Лазерный инклинометр для длительной регистрации угловых наклонов земной поверхности

Авторы патента:

Ляблин Михаил Васильевич (RU)

Будагов Юлиан Арамович (RU)

G01C9/00 - Приборы для измерения уклонов, например с помощью клинометров, нивелиров

G01C1/10 - Измерение расстояний, горизонтов или азимутов; топография, навигация; гироскопические приборы; фотограмметрия (измерение размеров или углов предметов G01B; измерение уровня жидкости G01F; измерение напряженности или направления магнитных полей вообще, кроме магнитного поля Земли, G01R; радионавигация, определение расстояния или скорости, основанное на эффекте распространения радиоволн, например эффекта Доплера, на измерении времени распространения радиоволн; аналогичные системы с использованием другого излучения G01S; оптические системы для этих целей G02B; карты, глобусы G09B)

Владельцы патента RU 2740489:

Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) (RU)

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Оно может быть использовано для прецизионного измерения угловых наклонов земной поверхности в условиях внешней температурной нестабильности окружающей среды. Устройство состоит из неподвижной платформы, закрепленной на скальном грунте, на которой установлена на трех одинаковых позиционерах подвижная платформа. Подвижная и неподвижная платформы размещены на равном расстоянии друг от друга. На подвижной платформе (ПП) закреплены лазер, кювета с жидкостью, фокусирующая линза и позиционно-чувствительное фотоприемное устройство (ПЧФУ) с блоком обработки. При наклоне земной поверхности лазерный луч, отраженный от жидкости, изменяет свое угловое положение, что регистрируется и обрабатывается ПЧФУ и блоком обработки. При изменении внешней температуры возникают нежелательные смещения лазерного луча. При использовании терморезистивных элементов: линзы, фокусирующей лазерный луч на ПЧФУ, параллельное смещение лазерного луча не влияет на положение фокуса, в то время как изменение его углового наклона сохраняется, что исключает влияние параллельного смещения лазерного луча на результаты измерения, одинаковых позиционеров, которые выставляют поверхность ПП в параллельное положение с поверхностью неподвижной платформы, температурные изменения окружающей среды не наклоняют ПП, что делает измерения углов наклона поверхности Земли менее температурно-зависимыми. Технический результат - повышение температурной резистивности измерений угловых наклонов земной поверхности, что позволяет использовать устройство в условиях значительных температурных изменений окружающей среды. 4 ил.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике, а именно к инклинометрам.

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.

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".

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.

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.

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.

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.

Все цитируемые способы температурной стабилизации объема установки ограничены тем, что их использование требует увеличения габаритов устройства, что является дополнительным, не всегда выполнимым условием.

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:

- изменение температуры не изменяет угол наклона инклинометра.

Изобретение решает техническую задачу, а именно, увеличение резистивности измерений устройства к изменениям температуры окружающей среды.

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.

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.

Перечень иллюстраций и чертежей

1. Схема лазерного инклинометра (фиг. 1, приложение 1)

2. Смещение лазерного луча на позиционно-чувствительном фотоприемнике при изменении температуры окружающей среды (фиг. 2, приложение 2)

3. Неизменное положение лазерного луча на позиционно-чувствительном фотоприемнике при изменении температуры с использованием линзы на примере использования призмы (фиг. 3, приложение 2)

4. Расположение инклинометра на комплексе с подвижной и неподвижной платформами с опорами их разного материала (фиг. 4, приложение 3)

На фиг. 1 приложение 1 изображено устройство, в котором

1. Скальный грунт

2. Неподвижная платформа

3. Подвижная платформа

4. Позиционеры

5. Кювета

6. Жидкость в кювете

7. Лазер

8. Линза

9. Позиционно-чувствительное устройство

10. Блок обработки

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.

Изменение температуры окружающей среды, как правило, происходит за длительный промежуток времени день-ночь.

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.

Пояснение к работе терморезистивных элементов

1 Фокусирующая линза

1.1 Работа устройства без применения фокусирующей линзы

На фиг. 2 приложение 2 обозначены новые элементы:

11 - стеклянная призма,

12 обозначение призмы, лазерного луча опоры под ПЧФУ, ПЧФУ при начальной температуре

13 обозначение призмы, лазерного луча, опоры под ПЧФУ, ПЧФУ при изменениях температуры

14 стальная опора для ПЧФУ

15 смещение лазерного луча вследствие изменения температуры.

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.

1.2 Работа устройства с применением фокусирующей линзы

На фиг. 3 приложение 2 обозначены новые элементы

6 - Фокусирующая линза

16 опора под фокусирующую линзу

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.

2. Позиционеры выполненные из одинакового материала и имеющие одинаковые геометрические размеры.

2.1 Работа устройства с разными типами позиционеров.

На фиг. 4 приложение 3 обозначены новые элементы

16 и 17 Опоры позиционера выполненные из разных материалов

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.

Устройство может быт выполнено следующим образом.

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.

Лазерный инклинометр для длительной регистрации угловых наклонов земной поверхности, включающий в себя неподвижную платформу, жестко закрепленную на скальном грунте, подвижную платформу, размещенную на неподвижной платформе при помощи трех позиционеров и которая содержит закрепленное на ней оборудование в виде одномодового стабилизированного лазера, кюветы с вязкой диэлектрической жидкостью, расположенной на пути движения лазерного луча, и позиционно-чувствительного фотоприемного устройства с блоком регистрации, служащих для измерения углового положения отраженного от поверхности жидкости лазерного луча, отличающийся тем, что для увеличения резистивности измерений устройства к изменениям температуры окружающей среды в устройство включена фокусирующая линза, закрепленная на подвижной платформе и служащая для фокусировки лазерного луча на позиционно-чувствительное фотоприемное устройство, при этом используемые позиционеры выполнены из одинакового материала и имеют одинаковые геометрические размеры.

Изобретение относится к средствам калибровки системы управления уклоном. Технический результат заключается в уменьшении ошибок при калибровке угла наклона рабочей машины.

Альтиметрический способ выполнения морской высотометрии с определением уклонения отвесной линии и устройство для его осуществления // 2727584

Группа изобретений относится к области радиотехнических измерений и может быть использована для определения уклонений отвесной линии (УОЛ), уточнения параметров вращения Земли и для решения других геодезических задач на акваториях.

Способ измерения наклона измерительного приемника rtk // 2716360

Предложенное изобретение относится к области техники измерения методом кинематики в реальном времени (RTK), в частности к способу измерения наклона измерительного приемника RTK.

Система инклинометрических измерений осадок насыпей и способ измерений для такой системы // 2714536

Группа изобретений относится к средствам измерения осадок насыпей. Сущность: система измерения осадок насыпей содержит измерительный канал (1а, 1б) из пластиковых труб с помеченными точками измерения, инклинометрический зонд (3), репер (5) и компьютер (8) с программным обеспечением.

Система для определения относительной ориентации устройства к пользователю // 2711387

Изобретение относится к системе для определения ориентации первого устройства относительно пользователя. Система содержит первое устройство, включающее в себя первый блок измерения ориентации, выполненный с возможностью измерения ориентации первого устройства относительно Земли, второе устройство, выполненное с возможностью ношения пользователем на части тела, причем второе устройство включает в себя второй блок измерения ориентации, выполненный с возможностью измерения ориентации второго устройства относительно Земли.

Датчик наклона и вибрации // 2707583

Изобретение может быть использовано в энергетике, строительстве и других отраслях, где необходимо контролировать наклон и вибрацию при малых величинах параметров и малых частотах виброперемещения.

Способ проверки точности измерения компенсации наклона при rtk // 2705514

Предложенное изобретение относится к средствам проверки точности измерения компенсации наклона при RTK (кинематики в реальном времени). Способ проверки точности измерения компенсации наклона при RTK заключается в том, что обеспечивают оборудование RTK с электронным пузырьком и модулем компенсации электронного компаса и выполняют калибровку электронного пузырька и модуля компенсации электронного компаса; устанавливают контрольную точку, размещают конец центрирующего стержня в точке А под углом α наклона и измеряют точки для компенсации наклона в восьми направлениях; непрерывно выполняют наклон на угол α и после каждого наклона измеряют точки для компенсации наклона в восьми направлениях относительно координат точки А, и записывают координаты в виде (Xn, Yn, Hn); вычисляют расхождения измерения компенсации наклона при RTK для получения горизонтального расхождения ΔS и вертикального расхождения ΔН; при этом после получения координат текущей позиции, отображают горизонтальное расхождение ΔS и вертикальное расхождение ΔН, которые изменяются в реальном времени, на интерфейсе измерительного программного обеспечения RTK; рассчитывают и записывают ΔS и ΔН устройством вывода; экспортируют горизонтальное расхождение ΔS и вертикальное расхождение ΔН в раздел измерения компенсации наклона в отчете об измерении, рассчитывают максимальное горизонтальное расхождение ΔSmax и минимальное горизонтальное расхождение ΔSmin оборудования RTK при измерении компенсации наклона при RTK; рассчитывают среднее горизонтальное расхождение ΣΔS и среднее вертикальное расхождение ΣΔH и экспортируют данные и выполняют дисперсионный анализ для вывода статистической диаграммы расхождений.

Система определения уклонений отвесной линии // 2699907

Изобретение относится к области геодезического приборостроения, в частности к системам для определения формы Земли, и предназначено для определения уклонений отвесной линии на подвижном основании.

Способ оценки влияния геомагнитной активности на метрологические характеристики инклинометрического и навигационного оборудования // 2644989

Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для оценки влияния геомагнитной активности на метрологические характеристики инклинометрического и навигационного оборудования в процессах его калибровки, поверки и эксплуатации.

Устройство фильтрации для оценки угловой скорости летательного аппарата // 2615909

Изобретение относится к автоматике и может быть использовано при разработке систем автоматического управления летательными аппаратами. Технический результат – упрощение устройства на основе оценки угловой скорости летательного аппарата в условиях повышенной вибрации.

Мультиспектральное оптико-электронное устройство для автономной мобильной платформы экологического мониторинга // 2739140

Изобретение относится к вычислительной технике, а именно к области подвижных автоматизированных систем видеонаблюдения. Мультиспектральное оптико-электронное устройство, размещенное на автономной мобильной платформе экологического мониторинга, содержит мультиспектральный оптико-электронный датчик, оптико-электронный датчик, лидар, контроллер системы позиционирования, модуль фильтрации, модуль корректировки оценки дальности, модуль уточнения исходного маршрута, модуль формирования мультиспектрального изображения, модуль выделения объектов рабочей сцены, модуль расчета трехмерных координат, блок управления, блок оперативного запоминающего устройства, радиопередающий блок, блок контроллеров двигателей.