УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПЕРЕМЕЩЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ ОБЪЕКТОВ Российский патент 2008 года по МПК G01B9/02 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения перемещений и деформаций протяженных объектов с применением лазерной интерферометрии. Изобретение может быть использовано в метрологии, в точном машиностроении, в инструментальной геофизике.

Известны два типа устройств, применяемых для измерения перемещений и деформаций объектов с помощью лазерных интерферометров.

В устройствах первого типа используют частотно-стабилизированные лазеры с фиксированной длиной волны излучения, а величину, направление и скорость перемещений и деформаций объекта измеряют путем подсчета целого и дробного числа интерференционных полос (или, что то же - максимумов и минимумов освещенности), зарегистрированных фотодетектором в интерферометрах Майкельсона, Фабри-Перо или в интерферометрах других типов. Движение интерферограммы происходит за счет движения отражателя, связанного с исследуемым объектом [1]. Недостатком устройств этого типа являются сложность устройства стабилизации частоты лазера и невысокая точность измерений из-за ухудшения кратковременной стабильности частоты лазера с автоподстройкой при попадании в его резонатор отраженного и рассеянного интерферометром излучения.

В устройствах второго типа длина волны λ (и частота ν) излучения лазера не является постоянной, эталонно заданной величиной, а в течение всего времени измерений непрерывно подстраивается так, чтобы быть кратной удвоенной длине измеряемой дистанции 2L. Для этого используется средство изменения длины резонатора подстраиваемого лазера (например, пьзокерамический преобразователь, на котором закреплено зеркало лазерного резонатора). В этом случае при движении отражателей интерферометра Майкельсона или Фабри-Перо регистрируемая фотодетектором интерферограмма остается неподвижной, а для измерения перемещений и деформаций ΔL объекта используют измеритель сдвигов частоты Δν подстраиваемого лазера [2, 3]:

Измеритель сдвигов частоты Δν включает в себя вспомогательный стабилизированный лазер с заданной реперной частотой ν₀ излучения, относительно которой определяется величина сдвига частоты подстраиваемого лазера. Недостатками таких устройств являются: 1) сложность устройства для измерения сдвигов частоты, требующего наличия двух лазеров - перестраиваемого и стабилизированного; 2) незначительный динамический диапазон непрерывно измеряемых перемещений и деформаций, который на практике ограничивается широкополосностью фотодетекторов, используемых для измерения сдвигов оптической частоты. Действительно, для лазеров, работающих на длине волны λ=3,39 мкм в лазерном измерителе деформаций [2], сдвиги частоты величиной Δν<1 МГц соответствуют относительным смещениям отражателей интерферометра:

Для лазеров оптического диапазона (λ=0,63 мкм) при Δν<10 МГц получаем оценку диапазона измеряемых перемещений:

в лазерном деформографе [3], также относящемся ко второму из описанных типов интерферометрических устройств для измерения перемещений и деформаций. Это устройство [3] было выбрано в качестве прототипа как наиболее близкое к изобретению, предлагаемому в настоящей заявке. Выбранный прототип [3] включает в себя лазер с блоком накачки и средством изменения длины лазерного резонатора, неравноплечий оптический интерферометр с отражателем, связанным с исследуемым объектом, и блок регистрации сдвигов интерферограммы, связанный по выходу со средством изменения длины лазерного резонатора.

Техническим результатом, получаемым в изобретении, является повышение точности и расширение динамического диапазона измерения перемещений и деформаций.

Указанный технический результат достигается тем, что в устройстве для измерения перемещений и деформаций объектов, включающем лазер с блоком накачки и средством изменения длины его резонатора, неравноплечий оптический интерферометр с отражателем, связанным с исследуемым объектом, и блок регистрации сдвигов интерферограммы, средство изменения длины резонатора выполнено в виде регулятора температуры корпуса резонатора, на котором установлены термодатчики, подключенные к блоку контроля температуры, блок регистрации сдвигов интерферограммы выполнен в виде пропорционального детектора сдвигов интерферограммы в пределах ±n (n=1, 2, 3...) ее периодов и по выходу соединен через интегрирующий усилитель с управляющим входом регулятора температуры корпуса резонатора.

В предлагаемом устройстве температуру корпуса резонатора можно регулировать либо с помощью блока накачки лазера, снабженного управляющим входом для регулирования мощности накачки, либо с помощью нагревательного элемента, расположенного на корпусе лазера и соединенного через усилитель мощности с интегрирующим усилителем.

Устройство может дополнительно содержать регулятор температуры корпуса неравноплечего оптического интерферометра, второй усилитель мощности и второй интегрирующий усилитель, при этом регулятор температуры корпуса интерферометра подключен через усилитель мощности и интегрирующий усилитель к выходу блока регистрации сдвигов интерферограммы. Благодаря значительно большей тепловой инерционности корпуса интерферометра здесь достигается расширение динамического диапазона при регистрации медленных перемещений и деформаций в диапазоне низких частот.

Принцип работы предлагаемого устройства для измерения перемещений и деформаций объектов основан на детектировании сдвигов интерферограммы, образованной лазерным излучением, отраженным от исследуемого объекта в неравноплечем интерферометре протяженностью L, с последующей параметрической компенсацией детектируемых сдвигов интерферограммы. Технический результат достигается за счет применения пропорционального детектирования сдвигов интерферограммы в пределах ±n (n=1, 2, 3...) ее периодов, усреднения продетектированного интерференционного сигнала в течение времени τ и, наконец, компенсации (уменьшения) полученного среднего значения за счет изменения параметра компенсации сдвигов интерферограммы в сторону уменьшения абсолютной величины указанного среднего значения до нуля.

Замена средства изменения длины резонатора лазера в виде пьезокерамического преобразователя (см. прототип [3]) на средство нагрева корпуса лазера обеспечивает снижение уровня высокочастотных шумов системы компенсации и соответственно повышение точности измерения быстрых перемещений и деформаций. Применение пропорционального детектирования сдвигов интерферограммы в пределах ±n (n=1, 2, 3...) ее периодов позволяет расширить динамический диапазон регистрации высокочастотных перемещений и деформаций. В качестве пропорционального детектора может быть использована, например, следящая система для оптических интерферометров [4].

Таким образом, с помощью предлагаемого устройства:

а) величину медленных низкочастотных (НЧ) перемещений и деформаций определяют по формуле:

где L - протяженность неравноплечего интерферометра, α - коэффициент пропорциональности, U₀ и U₁ - соответственно начальное и конечное значение параметра компенсации;

б) о величине быстрых высокочастотных (ВЧ) перемещений и деформаций ΔL_ВЧ судят по уровню текущего значения детектируемого интерференционного сигнала:

где δL - мгновенное отклонение интерферограммы от ее среднего скомпенсированного значения;

в) граничную частоту F_Г между НЧ и ВЧ перемещениями и деформациями определяют по формуле:

На Фиг.1, 2, 3 приведены схемы предлагаемого устройства.

На Фиг.1: 1 - лазерный излучатель, 2 - оптический интерферометр, 3 - подвижный отражатель, 4 - блок регистрации сдвигов интерферограммы, 5 - термодатчики, 6 - блок контроля температуры, 7 - интегрирующий усилитель, 8 - блок накачки лазера с управляющим входом.

На Фиг.2: 1 - лазерный излучатель, 2 - оптический интерферометр, 3 - подвижный отражатель, 4 - блок регистрации сдвигов интерферограммы, 5 - термодатчики, 6 - блок контроля температуры, 7 - интегрирующий усилитель, 9 - усилитель мощности, 10 - нагревательный элемент.

На Фиг.3: 1 - лазерный излучатель, 2 - оптический интерферометр, 3 - подвижный отражатель, 4 - блок регистрации сдвигов интерферограммы, 5 - термодатчики, 6 - блоки контроля температуры, 7 - интегрирующие усилители, 9 - усилители мощности, 10 - нагревательные элементы.

Рассмотрим работу предлагаемого устройства для измерения перемещений и деформаций объектов с применением параметрической компенсации интерференционного сигнала. В качестве параметра компенсации в устройствах (Фиг.1 - Фиг.2) используется температура корпуса лазерного излучателя 1 или одновременно температура корпуса лазерного излучателя 1 и неравноплечего оптического интерферометра 2 (Фиг.3). При этом компенсация сдвигов интерферограммы осуществляется за счет температурного расширения корпуса лазерного излучателя 1 или одновременного температурного расширения корпуса лазерного излучателя 1 и неравноплечего оптического интерферометра 2. Средством управления параметром компенсации служит ток накачки, подаваемый на лазерный излучатель в устройстве с токовой компенсацией (Фиг.1), или мощность, подводимая к нагревательным элементам в устройствах с тепловой компенсацией (Фиг.2 - Фиг.3).

Лазерный излучатель 1 состоит из оптического резонатора, образованного двумя зеркалами, между которыми находится активная лазерная среда (например, газоразрядная трубка). При нагреве корпуса лазера расстояние l между зеркалами изменяется на величину Δl, что приводит к изменению длины волны λ (или частоты ν) излучения лазера:

где α - температурный коэффициент линейного расширения корпуса лазера, Т₀ и Т₁ - соответственно начальная и конечная его температура, которая и является параметром компенсации детектируемых блоком регистрации 4 сдвигов интерферограммы.

В устройстве с токовой компенсацией сдвигов интерферограммы (Фиг.1) средством управления параметром компенсации служит ток накачки лазерного излучателя. При включении устройства излучение лазера 1 направляется в неравноплечий оптический интерферометр 2, на выходе которого образуется интерферограмма, поступающая в блок регистрации 4. При движении отражателя 3 блок регистрации 4 формирует электрический управляющий сигнал, линейно возрастающий при увеличении измеряемой базы L и линейно убывающий - при ее уменьшении. Температура Т корпуса лазерного излучателя 1, которая является параметром компенсации во всех рассматриваемых вариантах устройств, регистрируется термодатчиками 5 и блоком контроля температуры 6. Сформированный на выходе блока регистрации 4 электрический управляющий сигнал затем интегрируют с помощью интегрирующего усилителя 7 и подают на управляющий вход блока накачки 8 активного лазерного элемента. В результате этого изменяется ток накачки лазера, а значит, и температура его корпуса, что, в свою очередь, вызывает изменение длины резонатора l лазера и соответственно - длины волны λ его излучения. Тем самым осуществляется процесс компенсации сдвигов интерференционных полос, возникающих в интерферометре 2, в соответствии с формулами (1) и (4). По истечении времени t:

(τ - постоянная времени интегрирующего усилителя 7), т.е. по окончании процесса компенсации с помощью термодатчиков 5 и блока контроля температуры 6 определяют разность между конечной Т₁ и начальной Т₀ температурой корпуса лазера, и по формуле, вытекающей из (1) и (4), находят величину измеряемого перемещения:

или деформации:

Аналогичным образом осуществляется работа устройств с тепловой компенсацией сдвигов интерферограммы (Фиг.2, Фиг.3). Здесь в отличие от устройства с токовой компенсацией проинтегрированный управляющий сигнал с выхода интегрирующих усилителей 7 подают на усилители мощности 9, подключенные к нагревательным элементам 10. Процесс компенсации сдвигов интерферограммы и измерение перемещений и деформаций осуществляются, как и ранее, в соответствии с формулами (1), (4-6). При этом параметром компенсации является температура корпуса лазерного излучателя (Фиг.2), или температура лазерного излучателя и температура неравноплечего оптического интерферометра (Фиг.3).

Каждое из описанных устройств представляет собой систему автоматического регулирования с отрицательной обратной связью астатического типа. Постоянная времени τ определяет инерционность системы. Быстрые знакопеременные перемещения (высокочастотные колебания) ΔL_ВЧ подвижного отражателя 3 с частотами:

такой системой обратной связи не будут компенсироваться и могут быть зарегистрированы в виде сигнала ошибки на выходе блока 4 регистрации сдвигов интерферограммы.

Нами была проведена экспериментальная проверка работы предлагаемого устройства при измерении деформаций земной поверхности. На подземной лучеводной линии ИРЭ РАН были испытаны лазерные интерферометры протяженностью от 10 до 300 м с использованием схем токовой и тепловой компенсации сдвигов интерферограммы. В качестве источников излучения применялись He-Ne лазеры с длиной волны излучения 633 нм. Изменение тока накачки лазеров обеспечивалось подачей на источник питания изменяющегося напряжения, пределы регулирования 150-200 В. Температура корпуса лазера и интерферометра регулировалась также нагревательными элементами мощностью 1-100 Вт. Пропорциональное (линейное) детектирование сдвигов интерферограммы осуществлялось с применением следящей системы [4] и цифроаналогового регистратора на базе управляемого реверсивного счетчика [5]. В результате испытаний было показано, что точность измерений по сравнению с прототипом увеличивается не менее чем в 10 раз, а расширение динамического диапазона составляет 20-30 дБ.

Список источников информации

1. Коронкевич В.П., Ханов В.А. Современные лазерные интерферометры, Новосибирск: Наука, 1985, 181 с.

2. Levine J., Hall J.L. Design and operation of a methane absorption stabilization laser strainmeter, J. Geophys. Res., 1972, v.14, pp.2595-2609.

3. Goutly N.R., King G.C., Wallard A.J., Geophys. J.R.Astron. Soc., 1974, v.39, N2, p.269.

4. Дубров М.Н. Следящая система для оптических интерферометров. Авторское свидетельство / Патент РФ №720292 (1975/1992), МКИ: G01B 9/02, Бюллетень изобр., 1980, №9.

5. Алешин В.А., Дубров М.Н., Чиж С.В. Управляемый реверсивный счетчик в схеме длиннобазового гетеродинного интерферометра. Электронный журнал "Исследовано в России", 203, стр.2391-2398, 2003 г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/203.pdf

Устройство для измерения перемещений и деформаций объектов включает лазер с блоком накачки и средством изменения длины его резонатора, неравноплечий оптический интерферометр с отражателем, связанным с исследуемым объектом, и блок регистрации сдвигов интерферограммы. Средство изменения длины лазерного резонатора выполнено в виде регулятора температуры корпуса резонатора, на котором установлены термодатчики, подключенные к блоку контроля температуры. Блок регистрации сдвигов интерферограммы выполнен в виде пропорционального детектора сдвигов интерферограммы в пределах ±n (n=1, 2, 3...) ее периодов, а его выход соединен через интегрирующий усилитель с управляющим входом регулятора температуры корпуса резонатора. Регулятором температуры корпуса резонатора является блок накачки лазера, снабженный управляющим входом для регулирования мощности накачки. Регулятор температуры корпуса резонатора выполнен в виде нагревательного элемента, расположенного на корпусе лазера и соединенного через усилитель мощности с интегрирующим усилителем. Устройство дополнительно содержит регулятор температуры корпуса неравноплечего оптического интерферометра, второй усилитель мощности и второй интегрирующий усилитель. При этом регулятор температуры корпуса интерферометра подключен через усилитель мощности и интегрирующий усилитель к выходу блока регистрации сдвигов интерферограммы. Технический результат - повышение точности и расширение динамического диапазона измерения перемещений и деформаций. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для измерения перемещений и деформаций объектов, включающее лазер с блоком накачки и средством изменения длины его резонатора, неравноплечий оптический интерферометр с отражателем, связанным с исследуемым объектом, и блок регистрации сдвигов интерферограммы, отличающееся тем, что средство изменения длины лазерного резонатора выполнено в виде регулятора температуры корпуса резонатора, на котором установлены термодатчики, подключенные к блоку контроля температуры, блок регистрации сдвигов интерферограммы выполнен в виде пропорционального детектора сдвигов интерферограммы в пределах ±n (n=1, 2, 3...) ее периодов, а его выход соединен через интегрирующий усилитель с управляющим входом регулятора температуры корпуса резонатора.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулятором температуры корпуса резонатора является блок накачки лазера, снабженный управляющим входом для регулирования мощности накачки.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулятор температуры корпуса резонатора выполнен в виде нагревательного элемента, расположенного на корпусе лазера и соединенного через усилитель мощности с интегрирующим усилителем.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит регулятор температуры корпуса неравноплечего оптического интерферометра, второй усилитель мощности и второй интегрирующий усилитель, при этом регулятор температуры корпуса интерферометра подключен через усилитель мощности и интегрирующий усилитель к выходу блока регистрации сдвигов интерферограммы.