МОБИЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГИДРОФОН

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно, к устройствам для измерения вариаций давления жидкостей и может быть использовано в океанологии, гидрофизике и гидроакустике.
Известен ряд устройств измерения давления жидкости в низкочастотной области с использованием различных оптических измерительных систем, в том числе с использованием систем на основе интерферометра Майкельсона (п. РФ №2113697, п. РФ №2159925, п. РФ №45528).
Однако известные устройства стационарны, имеют большие геометрические размеры, массивны, сложны в юстировке, что приводит к нестабильности в работе и при этом не обеспечивает требуемой точности измерений низкочастотных и сверх низкочастотных вариаций давления фонового уровня.
-4
Наиболее близким к заявляемому является лазерно-интерференционный гидрофон (п. РФ №58216, опубл. 10.11.2006). Гидрофон представляет собой герметичный корпус с системой компенсации внешнего давления. В корпусе размещена оптическая система, выполненная по схеме равноплечего интерферометра Майкельсона. Оптическая система состоит из источника монохроматического излучения, в качестве которого установлен лазерный диод с долговременной частотной нестабильностью не более 10, коллиматора и интерферометра, содержащего светоделитель, линзу, подвижный отражатель, являющийся одновременно чувствительным элементом гидрофона, неподвижный отражатель в виде двух плоско -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 выполнена съемной и одновременно является одним из торцов корпуса. Оптическая часть установлена на оптической скамье, изготавливаемой из материала с малым тепловым расширением.
Однако известный гидрофон, выполненный на основе равноплечего интерферометра Майкельсона, оптическая схема которого включает фокусирующую линзу и неподвижный отражатель в виде двух плоско - параллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу, громоздко, имеет большие геометрические размеры, массивно, сложно в юстировке,
ненадежно в работе, устанавливается стационарно.
Задачей заявляемой полезной модели является обеспечение мобильности лазерного гидрофона при сохранении высокой точности измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления фонового уровня, легко настраиваемого, компактного и надежного в работе.
-4
Поставленная задача решается лазерным гидрофоном, представляющим собой герметичный корпус, содержащий системы регистрации и компенсации внешнего давления, оптическую систему на основе равноплечего интерферометра Майкельсона, включающую лазерный диод с долговременной частотной нестабильностью не более 10, коллиматор, неподвижный отражатель, соединенный с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути и включающей фотодетектор и блок накопления и хранения информации, подвижный отражатель, являющийся одновременно и чувствительным элементом, представляющим собой одну из сторон корпуса, выполненную в виде съемной мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, при этом неподвижный отражатель выполнен в виде пьезокерамического основания, состоящего из двух не контактирующих между собой пьезокерамических элементов, на одном из которых установлено плоско-параллельное зеркало.
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 в систему регистрации, которая осуществляет вычисление необходимых поправок и вводит их в выходной сигнал системы регистрации для регистрации температурной погрешности измерений.
Система компенсации внешнего давления может быть выполнена любым известным способом, например, путем установления в корпусе между мембраной и оптической системой параллельно мембране перегородки, изготовленной 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.
Использование в гидрофоне предложенной оптической схемы равноплечего
интерферометра с исключением фокусирующей линзы и изменением конструкции неподвижного отражателя позволило минимизировать количество составляющих его элементов за счет исключения системы настройки фокусного расстояния линзы и системы настройки расположения зеркал неподвижного отражателя, добиться компактности, мобильности, простоты в настройке и обслуживании заявляемого гидрофона при сохранении высокой точности измерения низкочастотных и сверх низкочастотных вариаций давления на уровне фоновых колебаний.
Заявляемый лазерный гидрофон позволяет измерять вариации давления жидкостей, например, на глубинах до 1000 м с точностью 0,001 Па в частотном диапазоне 0-1000 Гц.
На фиг. приведена блок-схема оптической системы заявляемого лазерного гидрофона, состоящая из полупроводникового лазера (1), коллиматора (2), и интерферометра, выполненного по схеме равноплечего интерферометра Майкельсона, который включает светоделитель (3), подвижный отражатель (мембрана) (4), неподвижный отражатель (5), состоящий из плоско-параллельного зеркала (6) и не контактирующих между собой пьезокерамических элементов (7) и (8), системы регистрации (9), включающей блок (10) накопления и хранения информации и фотодетектор (11).
Оптическая система размещена на оптической скамье в герметичном корпусе, (на фиг. не показаны).
Как правило, для сохранения высокой чувствительности гидрофона в качестве пьезокерамических элементов целесообразно использовать пьезокерамические цилиндр, на который устанавливают плоско-параллельное зеркало, и диск или два цилиндра.
-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 юстировочных 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 уравниванию длин плеч интерферометра с точностью не менее 10 м.
Устройство работает следующим образом.
Луч от полупроводникового лазера (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 отражается от подвижного отражателя (4), представляющего собой светоотражающее покрытие, нанесенное на мембрану, попадает на светоделитель (3), затем на фотодетектор (11) и в место прихода опорного луча от зеркала (6). В данном месте лучи совмещаются котировочными болтами (болты на фиг. не показаны), образуя интерференционную картину. Интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого находится фото детектор (11). 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 фотодетектора (11). Для измерения изменений оптического пути с системы регистрации (9) на пьезокерамический элемент (8) подается высокочастотный сигнал раскачки и сигнал обратной связи для поддержания интерференционной картины на максимуме, который поступает на пьезокерамический элемент (7), на котором укреплено отражающее плоско-параллельное зеркало (6) неподвижного отражателя опорного луча, и этим изменяет оптическую длину, проходимую опорным лучом. Интенсивность пятна в месте нахождения фотодетектора (11) поддерживается неизменной за счет обратной связи. Величина сигнала, подаваемого на пьезокерамический элемент (7), пропорциональна изменению оптической длины измерительного луча, и соответственно, является мерой смещения подвижного отражателя (4) относительно положения равновесия.
-4
В качестве источника монохроматического света в заявляемом устройстве устанавливают полупроводниковые лазерные диоды, имеющие долговременную нестабильность по частоте не более 10, например, HLDPM12-655-5.
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 0.0015 Па в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц.
Система регистрации (9) выполнена с возможностью изменения оптической
длины пути, проходимого опорным лучом за счет цепи обратной связи воздействующей на одно из зеркал оптической системы. 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. Кроме того, система регистрации (9) дополнительно содержит блок (10) накопления и хранения информации, представляющий собой жесткий диск или флэш-память.
Таким образом, изменение оптической схемы равноплечего интерферометра Майкельсона, выполненной с минимизацей конструктивных элементов интерферометра, позволяет получить заявленный технический результат: мобильность, компактность, автономность оптического измерителя вариаций давления жидкости, одновременно обладающего высокой точностью измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления фонового уровня, а также добиться снижения стоимости его изготовления.