RU2810718C1 - Устройство для измерения угла наклона - Google Patents
Устройство для измерения угла наклона Download PDFInfo
- Publication number
- RU2810718C1 RU2810718C1 RU2023116303A RU2023116303A RU2810718C1 RU 2810718 C1 RU2810718 C1 RU 2810718C1 RU 2023116303 A RU2023116303 A RU 2023116303A RU 2023116303 A RU2023116303 A RU 2023116303A RU 2810718 C1 RU2810718 C1 RU 2810718C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- parallel plate
- base
- dielectric liquid
- mirror coating
- viscous dielectric
- Prior art date
Links
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims abstract description 52
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 44
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 42
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 42
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и касается устройства для измерения угла наклона. Устройство включает в себя основание, одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювету с вязкой жидкостью, оптическую плоскопараллельную пластинку с зеркальным покрытием только с одной стороны и фотоприемник с блоком регистрации. Плоскопараллельная пластинка расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости так, что сторона без зеркального покрытия является ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости, и служит для отражений и перенаправлений путей движения лазерных лучей от поверхностей плоскопараллельной пластинки к поверхности вязкой диэлектрической жидкости и обратно. При этом изменение интенсивности возникающих интерферирующих лазерных лучей на фотоприемнике пропорционально наклону основания. Технический результат заключается в повышении точности измерения углового наклона основания устройства за счет уменьшения влияния изменения температуры окружающей среды. 3 ил.
Description
Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к инклинометрам.
Оно может быть использовано для регистрации углового положения поверхности Земли с целью изучения микросейсмических колебаний в низкочастотной области спектра, для изучения медленного изменения ландшафта поверхности Земли с целью прогноза землетрясений, а также для контроля углового положения крупномасштабных физических установок, например, ускорителей коллайдеров элементарных частиц, интерферометрических гравитационных антенн, мостов, путепроводов, тоннелей, высотных зданий.
В технике существует много способов регистрации углового наклона поверхности Земли относительно вектора силы тяжести Земли. Известны: SU 1194125 А Хлобыстов А.В., "Устройство для измерения угла наклона объекта"; Патент РФ 2093791, Орловский государственный технический университет, Есипов, В.Н. "Датчик угла отклонения от вертикали"; Патент РФ 2107896, Российский университет дружбы народов, Никитин А.К., "Жидкостный оптический уровень"; Патент РФ №2510488, Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А., Ляблин М.В. "Устройство для измерения угла наклона".
В аналогах используется горизонтальная поверхность жидкости и отражение от нее лазерного или ультразвукового луча. Определение углового изменения основания относительно вертикального положения вектора силы тяжести происходит при помощи системы фотоприемников и датчиков ультразвука. Недостатком указанных аналогов является низкая точность измерения углов наклона поверхности Земли.
В качестве прототипа изобретения выбрано «Устройство для измерения угла наклона» - Патент РФ №2510488, Кл. G01C 1/10, от 30.05.2012, Объединенный Институт Ядерных Исследований, Будагов Ю.А. Ляблин М.В. Устройство для измерения угла наклона содержит: основание, на котором закреплены оптический одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, позиционно-чувствительное фотоприемное устройство и блок регистрации. При наклоне основания отраженный от поверхности жидкости лазерный луч изменяет угловое положение, что регистрируется позиционно-чувствительным фотоприемным устройством. При этом, в устройстве для увеличения чувствительности используется тонкий слой жидкости с отношением толщины слоя жидкости в кювете к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06, для уменьшения нежелательных искажений ее поверхности.
В цитируемых устройствах и прототипе существует зависимость сигнала от изменения температуры окружающей среды. При изменении температуры окружающей среды вязкая диэлектрическая жидкость в кювете изменяется в объеме, что приводит к смещению отраженного от поверхности жидкости лазерного луча, что в конечном итоге изменяет величину сигнала в устройстве и ухудшает точность измерения угла наклона.
Изобретение направлено на уменьшение влияния изменения температуры окружающей среды и соответственно температуры вязкой диэлектрической жидкости на результат измерения угла наклона основания.
Задачей изобретения является повышение точности измерения углового положения основания путем уменьшения влияния изменения температуры вязкой диэлектрической жидкости в инклинометре. Поставленная задача достигается тем, что устройство для измерения угла наклона, включающее в себя: основание, одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювету с вязкой диэлектрической жидкостью, с отношением толщины слоя жидкости в кювете к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06; поверхность вязкой диэлектрической жидкости, расположена на пути движения лазерного луча, регистрирующее устройство выполнено в виде интерферометрического устройства, состоящего из оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием только с одной стороны и фотоприемника с блоком регистрации; одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью и интерферометрическое устройство жестко закреплены на основании; оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости, и сторона без зеркального покрытия является ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости; оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием служит для отражений и перенаправлений путей движения лазерных лучей от поверхностей оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием к поверхности вязкой диалектической жидкости и обратно, при этом изменение интенсивности возникающих интерферирующих лазерных лучей на фотоприемнике, пропорционально наклону основания.
Отличительными признаками предлагаемого изобретения являются:
- интерферометрическое устройство выполнено в виде плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием только с одной стороны и фотоприемника с блоком регистрации;
- фотоприемник с блоком регистрации служит для регистрации, возникающей в интерферометрическом устройстве интерферирующих лазерных лучей;
- одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью, интерферометрическое устройство жестко закреплены на основании;
- оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости таким образом, чтобы сторона оптической плоскопараллельной пластинки без зеркального покрытия являлась ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости;
- оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием служит для отражений и перенаправлений путей движения лазерных лучей от поверхностей плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием к поверхности вязкой диалектической жидкости и обратно.
Перечень иллюстраций:
На Фиг. 1 Приложение 1 представлена схема работы устройства для измерения угла наклона.
На Фиг. 2 Приложение 1 представлена схема работы устройства при изменении температуры окружающей среды.
На Фиг. 3. Приложение 2 представлено изменения длины оптического пути между лучами (11, 12) в устройстве при наклоне основания (1).
На Фиг. 1 Приложение 1 показана схема работы устройства для измерения угла наклона, где:
1. основание,
2. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью,
3. одномодовый стабилизированный лазерный источник,
4. оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием,
5. зеркальное покрытие,
6. фотоприемное устройство,
7. блок регистрации,
8. поверхность оптической плоскопараллельной пластинки без зеркального покрытия,
9. поверхность вязкой диэлектрической жидкости,
10. направление луча от одномодового стабилизированного лазерного источника,
11. направление первого лазерного луча (обозначено толстой сплошной линией),
12. направление второго лазерного луча (обозначено тонкой линией),
13. направление интерферирующих лазерных лучей.
На Фиг. 2. Приложение 1 показана схема работы устройства при изменении температуры окружающей среды. (Сплошными линиями обозначено устройство до изменения температуры окружающей среды. Штрихпунктирной линией показано устройство после изменения температуры окружающей среды), где:
1. основание,
2. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью,
3. одномодовый стабилизированный лазерный источник,
4. оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием,
5. зеркальное покрытие,
6. фотоприемник,
7. блок регистрации,
10. направление луча от одномодового стабилизированного лазерного источника,
11. направление первого лазерного луча (обозначено толстой сплошной линией),
12. направление второго лазерного луча (обозначено тонкой сплошной линией),
13. направление интерферирующих лазерных лучей,
14.объем вязкой диэлектрической жидкости в кювете,
15. уровень вязкой диэлектрической жидкости в кювете при изменении температуры окружающей среды,
16. изменение длины первого оптического луча при изменении температуры окружающей среды,
17. изменение длины второго оптического луча при изменении температуры окружающей среды.
На Фиг. 3. Приложение2 представлены изменения длины оптического пути между лучами (11, 12) в устройстве при наклоне основания (1). Сплошными линиями показано устройство до наклона основания. Штрихпунктирной линией показано устройство после наклона основания.
1. основание,
2. кювета с вязкой диэлектрической жидкостью (до и после наклона основания,
3. одномодовый стабилизированный лазерный источник (до и после наклона основания),
4. оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием (до и после наклона основания),
6. фотоприемник (до и после наклона основания),
5. зеркальное покрытие (до и после наклона основания),
7. регистрирующее устройство (до и после наклона основания),
9. поверхность вязкой диэлектрической жидкости,
10. направление луча от одномодового стабилизированного лазерного источника (до и после наклона основания),
11. направление первого лазерного луча до наклона основания (обозначено сплошной толстой линией) (до и после наклона основания),
12. направление второго лазерного луча (обозначено тонкой линией) (до и после наклона основания),
13. интерферирующие лазерные лучи (до и после наклона основания),
18. угол наклона основания,
19. угол смещения первого и второго лазерных лучей (11, 12), отраженных от поверхности вязкой диэлектрической жидкости,
20. толщина плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием,
21. угол отражения лазерного луча от без зеркальной стороны плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием.
Устройство работает следующим образом:
На основании (1) закреплены: кювета с вязкой диэлектрической жидкостью (2), одномодовый стабилизированный лазерный источник (3), оптическая плоскопараллельная пластинка (4) с зеркальным покрытием (5), фотоприемник (6), блок регистрации (7).
Оптическая плоскопараллельная пластинка (4) с зеркальным покрытием (5) с одной стороны и с поверхностью без зеркального покрытия (8) с другой располагается параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости (9) таким образом, чтобы поверхность без зеркального покрытия (8) оптической плоскопараллельной пластинки (4) была бы ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости (9). Лазерный луч (10) от одномодового стабилизированного лазерного источника (3) направляется на поверхность без зеркального покрытия (8) оптической плоскопараллельной пластинки (4) и разделяется на два луча. Первый луч (11), (обозначен сплошной толстой линией) отражается в направлении поверхности вязкой диэлектрической жидкости (4), второй луч (12) (сплошной тонкой линия) проходит через оптическую плоскопараллельную пластинку (4) и отражается от зеркального покрытия (5). Отраженный от зеркального покрытия (5) второй лазерный луч (12) выходит из оптической плоскопараллельной пластинки (4) и направляется на поверхность вязкой диэлектрической жидкости (9). Оба луча (11, 12) отражаются от поверхности вязкой диэлектрической жидкости (9) и направляются в сторону оптической плоскопараллельной пластинки (4). Первый луч (11) проходит через поверхность без зеркального покрытия (8) оптической плоскопараллельной пластинки (4) и снова отражается от зеркальной покрытия (5), затем выходит из оптической плоскопараллельной пластинки (4). Второй луч (12) отражается от поверхности без зеркального покрытия (8) оптической плоскопараллельной пластинки (4) и совпадает с первым лучом (11), образуя интерферирующие лазерные лучи (13). Интерферирующие лазерные лучи (13) направляются на фотоприемник (6). Сигнал с фотоприемника (6) регистрируется блоком регистрации (7).
Доказательство независимости показаний устройства от изменения температуры - Фиг. 2 (Приложение 1).
При изменении температуры окружающей среды происходит изменение объема (14) диэлектрической жидкости в кювете (2) и изменение ее уровня (15) в кювете (2). Измененный уровень жидкости(15) в кювете показан штрихпунктирной линией (15). После изменения температуры окружающей среды лазерные лучи (11, 12) (см.Фиг. 1 Приложения 1) проходят дополнительное расстояние до измененного уровня жидкости (15) в кювете с вязкой диэлектрической жидкостью (2) и отражаются в направлении плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием (4) под теми же углами, что и до изменения температуры. После их отражений от поверхностей плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием (4) лучи (11, 12) совпадают и образуют интерферирующие лазерные лучи (13). При этом, суммарный оптический путь движения лазерных лучей (11, 12) при изменении температуры окружающей среды изменяется на одинаковую длину (16, 17) и, тем самым, не изменяет интерференционную картину. Интерферирующие лазерные лучи (13) направляются на фотоприемник (6). Сигнал с фотоприемника (6) регистрируется блоком регистрации (7).
Определение изменения длины оптического пути между лучами (11, 12) в устройстве при наклоне основания (1) (Фиг. 3. Приложение 2).
При наклоне основания (1) на угол β (18) (на Фиг. 3 Приложение 1 наклонное положение показано штрихпунктирной линией) отраженные от горизонтальной поверхности вязкой диэлектрической жидкости (9) лазерные лучи испытывают угловое смещение 2β (19) относительно наклонного положения. Угол смещения 2β (19) отраженных от поверхности вязкой диэлектрической жидкости лазерных лучей (11, 12) приводит к дополнительному изменению оптической длины первого луча (11) в оптической плоскопараллельной пластинке с зеркальным покрытием относительно второго луча (12), отраженного от без зеркальной поверхности (8). Изменение оптической длины первого луча (11) относительно второго (12) приводит к изменению интенсивности лазерного излучения в интерферирующих лучах (13). Изменение интенсивности интерферирующих лучей (13) регистрируется на фотоприемнике (6). Сигнал с фотоприемника (6) направляется в блок регистрации (7).
Определим величину изменения длины оптического пути первого луча(11) относительно второго (12) от угла наклона основания β (18). На Фиг. 3 Приложение 2 представлена иллюстрация определения изменения длины оптического пути первого луча (11) относительно второго луча (12).
На Фиг. 3 Приложение 2 при наклоне основании (1) на угол β (18) показан процесс изменения длины первого лазерного луча (11), относительно второго (12). При этом, на основании (1) закреплены: кювета с вязкой диэлектрической жидкостью (2), одномодовый стабилизированный лазерный источник (3), оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием (4), фотоприемное устройство (6). Наклонное положение установки и направления лазерных лучей (10, 11, 12, 13) показаны штрихпунктирными линиями). Направления лазерных лучей (10, 11, 12, 13) представлены в разделе «схема работы устройства для измерения угла наклона» (см. Фиг. 1 Приложение 1).
При толщине плоскопараллельной пластинки d (20), угле отражения лазерного луча от плоскопараллельной пластинки θ (21) и угле наклона 2β (19) лазерных лучей вследствие наклона основания(1) на угол β (18), величина изменения оптического длины ΔL первого лазерного луча (11) относительно второго (12) определяется из формулы
где n - показатель преломления стекла оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием (4).
Например, при угле θ=30°, d=3 мм, β=1 мкрад, n=1.5 получим ΔL=2.1⋅10-9 м. Такое изменение оптической длины ΔL приводит к изменению мощности интерферирующих лучей на 8%. Такое изменение мощности интерферирующих лучей при наклоне основания на угол 10-6 рад устойчиво регистрируется фотоприемником (6) с блоком регистрации (7).
Пример конкретного выполнения
В качестве:
- одномодового лазерного источника используется полупроводниковый одномодовый лазер;
- плоскопараллельной пластинки с зеркальным отражающим слоем используется плоскопараллельная пластинка с односторонним зеркальным покрытием, (промышленно выпускаемый оптический элемент);
- вязкой диэлектрической жидкости применяется вакуумное масло;
- фотоприемника используется кремниевый фотодиод;
- регистрирующего устройства используется амплитудно-цифровой преобразователь и компьютер.
Уменьшение шума регистрации, вызванное температурными изменениями, позволяет повысить точность измерения в низкочастотной области спектра угловых наклонов поверхности Земли более чем в 10 раз. Указанное выше качество позволяет использовать устройство для длительных измерений угла наклона поверхности Земли, в частности для прогноза землетрясений.
Claims (1)
- Устройство для измерения угла наклона, включающее в себя: основание, одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювету с вязкой диэлектрической жидкостью, с отношением толщины слоя жидкости в кювете к ее диаметру в пределах от 0.04 до 0.06, поверхность вязкой диэлектрической жидкости расположена на пути движения лазерного луча, регистрирующее устройство, отличающееся тем, что регистрирующее устройство выполнено в виде интерферометрического устройства, состоящего из оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием только с одной стороны и фотоприемника с блоком регистрации; одномодовый стабилизированный лазерный источник, кювета с вязкой диэлектрической жидкостью и интерферометрическое устройство жестко закреплены на основании; оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием расположена параллельно поверхности вязкой диэлектрической жидкости, и сторона без зеркального покрытия является ближней к поверхности вязкой диэлектрической жидкости; оптическая плоскопараллельная пластинка с зеркальным покрытием служит для отражений и перенаправлений путей движения лазерных лучей от поверхностей оптической плоскопараллельной пластинки с зеркальным покрытием к поверхности вязкой диэлектрической жидкости и обратно, при этом изменение интенсивности возникающих интерферирующих лазерных лучей на фотоприемнике пропорционально наклону основания.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2810718C1 true RU2810718C1 (ru) | 2023-12-28 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006047093A (ja) * | 2004-08-04 | 2006-02-16 | Mitsutoyo Corp | 傾斜角度測定装置 |
| US7719690B2 (en) * | 2004-12-23 | 2010-05-18 | Baker Hughes Incorporated | Optical inclination sensor |
| RU2510488C2 (ru) * | 2012-05-30 | 2014-03-27 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Устройство для измерения угла наклона |
| RU2734451C1 (ru) * | 2020-02-11 | 2020-10-16 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Устройство для измерения углов наклона поверхности |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006047093A (ja) * | 2004-08-04 | 2006-02-16 | Mitsutoyo Corp | 傾斜角度測定装置 |
| US7719690B2 (en) * | 2004-12-23 | 2010-05-18 | Baker Hughes Incorporated | Optical inclination sensor |
| RU2510488C2 (ru) * | 2012-05-30 | 2014-03-27 | Объединенный Институт Ядерных Исследований | Устройство для измерения угла наклона |
| RU2734451C1 (ru) * | 2020-02-11 | 2020-10-16 | Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи) | Устройство для измерения углов наклона поверхности |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5461914A (en) | Optical fiber gravity meter | |
| US9441964B2 (en) | Inclinometer | |
| CN110132160B (zh) | 一种采用光纤光源的桥梁挠度测量方法 | |
| RU2810718C1 (ru) | Устройство для измерения угла наклона | |
| Torng et al. | A novel dual-axis optoelectronic level with refraction principle | |
| RU2510488C2 (ru) | Устройство для измерения угла наклона | |
| Larichev et al. | An autocollimation null detector: development and use in dynamic goniometry | |
| RU2810721C1 (ru) | Устройство для измерения угла наклона | |
| Budagov et al. | The compact nanoradian precision laser inclinometer—an innovative instrument for the angular microseismic isolation of the interferometric gravitational antennas | |
| RU2734451C1 (ru) | Устройство для измерения углов наклона поверхности | |
| EP4127733B1 (en) | Vibration remote sensor based on speckles tracking, which uses an optical-inertial accelerometer, and method for correcting the vibrational noise of such a sensor | |
| CN108760684A (zh) | 一种测量流体界面性质的传感器 | |
| RU2747047C1 (ru) | Лазерный инклинометр | |
| US3580687A (en) | Survey level | |
| Batusov et al. | Recent advances and perspectives of the high precision laser metrology | |
| RU2663542C1 (ru) | Интерферометр абсолютного гравиметра | |
| Ćmielewski et al. | The use of optoelectronic techniques in studies of relative displacements of rock mass | |
| RU2498356C1 (ru) | Способ выставления вертикали лазерного луча в баллистическом гравиметре и устройство для его осуществления | |
| Matsuya et al. | Design of optical inclinometer composed of a ball lens and viscosity fluid to improve focusing | |
| RU2419071C1 (ru) | Видеонаклономер | |
| RU2258906C2 (ru) | Видеонаклономер | |
| RU2740489C1 (ru) | Лазерный инклинометр для длительной регистрации угловых наклонов земной поверхности | |
| Alekseenko et al. | Measurements of the liquid-film thickness by a fiber-optic probe | |
| Berutto et al. | Realization and metrological characterization of a compact high-resolution pendulum tiltmeter | |
| RU169246U1 (ru) | Устройство для измерения углов наклона бетонного гидротехнического сооружения и его элементов |