Вертикальный сейсмометр с оптоэлектронным дифракционным датчиком колебаний

Полезная модель относится к области приборостроения и оптоэлектроники. Устройство предназначено для измерения колебаний поверхности Земли в вертикальной плоскости.
Известны устройства для измерения колебаний земной поверхности в вертикальной и горизонтальной плоскости, например, сейсмометр типов СМ-3, который описан в книге: «Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений в СССР» // изд. «наука», Москва, 1974 г (с. 48-49, с. 52,). Это устройство является аналогом предлагаемой полезной модели. В сейсмометре СМ-3 применен индуктивный датчик колебаний, у которого выходной электрический сигнал пропорционален скорости движения, а не смещению маятника относительно основания сейсмометра. В результате происходит потеря чувствительности в области низких частот регистрируемых колебаний.
Известно устройство горизонтального сейсмометра с оптоэлектронным датчиком смещения, у которого выходной сигнал пропорционален отклонению маятника от положения равновесия, а не скорости движения маятника. Это устройство описано в патенте на полезную модель: «горизонтальный сейсмометр с оптоэлектронным дифракционным датчиком колебаний», RU 203735 (публ. 19.04.2021 г.), и оно является прототипом предлагаемой полезной модели.
Устройство прототип включает: основание, на котором установлен физический маятник, который выполнен в виде горизонтального диска с дополнительным грузиком, прикрепленным на периферии диска, диск закреплен на вертикальной оси, установленной в крестообразных подвесах, допускающих поворот диска относительно основания в горизонтальной плоскости и пружину, возвращающую маятник в положение равновесия, регулятор натяжения пружины, магнитный демпфер колебаний диска маятника, датчик углового перемещения маятника относительно основания, в состав которого входит лазер, блок-сенсор, представляющий собой прозрачный стеклянный параллелепипед, содержащий две рельефные фазовые дифракционные решетки с прямоугольными профилями рельефов, расположенные на параллельных противоположных гранях стеклянного параллелепипеда, пространственный фильтр, и расположенный за пространственным фильтром в области первого порядка дифракции фотодиод, с выхода которого получают электрический сигнал, пропорциональный угловому смещению маятника.
Недостатком устройства-прототипа является невозможность его применения для регистрации вертикальных колебаний поверхности Земли.
Технический результат полезной модели заключается в расширении арсенала технических средств, позволяющих регистрировать вертикальные колебания земной поверхности, получая при этом на выходе электрический сигнал, пропорциональный смещению маятника относительно основания, установленного на поверхность Земли.
Технический результат достигается за счет того, что диск физического маятника с дополнительным грузиком расположен в вертикальной плоскости и прикреплен к горизонтальной оси, установленной в крестообразных подвесах на вертикальной стойке основания, к диску прикреплена вертикальная пружина, уравновешивающая вес дополнительного грузика в таком начальном положении, при котором центр масс грузика находится на горизонтальной линии, проходящей через центр оси диска, при этом блок-сенсор прикреплен к противоположному торцу оси диска, по другую сторону стойки основания, а лазер, пространственный оптический фильтр и фотодиод, а также дополнительное направляющее зеркало, установлены на подвижной платформе, которая связана с вертикальной стойкой основания через кольцевой подшипник скольжения, допускающий независимый поворот этой платформы относительно оси маятника, при этом платформа связана с механизмом тонкой регулировки угла поворота платформы относительно стойки основания. Лазер, направляющее зеркало, пространственный фильтр и фотодиод установлены на поверхности платформы таким образом, чтобы пучок излучения лазера проходил через блок-сенсор, при этом направляющее зеркало, пространственный фильтр и фотодиод расположены в области после прохождения лазерного пучка через блок-сенсор.
Полезный электрический сигнал получают с выхода фотодиода, помещенного за пространственным фильтром, выделяющим излучение первого порядка дифракции. Полезный сигнал, т.е. электрический ток фотодиода, пропорционален угловому отклонению физического маятника от его положения равновесия в пределах рабочей области отклонений диска от равновесия.
Полезная модель поясняется фигурами, где на фиг. 1 изображена схема расположения основных элементов полезной модели, на фиг. 2 - изображены нормированные зависимости отношений мощностей излучения в первом и в минус первом дифракционных порядках к падающей 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 фигуре 2 отложено нормированное смещение, равное отношению линейного смещения к периоду дифракционной решетки. Жирными линиями на фигуре 2 выделены линейные участки на зависимостях нормированных мощностей излучения в дифракционных порядках от относительного смещения одной из дифракционных решеток относительно другой.
На схеме, изображенной на фиг. 1, основание прибора состоит из горизонтальной части 1 и вертикальной стойки 2, в которой в упругих подвесах 3 установлена горизонтальная ось вращения 4. На торце этой оси закреплен физический маятник, в состав которого входит расположенный в вертикальной плоскости диск 5, к краю которого прикреплен дополнительный грузик 6, а к противоположной от грузика стороне диска прикреплена пружина 7, которая уравновешивает момент, создаваемый весом грузика, таким образом, чтобы центр тяжести грузика находился на горизонтальной линии, проходящей через центр оси вращения диска маятника. Другой, противоположный конец пружины связан с механизмом перемещения 8, который установлен на стойке 2 основания и предназначен для регулировки натяжения пружины и установки начального положения диска с грузиком.
Вблизи плоскости металлического диска маятника расположен плоский постоянный магнит 9, установленный на П-образной стойке 10, который предназначен для демпфирования колебаний маятника за счет эффекта возникновения вихревых токов в металле при движении диска маятника в магнитном поле.
На торце оси 4, противоположном по отношению к расположению диска маятника, по другую сторону вертикальной стойки 2, закреплен блок-сенсор 11, который представляет собой прозрачный стеклянный параллелепипед, на противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки с прямоугольными профилями рельефов, при этом линии профилей рельефов этих решеток параллельны друг другу.
Блок-сенсор 11 в совокупности с другими элементами схемы лазером 14, направляющим зеркалом 15, пространственным оптическим фильтром 16 и фотодиодом 17, которые расположены на поворотной платформе 13, составляют оптоэлектронный датчик колебаний маятника. Платформа 13 имеет кольцевое отверстие, которое посажено на кольцевую втулку 12, которая связана с вертикальной стойкой 2, при этом платформа 13 имеет возможность поворота вокруг оси, совпадающей с осью вращения маятника. Для регулировки угла поворота платформы предназначен механизм перемещения 18, который установлен на основании прибора и связан с платформой 13. Лазер 14 установлен на поворотной платформе таким образом, чтобы пучок его излучения был направлен на дифракционную решетку, расположенную на грани блока-сенсора 11, и проходил сквозь блок-сенсор, пересекая обе дифракционные решетки блока-сенсора. Направляющее зеркало 15 установлено на платформе 13 по другую сторону от блока-сенсора по ходу лазерного пучка после прохождения лазерного пучка последовательно через две дифракционные решетки, расположенные на параллельных гранях блока-сенсора. Зеркало 15 имеет возможность регулировки направления отраженного светового пучка, чтобы дифракционный пучок первого порядка попадал в отверстие диафрагмы пространственного оптического фильтра 16. Фотодиод 17 расположен за диафрагмой пространственного фильтра 16, а электрический сигнал, характеризующий угловое перемещение маятника, получаем с выхода фотодиода. Для получения выходного электрического сигнала, пропорционального мощности оптического излучения, падающего на фотодиод, следует применять схему с обратным напряжением смещения на фотодиоде.
Вертикальный сейсмометр с оптоэлектронным дифракционным датчиком углового смещения диска маятника работает следующим образом.
рф
рф
Предварительная настройка прибора проводится следующим образом. Прибор устанавливается на горизонтальную поверхность. После этого с помощью механизма перемещения 8 регулируется натяжение пружины 7 таким образом, чтобы центр тяжести грузика 6 совместился с точкой на горизонтальной линии, проходящей через центр оси вращения маятника. При этом условии маятник не будет реагировать на горизонтальные колебания основания прибора. Блок-сенсор 11, прикрепленный на противоположном торце оси 4, должен быть сориентирован так, чтобы дифракционные решетки располагались в горизонтальных плоскостях, симметрично по отношению к оси маятника. Пучок излучения лазера 14, который установлен в верхней части платформы 13, направляется на дифракционную решетку блока-сенсора, последовательно пересекает две дифракционные решетки по направлению, близкому к нормали к плоскостям решеток. Далее, после дифракции на двух решетках, пучок отражается от зеркала 15 и направляется на пространственный фильтр. В области пространственного фильтра оптический пучок имеет вид набора дифракционных световых пятен, которые соответствуют различным дифракционным порядкам. При достаточно большой длине хода L оптического пучка от блока-сенсора 11 до пространственного фильтра 16 дифракционные пятна в области пространственного фильтра не перекрываются и достаточно хорошо отделены друг от друга. Расстояние L можно рассчитать по формуле:
.
П
з
з
з
П
з
рф
Здесь: d - диаметр лазерного пучка, Λ - период дифракционной решетки, λ - длина волны лазера, k - коэффициент запаса качества разделения k должен быть k≥2. При d=1 мм, Λ-100 мкм, λ=0,65 мкм, k=2 расчет по формуле (1) дает значение L=307 мм.
С помощью диафрагмы пространственного фильтра 16 мы выделяем из дифракционной картины первый порядок дифракции. Положение диафрагмы 16 настраивается таким образом, чтобы через отверстие диафрагмы проходило только излучение первого порядка дифракции, которое затем попадает на фотодетектор 17. Фотодиод, включен по схеме с обратным напряжением смещения р-n перехода, при этом ток фотодиода пропорционален мощности падающего на фотодиод излучения. Ток фотодиода, а также напряжение на резисторе нагрузки фотодиода является выходным сигналом прибора.
g
g
g
g
±1
±1
i
±1
i
Рассмотрим, как формируется отклик данного прибора на колебания Земли в вертикальном направлении. При движении основания прибора, в вертикальном направлении, грузик 6 смещается в противоположном вертикальном противоположном направлении на некоторую величину Δy относительно основания, из-за инерции. В результате происходит поворот диска на некоторый угол ΔΘ≈Δy/r, где r - расстояние от центра диска до центра тяжести грузика. Вместе с диском происходит поворот блока-сенсора, по отношению к постоянному направлению лазерного пучка. При этом происходит смещение дифракционных решеток относительно лазерного пучка в противоположных направлениях, перпендикулярных к направлению оси распространения лазерного пучка. Это приводит к изменению мощности излучения в дифракционных порядках. 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 дифракционной решетки показаны на фиг. 2. По вертикальной оси на графике фиг. 2 отложены относительные величины: I=P(x)/P, где Р(х) - мощности излучения в первых порядках дифракции, a 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, приведенном на фиг. 2 существуют линейные участки. В результате проведения предварительной настройки прибора, начальное положение блока-сенсора будет соответствовать середине одного из линейных участков гармонической зависимости. Тогда при угловом отклонении диска на небольшой угол ΔΘ мощность излучения в первом порядке дифракции будет изменяться пропорционально угловому отклонению диска ΔΘ. Для установки правильного начального положения блока-сенсора проводится операция предварительной настройки прибора с помощью поворота платформы 13 относительно стойки основания 2. Поворот платформы производится с помощью механизма перемещения 18, который установлен на основании и связан с платформой 13. При повороте платформы с расположенным на ней лазером изменяется угол падения лазерного пучка на блок-сенсор, а это эквивалентно перемещению относительно луча лазера одной дифракционной решетки блока-сенсора относительно другой решетки в направлении поперек штрихов решеток. При этом будет изменяться уровень сигнала на выходе схемы по гармоническому закону, как это показано на фиг. 2. Для осуществления точной настройки прибора на середину линейного участка характеристики, изображенной на фиг. 2, мы измеряем величину сигнала на выходе фотодетектора 17 в диапазоне угловых отклонений платформы, который превышает промежуток между минимумом и максимумом выходного сигнала. После этого мы устанавливаем такое положение платформы 13, при котором величина сигнала на выходе фотодетектора равна средней величине между максимальным и минимальным значениями выходного сигнала. В дальнейшем для измерений колебаний используется линейный участок зависимости выходного сигнала от углового отклонения диска.
1
После настройки устройство работает следующим образом. При вертикальном движении основания устройства, установленного на поверхности Земли, происходит смещение грузика 6 относительно основания под действием сил инерции в направлении, противоположном движению основания. В результате этого происходит поворот диска 5 маятника вместе с блоком-сенсором 11 относительно основания, прибора. В результате поворота блока-сенсора изменяется угол падения лазерного пучка на дифракционную структуру блока-сенсора. Изменение угла падения вызывает пропорциональное изменение мощности первого порядка дифракции лазерного пучка в области диафрагмы 16. 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 г., №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.):
i
здесь  - это безразмерный параметр, характеризующий расстояние межу решетками, Λ - период дифракционной решетки, λ - длина волны излучения лазера,  - расстояние между дифракционными решетками, P - мощность излучения на входе блока-сенсора, n - показатель преломления материала блока-сенсора.
М
М1
М2
±1
1max
i
Формула (2) соответствует схеме, в которой глубины рельефов, образующих фазовые дифракционные решетки, оптимальны. Значения оптимальных 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 Р(х) при смещении одной из решеток относительно другой, а мощность дифрагированного излучения в каждом из первых порядков изменяется от нулевого значения до максимального значения, равно P=0,4P.
Таким образом, в результате поворота блока-сенсора, мощности первых порядков дифракции изменяются. 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
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  = 10 мм, а период решеток равен: Λ=0,1 мм. Тогда расчет по формуле (3) при условии P=1 мВт дает следующий результат: S=84 мВт/радиан. Очевидно, что крутизна увеличивается пропорционально при увеличении мощности лазера. При типичной для полупроводникового красного лазера мощности P=5 мВт крутизна составит S=420 мВт/радиан.
рф
Пример практической реализации. 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, и затем приклеены к стеклянному блоку. Период решеток можно выбрать равным 100 мкм. Если диаметр лазерного пучка составляет порядка 1 мм, то выполняется необходимое условие, чтобы диаметр лазерного пучка в несколько раз (фактически в 10 раз) превышал период дифракционной решетки. При этом, как показывают расчеты по формуле (1), выполняется условие надежного разделения дифракционных порядков в области пространственного фильтра, при L=307 мм, т.е. при разумных габаритах прибора.
Диск физического маятника можно изготовить из меди. В альтернативном варианте диск можно изготовить из пластика, или из многослойной фанеры, либо из фольгированного текстолита, или из другого немагнитного материала, но при этом на поверхности диска, которая обращена к магниту, должен быть расположен слой металла с высокой электропроводностью. В качестве слоя, обращенного к магниту, можно использовать слой меди на поверхности пластины, изготовленной из фольгированного медью стеклотекстолита.
i
Θ-P
фд
Θ-I
i
1
Если принять, что мощность лазера P=5 мВт, а расчетная крутизна составляет S=420 мВт/радиан, то при условии, что ампер-ваттная крутизна фотодиода равна: S=0,24 А/Вт (для фотодиода фд-24к), то крутизна характеристики сейсмометра составит: S=100 миллиампер/радиан. Для сравнения можно привести оценку среднеквадратической величины тока дробовых шумов, которые будут возникать при протекании постоянного фототока в цепи фотодетектора, помещенного в первом порядке дифракции при мощности лазера P=5 мВт. Средняя мощность излучения в первом порядке при этом составит: P=1 мВт, а среднее значение постоянного тока фотодиода составит:  Расчет среднеквадратической величины тока дробового шума проведем по формуле:
где е - заряд электрона, ΔF - эффективная полоса частот нагрузки фотодиода и усилителя сигнала. При ΔF=1 кГц. получаем следующую оценку:
данная оценка уровня шумов в сочетании с высокой крутизной преобразования углового отклонения в ток фотодиода позволяет рассчитывать на очень высокую чувствительность прибора и на возможность регистрации микросейсмических колебаний.