6. После отражения лазерный луч через линзу 8 фокусируется на позиционно-чувствительное фотооприемное устройство 9. Результаты измерения положения пятна лазерного луча на ПЧФУ 9 поступают в блок обработки 10. При наклоне подвижной платформы 3, которая установлена на неподвижной платформе 2, имеющая жесткое крепление за скальный грунт 1, при помощи трех одинаковых позиционеров 4 производится юстировка пятна лазерного луча на центре ПЧФУ 9. Непосредственно перед началом работы инклинометра позиционеры 4 устанавливаются в положение, обеспечивающее параллельность подвижной 3 и неподвижной платформы 2. При наклоне земной поверхности отраженный от поверхности жидкости лазерный луч изменяет свое угловое положение, что приводит к его смещению на ФПЧУ 9. На ФПЧУ 9 возникает сигнал рассогласования пропорциональный углу наклона поверхности Земли, который регистрируется и анализируется в блоке обработки 10. Зарегистрированный сигнал позволяет судить о наклоне земной поверхности.The device works as follows: a laser beam from a single-
Изменение температуры окружающей среды, как правило, происходит за длительный промежуток времени день-ночь.The change in ambient temperature, as a rule, occurs over a long period of time day-night.
Использование терморезистивных элементов, а именно, линзы, закрепленной на подвижной платформе и служащей для фокусировки лазерного луча на позиционно-чувствительное фотоприемное устройство, позиционеров, выполненных из одинакового материала и имеющих одинаковые геометрические размеры, обеспечивающие параллельность расположения подвижной платформы относительно неподвижной платформы, позволяют длительную работу инклинометра при изменении температуры окружающей среды.The use of thermoresistive elements, namely, a lens fixed on a movable platform and serving to focus the laser beam on a position-sensitive photodetector, positioners made of the same material and having the same geometric dimensions, ensuring the parallelism of the movable platform relative to the fixed platform, allow long-term operation inclinometer when the ambient temperature changes.
Пояснение к работе терморезистивных элементовExplanation of the operation of thermoresistive elements
1 Фокусирующая линза1 Focusing lens
1.1 Работа устройства без применения фокусирующей линзы1.1 Operation of the device without using a focusing lens
На фиг. 2 приложение 2 обозначены новые элементы:FIG. 2
11 - стеклянная призма,11 - glass prism,
12 обозначение призмы, лазерного луча опоры под ПЧФУ, ПЧФУ при начальной температуре12 designation of the prism, the laser beam of the support under the PChFU, PCHFU at the initial temperature
13 обозначение призмы, лазерного луча, опоры под ПЧФУ, ПЧФУ при изменениях температуры13 designation of a prism, a laser beam, a support for a PChFU, a PChFU with temperature changes
14 стальная опора для ПЧФУ14 steel support for PChFU
15 смещение лазерного луча вследствие изменения температуры.15 displacement of the laser beam due to temperature changes.
На примере использования в устройстве призмы в качестве элемента вводящего и выводящего лазерный луч в кювету проиллюстрируем стабильность работы инклинометра с линзой при изменении температуры окружающей среды. На фиг. 2 приложение 2 показано движение лазерного луча в инклинометре до температурного изменения окружающей среды 12 и после температурного изменения окружающей среды 13 без использования линзы. Как видно в силу разного фокуса температуры окружающей среды. Подобное смещение лазерного луча может быть интерпретировано как недопустимый наклон инклинометра при точных измерениях.Using the example of using a prism in the device as an element for inputting and outputting a laser beam into a cuvette, we will illustrate the stability of the inclinometer with a lens when the ambient temperature changes. FIG. 2
1.2 Работа устройства с применением фокусирующей линзы1.2 Operation of the device using a focusing lens
На фиг. 3 приложение 2 обозначены новые элементыFIG. 3
6 - Фокусирующая линза6 - Focusing lens
16 опора под фокусирующую линзу16 support for focusing lens
В силу свойства фокусирующей линзы - неизменности положения фокусного пятна при параллельном смещении лазерного луча 13 на линзе 6 относительно предыдущего положения 13.параллельное смещение лазерного луча перед линзой не приводит к смещению ее фокуса Параллельное смещение лазерного луча возникает из разницы изменения высоты одинаковых опор под фотоприемником 14 и линзой 16 и изменения высоты лазерного луча после отражения от призмы при изменении температуры.Due to the property of the focusing lens - the invariability of the position of the focal spot with a parallel displacement of the
2. Позиционеры выполненные из одинакового материала и имеющие одинаковые геометрические размеры.2. Positioners made of the same material and having the same geometric dimensions.
2.1 Работа устройства с разными типами позиционеров.2.1 Operation of the device with different types of positioners.
На фиг. 4 приложение 3 обозначены новые элементыFIG. 4
16 и 17 Опоры позиционера выполненные из разных материалов16 and 17 Positioner supports made of different materials
Позиционеры 4 с опорами 16 и 17, которые выполненные из разных материалов имеют разные коэффициенты температурного расширения. При изменении температуры окружающей среды происходит разномасштабное изменение размеров опор 16 и 17 позиционеров 4. Это приводит к наклону подвижной платформы 3 и, соответственно, к нежелательному шуму в инклинометре.
Применение терморезистивных элементов, работающих одновременно: фокусирующей линзы и позиционеров выполненных из одинакового материала и имеющих одинаковые геометрические размеры позволяет проводить измерения с пониженным влиянием измерения температуры окружающей среды температуры на результаты изменений.The use of thermoresistive elements working simultaneously: a focusing lens and positioners made of the same material and having the same geometric dimensions allows measurements with a reduced influence of the ambient temperature measurement on the results of changes.
Устройство может быт выполнено следующим образом.The device can be made as follows.
Все металлические элементы инклинометра (подвижная и неподвижная платформы опоры для лазерного источника, ФПЧУ и линзы) выполняются из нержавеющей стали. Используется лазерный источник с длиной волны 0.65 мкм и мощностью 5 мВт. В качестве диэлектрической вязкой жидкости используем вакуумное масло. В качестве ФПЧУ используется квадрантный фотоприемник. В качестве блока обработки используется АЦП и компьютер.All metal elements of the inclinometer (movable and fixed platforms of the support for the laser source, FPCH and lenses) are made of stainless steel. A laser source with a wavelength of 0.65 μm and a power of 5 mW is used. We use vacuum oil as a viscous dielectric fluid. A quadrant photodetector is used as a PFC. An ADC and a computer are used as a processing unit.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020122047A RU2740489C1 (en) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | Laser inclinometer for long-term recording of earth surface angles |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2020122047A RU2740489C1 (en) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | Laser inclinometer for long-term recording of earth surface angles |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2740489C1 true RU2740489C1 (en) | 2021-01-14 |
Family
ID=74183802
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2020122047A RU2740489C1 (en) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | Laser inclinometer for long-term recording of earth surface angles |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2740489C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2810721C1 (en) * | 2023-05-02 | 2023-12-28 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Device for measuring tilt angle |
Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100547349C (en) * | 2002-06-07 | 2009-10-07 | 莱卡地球系统公开股份有限公司 | Optical clinometer |
RU2401426C1 (en) * | 2009-03-17 | 2010-10-10 | Сергей Вениаминович Пасечник | Inclinometre |
DE102010005967A1 (en) * | 2010-01-28 | 2011-08-18 | Glötzl, Gesellschaft für Baumeßtechnik mbH, 76287 | Inclinometer for monitoring of bottom movements due to hydraulic shear failure in region of excavation of slot, has evaluation unit evaluating properties of reflected and/or scattered light in optical fibers relative to each other |
RU2510488C2 (en) * | 2012-05-30 | 2014-03-27 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Inclinometre |
RU193722U1 (en) * | 2019-06-19 | 2019-11-11 | Акционерное общество "Металкомп" | LASER INCLINOMETER |
-
2020
- 2020-06-29 RU RU2020122047A patent/RU2740489C1/en active
Patent Citations (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN100547349C (en) * | 2002-06-07 | 2009-10-07 | 莱卡地球系统公开股份有限公司 | Optical clinometer |
RU2401426C1 (en) * | 2009-03-17 | 2010-10-10 | Сергей Вениаминович Пасечник | Inclinometre |
DE102010005967A1 (en) * | 2010-01-28 | 2011-08-18 | Glötzl, Gesellschaft für Baumeßtechnik mbH, 76287 | Inclinometer for monitoring of bottom movements due to hydraulic shear failure in region of excavation of slot, has evaluation unit evaluating properties of reflected and/or scattered light in optical fibers relative to each other |
RU2510488C2 (en) * | 2012-05-30 | 2014-03-27 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Inclinometre |
RU193722U1 (en) * | 2019-06-19 | 2019-11-11 | Акционерное общество "Металкомп" | LASER INCLINOMETER |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2810721C1 (en) * | 2023-05-02 | 2023-12-28 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Device for measuring tilt angle |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN111580072B (en) | Surveying instrument and method of calibrating a surveying instrument | |
CN103308008B (en) | The measuring method of element plane degree under a kind of low-temperature condition | |
Ryger et al. | Micromachined force scale for optical power measurement by radiation pressure sensing | |
TW202129278A (en) | Methods for maintaining gap spacing between an optical probe of a probe system and an optical device of a device under test, and probe systems that perform the methods | |
RU2740489C1 (en) | Laser inclinometer for long-term recording of earth surface angles | |
Mallik et al. | Measurement of a 2-meter flat using a pentaprism scanning system | |
Torng et al. | A novel dual-axis optoelectronic level with refraction principle | |
Bruns | An optically referenced inclinometer with sub-microradian repeatability | |
Lassila | MIKES fibre-coupled differential dynamic line scale interferometer | |
Diz-Bugarín et al. | Design of an interferometric system for gauge block calibration | |
Krasnov et al. | A new generation of gravimetric sensors | |
Rommeveaux et al. | First report on a European round robin for slope measuring profilers | |
Matsumoto et al. | Automatic recording laser interferometer for line standards up to 2 m | |
JP3177681B2 (en) | Evaluation device for impact response of force sensor | |
CN110361163A (en) | The device and method of parallel light tube suspension Scanning Detction heavy-caliber optical system | |
RU2810718C1 (en) | Device for measuring the angle of tilt | |
Berutto et al. | Realization and metrological characterization of a compact high-resolution pendulum tiltmeter | |
Binkele et al. | Fast measurement of optical components using a PSD for experimental ray tracing | |
Kirschman et al. | Precision tiltmeter as a reference for slope measuring instruments | |
CN109668525A (en) | High-precision three-dimensional angle measurement method and device based on reflecting grating | |
RU2747047C1 (en) | Laser inclinometer | |
JPH0610247Y2 (en) | Surveyor with centripetal telescope | |
Pearson et al. | Use of a NOM profilometer to measure large aspheric surfaces | |
Šarbort et al. | Tilt angle measurement with a Gaussian-shaped laser beam tracking | |
CN118670304A (en) | Vertical deflection angle detection device and method |