Лазерно-интерференционный измеритель градиента давления в жидкости
LASER-INTERFERENCE METER OF PRESSURE GRADIENT IN LIQUID

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в гидроакустике для измерения градиента давления гидросферы.
Известно, что любой измеритель градиента давления строится на основе первичных преобразователей (ПП), которые могут быть электромагнитными, электроакустическими, электромеханическими, реостатными, емкостными, пьезоэлектрическими, оптоволоконными, оптико-механическими и т.д. Большинство из них не подходят для регистрации гидроакустических колебаний из-за низкой чувствительности и сложного исполнения. Наиболее широко в гидроакустике используются пьезоэлектрические преобразователи, которые, несмотря на множество достоинств, имеют существенный недостаток: при измерениях в низкочастотной и сверхнизкочастотной областях (от нуля до единиц герц) чувствительность пьезоэлектрических ПП резко падает за счет утечек выходного сигнала, обусловленных конечным значением выходного сопротивления ПП и конечного значения входного сопротивления первого каскада электронного усилителя.
Особый интерес представляют различные оптоволоконные датчики. Например, для низкочастотных гидроакустических измерений известно применение в качестве чувствительного элемента отрезка оптического волокна (п. США №5386729, 1995), однако подобные приборы имеют сильную зависимостью от температуры и нелинейную измерительную характеристику.
Разработка различных лазерно-интерференционных оптоволоконных измерителей долгое время считалось перспективным направлением, в связи с чем было разработано множество конструкций таких устройств. Из них наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является измерительный оптоволоконный приемник градиента давления (п. США №4799752, 1989), представляющий собой герметичный корпус, внутри которого находится измерительная оптическая система, выполненная по схеме интерферометра Майкельсона, и система регистрации. Плечи интерферометра представляют собой оптоволоконные катушки, которые являются чувствительными элементами устройства. Устройство, находясь в толще воды, колеблется в соответствии с волновыми процессами, протекающими в ней, при этом катушки интерферометра намотаны таким образом, что в процессе этих колебаний они сжимаются в разные стороны, изменяя интерференционную картину пропорционально градиенту давления.
-4
Одним из недостатков известного устройства является необходимость гибкого подвеса корпуса для обеспечения его свободных колебаний под действием волновых процессов (особенность всех приемников инерционного типа), что создает ограничения снизу по рабочему диапазону частот и неудобства эксплуатационного характера. Кроме этого, известному устройству присущи все недостатки традиционных оптоволоконных лазерно-интерференционных измерителей, а именно: невысокий динамический диапазон и сильная зависимость от колебаний температуры. Последнее не создает проблем при измерении быстроменяющихся величин, поскольку тепловые факторы обычно проявляются только при низких частотах (<10 Гц), и при соответствующей демодуляции результаты их воздействия могут быть отфильтрованы. Однако в случае низкочастотных деформаций, при необходимости обеспечить чувствительность единицы мкрад (изменение фазы) при длине волокна 10 м, необходима температурная стабильность по всей длине волокна порядка 10°С, что делает прямые измерения чрезвычайно трудными.
Задачей заявляемого изобретения является разработка нового устройства -лазерно-интерференционного измерителя градиента давления в жидкости.
Технический результат - расширение динамического диапазона, повышение точности измерений, снижение зависимости от температуры и расширение нижней границы рабочего диапазона частот.
Указанная задача решается лазерно-интерференционным измерителем градиента давления в жидкости, состоящим из герметичного корпуса с установленными внутри системой регистрации и включающей монохроматический источник излучения измерительной оптической системой на основе двух интерферометров Майкельсона, расположенных в одной плоскости, где в качестве неподвижных отражателей используют зеркала, установленные на сдвоенных пьезокерамических преобразователях, связанных с системой регистрации, а в качестве подвижных отражателей используют мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, центры которых расположены на одной оси, при этом мембраны снабжены системами компенсации внешнего давления и установлены на противоположных сторонах корпуса.
Оптическая система заявляемого лазерно-интерференционного приемника градиента давления выполнена на основе двух идентичных интерферометров Майкельсона. Поскольку для качественной работы прибора необходимо, чтобы измерительные характеристики обоих интерферометров были строго одинаковыми, последние выполнены в виде точных копий друг друга и расположены в одной плоскости. При этом центры их подвижных отражателей расположены на одной оси и разнесены на фиксированное расстояние, которое определяет верхнюю границу рабочего диапазона частот. Система регистрации формирует выходные сигналы и управляет интерферометрами. Градиент давления получается путем вычитания сигнала, полученного на одном из интерферометров, из сигнала, полученного на другом.
На чертеже приведена блок-схема заявляемого устройства, состоящая из корпуса (не показан), двух мембран (1, 1'), систем компенсации внешнего давления (2, 2'), пьезокерамических преобразователей (3, 3', 4, 4'), фотоприемников (5, 5'), светоделителей (6, 6'), отражающих зеркал (7, 7'), лазерных модулей (8, 8') и системы регистрации (9).
Устройство работает следующим образом:
Луч с лазерного модуля (8) первого интерферометра, делится с помощью светоделителя (6) на два пучка: измерительный и опорный. Первый из них отражается от мембраны (1), а второй от неподвижного отражателя, выполненного из зеркала (7) и двух пьезокерамических преобразователей (3, 4). Далее, они оба снова проходят через светоделитель (6), на котором совмещаются таким образом, что между ними возникает интерференция. Колебания гидросферного давления, воздействуя на мембрану, смещают ее центр относительно положения равновесия, что приводит к изменению длины оптического пути, по которому проходит измерительный луч, и как следствие изменению яркости интерференционной картины.
Данное изменение регистрируется фотоприемником (7), на основе показаний которого первый канал системы регистрации (9) формирует сигнал обратной связи, который подается на один из пьезокерамических преобразователей (3), что приводит к его расширению или сжатию, в результате чего длина оптического пути опорного луча подстраивается под длину измерительного, а интерференционная картина возвращается в максимум интенсивности. Отметим, что сигнал обратной связи пропорционален воздействию колебаний гидросферного давления на мембрану первого интерферометра и является выходным сигналом первого канала системы регистрации. Работа второго интерферометра идентична работе первого. Вычитанием сигнала с одного интерферометра из сигнала с другого, система регистрации формирует выходной сигнал, пропорциональный градиенту гидросферного давления.
В отличие от прототипа заявляемое устройство является приемником силового типа, что отменяет необходимость гибкого подвеса корпуса; в качестве чувствительных элементов используются мембраны из нержавеющего материала с нанесенным на них светоотражающим покрытием, являющиеся подвижными отражателями интерферометров Майкельсона. Такое выполнение подвижных отражателей расширяет динамический диапазон заявляемого устройства, поскольку динамический диапазон мембраны выше, чем у отрезка оптоволокна.
Для измерения градиента по одной компоненте используется два отдельных, но при этом идентичных интерферометра, что позволяет помимо градиента получать отдельно информацию о колебаниях гидросферного давления. Достигается возможность измерения градиента давления в жидкости на средних и низких частотах с большой точностью, поскольку нет необходимости гибкого подвеса корпуса. Применяемые оптические ПП имеют низкую зависимость от температуры, широкий динамический диапазон, высокую точность измерения и возможность проводить измерения условно от 0 Гц.
Оптические ПП преобразователи заявляемого приемника градиента давления выполнены в виде равноплечих интерферометров Майкельсона без применения волокна. Преобразователи такого типа позволяют измерять колебания давления в достаточно широком частотном диапазоне, поскольку позволяют провести измерения механического смещения поверхности мембраны величиной порядка 0,5-1,0 нм (п. РФ №2159925, 2000).
Для снижения влияния температуры на показания интерферометров, крепления их оптических элементов и оптические скамьи, на которых они сформированы, могут быть выполнены из материала с очень низким коэффициентом теплового расширения (инвар, суперинфар). Кроме этого, устройство может иметь несколько температурных датчиков.
Для управления интерферометрами и формирования выходных сигналов может быть использована система регистрации в виде цифровой системы регистрации экстремального регулирования. Ее рабочий диапазон частот от 0 (условно) до 1000 Гц. При этом она имеет возможность учета скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами, то есть имеет неограниченный динамический диапазон.
В качестве системы регистрации на базе, например трех микропроцессоров ATEMEGA16, может быть применена двухканальная система экстремального регулирования с системой учета скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами. Система регистрации может быть выполнена с возможностью изменения оптической длины путей, проходимых лучами за счет цепей обратных связей, воздействующих на зеркала неподвижных отражателей, а также с возможностью вычисления градиента между амплитудами каналов.
Мембраны могут быть выполнены съемными, а интерферометры могут быть как равноплечие, так и неравноплечие.
Системы компенсации внешнего давления могут быть выполнены любым известным способом, например путем установления в корпусе между мембранами и оптической системой параллельно мембранам перегородок, изготовленных из прозрачного материала. Для создания в этих отсеках давления, равного постоянному внешнему давлению, в корпусе предусмотрены клапаны, через которые закачивается/откачивается газ под давлением, равным среднему внешнему давлению жидкости на внешних поверхностях мембран.
-6
В качестве источника монохроматического излучения может быть использован любой приемлемый для решения поставленных задач лазерный источник, например полупроводниковый лазерный модуль LCM-S-111 с временной нестабильностью частоты излучения 10. Опытный образец заявляемого лазерно-интерференционного приемника давления и градиента с использованием данных модулей и равноплечих интерферометров Майкельсона позволил получить точность измерения вариаций давления и градиента порядка 19 мкПа. При этом использовалась мембраны из нержавеющей стали диаметром 100 мм и толщиной 0.1 мм. Диапазон рабочих частот от 0 (условно) до 250 Гц, при условии, что чувствительные элементы (мембраны) расположены на расстоянии 0.5 м относительно друг друга.
Использование для измерения градиента давления мембран в качестве чувствительных элементов вместо оптического волокна, не одного, а двух равноплечих интерферометров Майкельсона, собранных с применением материалов с низким коэффициентом теплового расширения; применение цифровой системы регистрации, имеющей возможность учета скачкообразных переходов между интерференционными максимумами, что позволяет раскрыть более высокий динамический диапазон мембран при работе заявляемого устройства, позволяет измерить градиент давления в жидкости на средних и низких частотах с большой точностью по сравнению с прототипом, поскольку нет необходимости гибкого подвеса корпуса. Применяемые оптические ПП имеют низкую зависимость от температуры, широкий динамический диапазон, высокую точность измерения и возможность проводить измерения условно от 0 Гц.
Таким образом, благодаря предложенной конструкции лазерно-интерференционного измерителя градиента давления в жидкости удалось достичь технический результат - расширить динамический диапазон, повысить точность измерений, снизить зависимости от температуры и расширить нижние границы рабочего диапазона частот.