Способ и устройство измерения угла наклона

Способ и устройство измерения угла наклона

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в системах визуального и электронного дистанционного определения пространственного положения объектов относительно горизонта.

Известны ряд способов и устройств для измерения угла наклона: от простейших уровней - ватерпасов [Доступ: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Уровень (инструмент)], уклономеров, инклинометров, нивелиров, гироинклинометров и т.п. до гибридных микроэлектромеханических гироскопов и акселерометров [Гибридные микроэлектромеханические гироскопы и акселерометры / С.Ф. Коновалов и др. // Наука и образование: Электронное научно-техническое издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. - 2011. - Октябрь. - Эл № ФС 77 - 30569/219257. - Доступ: http://technomag.edu.ru/doc/219257.html].

Датчики (акселерометры или G-сенсоры, гироскопы, магнитометры и др.), построенные по МЭМС-технологиям (МЭМС микроэлектромеханические системы), популярны в смартфонах, девайсах и прочих гаджетах. В них в качестве чувствительного компонента используется инерционное микроразмерное тело, электрически и механически связанное с подложкой, полученные путем микроэлектронных технологий. Такие датчики конструктивно и технологически сложны и имеют высокую стоимость. Являясь неотъемлемой частью микросхемы, они могут использоваться только в составе микропроцессорных и программно-аппаратных средств. Их главным недостатком является отсутствие прямого визуального измерения угла наклона, а многофакторная зависимость параметров не позволяет использовать их в качестве образцовых средств измерений.

Известен способ измерения угла наклона с преобразованием направления и величины наклона по видеорегистрации жидкостной ячейки, реализованный в видеонаклономере [RU 2258906, 27.10.2003], содержащем сосуд с жидкостью, над которой установлены оптически связанные друг с другом источник света, объектив, позиционно-чувствительный фотоприемник и светоделительный элемент, делящий оптическую ось на две оси, на одной из которых в фокальной плоскости объектива установлен источник света, а на другой - позиционно-чувствительный фотоприемник, формирующий видеокадр с видеоизображением источника света.

Известен способ и устройство измерения угла наклона относительно горизонта [SU 1420370, 22.12.1986], заключающийся в том, что устанавливают на объекте пузырьковую ампулу, помещают ее в электрическое поле и по изменению параметра этого поля определяют угол наклона, при этом в ампуле возбуждают импульсное электромагнитное поле бегущей волны, измеряют отраженный сигнал, а определение угла наклона осуществляют по величине или времени прихода отраженного сигнала.

Известны другие жидкостные датчики угла наклона с преобразованием направления и величины наклона в электрический сигнал, основанные: на поглощении оптического излучения жидкостью [SU 1139966, 30.05.1983; SU 1000754, 29.01.1981]; использующие электрические [RU 2178547, 21.12.1999; RU 2441200, 17.03.2014 и RU 2475703, 01.12.2011], магнитные [RU 2440556, 11.10.2010; RU 130389, 10.01.2012] или гидростатические [RU 2506540, 18.07.2012] свойства жидкости.

Указанные жидкостные уровни конструктивно и технологически сложны, многие из них предназначены для измерения отклонений по одной из осей. Для измерения по трем осям координат необходимо расположение датчиков в каждой плоскости, соответствующей оси, что существенно усложняет устройство и схему преобразования сигналов. Главным их недостатком является отсутствие прямого визуального измерения отклонения с одновременным прямым преобразованием направления и величины наклона в электрический сигнал.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ визуального измерения угла наклона, реализованный в обычном ватерпасе - уклономере - жидкостном уровне пузырькового типа, представляющем собой замкнутую капсулу из оптически прозрачного материала в форме вытянутого цилиндра или круглого диска. заполненную жидкостью с пузырьком газа [Ковалев Л.Д. Специальные приборы для измерения линейных и угловых величин: Учеб. Пособие/Л.Д. Ковалев, С.Н. Суровой. Мн.: БИТУ, 2003 г. С. 131, прототип]. Способ состоит в визуальном измерении смещения относительно центра круговой шкалы с радиально-концентрическими (рисками) линиями свободно плавающего по вогнутой поверхности мениска газового пузырька в жидкости, замкнутых в полости осесимметричной дискообразной капсулы при отклонении ее оси симметрии относительно отвесной линии, при этом центр круговой шкалы находится на оси симметрии дискообразной капсулы.

Такими уровнями пузырькового типа, с прямым визуальным измерением, дающим наглядность в определении направления и величины наклона, оснащены измерительные геодезические приборы: от простейшего строительного уровня [Доступ: https://ru.wikipedia.org/wiki/ Уровень (инструмент)] до прецизионных оптических, например «Квадрант» [Квадрант оптический КО-10. Паспорт АЛ 2.787.046 ПС - 2007, ОАО «Новосибирский приборостроительный завод»]; высокотехнологичных тахеометров, 3-D сканеров и других приборов.

Уровни пузырькового типа имеют высокую чувствительность и совместно со штативами служат основой для установления истинной горизонтали или вертикали для оптико-электронных измерительных приборов, кинофотооборудования и т.п. Кроме того, они используются в транспортных средствах и подъемных механизмах, позволяющих визуально мгновенно оценивать информацию о направлении и углах наклона [Креномер пузырьковый КП-1.3. Приборы безопасности грузоподъемных кранов и машин. - Доступ: http://orik1860.narod.m/kren.htm].

Их недостатком является невозможность преобразования направления и величины наклона в электрический сигнал и, как следствие, невозможность использования их в средствах автоматизации измерительного процесса. При этом они имеют ограниченный диапазон измерения угла наклона, а субъективные зрительное восприятие и ракурс увеличивают погрешность измерения.

Заявленное изобретение предназначено для расширения функциональных возможностей уровней пузырькового типа и при его осуществлении могут быть получены следующие технические результаты: создание простых, надежных, стабильных в работе, малогабаритных датчиков малых углов наклона с визуальным измерением и одновременным преобразованием в электрический сигнал направления и величины наклона; а также повышение точности измерения и расширение динамического диапазона измеряемых величин.

Технический результат достигается тем, что в известном способе [Ковалев Л.Д. Специальные приборы для измерения линейных и угловых величин: Учеб. Пособие/Л.Д. Ковалев, С.Н. Суровой. Мн.: БНТУ, 2003 г. С. 131, прототип], визуальное измерение смещения относительно центра круговой шкалы с радиально-концентрическими линиями осуществляется свободно плавающим по вогнутой поверхности оптически прозрачного мениска газовым пузырьком в жидкости, замкнутым в полости осесимметричной дискообразной капсулы при отклонении ее оси симметрии относительно отвесной линии, при этом центр круговой шкалы находится на оси симметрии дискообразной капсулы.

Известные устройства, реализующие данный способ, содержат: газовый пузырек с жидкостью, замкнутый в полости оптически-прозрачной цилиндрической или осесимметричной дискообразной капсулы [Доступ: http://ru.aliexpress.com/popular/bubble-level-accuracy.html]. Последняя состоит из основания и мениска, герметично связанных по периметру между собой. Внешняя сторона мениска выполнена в виде плоской либо выпуклой сферической поверхности, содержащей круговую шкалу, выполненную в виде азимутальной проекции нормальной координатной сетки с концентрическими или радиально-концентрическими линиями. Внутренняя сторона мениска выполнена в виде вогнутой сферической поверхности. Центр круговой шкалы и центры кривизны внешней выпуклой и внутренней вогнутой сферических поверхностей образуют ось симметрии.

Существенные признаки по способу, отличающее изобретение от прототипа, следующие. Одновременно с визуальным измерением смещения свободно плавающего по вогнутой поверхности мениска газового пузырька в жидкости измеряются фототоки от светового пятна пузырька и поляризационные токи от его пространственного положения в полости. Фототоки и поляризационные токи сравниваются между собой, преобразуются в аналоговой или цифровой форме и индицируются в виде направления и величины наклона. При этом сравнение поляризационных и фототоков осуществляется посредствам измерительного четырехплечего одинарного моста, смежные плечи сравнения которого образуют противолежащие по одной из ортогональных осей координат конденсаторы, регистрирующие разбаланс моста по поляризационным токам, а смежные плечи отношения образуют противолежащие по одной из ортогональных осей пленочные фоторезисторы, регистрирующие разбаланс моста по фототокам.

Существенные признаки по устройству, отличающее изобретение от прототипа и аналогов, заключаются в том, что введены: четыре пленочных фоторезистора и четыре оптически прозрачных пленочных электрода, а также источник излучения, выполненный в виде кольца, источник питания и двухканальный индикатор, при этом:

1. Пленочные фоторезисторы выполнены на внутренней поверхности основания в виде четырех конгруэнтных круговых квадрантов. Изменяют свою фотопроводимость в зависимости от положения светового пятна газового пузырька по круговым квадрантам основания.

2. Пленочные электроды выполнены оптически прозрачными на внутренней вогнутой поверхности мениска в виде четырех конгруэнтных сферических треугольников так, что их проекции на основание совпадают с круговыми квадрантами пленочных фоторезисторов.

3. Пленочные фоторезисторы с одной стороны полости и пленочные оптически прозрачные электроды с другой стороны полости образуют обкладки четырех конденсаторов переменной емкости, заполненных жидкостью в сочетании с пространственным положением свободно плавающего газового пузырька.

4. Два противолежащих конденсатора - два противолежащих пленочных электрода и два противолежащих пленочных фоторезистора, биссектрисы центральных углов которых коллинеарны одной из ортогональных осей координат, электрически связаны между собой и источником питания в измерительный мост, смежные плечи сравнения которого образуют противолежащие конденсаторы, регистрирующие разбаланс моста по поляризационным токам, а смежные плечи отношения образуют противолежащие пленочные фоторезисторы, регистрирующие разбаланс моста по фототокам.

5. Дополнительно введенный источник излучения, выполненный в виде кольца, оптически связан с круговой шкалой, выполненной в виде радиально-концентрических светорассеивающих бороздок.

Известны технические результаты в датчиках углов наклона, регистрирующих положение пузырька газа в жидкости фотоэлектрическим [SU 1139966, 30.05.1983; SU 1000754, 29.01.1981] либо емкостным, электролитическим [RU 2178547, 21.12.1999; RU 2441200, 17.03.2014; RU 2475703, 01.12.2011] способами, с преобразованием сигналов мостовыми измерительными схемами [RU 2330241, 01.02.2007; ГОСТ Р 8 686 - 2009 «Мосты переменного тока уравновешенные»].

Основными их недостатками является отсутствие возможности прямого визуального измерения отклонения газового пузырька и сложность конструкций. Более того, с целью повышения точности измерения углов наклона путем увеличения количества электродов [RU 2475703, 01.12.2011] существенно усложняются электрические схемы преобразования и обработки сигналов.

На фиг. 1 изображено устройство в сечении, поясняющее способ и принцип действия. На фиг. 2 дополнительно показано устройство в изометрии с условно-разделенными в пространстве основанием и мениском, поясняющее конфигурацию и ориентацию пленочных фоторезисторов и оптически прозрачных пленочных электродов. На фиг. 3 дополнительно показана структурно-функциональная блок-схема с электрическими связями пленочных фоторезисторов и электродов в два идентичных измерительных моста, измерительные диагонали которых образуют два ОХ и OY измерительных канала. Пленочные фоторезисторы и образуемые с ними и оптически прозрачными пленочными электродами конденсаторы показаны на фиг. 1 и 2 штриховыми линиям как дискретные электрорадиоэлементы эквивалентной схемы электрической принципиальной (фиг. 3).

Устройство содержит: 1 - газовый пузырек с жидкостью 2, замкнутый в полости осесимметричной дискообразной капсулы; 3 - оптически-прозрачный мениск с внешней 4 и внутренней 5 сторонами, выполненными в виде выпуклых сферических поверхностей с радиусами r₁ и r₂ и центрами О₁ и O₂ кривизны соответственно; 6 - основание, герметично связанное по периметру с мениском 3; 7 - пленочные R_X1, R_Х2, R_Y1 и R_Y2 фоторезисторы, выполненные на внутренней поверхности основания 6 в виде четырех конгруэнтных круговых квадрантов, биссектрисы центральных углов которых коллинеарны одной из ортогональных ОХ или OY осей координат, одновременно служат обкладками с одной стороны четырех C_X1, С_X2, C_Y1 и С_Y2 конденсаторов; 8 - оптически прозрачные пленочные электроды, выполненные (например, из окиси индия - In₂O₃) на внутренней вогнутой 5 поверхности мениска 3 в виде четырех конгруэнтных сферических треугольников так, что их проекции на основание 6 совпадают с круговыми квадрантами 7 пленочных фоторезисторов, совместно с которыми они образуют обкладки - систему из четырех C_X1, С_X2, C_Y1 и C_Y2 конденсаторов соответственно; 9 - измерительные электроды измерительных диагоналей мостов с выводами I_CX, I_RX, I_CY и I_RY по соответствующим ОХ и OY осям (контактные участки электрических выводов с пленочными электродами и фоторезисторами показаны жирными точками, условно); 10 - потенциальные электроды (диагонали питания измерительных мостов) с выводами ~U, выполненными в виде дуг по внешним сторонам квадрантов пленочных фоторезисторов R_X1, R_X2, R_Y1 и R_Y2 (дуги показаны жирными линиями, условно); 11 - источник излучения, выполненный в виде кольца по периметру мениска; 12 - круговую шкалу с радиально-концентрическими линиями, выполненную в виде нормальной координатной сетки с азимутальной проекцией и с центром, лежащим на оси O₂O*, при этом ее радиально-концентрические линии выполнены в виде светорассеивающих бороздок снаружи на внешней выпуклой 4 поверхности мениска, в объеме, или на внутренней вогнутой 5 поверхности мениска и оптически связаны по периметру мениска с источником 11 излучения.

Центр О* круговой шкалы и центры О₁ и O₂ кривизны внешней выпуклой 4 и внутренней вогнутой 5 сферических поверхностей образуют ось O₂O* симметрии, ортогональную осям ОХ или OY.

На фиг. 3 дополнительно показана структурно-функциональная блок-схема устройства, содержащая: схему 13 электрическую принципиальную с двумя идентичными по осям ОХ и OY измерительными четырехплечими одинарными мостами; преобразователь 14 с двумя (по осям ОХ и OY) равнозначными измерительными каналами; и источник питания 15, выход ~U которого соединен с потенциальными электродами 9 диагоналей питания измерительных мостов.

Схема 13 электрическая принципиальная с двумя идентичными по осям ОХ и OY измерительными четырехплечими одинарными мостами образована его пленочными компонентами: противолежащими конденсаторами C_X1 и С_X2 по оси ОХ и C_Y1 и C_Y2 по оси OY, регистрирующими разбаланс моста по поляризационным токам, и противолежащими пленочными фоторезисторами, соответственно, R_X1 и R_X2 по оси ОХ и R_Y1 и R_Y2 по оси OY, регистрирующими разбаланс моста по фототокам. При этом элементы R_X1, R_X2 и R_Y1, R_Y2 образуют плечи отношения, a C_X1 и С_Х2 и C_Y1, С_Y2 - плечи сравнения, соответствующие осям ОХ и OY измерительных мостов.

Преобразователь 14 с двумя равнозначными измерительными каналами, соответственно по оси ОХ и/или OY, преобразует электрические сигналы (разбаланс мостов в зависимости от направления и величины наклона) с измерительных электродов 9 (измерительных диагоналей мостов) в аналоговую или цифровую форму и индицирует их в виде изображения симулированных пузырьковых уровней, например. как показано на вставке фиг. 3, или в любом другом виде.

Способ и устройство работают следующим образом.

Поток оптического излучения от естественного рассеянного дневного света или источника 11 излучения, диффузно-рассеиваемый радиально-концентрическими линиями круговой шкалы 12, выполненной в виде светорассеивающих бороздок [например, RU 2377516, 08.08.2008 г.], пройдя сквозь мениск 3 и оптически прозрачные пленочные электроды 8, рассеивается на внутреннюю поверхность основания 6, на котором выполнены пленочные 7 фоторезисторы R_X1, R_X2, R_Y1 и R_Y2 в виде четырех конгруэнтных круговых квадрантов. Поскольку электрофизические свойства (показатель преломления, поглощения, диэлектрическая проницаемость, электропроводность) газа и жидкости различны, то при прохождении оптического потока через жидкость 2 с пузырьком газа 1 на круговых квадрантах пленочных 7 фоторезисторах формируется зона света и тени - изображение газового пузырька, его световое пятно. При этом газовый пузырек выполняет функцию линзы, а дополнительное излучение от источника 11, диффузно-рассеиваемое светорассеивающими бороздками, выполненными в виде радиально-концентрических линий круговой шкалы 12, усиливает преломление и отражение излучения на границе раздела: газовый пузырек - жидкость.

При изменении углового положения устройства - при отклонении оси О₂О* относительно отвесной линии, газовый пузырек под действием гравитационных сил остается в равновесном положении относительно отвесной линии, но смещается относительно центра О* круговой шкалы 12.

Величины фототоков I_RX и/или I_RY преобразуемых каждым фоторезистором R_X1, R_X2 и/или R_Y1 и R_Y2 зависят от соотношения величин зоны тени и зоны засветки фоточувствительной поверхности фоторезисторов. Поскольку размер изображения светового пятна пропорционален размеру газового пузырька, то наибольшая эффективность по фототоку (I_R≈max) будет достигаться при размере изображения пузырька, равном диаметру круга, вписанного в круговой квадрант. То есть электрическая проводимость σ=1/R такого квадранта будет максимальна: σ≈q(n_F+n), где q - величина заряда, n_F и n - концентрации фотогенерируемых и равновесных зарядов соответственно. При изменении угла наклона фототок, формируемый каждым фоторезистором в пределах чувствительной поверхности при относительном изменении величины зоны света и тени, изменяется как непрерывная аналоговая величина. Информация о модуле величины угла наклона и направлении наклона получается в результате сравнительной комплексной оценки величин фототоков при одновременном измерении их на выходах каждого фоторезистора, зависящих от распределения зоны света и тени на светочувствительных поверхностях фоторезисторов.

Поляризационные токи I_CX и/или ICY зависят от соотношения величин объема, занимаемого газовым пузырьком и/или жидкостью в межэлектродном пространстве системы из четырех конденсаторов C_X1, С_X2, C_Y1 и С_Y2, образованных, с одной стороны, оптически прозрачными пленочными электродами 8, а с другой стороны - пленочными R_X1, R_X2, R_Y1 и R_Y2 фоторезисторами 7. Чем больше жидкости между обкладками, тем больше емкость (C=ε₀εS/d) соответствующего конденсатора, поскольку диэлектрическая проницаемость жидкости равна ε_ж~40-140, а диэлектрическая проницаемость газа (воздуха) ε_г=1. То есть, чем больше объем, занимаемый газовым пузырьком, между обкладками соответствующего конденсатора C_X1, С_Х2, C_Y1 или С_Y2, тем больше его реактивное сопротивление X_C=1/jωC=d/jωε₀ε*S, где d - расстояние между обкладками, S - площадь обкладок, ε* - эффективная диэлектрическая проницаемость, обусловленная соотношением объемов жидкости и газового пузырька между соответствующими обкладками. При изменении угла наклона поляризационный ток, формируемый в каждом конденсаторе в пределах площади электродов при относительном изменении соотношения объемов жидкости и газового пузырька между соответствующими обкладками, изменяется как непрерывная аналоговая величина. Информация о модуле величины угла наклона и направлении наклона также получается в результате сравнительной комплексной оценки величин токов поляризации.

Поскольку в мостах переменного тока сопротивление плеч Z_i в общем случае представляют собой комплексные сопротивления вида Z_i=R_i+jX_i, то условием равновесия моста по оси ОХ будет выражение (в показательной форме): Z₁exp(jϕ₁)⋅Z₄exp(jϕ₄)=Z₂exp(jϕ₂)⋅Z₃exp(jϕ₃),

где Z₁exp(jϕ₁)~XC_X1, реактивное сопротивление конденсатора С_X1;

Z₄exp(jϕ₄)~R_X2, активное сопротивление фоторезистора R_X2;

Z₂exp(jϕ₂)⋅~ХС_Х2, реактивное сопротивление конденсатора C_X2;

Z₃exp(jϕ₃)~R_X1, активное сопротивление фоторезистора R_X1.

Аналогично для измерительного моста по оси OY. Из этого следует, что равновесие наступает при равенстве произведений модулей комплексных сопротивлений противолежащих плеч и равенстве сумм их фазовых сдвигов, то есть: Z₁⋅Z₄=Z₂⋅Z₃; и ϕ₁+ϕ₄=ϕ₂+ϕ₃ [Измерения в электронике. Справочник/ В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др. Под ред. В.А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. С. 197-200].

При смещении плавающего газового пузырька 1 в жидкости 2 (при соответствующем наклоне устройства) одновременно уменьшается сопротивление соответствующего фоторезистора R_X1 или R_X2 по оси ОХ и/или R_Y1 или R_Y2 по оси OY в плече отношения, и, увеличивается реактивное сопротивление соответствующего конденсатора C_X1 или C_X2 по оси ОХ и/или C_Y1 или С_Y2 по оси OY в плече сравнения, соответствующего измерительного моста ОХ и/или OY. То есть, одновременно, в плече отношения увеличивается фототок I_RX и/или I_RY, а в плече сравнения уменьшается поляризационный ток I_СX и/или I_CY. Поэтому сигнал (разбаланс) в измерительной диагонали моста возрастает кратно, соответственно возрастает точность измерения и динамический диапазон измеряемых величин - направления и угла наклона.

Предлагаемый способ и устройство измерения угла наклона расширяет функциональные возможности уровней пузырькового типа, обеспечивая одновременное визуальное измерение и преобразование в электрический сигнал направления и величины наклона с повышением точности измерения. При этом точность измерения повышается за счет одновременно измеряемых фототоков от светового пятна пузырька и поляризационных токов от его пространственного положения.

1. Способ измерения угла наклона объекта, состоящий в визуальном измерении смещения относительно центра круговой шкалы с радиально концентрическими линиями свободно плавающего по вогнутой поверхности мениска газового пузырька в жидкости, замкнутых в полости осесимметричной дискообразной капсулы при отклонении ее оси симметрии относительно отвесной линии, при этом центр круговой шкалы находится на оси симметрии дискообразной капсулы, отличающийся тем, что одновременно измеряются фототоки от светового пятна пузырька и поляризационные токи от его пространственного положения в полости, фототоки и поляризационные токи сравниваются между собой и индицируются в виде направления и величины наклона.

2. Устройство измерения угла наклона объекта, реализующее способ по п. 1, содержащее газовый пузырек с жидкостью, замкнутые в полости осесимметричной дискообразной капсулы, состоящей из основания и оптически прозрачного мениска, герметично связанных по периметру между собой, при этом внешняя сторона мениска выполнена в виде выпуклой сферической поверхности, содержащей круговую шкалу с радиально-концентрическими линиями, а внутренняя сторона выполнена в виде вогнутой сферической поверхности, центр круговой шкалы и центры кривизны внешней выпуклой и внутренней вогнутой сферических поверхностей образуют ось симметрии, отличающееся тем, что введены: четыре пленочных фоторезистора, четыре оптически прозрачных пленочных электрода, источник питания и двухканальный индикатор, при этом: пленочные фоторезисторы выполнены на внутренней поверхности основания в виде четырех конгруэнтных круговых квадрантов; оптически прозрачные пленочные электроды выполнены на внутренней вогнутой поверхности мениска в виде четырех конгруэнтных сферических треугольников так, что их проекции на основание совпадают с круговыми квадрантами пленочных фоторезисторов, совместно с которыми они образуют обкладки четырех конденсаторов; два противолежащих пленочных электрода и два противолежащих пленочных фоторезистора, биссектрисы центральных углов которых коллинеарны одной из ортогональных осей координат, электрически связаны между собой и источником питания в измерительный мост, измерительная диагональ которого электрически связана с соответствующим каналом индикатора.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что введен источник излучения, выполненный в виде кольца и оптически связанный по периметру мениска с круговой шкалой, радиально-концентрические линии которой выполнены в виде светорассеивающих бороздок.