ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ СЕЙСМОМЕТР С ОПТОЭЛЕКТРОННЫМ ДИФРАКЦИОННЫМ ДАТЧИКОМ КОЛЕБАНИЙ

Полезная модель относится к области приборостроения и оптоэлектроники. Устройство предназначено для измерения колебаний поверхности Земли в горизонтальной плоскости.
Известны устройства для измерения колебаний земной поверхности в горизонтальной плоскости - горизонтальные сейсмометры, например, сейсмометры типов СМ-3, СГМ-3, которые описаны в книге: «Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений в СССР» // изд. «наука», Москва, 1974 г (с. 48-49, с. 52, с. 61). Эти устройства являются аналогами предлагаемой полезной модели, а сейсмометр СМ-3 - это прототип предлагаемой полезной модели.
Устройство-прототип включает: основание, на котором установлен физический маятник на упругом подвесе, допускающем поворот маятника в горизонтальной плоскости, пружину, возвращающую маятник в положение равновесия, электромагнитный демпфер колебаний маятника, датчик движения маятника относительно основания, выполненный в виде сигнальной катушки, которая связанна с маятником и помещена в постоянное магнитное поле сильного магнита, установленного на основании.
Устройство - прототип (сейсмометр типа СМ-3) работает следующим образом. При смещении поверхности Земли в горизонтальном направлении инерционная масса физического маятника, подвешенная на упругих крестообразных подвесах, стремится остаться в покое, и в результате инерционная масса физического маятника смещается относительно основания, установленного на поверхности Земли, в направлении, противоположном движению основания маятника, связанного с земной поверхностью. Сигнальная катушка, связанная с инерционной массой маятника, также смещается относительно магнита, связанного с основанием. При этом электрический сигнал - ток на выходе сигнальной катушки - пропорционален скорости движения катушки относительно постоянного магнита, связанного с основанием. Скорость движения маятника относительно основания уменьшается с уменьшением частоты колебаний при одинаковой амплитуде отклонения, поэтому амплитуда сигнала уменьшается с понижением частоты колебаний. Снижение уровня выходного сигнала вызывает снижение чувствительности сейсмометра - прототипа в области низких частот колебаний, что является недостатком устройства - прототипа.
Технический результат полезной модели заключается в повышении чувствительности сейсмометра в области низких частот колебаний.
Технический результат достигается за счет того, что физический маятник выполнен в виде горизонтального диска, закрепленного на вертикальной оси, установленной в крестообразных подвесах, во втулке на основании прибора, на поверхности диска, на его краю прикреплен грузик, а в центре диска над осью вращения установлен блок-сенсор оптоэлектронного датчика угловых колебаний диска, датчик угловых колебаний состоит из закрепленного на основании лазера, пучок излучения которого направлен на блок-сенсор, который прикреплен к диску физического маятника над осью его вращения и представляет собой прозрачный параллелепипед, на противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки с прямоугольными профилями рельефов, при этом в области после прохождения пучка излучения лазера через блок-сенсор установлен пространственный фильтр в виде диафрагмы в первом порядке дифракции, а за пространственным фильтром помещен фотодиод, с выхода которого получают электрический сигнал пропорциональный угловому отклонению физического маятника от положения равновесия маятника.
В предлагаемом устройстве сейсмометра в качестве датчика угловых отклонений физического маятника от его положения равновесия применен оптоэлектронный датчик угловых перемещений, у которого выходной сигнал пропорционален величине углового отклонения физического маятника от положения равновесия, а не скорости движения маятника, как это имеет место в случае устройства - прототипа. В состав датчика угловых колебаний входит лазер, закрепленный на стойке на основании сейсмометра, блок-сенсор, который прикреплен к физическому маятнику над осью его вращения и представляет собой прозрачный параллелепипед, на противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки с прямоугольными профилями рельефов, при этом линии рельефов решеток параллельны друг другу. Пучок излучения лазера направлен на блок-сенсор, а в области после прохождения пучка излучения лазера через решетки блока-сенсора установлен пространственный фильтр, который выделяет пучок излучения первого порядка в дифракционной картине, образованной после прохождения лазерного пучка через блок-сенсор. За пространственным фильтром помещен фотодиод, с выхода которого получают полезный электрический сигнал, т.е. электрический ток, который в пределах рабочей области отклонений пропорционален угловому отклонению физического маятника от его положения равновесия.
Полезная модель поясняется фигурами, где на фиг. 1 изображен чертеж схемы расположения основных элементов полезной модели, а на фиг. 2, изображены зависимости отношений мощностей излучения в первом и в минус первом дифракционных порядках к мощности излучения на входе блока-сенсора от смещения одной дифракционной решетки относительно другой решетки в направлении поперек линий штрихов дифракционной решетки. По горизонтальной оси на фиг. 2 отложено нормированное смещение, равное отношению линейного смещения к периоду дифракционной решетки. Жирными линиями на рисунке выделены линейные участки на зависимостях нормированных мощностей излучения в дифракционных порядках от относительного смещения одной из дифракционных решеток относительно другой.
На основании 1 прибора в закрепленной на основании втулке 2 в упругих подвесах 3 установлена ось вращения 4, на которой закреплен горизонтальный физический маятник, в состав которого входит металлический диск 5, на краю которого прикреплен дополнительный грузик 6. К маятнику прикреплены возвратные пружины 18, при этом противоположные концы пружин прикреплены к установленным на стойках 17 и 20 регулировочным механизмам перемещения 19, с помощью которых можно изменять натяжения пружин с целью исходной настройки положения маятника и связанного с ним блока-сенсора в такую исходную рабочую точку, которая соответствует средине линейного участка зависимости выходного сигнала от угла поворота диска 5 физического маятника. Вблизи от металлической поверхности диска 5 в параллельной плоскости расположен установленный на стойке 8, плоский магнит 7, за счет которого обеспечивается демпфирование колебаний вследствие возникновения вихревых токов в металле диска при его движении в магнитном поле. Для измерений угловых перемещений диска маятника относительно основания сейсмометра предназначен оптоэлектронный дифракционный датчик угловых перемещений, в состав которого входит лазер 10, закрепленный на стойке 9, блок-сенсор 11, который расположен по ходу лазерного пучка, прикреплен к диску физического маятника над осью его вращения и представляет собой прозрачный стеклянный параллелепипед, на противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки 12 с прямоугольными профилями рельефов, линии профилей рельефов которых параллельны, а после блока-сенсора по ходу оптического пучка расположен пространственный фильтр, установленный на подставке 16, состоящий из линзы 13 и диафрагмы 14, которая расположена в фокальной плоскости линзы и выделяет пучок первого порядка дифракции. Выделенное пространственным фильтром излучение первого порядка дифракции попадает на фотодиод 15, и в результате на выходе фотодиода 15, расположенного за диафрагмой, формируется электрический сигнал, пропорциональный угловому перемещению диска маятника.
Сейсмометр с оптоэлектронным датчиком углового смещения диска маятника работает следующим образом.
Предварительная настройка прибора Прибор устанавливается на горизонтальную поверхность и ориентируется таким образом, чтобы направление движения дополнительного грузика 6 вдоль оси 0у при малом угловом отклонении диска от положения равновесия совпадало с направлением координаты земной поверхности, вдоль которой производится измерение колебаний поверхности Земли. После установки исходного положения диска необходимо будет дополнительно провести уточненную тонкую настройку схемы на средину линейного участка зависимости величины сигнала на выходе фотодиода от поворота диска с блоком сенсором. Блок-сенсор расположен таким образом, что пучок излучения лазера последовательно проходит через фазовые дифракционные решетки, расположенные на гранях блока-сенсора по направлению, близкому к нормали к поверхностям, на которых расположены дифракционные решетки. При повороте блока-сенсора, связанного с диском, относительно направления лазерного пучка происходит смещение дифракционных решеток относительно лазерного пучка в противоположных направлениях, перпендикулярных к направлению оси распространения лазерного пучка, а это приводит к изменению мощности излучения в первом (и в минус первом) дифракционном порядке и к пропорциональному изменению выходного тока фотодиода. Как было установлено исследованиями, описанными в работах: [В.А. Комоцкий, В.И. Корольков, Ю.М. Соколов «Исследование датчика малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток.» // Автометрия, 2006, том 42, №6, с. 105-112.], а также в работе: [В.А. Комоцкий, В.И. Корольков, Ю.М. Соколов «Оптоэлектронные дифракционные датчики малых угловых перемещений» // Фотоника, 2011, №1, с. 16-19], зависимость мощности излучения в первом порядке дифракции от угла поворота блока-сенсора имеет гармонический характер. Зависимости изменений мощностей излучения в первом порядке дифракции и в минус первом порядке дифракции от относительного смещения одной дифракционной решетки относительно другой решетки показаны на фиг. 2. По вертикальной оси на графике фиг. 2 отложены относительные величины:
±l
±l
i
±l
i
I=P(x)/P, где P(x) - мощности излучения в первых порядках дифракции, а P - мощность на входе блока-сенсора.
Зависимости мощности излучения первого и минус первого порядков имеют строго гармоническую форму с периодом, равным периоду дифракционных решеток при условии, что профили рельефов решеток - прямоугольные и ширина выступа рельефа равна ширине впадины рельефа и составляет половину периода решетки. На графике зависимости мощности первого (или минус первого) порядка дифракции существуют линейные участки. Если начальное положение блока-сенсора будет соответствовать средине одного из линейных участков этой гармонической зависимости, то при угловом отклонении диска на небольшой угол ΔΘ мощность излучения в первом порядке дифракции будет изменяться пропорционально угловому отклонению диска ΔΘ. Для установки начального положения блока-сенсора проводится операция уточненной настройки прибора. Уточненная настройка на средину линейного участка проводится с помощью механизмов натяжения 19 пружин. Изменяя натяжение пружин, мы поворачиваем диск, и вместе с этим поворачиваем блок-сенсор. При этом изменяется величина сигнала на выходе фотодетектора от нулевого до максимального значения по гармоническому закону, как это показано на фиг. 2. Для осуществления точной настройки мы измеряем величину сигнала на выходе фото детектора 15 и устанавливаем такое натяжение пружины, при котором величина сигнала на выходе фотодетектора равна средней величине между максимальным и минимальным значениями, измеренными при угловых отклонениях диска, превышающих промежуток между минимумом и максимумом выходного сигнала. После завершения уточненной настройки при измерениях используется линейный участок зависимости выходного сигнала от углового отклонения диска.
После настройки устройство работает следующим образом.
i
При горизонтальном движении основания устройства вместе с поверхностью в направлении, перпендикулярном радиусу, проведенному из центра диска к грузику 6, т.е. в направлении 0у на фиг. 1, под действием сил инерции происходит смещение грузика относительно основания в направлении, противоположном движению основания. В результате происходит поворот диска маятника вместе с блоком-сенсором относительно основания, прибора. При этом происходит изменение угла падения лазерного пучка на дифракционную структуру блока-сенсора. Изменение угла падения вызывает изменение мощности первого порядка дифракции лазерного пучка в области после прохождения пучка излучения через блок-сенсор. Зависимость мощности излучения первого порядка дифракции P от угла падения Θ при оптимальной глубине рельефа каждой фазовой дифракционной решетки выражается следующей формулой, приведенной в работах: (В.А. Комоцкий, В.И. Корольков Ю.М. Соколов, «Оптоэлектронные дифракционные датчики малых угловых перемещений» // Фотоника, 2011, №1, с 16-19.), (Комоцкий В.А., Соколов Ю.М. «Анализ интенсивностей дифракционных порядков в оптической схеме, содержащей две фазовые дифракционные решетки» // Вестник РУДН. сер. физика. 2006 г., №1, с. 90-95.):
z
z
i
2
здесь L=πλl/nΛ - это безразмерный параметр, характеризующий расстояние межу решетками, Λ - период дифракционной решетки, λ - длина волны излучения лазера, l - расстояние между дифракционными решетками, P - мощность излучения на входе блока-сенсора, n - показатель преломления материала блок-сенсора.
М
М1
М2
±l
1max
i
Формула (1) соответствует схеме, в которой глубины рельефов, образующих фазовые дифракционные решетки, оптимальны. Величины амплитуд пространственной фазовой модуляции волновых фронтов обеих решеток при этом равны оптимальной величине: Ф=Ф=Ф=π/4. Именно при этом условии, достигается максимальное значение амплитуды колебаний зависимостей P(x) при смещении одной из решеток относительно другой, а мощность дифрагированного излучения в каждом из первых порядков изменяется от нулевого до максимального значения, равно P=0,4Р.
В результате поворота блока-сенсора мощность первых порядков дифракции изменяется. На линейном участке зависимости мощности от угла поворота блока-сенсора крутизна преобразования величины угла поворота блока в величину изменения мощности первого порядка дифракции равна:
Θ-P
z
i
Θ-P
i
Θ-P
Приведем расчетную оценку величины S: положим, что блок- сенсор изготовлен из стекла с показателем преломления n=1,51, длина блока равна l=10 мм, а период решеток равен: Λ=0,2 мм. Тогда расчет по формуле (2) при условии Р=1 мВт дает следующий результат: S=42 мВт/радиан. Очевидно, что крутизна увеличивается пропорционально при увеличении мощности лазера. При мощности P=5 мВт крутизна составит 5, S=210 мВт/радиан.
Для практической реализации блока-сенсора может быть применен блок из стекла с полированными гранями с размером порядка 10 мм. Дифракционные решетки могут быть изготовлены на отдельных стеклянных подложках. Период решеток можно выбрать равным 200 мкм. Если диаметр лазерного пучка составляет порядка (1-2) мм, то выполняется необходимое условие, чтобы диаметр лазерного пучка в несколько раз превышал период дифракционной решетки. При этом выполняется условие надежного разделения дифракционных порядков в области пространственного фильтра. Диск физического маятника можно изготовить из меди. Также диск можно изготовить из пластика, дерева или другого немагнитного материала, но при этом к поверхности диска, которая обращена к магниту, должен быть приклеен слой металла с высокой электропроводностью.
Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить чувствительность сейсмометра в области низких частот колебаний.