RU1778516C

RU1778516C - Joint of optical deformation meter

Info

Publication number: RU1778516C
Application number: SU904905447A
Authority: RU
Inventors: Адил Жианшахович Тулеушев; Валерий Николаевич Володин; Алмажан Нысанбаевна Турекулова
Original assignee: Казахский государственный университет им.С.М.Кирова
Priority date: 1990-10-22
Filing date: 1990-10-22
Publication date: 1992-11-30

Abstract

Изобретение относитс к устройствам дл измерени деформаций твердых тел и может быть использовано в сейсмологии, строительстве, маркшейдерском деле, при испытании материалов. Целью изобретени вл етс повышение точности измерени деформаций, преимущественно низкочастотных (квазистатических). Основание с ус- тановленным на нем источником монохроматического излучени , расположенным по ходу светового пучка светоделителем , зеркалами, образующими рабочее эталонное плечи интерферометра, коллиматором , диафрагмой, фотоприемником и подключенной к нему измерительной системой жестко св зано с подвижной платформой с балансирными массами, отделенной от основани зазором, заполненным демпфирующей средой, а точка опоры платформы расположена выше ее центра т жести. Ось источника света ориентируетс параллельно или перпендикул рно плоскости платформы , с которой жестко св зано плоское зеркало источника монохроматического излучени , а поддерживающий подвижную платформу шток размещен на основании с возможностью вертикального перемещени относительно основани , а внешн стенка зазора между основанием и подвижной платформой термостатирована. 1 ил. со СThe invention relates to devices for measuring the deformation of solids and can be used in seismology, construction, surveying, and in testing materials. The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring deformations, predominantly low frequency (quasistatic). A base with a monochromatic radiation source installed on it, a beam splitter located along the light beam, mirrors forming the working reference arm of the interferometer, a collimator, a diaphragm, a photodetector and a measuring system connected to it are rigidly connected to a moving platform with balanced masses, separated from the base a gap filled with a damping medium, and the platform support point is located above its center of gravity. The axis of the light source is oriented parallel or perpendicular to the plane of the platform to which the plane mirror of the monochromatic radiation source is rigidly connected, and the rod supporting the movable platform is vertically movable on the base relative to the base, and the outer wall of the gap between the base and the movable platform is thermostated. 1 ill. with C

Description

Изобретение относитс к области устройств дл измерени деформаций твердых тел и может быть использовано в сейсмологии , строительстве, маркшейдерском деле.The invention relates to the field of devices for measuring the deformation of solids and can be used in seismology, construction, surveying.

Известен лазерный интерферометр дл измерени деформаций, содержащий светоделитель , два зеркала, одно из которых св зано с основанием, а другое - непосредственно с объектом, и измерительную систему .A laser interferometer for measuring strain is known, comprising a beam splitter, two mirrors, one of which is connected to the base, and the other directly to the object, and a measurement system.

Недостатком известного устройства вл етс то, что интерференционна картина оказываетс чувствительной как к квазистатическим , так и динамическим деформаци м . Последние привод т к смазыванию интерференционных полос и к снижению точности определени квазистатических деформаций .A disadvantage of the known device is that the interference pattern is sensitive to both quasi-static and dynamic deformations. The latter lead to smearing of interference fringes and to a decrease in the accuracy of determination of quasistatic deformations.

Известен лазерный измеритель деформаций , содержащий светоделитель, зеркала , создающие эталонное и рабочее плечи интерферометра, модул тор и измерительную систему,A known laser strain gauge containing a beam splitter, mirrors that create the reference and working arms of the interferometer, a modulator and a measuring system,

В известном устройстве осуществл етс измерение частоты излучени в информационном пучке при отражении от зеркала,The known device measures the frequency of radiation in the information beam when reflected from a mirror,

VJVj

VIVI

00 00

ел ate

ii

св занного с исследуемым объектом. При этом в модул торе осуществл етс дифракци на ультразвуковой волне известной частоты , вследствие чего с помощью измерительной системы выдел етс комби- национна частота, определ ема частотой ультразвуковой волны с частотой колебаний исследуемого тела.associated with the test object. In this case, diffraction by an ultrasonic wave of a known frequency is carried out in the modulator, as a result of which a combined frequency is determined using a measuring system, which is determined by the frequency of the ultrasonic wave with the oscillation frequency of the body under study.

В реализованном на основе данного авторского свидетельства приборе ИПЛ-ЗОК1 Новосибирского приборостроительного завода при использовании ультразвука частотой 4,3 МГц нижний предел частоты измер емых перемещений равен 10 Гц. Измерение колебаний более низкой частоты приводит к снижению точности получаемых данных.In the IPL-ZOK1 instrument of the Novosibirsk Instrument-Making Plant, implemented on the basis of this copyright certificate, when using ultrasound with a frequency of 4.3 MHz, the lower limit of the frequency of the measured displacements is 10 Hz. Measurement of oscillations of a lower frequency leads to a decrease in the accuracy of the data obtained.

Наиболее близким к предлагаемому устройству вл етс лазерный интерферометр дл измерени деформаций, содержащий основание, установленный на нем источник монохроматического излучени , расположенный по ходу светового пучка светоделитель, зеркала, образующие рабочее и эталонное плечи интерферомет- ра, коллиматор, диафрагму, фотоприемник и подключенную к нему измерительную систему . Интерферометр характеризуетс наличием соединительного узла оптического измерител деформации с объектом в виде подпружиненных в осевом направлении штоков, укрепленных на основании и соедин ющих подвижные зеркала с объектом.Closest to the proposed device is a laser interferometer for measuring deformations, containing a base, a monochromatic radiation source mounted on it, a beam splitter located along the light beam, mirrors that form the working and reference arms of the interferometer, a collimator, a diaphragm, a photodetector and connected to it measuring system. An interferometer is characterized by the presence of a connecting node of an optical strain gauge with an object in the form of axially spring-loaded rods mounted on a base and connecting movable mirrors to the object.

Известное устройство предназначено дл измерени деформаций типа волн ежа- ти (раст жени ). При измерении деформаций изгибного типа, особенно медленных (квазистатических), указанное устройство обладает низкой точностью. Это св зано с тем, что при изготовлении соединительного узла оптического измерител деформаций с объектом в виде подпружиненных в осевом направлении штоков, соприкасающихс с объектом с противоположных сторон, ихA known device is intended for measuring deformations such as hedgehog waves (tensile waves). When measuring deformations of the bending type, especially slow (quasistatic), this device has low accuracy. This is due to the fact that in the manufacture of the connecting node of the optical strain gauge with the object in the form of axially spring-loaded rods in contact with the object from opposite sides, their

движение, а следовательно, и движение подвижных зеркал синхронно, и при перемещении не мен ет суммарной разности хода в плечах интерферометра. При использовании устройства св зи статического измерител деформаций с объектом в видеthe motion, and hence the motion of the moving mirrors, is synchronous, and when moving does not change the total travel difference in the arms of the interferometer. When using a communication device of a static strain gauge with an object in the form

одиночного подпружиненного штока, установленного на основании и соедин ющего объект с подвижным зеркалом оптического измерител деформаций, интерференционна картина оказываетс чувствительной как к квазистатическим, так и динамическим деформаци м, что приводит к снижению точности определени квазистатических деформаций .a single spring-loaded rod mounted on the base and connecting the object to the moving mirror of the optical strain gauge, the interference pattern is sensitive to both quasistatic and dynamic strains, which leads to a decrease in the accuracy of determination of quasistatic strains.

5 5

0 5 Q 0 5 Q

g п g p

55

00

Целью изобретени вл етс повышение точности измерени низкочастотных квазистатических деформаций.The aim of the invention is to improve the accuracy of measuring low-frequency quasistatic strains.

Поставленна цель достигаетс тем, что соединительный узел оптического измерител деформации с объектом, содержащий основание с установленным на нем коническим штоком, снабжен платформой с балансирными массами, одна поверхность которой предназначена дл установки на ней зеркала измерител , а противоположна выполнена с коническим углублением, платформа установлена на штоке осесимметрично таким образом, что центр т жести платформы расположен ниже ее точки опоры, и св зана с основанием через демпфирующую среду, помещенную в выполненное в основании термостатированное углубление, в котором размещена коническа часть штока .The goal is achieved in that the connecting node of the optical strain gauge with the object, containing the base with a conical rod mounted on it, is equipped with a platform with balancer masses, one surface of which is designed to mount the mirror of the meter, and the opposite is made with a conical recess, the platform is mounted on the rod is axisymmetric in such a way that the center of gravity of the platform is located below its fulcrum and is connected to the base through a damping medium placed in a a read only basis thermostated recess, which accommodates the stem tapered portion.

Размещение точки опоры подвижной платформы выше ее центра т жести позвол ет верхней плоскости упом нутой платформы сохран ть горизонтальное положение при изменении углового положени основани . Снабжение подвижной платформы балансирными массами также способствует устойчивому сохранению горизонтального положени верхней плоскости подвижной платформы. Наличие зазора, заполненного демпфирующей средой , позвол ет разделить колебани , в которых участвует оптический измеритель деформации, на быстрые и медленные (по отношению к характерной посто нной времени оптического измерител деформации). При этом медленные деформации, измен ющие угловое положение основани измерител , вли ют на относительное положение зеркал в рабочем плече интерферометра и привод т к сдвигу полос интерфе- ренционной картины, что позвол ет определить величину деформаций. Быстрые деформации не оказывают вли ни ча положение подвижного зеркала рабочего плеча интерферометра и сглаживаютс .Placing the pivot point of the movable platform above its center of gravity allows the upper plane of said platform to maintain a horizontal position when the angular position of the base changes. The supply of the movable platform with balancer masses also contributes to the stable maintenance of the horizontal position of the upper plane of the movable platform. The presence of a gap filled with a damping medium makes it possible to separate the vibrations in which the optical strain gauge is involved into fast and slow (with respect to the characteristic time constant of the optical strain gauge). In this case, slow deformations that change the angular position of the base of the meter affect the relative position of the mirrors in the working arm of the interferometer and lead to a shift in the fringes of the interference pattern, which makes it possible to determine the magnitude of the deformations. Rapid deformations do not affect the position of the moving mirror of the working arm of the interferometer and are smoothed out.

Работа устройства основана на том известном свойстве в зкоупругих сред, что при малых характерных временах действи возмущающей силы они деформируютс подобно упругим телам, а при больших - подобно жидкост м. Например, дл прин той в теории в зкоупругости модели Максвелла поведение в зкоупругого тела описываетс комплексным модулемThe device’s operation is based on the well-known property in viscoelastic media that, at small characteristic times of the action of a disturbing force, they deform like elastic bodies, and at large, like liquids. For example, for the Maxwell model adopted in theory of viscoelasticity, the behavior in the viscoelastic body is described by complex module

Y-(lu) Yi -H Y2,Y- (lu) Yi -H Y2,

гдеУ1 V.E Е2+й/Уwhere Y1 V.E E2 + y / Y

у, 5l. E2-tV y, 5l. E2-tV

w - частота действующего возмущени ;w is the frequency of the current disturbance;

/ - в зкость среды;/ - viscosity of the medium;

Е - модуль упругости.E is the modulus of elasticity.

YI аналогичен модулю Юнга дл твердых тел, a Y2 - коэффициенту в зкости дл жидкостей. Поведение среды определ етс величиной отношени модул упругости Е к коэффициенту в зкости t, определ ющей характерную дл данной среды частоту од. При ш/(Оо 1 среда демонстрирует упругие свойства, а при ю/од 1 - в зкие, что подтверждает сказанное выше.YI is similar to Young's modulus for solids, and Y2 is the viscosity coefficient for liquids. The behavior of the medium is determined by the ratio of the elastic modulus E to the viscosity coefficient t, which determines the frequency od characteristic of the given medium. At w / (Oo 1, the medium exhibits elastic properties, and at w / oo 1 - viscous, which confirms the above.

Таким образом, заполненный соответствующим веществом зазор в приборе служит фильтром, позвол ющим разделить механические колебани , приход щие к прибору, на низко- и высокочастотные.Thus, the gap filled with the appropriate material in the device serves as a filter, which allows one to separate the mechanical vibrations coming to the device into low and high frequency ones.

Таким образом, совокупность упом нутых выше признаков позвол ет повысить точность измерени деформаций квазистатического типа за счет исключени смазывани интерференционных полос вследствие устранени вли ни вибрационных колебаний на движение подвижной платформы относительно основани , а следовательно,и жесткосв занного с подвижной платформой подвижного зеркала рабочего плеча интерферометра относительно неподвижного.Thus, the combination of the aforementioned features makes it possible to increase the accuracy of measuring quasistatic type strains by eliminating the interference friction due to the elimination of the influence of vibrational vibrations on the movement of the moving platform relative to the base, and therefore, the interferometer’s working arm rigidly connected to the moving platform relative to motionless.

Термостабилизаци позвол ет избежать изменени в зкоупругих характеристик заполн ющей зазор среды при колебани х температуры окружающего воздуха , что также способствует достижению поставленной цели.Thermostabilization allows avoiding changes in the viscoelastic characteristics of the medium filling the gap with fluctuations in the ambient temperature, which also contributes to the achievement of the set goal.

На чертеже изображена схема соединительного узла оптического измерител деформаций с обьектом.The drawing shows a diagram of a connecting node of an optical strain gauge with an object.

Соединительный узел оптического измерител деформаций с обьектом состоит из основани 1 с коническим штоком 2, на котором установлена осесимметрична платформа 3 с балансирными массами 4. Одна поверхность платформы 3 служит дл установки зеркала 5, вл ющегос элементом оптического измерител деформации, а противоположна - выполнена с коническим углублением. Платформа 3 установлена на штоке 2 осесимметрично таким образом, что центр т жести платформы 3 расположен ниже ее точки опоры на штоке 2. Основание 1 выполнено с углублением 6, в котором с зазором установлена платформа 3. Углубление 6 заполнено демпфирующей средой 7 и снабжено термостэтирую- щим устройством 8. На основании 1 расположены также элементы оптического измерител деформаций: источник иэлучени 9, неподвижное зеркало 10. светоделитель 11, диафрагма 12, приемник излучени 13, соединенный с регистратором 14.The connecting node of the optical strain gauge with an object consists of a base 1 with a conical rod 2, on which an axisymmetric platform 3 with balancing masses 4 is mounted. One surface of the platform 3 serves to mount a mirror 5, which is an element of the optical strain gauge, and the opposite is made with a conical deepening. The platform 3 is mounted on the rod 2 axisymmetrically so that the center of gravity of the platform 3 is located below its fulcrum on the rod 2. The base 1 is made with a recess 6, in which the platform 3 is installed with a gap. The recess 6 is filled with a damping medium 7 and is equipped with a thermostatic device 8. On the base 1 there are also elements of an optical strain gauge: a radiation source 9, a fixed mirror 10. a beam splitter 11, a diaphragm 12, a radiation receiver 13 connected to a recorder 14.

Соединительный узел оптического измерител деформаций с обьектом работаетThe connecting node of the optical strain gauge with the object works

0 следующим обра зом.0 as follows.

Узел устанавливаемс основанием на горизонтальную поверхность объекта. Платформа 3 посредством балансирных масс А устанавливаетс равновесным образом.The assembly is set up with the base on the horizontal surface of the object. Platform 3, by means of the balancing masses A, is set in an equilibrium manner.

5 При этом зеркало измерител 5 обеспечивает начальную точку отсчета оптического измерител деформаций. Деформации объекта вызывают изменени углового положени основани 1, а следовательно, и5 In this case, the mirror of the meter 5 provides the starting point of the optical strain gauge. Deformations of the object cause changes in the angular position of the base 1, and hence

0 изменени углового положени платформы 3 относительно основани 1. По возникающему при этом сдвигу интерференционной картины суд т о величине деформации. Колебани высокой частоты передаютс от ос5 новани 1 к платформе 3 через демпфирующую среду 7 и зеркало 5, укрепленное на платформе 3, колеблетс синхронно с зеркалом эталонного плеча 10 и такие колебани оказываютс компенсиро0 ванными в общей интерференционной картине . При воздействии на основание 1 колебаний низкой частоты платформы 3, демпфированна слоем среды 7, вследствие расположени центра т жести платформы 30 the change in the angular position of the platform 3 relative to the base 1. The strain value is judged from the resulting shift in the interference pattern. High-frequency oscillations are transmitted from the base 1 to the platform 3 through the damping medium 7 and the mirror 5 mounted on the platform 3, oscillates synchronously with the mirror of the reference arm 10 and such vibrations are compensated in the overall interference pattern. When exposed to the base 1 oscillations of the low frequency of the platform 3, damped by a layer of medium 7, due to the location of the center of gravity of the platform 3

с ниже точки подвеса занимает горизонтальное положение под действием силы т жести и, следовательно, измен ет свое положение относительно основани 1. Термостатирую- щее устройство 8 служит дл сохранени from below the suspension point it occupies a horizontal position under the action of gravity and, therefore, changes its position relative to the base 1. Thermostatic device 8 serves to preserve

Q в зкоупругих свойств демпфирующей среды 7. Оно же позвол ет путем изменени температуры перестраивать узел св зи без смены вещества, заполн ющего зазор. Пример. Узел предлагаемой конструкс ции, в котором в качестве источника монохроматического излучени использован гелий-неоновый лазер ОКГ-11 с вертикальным расположением оптической оси и плоское зеркало которого размещено на подвижной платформе, примен ли дл измерени ползучести образца горной породы - алевролита - размерами 30x30x250, опертого по концам, При этом зазор между подвижной платформой и основанием был равен 0,5 мм и заполнен битумом марки 200. Температура окружающего воздуха была равна 20°С. Основание прибора имело три точки опоры. Две опоры были установлены на горизонтальной плите, а треть - на середину призматического образца алевроли0Q in the viscoelastic properties of the damping medium 7. It also allows, by changing the temperature, to reconstruct the coupling unit without changing the substance filling the gap. Example. The assembly of the proposed design, in which a OKG-11 helium-neon laser with a vertical optical axis and a flat mirror is placed on a movable platform, was used as a source of monochromatic radiation, and 30x30x250, supported by creep, was measured to measure the creep the ends, while the gap between the movable platform and the base was 0.5 mm and filled with grade 200 bitumen. The ambient temperature was 20 ° C. The base of the device had three points of support. Two supports were mounted on a horizontal slab, and a third in the middle of the prismatic silt sample0

та. Затем к середине образца была приложена посто нна весова нагрузка 40 кГ. Под действием статической нагрузки в результате ползучести образца горной породы происходило увеличение стрелы его прогиба .that one. Then, a constant weight load of 40 kg was applied to the middle of the sample. Under the action of a static load, as a result of creep of the rock sample, an increase in the arrow of its deflection occurred.

Дл сравнени аналогичное измерение было проведено с использованием интерферометра по прототипу с двум зеркалами, установленными с противоположных сторон образца. Такое устройство не позволило измер ть деформацию балки вследствие низкой точности устройства, так как при фиксации деформаций изгибного типа зеркала перемещаютс синхронно, Использование лазерного интерферометра по прототипу с одним подвижным зеркалом дл измерени ползучести образца горной породы аналогично тому, как это было сделано в примере, невозможно из-за полного смазывани интерференционной картины в результате действи вибрационного фона.For comparison, a similar measurement was carried out using a prototype interferometer with two mirrors mounted on opposite sides of the sample. Such a device did not allow measuring the beam deformation due to the low accuracy of the device, since when fixing the deformations of the bending type, the mirrors move synchronously. Using a laser interferometer according to the prototype with one movable mirror to measure the creep of a rock sample in the same way as in the example, is impossible due to complete smearing of the interference pattern due to the action of the vibrating background.

Таким образом, узел предлагаемой конструкции позвол ет по сравнению с прототипом повысить точность измерени квазистатических деформаций.Thus, the node of the proposed design allows in comparison with the prototype to increase the accuracy of the measurement of quasistatic deformations.

Техническа эффективность предлагаемого решени , как это следует из приведен0The technical effectiveness of the proposed solution, as follows from the above

55

00

55

ного примера, обусловлена возможностью измерени квазистатических деформаций изгибного типа вплоть до ползучести с характерными временами 10с.This is due to the possibility of measuring quasistatic deformations of the bending type up to creep with characteristic times of 10 s.

Из сказанного следует подтверждение работоспособности предлагаемого устройства и достижимость поставленной цели.From the foregoing it follows the confirmation of the operability of the proposed device and the attainability of the goal.

Claims

The claims

The connecting node of the optical strain gauge with the object, containing a base with a conical rod mounted on it, characterized in that, in order to improve the measurement accuracy of low-frequency quasistatic strains, it is equipped with a platform with balancing masses, one surface of which is intended for mounting the measuring mirror on it, and the opposite is made with a conical recess; the platform is mounted on the rod axisymmetrically so that the center of gravity of the platform is located below its fulcrum and is associated with Warping through a damping medium, placed in a thermostated formed in the base of the recess, which accommodates the conical portion of the rod.

//

Yu