Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

5.2.1. ТЕОРЕТИЧНІ І ПРАКТИЧНІ АСПЕКТИ ВИМІРЮВАННЯ СКРУЧУВАННЯ ПОЛЯРИЗАЦІЙНИМ МЕТОДОМ

Поляризаційний метод погодження взаємного кутового положення окремих елемен­тів або блоків привертає увагу як високою чутливістю і точністю, так і простотою автомати­зації кутових вимірювань. Оптична схема поляризаційного пристрою, який вирішує задачу вимірювання або передачі кутового положення, будується на основі класичної схеми по­ляриметра [121]. При цьому автоматизація вимірювань здійснюється введенням в схему магнітооптичної чарунки Фарадея для модуляції поляризованого світла і фотоелектрично­го аналізатора для індикації схрещеного положення поляризаційних призм [35]. В роботах [35, 38] розглянутий принцип і дії такого поляризаційного пристрою і дається оцінка його чутливості в залежності від параметрів складових елементів.

На рис. 5.3 представлена схема вимірювання кута скручування з використанням лі­нійного поляризатора [27]. На основі споруди 1, скручування якої необхідно вимірювати, розташовується джерело 2 лінійно-поляризованого випромінювання.

Пристрій 3 обертає площину поляризації світлової хвилі з кутовою швидкістю со. Після відбиття від напівпрозорого дзеркала 11 паралельний світловий пучок збігається з віссю скручування O’Z’ і направляється на перетворюючий елемент 4, який розташова­ний і жорстко закріплений на необхідному монтажному рівні конструкції 5. Перетворюю­чий елемент складається із кутового відбивача 6 і установленого перед його фронталь­ною гранню лінійного поляризатора 7, Світловий лінійно-поляризований потік після про­ходження через поляризатор стає модульованим по інтенсивності.

Після відбиття світловий потік знову проходить через поляризатор іі приймається фотоелектричним пристроєм 8, який складається з об’єктива і фотоприймача. З виходу фотоприймача електричний сигнал поступає на вхід фазометра 10, за допомогою якого вимірюється фаза електричного сигналу пропорційна величині кута повороту поляризато­ра відносно осі ZZ’. Опорний сигнал для фазометра формується фотодетектором 9, на який попадає частина лінійно-поляризованого випромінювання після проходження напів­прозорого дзеркала і нерухомого аналізатора 12. В якості відбиваючого елемента най­більш зручно використовувати дзеркально-лінзові відбивачі, так як вони практично не змі­нюють стан поляризації відбитого ними випромінювання. При використанні в якості відби­вачів призм, які працюють на ефекті повного внутрішнього відбиття, необхідно враховува­ти, що вони в залежності від конструкції і матеріалу покриття граней (алюміній, золото, срібло) в значній мірі змінюють стан площини поляризації відбитого випромінювання [110]. Для цього випадку розрахунок проходження оптичної схеми поляризованим випроміню­ванням виконується за допомогою матриць Джонса [181].

Якщо випромінювання джерела поляризовано, наприклад, в горизонтальній площині XOZ, то вектор Джонса монохроматичної лінійно-поляризованої світлової хвилі з нульо­вою початковою фазою і одиничною амплітудою запишеться у вигляді:

ҐҐ

А

Обертання площини поляризації світлової хвилі з кутовою швидкістю со, записується матрицею повороту:

‘cos cot — sin cot sin cot cos cot,

При умові початкової орієнтації поляризатора таким чином, що у вихідному стані на­прям найбільшого пропускання збігається з віссю ОХ, матриця Джонса поляризатора має вигляд:

-1 0

о о

Дзеркально-лінзовий відбивач, не змінюючи стан поляризації відбитого випроміню­вання, по своїй дії аналогічний плоскому дзеркалу при нормальному падінні випроміню­вання, і тому матриця Джонса для нього записується як:

Так як матриці М2 і М3 приведені в рухомій системі координат O’X’Y.7.’, а обробка

інформації здійснюється в нерухомій системі координат OXYZ, то необхідно здійснити перехід із однієї системи координат (рухомої) в другу (нерухому). Матриця перетворення координат при повороті монтажної конструкції на кута навкруги осі 01Z1 має вигляд:

(5.13)

Тоді в нерухомій системі координат OXYZ, згідно методу Джонса для дзеркально — лінзового відбивача, електричний вектор світлової хвилі на вході фотоелектричного при­строю буде визначатись наступним виразом:

Е, =М~1пкМ2М3М2МпкМ1Е.

Відповідна цьому вектору інтенсивність відбитих світлових пучків буде дорівнювати:

На рис. 5.4 представлена схема вимірювання кута скручування з використанням лі­нійної фазової пластинки [25, 109]. Установлене на основі 1 джерело 2 поляризує по кру­гу випромінювання, оптична вісь якого збігається з напрямом осі ZZ’, скручування навкру­ги якої передбачається вимірювати. Вимірювання проходить через обертовий поляриза­тор 3 і попадає на перетворюючий елемент 4 .

Останній складається із зворотнього відбивача 5 і установленої перед його фрон­тальною гранню лінійної фазової пластинки б. Відбитий відбивачем світловий потік знову проходить фазову пластинку і обертовий поляризатор і реєструється фотодетектором 7. Електричний сигнал з виходу фотодетектора поступає на фазометричний блок 8 обробки сигналу.

Опускаючи пояснення принципу формування електричного вектора світлової хвилі на вході фотодетектора, приведемо значення інтенсивності світлового потоку зареєстро­ваного фотодетектором:

(5.16)

де: S — базовий зсув лінійної фазової пластинки;

в — азимут найбільшої швидкості; а — кутова швидкість обертання поляризатора.

Із виразу (5.16) випливає, що фаза реєструємого модульованого світлового потоку не залежить від параметрів фазової пластинки і дорівнює помноженому на чотири значен­ню її азимута або кута повороту контролюємого об’єкту відносно оптичної осі. Глибина мо­дуляції вихідного світлового потоку визначається виразом:

(5.17)

Із виразу (5.17) можна заключити, що найбільшою ефективністю володіє чверть хви­льова лінійна фазова пластинка, яка забезпечує максимальну глибину вихідного сигналу.

Досить простою схемою вимірювання кута скручування поляризаційним методом є схема з застосуванням схрещених поляризатора і аналізатора (рис. 5.5) [58]. Джерело ви­промінювання 1 і оптична система 2 направляють паралельний пучок променів на поля­ризатор 3 . Ці всі елементи, а також модулятор Фарадея 9, установлюють на жорсткій ос­нові конструкції, яка може бути прийнята за нерухому систему координат OXYZ. Аналіза­тор 4 розташовується в необхідному місці конструкції, скручування якої вимірюють. Його положення пов’язується з рухомою системою координат O’X’Y’Z’. В фокальній площині оптичної системи 5 установлюється фотоприймач 6, який оптично зв’язаний з джерелом

1.

Вихід фотоприймача підключений до електронного блоку 7. При скручуванні конструк­ції, а разом з нею і аналізатора, на виході блоку 7 з’явиться сигнал розузгодження. Цей сигнал через вимірювач 8 діє на модулятор Фарадея, компенсуючи кут повороту площини поляризації світла аналізатором відносно нерухомого поляризатора. Вимірюючи величину сигналу визначають кут скручування.

При проходженні світла через систему поляризатор — аналізатор інтенсивність ви­промінювання змінюється в відповідності з законом Малюса:

І = l0 cos2 a,

де: І0 — інтенсивність випромінювання, яка пройшла через поляризатор;

a — кут між напрямом орієнтації площин пропускання аналізатора і поляризато­ра.

Комментарии запрещены.