ЛАЗЕРНО-ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ ГИДРОФОН

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам для измерения вариаций давления жидкостей и может быть использовано в океанологии, гидрофизике и гидроакустике.
В гидрофизике для измерения давления в низкочастотной области известно применение в качестве чувствительного элемента отрезка оптического волокна (патент США N 5386729, 1995), но подобные приборы обладают значительной зависимостью от температуры и нелинейной измерительной характеристикой, что усложняет конструкцию из-за необходимости устройства термокомпенсации измерений.
Известен оптический измеритель давления (п. РФ N 2113697, опубл. 20.06.98 г.), содержащий корпус, внутри которого размещен чувствительный элемент, включающий шток, связанный с тремя мембранными узлами, и оптическое устройство, соединенное с волоконно-оптическим кабелем. Оптическое устройство выполнено в виде интерферометра Майкельсона, светоделитель которого представляет собой составной кубик, а подвижный и неподвижный отражатели - триппель-призмы, причем подвижный отражатель жестко связан со штоком, а шток снабжен пружинами, закрепленными между мембранными узлами и торцевыми стенками корпуса
Однако известная конструкция, хотя и имеет оптическую измерительную систему, обладает значительной инерционностью, обусловленной наличием массы штока, несущего подвижное зеркало, и поддерживающих шток пружин, что приводит к ограничению интервала измерений давлений и точности измерений. Кроме этого, известный датчик требует сложной системы интерпретации информационного сигнала из-за необходимости анализа интерферограммы.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является оптико-механический измеритель давления жидкостей и газов (п. РФ №2159925, опубл. 27.11.2000). Измеритель представляет собой герметичный корпус с системой компенсации наружного давления и кабель-вводом, через который осуществляют подачу напряжения питания и передачу данных на стационарно расположенный пишущий компьютер. В корпусе размещена оптическая система, выполненная по схеме интерферометра Майкельсона. Оптическая система состоит из
источника монохроматического излучения, в качестве которого установлен частотно-стабилизированный лазер, коллиматора и интерферометра, содержащего светоделитель, световод, линзу, фотодетектор, подвижный отражатель, являющийся одновременно чувствительным элементом датчика, неподвижный отражатель в виде двух параллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90" друг к другу и связанных с системой регистрации, которая выполнена с возможностью изменения длины оптического пути, проходимого опорным лучом за счет цепи обратной связи. Подвижный отражатель оптической системы представляет собой мембрану с нанесенным светоотражающим покрытием, которая одновременно является одним из торцов корпуса. Система компенсации внешнего давления представляет собой установленную в корпусе между мембраной и оптической системой параллельно мембране перегородку, изготовленную либо из металла с прозрачным окном для прохождения измерительного луча, либо целиком из прозрачного материала. Для создания в этом новом отсеке давления, равного постоянному внешнему давлению, в корпусе предусмотрен герметизируемый штуцер, через который закачивается/откачивается газ под давлением, равным среднему внешнему давлению жидкости на внешней поверхности мембраны. Для повышения точности измерений и обеспечения жесткого закрепления элементов устройства оптическая часть установлена на оптической скамье, изготавливаемой из материала с малым тепловым расширением.
Однако известное устройство из-за использования частно-стабилизированного лазера не является автономным, имеет большие геометрические размеры, массивно, является дорогостоящим и при этом не обеспечивает требуемой точности измерений низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение ассортимента оптических измерителей давления жидкостей, за счет разработки лазерно-интерференционного гидрофона, обладающего высокой точностью измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления и при этом способного работать автономно продолжительное время при малых затратах потребляемой энергии, компактного и дешевого.
Поставленная задача решается лазерно-интерференционным гидрофоном, представляющим собой герметичный корпус, содержащий систему компенсации внешнего давления, систему регистрации и оптическую систему на основе интерферометра Майкельсона, включающую монохроматический источник излучения, неподвижный отражатель в виде двух плоско-параллельных зеркал, установленных
-3
на пьезокерамических основаниях под углом 90" друг к другу и связанных с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, подвижный отражатель, являющийся одновременно и чувствительным элементом, представляющим собой одну из сторон корпуса, выполненную в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, при этом оптическая система выполнена на основе равноплечного интерферометра Майкельсона, в качестве источника излучения используют лазерный диод с долговременной частотной нестабильностью не более 10, система регистрации дополнительно содержит блок накопления и хранения информации, а мембрана выполнена съемной.
Для повышения точности измерений вариаций давления гидрофон может дополнительно содержать температурный зонд, соединенный с системой регистрации.
Система компенсации внешнего давления выполнена стандартным способом, например, как описано в прототипе.
На фиг. приведена блок-схема оптической системы заявляемого лазерно-интерференционного гидрофона, состоящая из лазерного диода (1), коллиматора (2), и интерферометра, выполненного по схеме равноплечного интерферометра Майкельсона, который включает светоделитель (3), подвижный отражатель (мембрана) 4, фотодиод (5), фокусирующую линзу (6), неподвижный отражатель (7), а также блок накопления и хранения информации (8) и температурный зонд (9), соединенные с системой регистрации (10).
Оптическая система размещена на оптической скамье в герметичном корпусе, (на фиг. не показаны).
-3
Для достижения высокой точности измерений низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления при использовании в качестве источника монохроматического излучения в заявляемом устройстве полупроводникового лазерного диода, имеющего долговременную нестабильность по частоте не более 10, заявителем предложено использовать оптическую систему на основе равноплечного интерферометра Майкельсона. При этом чем выше точность выравнивания длин плеч интерферометра, тем выше точность измерения смещения подвижного отражателя, а значит и точность измерения вариаций давления.
Известно, что нестабильность частоты лазера  связана с относительным смещением Δl подвижного отражателя выражением , где l - оптическая разность хода в плечах интерферометра. При уравнивании длин плеч интерферометра с
-4
-8
точностью порядка 10 м, точность измерения смещения подвижного отражателя с учетом заявляемой нестабильности частоты лазерного диода составит 10 м, что соответствует изменению внешнего давления на мембрану диаметром 100 мм и толщиной 0.1 мм на величину равную 0.015 Па.
-4
Уравнивание длин плеч интерферометра с необходимой точностью производится предварительно при сборке гидрофона, например, следующим образом. Сначала выполняют уравнивание механическим способом с помощью линейных измерительных систем и юстировачных механизмов. Затем производят более точное выравнивание с использованием стандартных электрических систем. Например, устанавливают лазерный диод на пьезокерамическое основание, на которое подают сигнал специальной формы, меандр или синусоидальный и изменением длин одного из плеч интерферометра добиваются на выходе системы регистрации гидрофона амплитуды сигнала близкой к нулю, что соответствует уравниваю длин плеч интерферометра с точностью не менее 10 м.
Заявляемый лазерно-интерференционный гидрофон позволяет измерять вариации давления жидкостей, например, на глубинах до 1000 м с точностью 0,015 Па в частотном диапазоне 0-1000 Гц.
Использование в гидрофоне в качестве источника излучения маломощных лазерных диодов, обладающих высокой долговременной нестабильностью частоты, и равноплечного интерферометра, позволило обеспечить высокую точность измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления и одновременно добиться автономности, компактности и дешевизны заявляемого гидрофона, поскольку питание лазерного диода возможно осуществить, например, посредством 12 v аккумулятора.
Устройство работает следующим образом:
Луч от лазерного диода (1) попадает на коллиматор (2), где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее луч направляется на плоскопараллельный светоделитель (3), где расщепляется на два пучка. Один из них, проходя через фокусирующую линзу (6), отражается от подвижного отражателя (4), представляющего собой светоотражающее покрытие, нанесенное на мембрану, попадает на светоделитель (3), затем на фотодиод (5) и в место прихода луча от неподвижного отражателя (7) опорного луча. В данном месте опорные лучи совмещаются котировочными болтами (болты на фиг. не показаны) образуя интерференционную картину. Интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого находится фотодиод (5). Под воздействием вариаций внешнего давления возникают смещения подвижного
отражателя (4) относительно его положения равновесия, вследствие чего изменяется оптическая длина, проходимая измерительным лучом, что приводит к изменению интенсивности света в месте нахождения фотодиода (5). Соответственно система регистрации (10) вырабатывает сигнал обратной связи, подаваемый к пьезокерамическим основаниям (на фиг. не показаны), на которых укреплены отражающие зеркала неподвижного отражателя (7) опорного луча, и этим изменяет оптическую длину, проходимую опорным лучом. Интенсивность пятна в месте нахождения фотодиода (5) поддерживается за счет обратной связи. Величина сигнала подаваемого на пьезокерамическое основание зеркал неподвижного отражателя (7) пропорциональна изменению оптической длины измерительного луча, и соответственно, является мерой смещения подвижного отражателя (4) относительно положения равновесия.
-3
В качестве источника монохроматического света в заявляемом устройстве устанавливают полупроводниковые лазерные диоды, имеющие долговременную нестабильность по частоте не более 10, например, HLDPM12-655-5.
-4
Уравнивание длин плеч интерферометра с точностью до 10 м и установка долговременного частотно нестабилизированного лазерного диода позволяют измерять вариации давления гидросферы с точностью 0,015 Па.
Выполнение чувствительного элемента в виде съемной мембраны (4) позволяет устанавливать мембраны различной толщины, т.е. измерять вариации давления с высокой точностью в заданном интервале давлений.
Например, в конкретном случае использования в качестве чувствительного элемента круглой мембраны диаметром 0.1 м, толщиной 0.1 мм, возможно измерить вариации давления жидкости с точностью 0.015 Па в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц.
В качестве системы регистрации на базе, например, микропроцессора ATMEGA16, применена система экстремального регулирования с системой учета скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами автоматическим введением расчетных поправок температурной погрешности. Система регистрации выполнена с возможностью изменения оптической длины пути, проходимого опорным лучом за счет цепи обратной связи воздействующей на одну из зеркал оптической системы. Кроме того, система регистрации дополнительно содержит блок накопления и хранения информации, представляющий собой, например, флэш-память.
Для учета влияния температуры на измеряемую величину вариаций давления и,
следовательно, повышения точности измерений, заявляемое устройство может быть дополнительно снабжено температурным зондом для компенсации погрешностей, связанных с воздействием температурных колебаний окружающей среды. Температурный зонд осуществляет непрерывное измерение температуры окружающей среды и передает эти данные с систему регистрации, которая осуществляет вычисление необходимых поправок и вводит их в выходной сигнал системы регистрации для регистрации температурной погрешности измерений.
-3
Таким образом, совокупность всех существенных признаков предложенного устройства, в том числе использование в качестве источника монохроматического излучения лазерного диода с долговременной нестабильностью по частоте не более 10 совместно с равноплечным интерферометром, а также блока накопления и хранения информации, позволяет получить заявленный технический результат: новый компактный, автономный и дешевый оптический измеритель вариаций давления жидкости, обладающий высокой точностью измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления.