Бурение грунтовых зондов, установка энергетических колодцев

Значного розповсюдження в практиці інженерних робіт отримали рідинні датчики го­ризонту. Вони будуються на двох явищах, які проходять з рідиною, що знаходиться в полі гравітаційних сил. По-перше, бульбашка газу в ампулі з рідиною старається зайняти гори­зонтальне положення. Використання цього явища дозволяє створити групу рідинних ам — пульних датчиків горизонту. В таких датчиках реєструється, тим чи іншим способом, до­вільне положення краю бульбашки газу відносно його нульового положення, що задається горизонтальним положенням датчика. По-друге, поверхня рідини залитої в посудину, уда­лині від межі поділу рідина — стінки посудини, старається зайняти горизонтальне положен­ня. Реєстрація тим чи іншим способом нахилів корпусу датчика відносно площини гори­зонту, що створює поверхня рідини, дозволяє будувати другу групу рідинних датчиків.

Рідинні датчики горизонту можуть бути фотоелектричними, побудованими по прин­ципу сполучених посудин, поляризаційними, вібростійкими багатоампульними, реверсив­ними, інтерференційними. Крім того є рідинні датчики горизонту виконані з застосуванням магнітної рідини. Рідинні датчики, робота яких базується на дії сил, що підкоряються зако­ну Архімеда, нами не розглядаються, так як не знайшли широкого застосування в інженер­ній геодезії. При фотоелектричній реєстрації положення бульбашки може бути використа­ний прозорий, для вибраної довжини хвилі випромінювання, наповнювач з повітряною бульбашкою. В ампульних рідинних однокоординатних датчиках горизонту використову­ється, як правило, циліндрична ампула.

Схема датчика у якого положення кінців бульбашки реєструється фотоелектричним перетворювачем представлена на рис. 3.23. Датчик має циліндричну ампулу 1, заповнену прозорим в видимому діапазоні спектра наповнювачем 2 з газовою бульбашкою 3. Ам­пула розміщується між двома плоскими дзеркалами: верхнім напівпрозорим 4 і нижнім відбиваючим 5. Фотоелектричний перетворювач 6 складається із джерела світла 7, об’єктива 8 і фотоприймапьних пристроїв 9, які включаються в мостову вимірювальну схему. Фотоприймальні пристрої і джерело світла оптично зв’язані через об’єктив, дзерка­ла, рідину і газову бульбашку.

При горизонтальному положенні датчика бульбашка газу займає симетричне поло­ження відносно середини ампули. Паралельний пучок світла після об’єктиву, пройшовши напівпрозоре дзеркало промодулюється межами бульбашки. Після багаторазового відбит­тя між нижнім і верхнім дзеркалами промодульовані праві і ліві потоки світла поступлять на фотоприймальні пристрої. На диференціальній вимірювальній схемі визначиться ну­льовий сигнал різниці лівого і правого потоків, так як їх коефіцієнти модуляції будуть одна­ковими. При нахилі датчика бульбашка газу зміститься в ампулі і розбалансує світлові по­токи, тобто втрати випромінювання в одному потоці будуть більшими чим втрати в друго­му світловому потоці. На диференціальній вимірювальній схемі визначиться різниця сиг­налів пропорційна куту нахила. Недоліками таких датчиків є те, що вони однокоординатні, а також для забезпечення високої чутливості необхідно застосовувати дорогі технології виготовлення внутрішньої поверхні циліндричної ампули.

Цікавим в конструктивному відношенні є рідинний диференціальний індуктивний дат­чик (рис. 3.24).

5 4

Рис. 3.24. Рідинний диференціальний індуктивний датчик

В цьому датчику сердечник виконується у вигляді ампули циліндричного рівня 1, за­повненої рідиною з високою магнітною проникливістю 2 , що дозволяє підвищити точність

1 чутливість датчика. Ампула має повітряну бульбашку 3 і розміщені на ампулі соленоїдні котушки 4 і 5 . Котушки підключаються в мостову електричну схему і живляться змінним струмом від генератора. При нахилі ампули за рахунок зміщення повітряної бульбашки датчика відбувається зміна індуктивностей котушок, яка фіксується реєструючим пристро­єм. При нахилі ампули циліндричного рівня на 2° повітряна бульбашка зміщується на

2 -.-3 мм, що дозволяє реєструвати кут нахилу з точністю 0.5”. Точність вимірювання ку­тових зміщень індуктивними датчиками дуже висока і досягає сотих часток кутової секунди в діапазоні десятків секунд. До недоліків індуктивних датчиків слід віднести складність ре­гулювання для отримання нульових значень напруг на виході диференціального датчика, можливість роботи тільки на змінному струмі.

Ампульні рідинні датчики горизонту з ємнісною реєстрацією положення повітряної бульбашки будуються звично по диференціальній схемі включення (рис. 3.25). В таких датчиках диференціальним конденсатором служить ампула з рідиною 1, яка розміщена між трьох обкладок електродів 2 (рис. 3.26). При нахилі датчика, за рахунок зміщення по­вітряної бульбашки, змінюється діелектрична проникливість середовища такого конденса­тора в кожному із його плечей. Це, в свою чергу, викликає зміну реактивного опору плечей мостової схеми, тобто розбалансування.

Величина цього розбалансування реєструється вимірювальною схемою датчика. Трьохелектродні ємнісні датчики горизонту дозволяють автоматично спостерігати за нахи­лами об’єктів в діапазоні до 200" з середньою квадратичною похибкою визначення вели­чини нахилу не більше ±0.2”. Флуктуації показань датчика не перевищують ±0.06” при зменшенні впливу зовнішніх умов.

Дослідження показують, що статична характеристика диференціальних датчиків лі­нійна в широкому діапазоні і тільки на краях діапазону проявляється нелінійність, величи­на якої досягає 8% . Гістерезис статичної характеристики складає біля 0,1%. З точки зору динамічних характеристик такий датчик горизонту є коливальною динамічною ланкою, пе­рехідна характеристика якої є аперіодичною кривою затухаючих коливань. Логарифміч­ний декремент затухання 8 = £па1 / а2, де а1 і а2 — амплітуди на початку і в кінці коли­вань, приблизно дорівнює 2, а час заспокоєння коливань т — Т / 5, де Т — умовний пері­од, складає 5 + 7 сек. Повний час заспокоєння бульбашки в датчику, який заповнюється сумішшю спирта і ефіра і виводиться із рівноваги, приблизно дорівнює ЗО сек.

Відомі конструкції датчиків [3, 4], в яких, з ціллю підвищення чутливості і стабільності показань, електроди конденсатора виконані у вигляді чотирьох електропровідних пластин, які розміщують над газовою бульбашкою, симетрично відносно її кінців. При диференціальній схемі включення такого датчика чутливість його досягає 0,05" на одну поділку шкали вимірювального приладу. Більш зручним двокоординатним ампульним датчиком горизонту подібного типу є датчик зображений на рис. 3.27 а.

Датчик має ампулу квадратної форми 1, яка заповнена прозорою в видимому діапа­зоні спектру рідиною з бульбашкою газу 2 . На бокових поверхнях ампули 1 розміщена ко­роткофокусна плоско-випукла лінза, на плоску поверхню якої наноситься шар люмінофора постійної дії. На верхню кришку ампули наноситься шар фоторизистора, який ділиться на чотири частини уздовж осей ампули 3, 4 , 5,6 хрестоподібним проміжком. Фоторезисто — ри включені в схему вимірювального мосту рис. 3.27 б. Випромінювання люмінофора по­стійної дії, сформоване короткофокусною лінзою, підсвічує бульбашку. При горизонталь­ному положенні датчика бульбашка газу займе симетричне положення відносно хрестопо­дібного проміжка і на фоторезистори ф3, ф4, ф5, ф6 поступлять однакові світлові пото­ки. Вимірювальна схема зафіксує нульовий сигнал розузгодження по двох координатах. При нахилах датчика бульбашка газу змінить своє положення і різні світлові потоки в за­лежності від ступеня перекриття площ фоторезисторів дадуть різні сигнали розузгоджен­ня, які будуть зафіксовані вимірювальною схемою. Застосування матричних фоторезисто­рів дозволяє вимірювальній схемі шляхом зрівнювання сигналів від фоторезисторів легко визначити і напрям нахилу датчика, тобто знак приростку по двох координатах.

Основні недоліки будь-якого ампульного датчика пов’язані з межою розділу газ-ріди — на, так як сили поверхневого натягання вносять похибку в форму бульбашки газу, а при рухах бульбашки її мікронерівність призводить до зміщення бульбашки від істинного поло­ження. Це знижує точність вимірювань такими датчиками. Рідинні датчики горизонту, що працюють по площині горизонту побудованою поверхнею рідини, вільні від цього недоліку
і тому їм віддають більшу перевагу. Індикаторні пристрої таких датчиків встановлюються вдалині від поверхні посудини, тобто в тому місці де сили поверхневого натягання вже не мають будь-якого впливу на форму поверхні рідини.

Рідинні фотоелектричні датчики горизонту виконуються, як правило, по однотиповій схемі рис. 3.28. Датчик має скляну посудину в формі паралелепіпеда, що виконаний із чо­тирьох прямокутних призм 1. Призми жорстко закріплені між собою двома пластинами 2 і З. Призми утворюють два взаємно ортогональні канали 4 і 5 , що обмежені пластинами б і 7.

Ці сполучені канали частково заповнені легкорухомою рідиною 8, наприклад, обез — воженим етиловим спиртом (з показником заломлення пх -1.3617 при t = +20°С) так, щоб при нахилах посудини на кут ±а в заданому діапазоні його зміни не оголялась осно­ва посудини. На внутрішні поверхні пластин 2 і 3 нанесено дзеркальне покриття. Покрит­тя відсутнє тільки на тих ділянках над якими встановлені плоскі відбивачі 9. Кожна пара випромінюючого і приймального об’єктивів 10 встановлені соосно по ходу променя і си­метрично посудині на плоскопаралельних поверхнях уздовж осей х і у в двох взаємно перпендикулярних площинах вимірювання. В фокальній площині випромінюючого об’єкти­ва розміщується проекційна марка 11 з прозорою щілиною, яка підсвічується джерелом 12, наприклад, світлодіодом. В фокальній площині приймального об’єктива встановлю­ється матриця 13, наприклад, прилад з зарядовим зв’язком, яка аналізує розподіл світло­вих потоків в полі зображення.

При відсутності нахилу, тобто А/і -0, відбиваючі поверхні пластин і поверхня рідини будуть між собою паралельні. Паралельний пучок променів, сформований випромінюю­чим об’єктивом 10 , після відбиття від плоского відбивача 9 проходить рідину під нахилом у0, що перевищує як мінімум в чотири рази (у0))а) кутовий діапазон вимірювання. Врахо­вуючи, що заломлюючий кут рідини 0 = а = 0, після N відбиття від дзеркальних повер­хонь і (N + 1) проходжень через рідину, промені вийдуть під кутом увих = у0 і поступлять в

приймальний об’єктив 10, в фокальній площині якого розміщується аналізатор 13 і зоб­раження проекційної марки 11 В цьому випадку фотоелектричний перетворювач буде ви­робляти електричний сигнал пропорційний нульовому положенню датчика, що свідчить про відсутність нахилу.

При нахилі датчика, наприклад, в площині ZOY на кут а, шар рідини буде займати в напрямку площини вимірювання форму клинка з кутом 0-а при вершині, що утворю­
ється поверхнею рідини і основою посудини. Паралельний пучок променів після N відбит­тя і (N + 1) проходження через рідинний клинок, отримає сумарне кутове відхилен­ого ~ Увих В’Д свого вихідного напрямку, величина якого визначається із виразу

лУ’і =(N + 1)(пх -1)а. (3.11)

В цьому випадку в лацюгу фотоелектричного тракту буде вироблятися електричний сигнал, пропорційний величині зміщення зображення проекційної марки, в свою чергу про­порційний фокусній відстані об’єктива f і куту А у]

S — ±f’tg(y0 — увих)3, (3 12)

де З — збільшення аналізатора.

Із останніх виразів випливає, що для досягнення необхідної чутливості датчика до нахилу необхідно, щоб виконувалась умова

3tg[(N + 1)(пх-1)а]’

Велика група рідинних датчиків побудована на принципах реєстрації рівня рідини в сполучених посудинах. В таких датчиках для визначення кутів нахилу А у] використову­ється властивість рідини, що знаходиться в сполучених посудинах, займати однаковий рі­вень. Реєструючи, тим чи іншим методом, рівень рідини в посудинах і h2, рознесених на фіксовану відстань В, легко визначити кут нахилу Ау] із виразу

Ау = arctg -2 ~1 . (3.14)

О

Рівень рідини може реєструватися різними методами: електронним; оптичним; з за­стосуванням принципу порушення повного внутрішнього відбиття; з застосуванням волок- но-оптичних елементів; акустичним методом; частотними механічними методами.

На рис. 3.29 приведена схема рідинного лазерного датчика горизонту. В моноблоч­ному корпусі 1 виконані наскрізь отвори А і Б, які з торців закриті напівпрозорим дзерка­лом 2 і глухим дзеркалом 3 , що утворюють оптичний резонатор. Активна лазерна рідина 4 [6] і не показані на рисунку блоки забезпечення накачування, разом з системою дзеркал і моноблочним корпусом, уявляють собою рідинні лазери (перший побудований в отворі А, а другий — в отворі Б). Частоти /j і f2 генеруємого лазерного випромінювання зале­жать від висоти стовпа активної речовини (рідини) [24]. Система зведення променів лазе­рів, що побудована на змішувальній оптиці 5 і 6, дозволяє здійснити за допомогою оп­тичного гетеродинування [23] виділення сигналу Af = f2-f1 пропорційно різниці висот стовпів рідини Ah = h2 — h1 в сполучених посудинах. Значення Af реєструється за допо­могою підрахунку смуг інтерференційної картини фотоприймальними пристроями 7 і 8 (як сигнал биття оптичного гетеродину). Вихідна інформація датчика видається блоком 9 в цифровій формі.

При горизонтальному положенні датчика висоти стовпів рідини в обох посудинах бу­дуть однакові, будуть однакові і частоти генерації лазарів А і Б, а різниця сигналів після гетеродинування сигналів змішувальною оптикою буде дорівнювати нульовому значенню (інтерференційні смуги будуть нерухомими). Система обробки інформації видасть нульо­вий сигнал, що характеризує відсутність кута нахилу Ау].

При наявності кута нахилу висоти стовпів рідини /7, і h2 в посудинах А і Б будуть різними, відповідно частота генерируемого випромінювання в лазері А буде f,, а в лазарі Б буде f2. Фотоприймальні пристрої зареєструють зміщення смуг інтерференційної кар­тини, що утворюється при оптичному гзтеродинуванні, а система обробки інформації ви­дасть сигнал пропорційний куту нахилу

*у = Farctg(-).

D

Рідинні датчики горизонту в яких товщину шару рідини в різних місцях посудини ви­мірюють з застосуванням поляризаційних пристроїв носять назву поляризаційних датчиків горизонту. Чутливим елементом тут є рідина, що має властивості природного обертання плоскості поляризації світла [181]. Приклад такого датчика наведено на рис. 3.30.

Рис. з. зо.

Поляризаційний рідинний
датчик горизонту

Посудина 1 частково заповнюється оптичною активною рідиною 2, а два джерела випромінювання з поляризаторами 3 і 4 створюють плоско-поляризоване світло. Світло­ві потоки, що проходять через шар рідини, модулюються по амплітуді за допомогою послі­довно встановлених модуляторів Фарадея 5 і аналізаторів б. Сигнали сприймаються фо-
топриймачами 7 і порівнюються схемою порівняння 8. При відсутності нахилу шар рідини по всьому перетину посудини буде однаковий і сигнал розузгодження на виході схеми по­рівняння буде дорівнювати нулю, так як обидва промені пройдуть ідентичний оптичний шлях від джерел випромінювання до фотоприймачів.

При нахилі датчика між поверхнею дна посудини і верхнім рівнем рідини утворюєть­ся клин. Тепер оптичні шляхи променів будуть різними, а таким чином і обертання плос­кості поляризації для обох променів будуть неоднаковими, і на виході схеми порівняння з’явиться сигнал розузгодження пропорційний куту нахилу. Наприклад, якщо відстань між пучками променів світла дорівнює 100 мм, то при нахилі посудини із скіпідаром на кут 1" обертання плоскості поляризації світла буде дорівнювати куту 0,5".

Чутливість поляризаційних датчиків можна значно підвищити при виконанні посуди­ни із декількох камер, встановлених одна над другою, і частково заповнених оптично ак­тивною рідиною [101]. Чутливість можливо також підвищити за рахунок багаторазового проходження променями світла однієї і тієї ж рідини.

На рис. 3.31 приведений датчик у якого світло тричі проходить шар рідини. Як відомо рідина, що володіє природним обертанням плоскості поляризації світла, при прямому і зворотньому проходженні через неї променів світла, обертає плоскість поляризації на од­наковий кут, але з різними знаками. В результаті сумарне обертання плоскості поляризації дорівнює нулю. В цьому датчику система із двох чвертьхвильових пластинок 3 і 4 , лінзи 5 і джерела 6 (аналогічна система складається і із елементів 7-10), обертає плоскість поляризації лінійно поляризованого світла на кут, протилежний куту обертання, що викли­каний рідиною 2. Чвертьхвильові фазові пластинки 3, 4 (7,10) в цьому пристрої вико­нують функції півхвильових пластинок, а плоскість поляризації поляризатора 14 , аналіза­тора 12 і осі найбільшої (найменшої) швидкості чвертьхвильових (фазових) пластинок 3 , 4, 7, 10 повинні бути суміщеними.

В посудині 1 промені світла багаторазово проходять активну рідину, проходять че­рез модулятор 11 і аналізатор 12 і попадають на чутливу площадку фотоприймача 13, сигнал від якого обробляється вимірювальною схемою 15. При багаторазовому проход­женні світла через шар рідини і систему вказаних вище обертань плоскості поляризації су­марне обертання плоскості поляризації виражається формулою

a,=(-lt1ka,

де: к — число проходжень пучком світла шару рідини;

а — кут обертання плоскості поляризації світла при одноразовому проходженні шару рідини.

Загальним недоліком поляризаційних датчиків є те, що вони погано працюють на ме­ханічно збурених основах. Це слід враховувати при виконанні інженерно-геодезичних ви­мірювань, коли працюють механізми, що створюють ударні, вібраційні та інші механічні на­вантаження. В цих умовах розглянуті вище датчики горизонту знижують свої точностні ха­рактеристики, або взагалі стають непрацездатними.

Для збереження своїх точностних характеристик в умовах механічних навантажень розроблено ряд датчиків горизонту. Серед них вібростійкі інтерференційні датчики. Зни­ження точності датчиків горизонту при механічних навантаженнях обумовлено або коли­ванням бульбашки газу, що приводить до похибки фіксації положення її краю відносно ам­пули, або коливанням поверхні рідини, що приводить до зміни товщини її шару під реєст­раційним пристроєм. Для створення вібростійкого датчика горизонту слід виключити при­чини, що викликають ці похибки.

Однокоординатний вібростійкий датчик горизонту рис. 3.32 [87] побудований на ос­нові імітатора плоскості горизонту. Датчик має розміщені одна в другій ампули 1, 2, 3. Простір між ампулами 1 і 2 частково заповнений рідиною 4 , а простір між ампулами 2 і З частково заповнений рідиною 5 . Ампула 3 плаває в рідині 5 , а ампула 2 плаває в рі­дині 4.

Рис. 3.32. Вібростійкий датчик горизонту

Ампули 2 і 3 забезпечуються стабілізаційними вагами 7 і 8, а ампула 3 постача­ється плоским відбивачем 6. Ампули 1 і 2 виконані із матеріалу прозорого для випромі­нювання джерела 10, а на ампулі 1 додатково наноситься дзеркальне покриття 12. Світ — лорозділювач 9 і відбивач 13 забезпечують оптичний зв’язок джерела випромінювання з відбивачами 6 і 12, створюючи інтерферометр. Інтерференційна картинка реєструється вимірювальним блоком 11.

При горизонтальному положенні датчика рідина займе у всіх ампулах положення, що відповідає плоскості горизонту. Нормаль до відбиваючої поверхні плоского відбивача 6 займе положення вектора сили тяжіння Землі д . При нахилі об’єкту на кут у”, поверхня рідини в ампулі 1 нахилиться відносно корпусу ампули. Другими словами, нормаль до по­верхні рідини 4 збереже своє положення в просторі, а сама ампула 1 нахилиться від­носно поверхні рідини на кут у. Друга ампула 2 при переміщенні ампули 1 не змінить свого положення в просторі. Але при наявності певних умов експлуатації із-за вібрацій,
ударів та інших механічних навантажень ампула 2 буде переміщуватись в просторі на не­великі величини. Для зменшення таких переміщень застосовують демпфуючий ефект ам­пули З, яка переміщується по поверхні рідини 5 , що знаходиться в плоскості горизонту з більшою точністю, чим поверхня рідини в ампулі 1. Тому нормаль до відбиваючої поверх­ні 6 завжди буде збігатися з вектором сили тяжіння Землі. Ваги 7 і 8 використовуються для створення моментів, що протидіють обертанню ампул уздовж осей симетрії.

При роботі датчика горизонту на вібраційній основі послаблення збурень буде не повним, якщо ампули будуть наповнені рідиною з однаковими хвильовими опорами. Для повного виключення діяння вібрації плоский відбивач б ампули необхідно наповнити ріди­нами з різними хвильовими опорами (х. о.), значення якого можна записати таким виразом

х. о. = рс,

де: р — щільність середовища;

с — швидкість звуку в середовищі.

Підбором р можна досягти повного гасіння збуреного діяння. В якості рідини першо­го шару може бути запропонований, наприклад, чотирьоххлористий вуглець ССІ4, що має

р = 1,595 г / cmj, а другого шару — ртуть Н з р = 13,595 г/ см3. При такому зміщенні хвильового опору середовищ гасіння вібраційних збурень проходить дуже інтенсивно. Ін­формацію про кут нахилу отримують за допомогою вимірювального інтерферометра, по­будованого за схемою Майкельсона і працюючого в паралельному світловому потоці. То­му джерело випромінювання 10 разом з оптичною системою мають формувати паралель­ний світловий пучок променів. Після світлорозділювача 9 пучки попадають на відбивачі 6 і 12. При відсутності нахилу відбивачі б і 12 паралельні один одному і, таким чином, хви­льові фронти відбитих потоків будуть паралельні. Різниця фаз світлових полів, що визна­чається вимірювальним блоком, характеризується значенням

(3.18)

де: п — показник заломлення середовища між відбивачами б і 12;

h — відстань між відбивачем 12 і зображенням відбивача б, побудованому в світлорозділювачі 9;

Л0 — довжина хвилі випромінювання.

Завжди можна добитись умови /7 = 0, і тоді S = 0, що приведе до рівномірного освітлення інтерференційного поля в плоскості реєстрації.

При нахилі датчика на кут Ау між відбивачами з’явиться оптичний клин Ау-. Різни­ця фаз між інтерференційними фронтами буде визначатися виразом

8 = —nh cos Ay’,.

К

Інтерференційна картина буде уявляти собою систему смуг інтерференцій пара­лельних ребру клина. Вимірювальна схема 11 зареєструє світлу смугу при

2nh cos Ay’, = тЛ0, при m = 0; 1; 2;…

і темну при

13 5

2nh cos Ay] = тЯ0, при m = —, ■ , …

Вимірювання ширини смуг дозволяє визначити кут між хвильовими фронтами відби­тими відбивачами 6 і 12, тобто визначити кут Ау,. Чутливість вимірювальної схеми дуже висока і складає величину порядку 0,01". Точність визначення кута Ау] обмежується ефектами просторової орієнтації плоского відбивача 6 відносно нерухомого відбивача 12 і досягає значення одиниць кутових секунд при роботі на збуреній основі. До недоліків цього датчика можна віднести те, що він однокоординатний. Застосування сферичних ам­пул [39] і двокоординатних вимірювальних схем просторового положення нормалі до від­бивача б, побудованих по автоколімаційному принципу [186], дозволяє ліквідувати цей недолік.

При автоматизації інженерно-геодезичних робіт великий інтерес являють датчики го­ризонту, що працюють на реверсивній основі. Такі датчики можуть бути побудовані по ін­терференційній схемі. На рис. 3.33 зображена схема способу визначення площини гори­зонту, що дозволяє побудувати інтерферометричний датчик горизонту [108]. Випроміню­вання джерела світла 1 системою плоских відбивачів 3,5,8 і системою світлорозділю — вачів 2,4,9 ділиться на дві пари світлових потоків с’ і с”, к’ і к”. Промені с’ і к’ про­ходять через посудину 7 наповнену оптично прозорою рідиною б на фіксованій відстані Ь один відносно другого. Промені с" і к" проходять мимо посудини з рідиною. Всі проме­ні інтерферирують в плоскості чутливих площадок фотоприймачів 10. Результати інтер­ференції аналізуються підсумовуючим пристроєм 11, інформація з якого поступає в вимі­рювальний блок 12.

При відсутності нахилу (кут Ау]=0) рідина в посудині займе положення по лінії А — А. Всі промені, пройшовши оптичну систему, зійдуться на світлорозділювачі 9 і проін- терферирують с’ і с", к’ і к". Оптичні шляхи цих променів вибирають так, щоб у хвильо­вих фронтів с’ і с", к’ і к" був невеликий фіксований кут не рівний нулю.

Тоді в плоскості реєстрації виходять смуги, що мають вигляд прямих паралельних лі­ній перехрещення хвильових фронтів променів с’ і с", к’ і к". В плоскості фотоприйма­чів різниця фаз між цими променями буде визначатися виразом (3.18), де Я0 — довжина хвилі випромінювання джерела 1, п — показник заломлення рідини, h — відстань між хви-

При нахилі датчика відносно плоскості горизонту на кут Ау поверхня рідини в прос­торі буде зберігати своє положення, а посудина з вимірювальною системою буде перемі­щуватись на відповідний кут. Для променів с" і к" оптичний шлях не змінюється, так як він визначається геометрією світлорозділювачів 4 і 9 і відбивачів 5 і 8. В той же час оп­тичний шлях променів с’ і к’ буде змінюватися, так як ці промені будуть проходити різні (відносно початкового) шляхи в рідині, при цьому приростки шляхів АІС і АІк будуть функ­цією кута Ау] .Інтерференційні картини при суміщенні променів с’ і с", к’ і к" почнуть переміщуватись. Фотоприймальні пристрої зареєструють кількість імпульсів, сформованих по зміні періодичності інтенсивності в плоскості реєстрації, тобто кількість максимумів ін­тенсивності т, яка пройде через приймальну площадку фотоприймача. Для променів с’ і с" це буде відповідати значенню

т1 = па tgAy / Я0 = паАу] / Я0,

а для променів к’ і к"

т2 = п(а + Ь)Ау] / Я0.

Так як рідина в посудині одна і таж для обох променів с’ і к’ і використовується один і той же випромінювач з довжиною хвилі Я0, то після підсумовування пристроєм 11 отримаємо

ті = т2 — т1

Із (3.24) отримаємо значення кута нахилу

Ау’ = ЛоПІ£ . (3.25)

nb

При зміні температури зовнішнього середовища об’єм рідини в посудині зміниться, наприклад, збільшиться на величину А. Оптичні шляхи променів с’ і к’ також зміняться на одну і туж величину (п + А). В плоскості реєстрації інтерференційних смуг виникне до­даткове зміщення інтерференційних смуг, викликане зміною різниці ходу на величину (п + А). Тоді

звідки кут нахилу буде визначатися формулою (3.25). Таким чином, стає зрозумілим, що вимірюваний кут нахилу не залежить від зміни оптичного шляху, викликаного зміною тем­ператури зовнішнього середовища. Тому можна стверджувати, що побудовані по такій схемі датчики не чутливі до зміни температур. Реверсивність розглянутої схеми датчика забезпечується тим, що при реверсі основи на якій встановлено датчик на 180° умови проходження всіх променів зберігаються.

Комментарии запрещены.