Устройство для определения колебаний земной поверхности

Полезная модель относится к области приборостроения и оптоэлектроники. Устройство предназначено для регистрации и измерения колебаний поверхности земли в горизонтальной плоскости.
Известны устройства для измерения колебаний земной поверхности в горизонтальной плоскости - горизонтальнее 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 в себя основание, на котором установлен физический маятник на упругом подвесе, допускающем отклонения маятника в горизонтальной плоскости, 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 смещается относительно основания, установленного на поверхности земли, в направлении, противоположном движению земной поверхности. При этом сигнальная катушка смещается относительно магнита, связанного с основанием, Электрический сигнал с выхода сигнальной катушки пропорционален скорости движения маятника относительно магнита, при этом амплитуда сигнала резко уменьшается с уменьшением частоты сейсмических колебаний, ввиду того, что скорость движения маятника относительно основания уменьшается с уменьшением частоты колебаний при одинаковой амплитуде колебаний. Резкое снижение уровня выходного сигнала и чувствительности сейсмометра в области низких частот колебаний является недостатком устройства-прототипа.
Технический результат полезной модели, схема которой изображена на фиг. 1, заключается в повышении чувствительности устройства в области низких частот колебаний. Наряду с этим имеется дополнительный технический результат, состоящий в регистрации и измерении не только динамических движений поверхности земли, но и статических угловых наклонов поверхности, на которой установлено устройство.
Технический результат достигается тем, что в предлагаемом устройстве в качестве датчика отклонений физического маятника от положения равновесия применен оптоэлектронный датчик угловых перемещений, в состав которого входит лазер, блок-сенсор, связанный с физическим маятником, выполненный в виде уголкового отражателя, на одной грани которого закреплена отражающая рельефная периодическая структура с глубиной рельефа, большей, чем половина длины волны излучения лазера, а на другой его грани закреплено зеркало, излучение лазера направлено на рельефную структуру блока-сенсора, а в отраженном от блока-сенсора пучке излучения установлена диафрагма, которая выделяет пучок нулевого порядка в дифракционной картине, образованной после отражения лазерного пучка от блока-сенсора, а за диафрагмой помещен фотодиод, при этом выходной электрический сигнал, пропорциональный угловому отклонению физического маятника от положения равновесия, снимают с резистора нагрузки фотодиода.
OC
Схема расположения узлов и элементов устройства измерения колебаний изображена на фиг. 1. На основании прибора (1) в упругих подвесах или в подшипниках (2) установлена ось вращения (3), на которой закреплен физический маятник в форме металлического диска (4). Центр симметрии диска расположен ниже оси вращения на расстоянии R. В области оси вращения с помощью втулки (5) к диску прикреплен блок-сенсор (6), который представляет собой обойму с прямоугольным уголковым отражателем, две грани которого расположены под прямым углом друг к другу. На одной грани уголкового отражателя блока-сенсора расположена отражающая рельефная дифракционная решетка с прямоугольным профилем (7), а на другой грани расположено зеркало (8). Дифракционная решетка закреплена на грани блока-сенсора таким образом, чтобы линии дифракционной решетки были перпендикулярны оси вращения физического маятника и фактически параллельны плоскости диска. Полупроводниковый лазер (9) установлен на горизонтальной площадке основания таким образом, чтобы пучок его излучения был направлен по вертикали на отражающую дифракционную решетку блока-сенсора. На пути пучка излучения, возвращенного после отражения его от дифракционной решетки (7) и от зеркала (8), установлено поворотное зеркало (10), с помощью которого дифракционный пучок излучения направлен на диафрагму (11), с помощью которой выделяется излучение нулевого порядка дифракции. Выделенный диафрагмой пучок излучения нулевого порядка направляется на фотодетектор (12) к которому последовательно подключено напряжение, создающее обратное смещение p-n перехода фотодиода, и резистор нагрузки (13), с выводов которого получают электрический выходной сигнал. На вертикальной стойке основания (1) закреплены постоянные магниты (14), плоские поверхности которых расположены параллельно поверхности металлического диска (4) вблизи его поверхности. Магниты предназначены для оптимального демпфирования колебаний диска за счет эффекта возникновения вихревых токов в металлическом диске при его движении. Блок-сенсор (6), который связан с диском через посредство втулки (5), имеет возможность поворота относительно диска, что необходимо для обеспечения установки начального оптимального угла падения лазерного пучка на дифракционную решетку (7). На горизонтальной части основания (1) расположены три регулировочных винта, которые предназначены для установки основания в исходное горизонтальное положение, при этом два винта (15) размещены на одной стороне основания на линии, перпендикулярной плоскости диска, а третий винт (16) размещен на противоположной стороне основания на равном удалении от винтов (14). С помощью третьего регулировочного винта возможна тонкая подстройка наклона основания в плоскости диска, и в результате осуществляется тонкая подстройка и установка оптимального угла падения пучка лазера на дифракционную решетку. Арретир (17) служит для фиксации положения равновесия физического маятника при настойке устройства.
вых
0
Настройка схемы производится следующим образом. При отсутствии внешних возмущений дисковый маятник занимает исходное положение равновесия, при котором центр тяжести маятника находится на вертикальной отвесной линии, проходящей через центр вращения и центр тяжести маятника. Для первичной настройки устройства это положение диска следует зафиксировать с помощью арретира. После этого пучок излучения лазера следует направить по вертикали на дифракционную структуру (7). Лазер следует установить на основании таким образом, чтобы точка падения лазерного пучка на дифракционную структуру (7) лежала на продолжении оси вращения (3) диска. В этом случае при повороте диска вместе с блоком-сенсором (6) вокруг оси вращения (3) точка встречи оптического пучка с дифракционной решеткой (7) не перемещается по решетке при угловом отклонении физического маятника. Отраженный от дифракционной решетки (7) пучок излучения, состоящий из нескольких дифракционных порядков, после его отражения от зеркал (8) и (10) направляется на диафрагму (11), размер отверстия которой выбран таким образом, чтобы пропустить на фотодиод (12) только излучение нулевого порядка, и отсечь излучение первых и высших дифракционных порядков. Фотодиод включен по схеме, в которой на фотодиод подано обратное напряжения смещения, запирающее p-n переход, при этом напряжение U на резисторе нагрузки фотодиода пропорционально мощности излучения Р нулевого порядка дифракции.
ф
AB
н
где i - ток фотодиода, S - крутизна преобразования фотодиода (ампер - ваттная чувствительность) с размерностью [А/Вт], R - сопротивление резистора нагрузки.
вых
Постоянное напряжение, U, полученное с выхода фотодиода, используется для настройки оптоэлектронного измерительного канала на средину линейного участка зависимости выходного напряжения от угла поворота 0 блока-сенсора относительно основания прибора. Для настройки прибора на средину линейного участка зависимости выходного сигнала от угла поворота маятника следует повернуть блок-сенсор относительно зафиксированного диска в такое положение, при котором напряжение на выходе фотодиода будет равно средней величине между максимальным и минимальным значениями выходного сигнала, которые наблюдаются при повороте диска в широком диапазоне углов поворота маятника.
0
Устройство работает следующим образом. При горизонтальном движении основания устройства вместе с поверхностью, на которой оно установлено, происходит поворот физического маятника относительно основания в направлении, противоположном движению основания. В результате происходит изменение угла падения лазерного пучка на дифракционную структуру в плоскости, параллельной ее линиям. Изменение угла падения вызывает изменение мощности нулевого порядка дифракции. Зависимость мощности излучения нулевого порядка Р от угла падения Θ выражается следующей формулой [В.А. Комоцкий, Ю.М. Соколов, Н.В. Суетин «Модуляция лазерного пучка с применением уголкового отражателя и глубокой дифракционной решетки». // Радиотехника и электроника, 2017, том 62, №7, с 717-722]:
ПАД
p
где Р - мощность излучения, падающая от лазера на дифракционную решетку, R - коэффициент отражения излучения от поверхности дифракционной структуры, H - глубина рельефа дифракционной структуры, λ - длина волны излучения лазера.
р
oc
oc
Зависимость мощности излучения нулевого порядка дифракции от угла падения пучка на дифракционную структуру, глубина рельефа которой равна Н=3λ, приведена на фиг. 2. Зависимость нормирована на максимальную величину мощности. При условии, что начальный угол падения равен Θ==45°, зависимость мощности нулевого порядка от угла падения лазерного пучка в области, которая лежит вблизи угла Θ=45°, близка к линейной. В результате на нагрузке фотодиода, который расположен в выделенном диафрагмой нулевом дифракционном порядке дифракции, получаем электрический сигнал, пропорциональный угловому отклонению маятника от положения равновесия. При небольших углах отклонения маятника, ΔΘ<0,1 радиана, угол отклонения маятника связан с линейным горизонтальным смещением основания, Δx, приближенным соотношением: ΔΘ=Δx/R, где R - расстояние от оси вращения до центра масс физического маятника. Благодаря свойствам уголкового отражателя направление отраженного пучка не изменяется при угловом отклонении блока-сенсора, потому след излучения нулевого порядка дифракции не выходит за пределы площадки фотодетектора.
Для проведения измерений в линейном режиме используется участок зависимости, изображенной на фиг. 2, который находится в области, близкой к углу падения пучка Θ=45°. При этом протяженность линейного участка соответствует повороту маятника на несколько градусов, а участок монотонной зависимости мощности от угла отклонения маятника имеет протяженность приблизительно ΔΘ=6°. На краях этого диапазона зависимость перестает быть линейной.
Электрический сигнал с выхода фотодиода подается на входы двух каналов усиления и регистрации сигнала: на канал статических измерений и на канал динамических измерений.
Сигнал канала статических измерений снимается непосредственно с выхода резистора нагрузки. Канал статических измерений может быть снабжен дополнительным усилителем постоянного тока, который не содержит разделительных конденсаторов и усиливает сигналы низких частот, начиная с нулевой частоты. Измеряя напряжение на выходе этого канала можно регистрировать статические изменения наклонов поверхности, на которой установлено устройство. С целью уменьшения шумов полоса ограничивается со стороны высоких частот фильтром низких частот. Частоту среза фильтра низких частот целесообразно выбрать с учетом реального диапазона частот, в котором могут находиться регистрируемые колебания, например, порядка 100-1000 Гц
Канал динамических измерений содержит фильтр высоких частот, отрезающий постоянную составляющую и некоторую область низких частот. На выходе этого канала получаем информацию о колебаниях поверхности с частотами выше частоты среза фильтра высоких частот. Частота среза фильтра высоких частот выбирается в области низких частот, значительно меньших, чем собственная частота колебаний маятника. Канал содержит также фильтр низких частот, аналогичный фильтру в канале статических измерений.
Д
oc
Д
Пример практической реализации устройства. В качестве физического маятника выберем диск с радиусом R=15 см. Диск может быть изготовлен из дюралюминия. Положим, например, что расстояние от центра диска до центра оси вращения равно: R=0,2R.
M
Период физического маятника T рассчитывается по формуле:
c
m - масса маятника, g - ускорение силы тяжести, I - момент инерции маятника относительно его оси вращения.
Момент инерции диска относительно оси вращения, не совпадающей с центром диска, рассчитывается по формуле:
Д
oc
Д
М
При радиусе диска, равном R=0,15 м, и при условии, что: R=0,21R период колебаний составит Т=1,27 с, что соизмеримо с периодом колебаний маятника в устройстве-прототипе сейсмометре типа СМ-3.
П
РД
В качестве источника излучения используем полупроводниковый лазер, снабженный коллимирующей системой с мощностью излучения 5-7 мВт, с длиной волны 0,65 мкм. Период дифракционной структуры, Λ, целесообразно выбрать в пределах от Λ=100 мкм до Λ=50 мкм. При Λ=100 мкм пучок излучения лазера, диаметр которого составляет d=1 мм, будет охватывать 10 периодов дифракционной решетки, что позволяет хорошо разделить дифракционные порядки по углу и избежать перекрестных помех из-за проникновения излучения первых дифракционных порядков через диафрагму на фотодиод. Для разделения оптических пучков в плоскости диафрагмы (без применения дополнительной линзы в составе пространственного фильтра) необходимо, чтобы расстояние от дифракционной решетки до диафрагмы, L, удовлетворяло бы условию:
з
з
Коэффициент запаса качества разделения k должен быть k>2.
П
з
РД
РД
При d=1 мм, Λ-100 мкм, λ=0,65 мкм, k=3 расчет по формуле (5) дает значение L=461 мм. Если применить дифракционную решетку с периодом Λ-50 мкм, то расстояние L можно сократить вдвое до 230 мм. Диафрагма, установленная на расчетном удалении от блока-сенсора имеет диаметр, согласованный с диаметром лазерного пучка и допускает возможность настройки ее положения в пространстве для пропускания через диафрагму только пучка нулевого порядка дифракции.
Каналы усиления после фотодетектора могут быть построены по типовым схемам на базе прецизионных микросхем типа 140 УД 17, или ОР-7 или аналогичных.