Лазерно-интерференционный гидрофон
LASER INTERFERENCE HYDROPHONE

Изобретение относится к области геофизики, к измерительной технике, и может быть использовано для измерения микроколебаний подводного давления и изучения пространственно-временной структуры геофизических полей инфразвукового и звукового диапазонов.
Известен ряд устройств для измерения микроколебаний подводного давления с использованием различных оптических измерительных систем (п. РФ №58216 U1, РФ №71163 U1, РФ №171583 U1). Для всех известных устройств, имеющих мембраны в качестве чувствительного элемента, до начала проведения измерений требуется проведение компенсации гидростатического давления для недопущения вдавливания мембраны прибора внутрь при возрастании внешнего давления. Это осуществляется подачей воздуха в систему компенсации внешнего давления - компенсационную камеру.
Наиболее близким по технической сути к заявленному устройству является лазерно-интерференционный гидрофон (п. РФ №71163 U1). Гидрофон представляет собой герметичный корпус, содержащий систему регистрации, оптическую систему на основе интерферометра Майкельсона и систему компенсации статического давления. Оптическая система включает монохроматический источник излучения, неподвижный отражатель в виде двух плоско-параллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу и связанных с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, и подвижный отражатель, являющийся одновременно и чувствительным элементом, представляющим собой одну из сторон корпуса, выполненную в виде съемной мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием.
Система компенсации внешнего давления в известном устройстве представляет собой компенсационную камеру, которая выполнена путем установления в корпусе между мембраной и оптической системой перегородки, параллельной мембране, изготовленной либо из металла с прозрачным окном для прохождения измерительного луча, либо целиком из прозрачного материала.
Для создания в компенсационной камере 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.
Такая схема компенсационной камеры известного устройства имеет существенные недостатки. Измерительный луч, проходя свой путь до зеркального покрытия на мембране и обратно, четыре раза пересекает области границ плотности воздух/стекло и имеет значительные потери мощности. Отметим также, что светоотражающее покрытие на поверхности мембраны при работе искажает луч при ее изгибе. Все это в результате негативно сказывается на качестве интерференционной картины. Кроме того, несмотря на малые размеры компенсационной камеры, снаружи устройства требуется наличие большой эластичной емкости с воздухом (из-за сжимаемости последнего), которая испытывает значительные нагрузки при погружениях. Альтернатива в виде сжатого воздуха в металлическом баллоне требует сложной системы контроля количества закачиваемого газа, датчика давления внутри компенсационной камеры, коллектора с отдельными клапанами на впуск и сброс газа. Все это снижает надежность, качество интерференционной картины, уменьшает диапазон глубин и удорожает конструкцию.
Задачей заявляемого изобретения является расширение ассортимента оптических измерителей давления за счет разработки лазерно-интерференционного гидрофона, позволяющего увеличить диапазон рабочих глубин, улучшить качество интерференционной картины на фотодетекторе, то есть повысить чувствительность измерений, при этом способного работать как с гидравлической системой компенсации статического давления, так и с воздушной.
Поставленная задача решается лазерно-интерференционным гидрофоном, представляющим собой герметичный корпус, содержащий систему регистрации, оптическую систему на основе интерферометра Майкельсона и систему компенсации внешнего давления, при этом оптическая система включает монохроматический источник излучения, оптический делитель луча, разделяющий луч источника излучения на эталонный и измерительный, при этом эталонный луч проходит через неподвижный отражатель в виде двух плоскопараллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу, а измерительный луч проходит через собирающую линзу и подвижный отражатель, причем после прохождения обоих лучей по своим траекториям, они вновь сводятся вместе на оптическом делителе, а образованная в результирующем луче интерференция попадает через фотодетектор в систему регистрации, выполненную с возможностью изменения длины оптического пути, а система компенсации внешнего давления включает оборудованную клапаном компенсационную камеру, образованную торцевой стенкой корпуса, снабженной съемной мембраной, и параллельно ей установленной перегородкой, при этом подвижный отражатель выполнен в виде зеркала, неподвижно установленного на одном конце штока, второй конец которого через подвижное радиальное уплотнение отверстия перегородки присоединен к центру мембраны.
На чертеже приведена блок-схема заявляемого устройства, где корпус - (1), система регистрации - (2), источник монохроматического излучения - (3), оптический делитель - (4), зеркала настройки и управления - (5), эталонный луч - (6), измерительный луч - (7), собирающая линза - (8), компенсационная камера - (9), зеркало подвижного отражателя - (10), шток - (11), мембрана - (12), радиальное уплотнение - (13), секущий клапан - (14), фотоприемник - (15), перегородка - (16).
Устройство работает следующим образом. Луч источника монохроматического излучения (3) попадает в оптический делитель луча (4). Разделившись, луч проходит по двум оптическим путям - эталонному (6) и измерительному (7). Эталонный луч имеет траекторию, проходящую через зеркала настройки и управления (5). Измерительный луч проходит через собирающую линзу (8) и подвижное зеркало (10). После прохождения обоих лучей по своим траекториям они вновь сводятся вместе на оптическом делителе (4) и образованная в результирующем луче интерференция попадает на фотодетектор (15). Система регистрации (2), используя сигнал, полученный фотодетектором, формирует выходной сигнал, а также управляет интерферометром. Первичным преобразователем заявляемого прибора является мембрана (12), связанная через шток (11) с зеркалом (10). Один конец штока закреплен в центре мембраны, а на втором конце установлено зеркало (10), являющееся подвижным отражателем. Шток проходит через отверстие в перегородке, не нарушая герметичности компенсационной камеры (КК). Герметизация отверстия в перегородке между основным объемом устройства и КК производится посредством подвижного радиального уплотнения (13) с использованием резиновых колец, по ГОСТ 9833-73. Таким образом, шток имеет свободный ход в продольном направлении, сопротивление которому оказывают трение качения (за счет скручивания) кольца уплотнения по примыкающим поверхностям штока и перегородки, а также упругие силы мембраны. Изоляцию объема КК от внешней среды производит секущий клапан (14), выполненный, например, с электромагнитным приводом. Этот клапан открывается при изменении глубины устройства дистанционно, а также при установке и поднятии прибора. При этом забортная вода поступает внутрь КК, выравнивая давление по обе стороны мембраны. Во время проведения измерений клапан закрыт, а возможность перемещения центра мембраны в соответствии с флуктуациями внешнего давления обеспечивается подвижным радиальным уплотнением на штоке.
Корпус (1) устройства может быть выполнен из коррозионно-стойкого материала, например металла или полимера, для возможности работы в морской воде.
В качестве источника монохроматического излучения в заявляемом устройстве может быть использован частотно-стабилизированный полупроводниковый лазерный диод либо газовый гелий-неоновый излучатель.
Чувствительный элемент - мембрана выполнена в виде съемной детали и, в зависимости от задачи исследования, может быть установлена различной толщины, что позволяет измерять вариации давления с высокой точностью в заданном интервале давлений.
Для улучшения характеристики частотного диапазона сверху, КК выполняется наименьшего объема. Указанный объем определяет амплитудно-частотную характеристику первичного преобразователя Уменьшение диапазона измеряемых давлений за счет добавления к массе мембраны массы штока и массы воды в КК минимизируют за счет того, что шток выполняется очень тонким, преимущественно, диаметром 1-2 мм, осевую поддержку и точность смещения штока обеспечивает радиальное уплотнение в перегородке корпуса.
Предложенная система компенсации гидростатического давления проста в использовании, не имеет дополнительных датчиков, позволяет использовать в качестве балласта забортную воду при открытии клапана, не ограничена объемами предварительных запасов воздуха, а также не ослабляет измерительный луч интерферометра. Возможная рабочая глубина увеличивается до значения ограничения действия радиального уплотнения штока, которое при выполнении в виде двух-трех секций перекрывает все известные глубины. Кроме того, при работе на малых глубинах остается возможность использования и газовой компенсации внешнего давления, для этого достаточно соединить наружный штуцер клапана с газовым балластом.
Система регистрации может быть выполнена, например, на базе микропроцессора ATMEGA16, по принципу экстремального регулирования с удержанием рабочей точки на интерференционном максимуме со скачкообразным переходом на соседний максимум при достижении предела динамического диапазона регулирования и введением расчетных поправок температурной погрешности. Система регистрации выполняется с возможностью изменения оптической длины пути, проходимого опорным лучом за счет пьезоэлектрического звена обратной связи, воздействующей на одно из зеркал оптической системы, что является исполнительным механизмом системы экстремального регулирования. Система регистрации дополнительно содержит блок накопления и хранения информации, представляющий собой, например, твердотельный накопитель данных.
Предложенное решение лазерно-интерференционного гидрофона с выполнением подвижного отражателя в виде зеркала на штоке, соединенном через компенсационную камеру с чувствительным элементом гидрофона в виде мембраны, позволили создать гидрофон с гидравлической системой компенсации статического давления.
Кроме того, конструкция заявляемого гидрофона, в которой измерительный луч не покидает изолированного объема камеры с оптической системой, а, значит, не ослабляет измерительный луч интерферометра, позволяет улучшить качество интерференционной картины на фотодетекторе, что позитивно сказывается на чувствительности к измеряемой величине.
Таким образом, предлагаемое техническое решение, при его использовании, приводит к увеличению диапазона рабочих глубин гидрофона до максимальных, а также позволяет улучшить качество интерференционной картины за счет отсутствия ослабления измерительного луча, что в свою очередь повышает чувствительность гидрофона при работе, а также обеспечивает возможность использования как жидкостного (не ограниченного по количеству запаса), так и газового балласта (ограниченный запас).