СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ УГЛА НАКЛОНА

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.