Лазерно-интерференционный измеритель вариаций давления гидросферы Российский патент 2023 года по МПК G01L23/06 G01L7/08 

Изобретение относится к области геофизики, конкретно, к измерительной технике, и может быть использовано для измерения микроколебаний подводного давления и изучения пространственно-временной структуры геофизических полей инфразвукового и звукового диапазонов.

Известен ряд устройств для измерения микроколебаний подводного давления с использованием различных оптических измерительных систем. Примером таких устройств являются технические решения на базе лазерно-интерференционных гидрофонов. Устройства представляют собой герметичный корпус, внутри которого расположены система компенсации внешнего давления, система регистрации с блоком накопления и хранения информации и оптическая система, выполненная по схеме интерферометра Майкельсона. В качестве источника монохроматичного излучения используют лазерный диод с долговременной частотной нестабильностью, а чувствительный элемент системы выполнен как элемент стенки корпуса в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием. Мембрана может быть частью корпуса и выполняться съемной (п. РФ № 58216; п. РФ № 171583U1), а может располагаться в отдельном отсеке, снабженном системой компенсации внешнего давления (п. РФ № 2742935С1).

Выполнение чувствительного элемента в виде съемной мембраны корпуса устройства позволяет измерять вариации давления с достаточной точностью в заданном интервале давлений в зависимости от физико-механических свойств установленных мембран. В то же время существующая зависимость длины плеч интерферометра от вариаций температуры приводит к снижению точности измерений. Для учета температурной погрешности используют, как правило, температурный зонд, измеряющий непосредственно колебания температуры, которые затем пересчитывают в колебания длины плеч интерферометра.

Известен лазерно-интерференционным гидрофон, в котором проблема повышения точности измерения вариаций давления решается путем выполнения оптической системы прибора на основе двух интерферометров Майкельсона (п. РФ № 155509U1). Гидрофон выполнен в виде герметичного корпуса, снабженного системой компенсации внешнего давления, системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, источником монохроматического излучения и оптической системой, реализованной на основе двух интерферометров Майкельсона, включающей два подвижных отражателя, один из которых является чувствительным элементом, выполненным в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, которая является одновременно одной из сторон корпуса. Второй отражатель выполнен в виде зеркала, установленного параллельно мембране внутри корпуса в непосредственной близости от центра мембраны. Два неподвижных отражателя, расположены параллельно друг другу и выполнены в виде зеркал, каждое из которых установлено на двух пьезокерамических основаниях, закрепленных на одной опоре и соединенных с системой регистрации.

Таким образом, первый из интерферометров гидрофона измеряет смещения центра мембраны, вызванные вариациями гидросферного давления и температуры, а второй измеряет колебания длины его плеч, возникающих в результате теплового расширения оптических элементов, то есть температуры. Затем методом вычитания сигналов один из другого, система пытается исключить влияние температуры на запись вариаций давления. Однако чувствительный элемент интерферометра для регистрации температуры - зеркало, находится внутри корпуса прибора и располагается на оптически-прозрачном окне, отделяющем мембрану от внутреннего объема корпуса, то есть. чувствительный элемент этого интерферометра не имеет непосредственного контакта с забортной водой. Тогда как чувствительный элемент интерферометра для измерения давления - мембрана, имеет такой контакт своей внешней стороной и находится под влиянием изменяющейся во времени температуры. Следует отметить, что колебания температуры все-таки проникают через металлические детали конструкции прибора и внутрь него, но учитывая массивность корпуса, крепежа оптических компонентов интерферометров, постоянные времени этого процесса не позволяют говорить об одновременности влияния температуры на оба интерферометра и, соответственно, их одинаковой реакции на процесс изменения температуры.

Хотя конструкция известного устройства с оптической системой, выполненной по данной схеме с использования двух интерферометров Майкельсона, повышает точность регистрации вариаций давления за счет дополнительного нивелирования температурной погрешности, однако, проблема повышения точности окончательных результатов остается, особенно, когда возникает необходимость приема сигналов с амплитудами ниже или даже на уровне естественного шума, присутствующего в вариациях подводного давления, при этом даже последующая обработка сигналов не всегда позволяет извлечь из суммарно зарегистрированных вариаций давления полезный сигнал.

Для ее решения предлагается новая конструкция устройства, представляющая собой две обособленные лазерно-интерференционные системы измерения вариаций давления гидросферы в одном корпусе. Заявляемое устройство представляет собой герметичный корпус, состоящий из измерительной камеры и компенсационной, снабженной системой компенсации внешнего давления, при этом измерительная камера содержит две идентичные оптические системы на основе интерферометров Майкельсона, расположенных параллельно друг другу, каждая из которых снабжена монохроматическим источником излучения, системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, содержит в качестве неподвижных отражателей зеркала, установленные на сдвоенных пьезокерамических преобразователях, связанных с системой регистрации, а в качестве подвижных отражателей используют обладающие отличающимися физико-механическими свойствами измерительные мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, установленные во внешней стенке единой компенсационной камеры на минимальном возможном расстоянии друг от друга, определяемом технологическими возможностями их установки.

Предлагаемое конструкторское решение приводит к увеличению точности получаемой информации, к снижению погрешности измерений за счет обеспечения работы двух чувствительных элементов, обладающих разной чувствительностью к вариациям внешнего давления, в условиях синхронных вариаций как давления, так и температуры, то есть позволяет обнаружить слабые сигналы, освобожденные от помех, присутствующих в сигналах обоих интерферометров.

Предлагаемое конструкторское решение приводит к снижению погрешности измерений, за счет обеспечения работы двух чувствительных элементов, обладающих заведомо разной чувствительностью к вариациям внешнего давления, в условиях синхронных вариаций как давления, так и температуры с последующим вычитанием сигналов один из другого с применением масштабного коэффициента, то есть позволяет обнаружить слабые сигналы, освобожденные от помех, присутствующих в сигналах обоих интерферометров.

Заявленное изобретение иллюстрируется изображением (фиг.), где одинаковые элементы обозначены одинаковыми цифрами.

1 - излучатель с расширителем луча; 2 - светоделитель; 3 - зеркала; 4 - собирающая линза; 5 - оптическое окно; 6 - мембрана; 7 - фотоприемник; 8 - система регистрации; 9 - герметичная компенсационная камера; 10 - электромагнитный клапан; 11 - система компенсации внешнего давления (эластичная резиновая емкость); 12 - корпус измерителя.

Устройство работает следующим образом:

В каждом из двух измерительных каналов луч с излучателей (1), снабженных расширителем луча, делится с помощью светоделителей (2) на два луча: опорный и измерительный. Первый из них проходит по пути опорного тракта, отражаясь от зеркал (3), установленных на пьезокерамические цилиндры и возвращается на светоделители (2). Второй проходит по пути измерительного тракта, где установлены собирающие линзы (4) и далее оптические окна (5). Затем он попадает на мембраны (6) со светоотражающим покрытием в центре и отражается в обратном направлении, чтобы также вернуться на светоделители (2). Измерительный и опорный лучи совмещаются и результирующий луч интерферирует. Вариации подводного давления, воздействуя на каждую из мембран, смещают их центр относительно нейтрального положения, что приводит к изменению длины оптического пути, по которому проходит измерительный луч, и как следствие изменению яркости интерференционной картины. На пути интерферирующего луча установлены фотоприемники (7), воспринимающие изменение интегральной яркости интерференционной картины и передающий ее значения в системы регистрации (8). Зарегистрированная в них информация может храниться как в самих системах (8) и, после поднятия измерителя, обрабатываться во внешнем вычислительном устройстве или в режиме реального времени передаваться по кабелю во внешний блок обработки, в котором путем нормализации умножением на масштабный коэффициент и вычитанием сигналов с систем регистрации (8) вычисляют информационный сигнал.

Для управления интерферометрами и формирования выходных сигналов могут быть использованы системы регистрации, например выполненные на базе микропроцессора ATMEGA16 c цифровой системой экстремального регулирования Динамический диапазон условно неограничен, т.к. система обеспечивает возможность скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами. Каждый канал системы регистрации формирует сигнал обратной связи, который подается на один из пьезокерамических преобразователей под зеркалами (3), что приводит к его расширению или сжатию, в результате чего яркость интерференционной картины возвращается к исходной, в максимум интенсивности. На другой пьезокерамический преобразователь из каждой пары в сдвоенной системе интерферометров подается «пробный» периодический сигнал для определения системой регистрации направления смещения рабочей точки от положения экстремума яркости интерференции. Сигнал обратной связи является выходным сигналом каждого из каналов системы регистрации.

Мембраны установлены в герметично изолированном объеме, снабженном системой компенсации внешнего гидростатического давления, например, пневматической. Такая компенсация необходима для того, чтобы перед началом проведения измерений, мембраны находилась в ненагруженном нейтральном состоянии, т.е. давление по обе стороны было равно среднему гидростатическому давлению на глубине установки прибора. Для этого во время погружения в герметичную компенсационную камеру (9), подается воздух через управляемый электромагнитный клапан (10). Запас воздуха для этой процедуры находится в эластичной резиновой емкости (11), которая нагнетает его под действием гидростатического давления воды.

Принимая во внимание, что давление, которое может быть зарегистрировано с использованием плоской мембраны, закрепленной на краях связано со смещением ее центра формулой:

,

где где: Δl - смещение мембраны; h - толщина мембраны; E - модуль упругости (Юнга); σ - коэффициент Пуассона, R - радиус мембраны (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. Учеб. пособие, 4-е изд., испр. и доп. – М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 248 с.). Или, если выразить смещение мембраны, то выражение принимает вид:

,

из которого следует, что, применяя мембраны различной толщины и имеющие разные характеристики упругости, мы получим отличающиеся величины прогиба мембран при одинаковом воздействии внешним давлением. Соответственно, чувствительность к вариациям давления у этих мембран будет тоже разная.

Исходя из этого, круглые измерительные мембраны в оптической системе предлагаемого устройства устанавливают заведомо разными по характеристикам чувствительности к изменению давления, что достигается использованием мембран с разными физико-механическими свойствами (разной толщины и/или различного материала), и расположением их в одной плоскости. Такое расположение на разные по характеристикам мембраны обеспечивает одинаковое воздействие вариаций давления. Расстояние между мембранами выбирают минимальным, определяемым технологическими возможностями по герметизации мембран. Герметизация производится по методу радиального уплотнения с использованием герметизирующих колец по ГОСТ 9833-73.

Интерферометр с более чувствительной мембраной имеет большую детализацию сигнала, по сравнению с другим. Применив масштабный коэффициент для нормализации по амплитуде и, вычитая сигналы один из другого, получаем результирующий сигнал вариаций давления, содержащий исключительно слабые составляющие, освобожденные от помех, присутствующих в сигналах обоих интерферометров. Методом подбора комбинации измерительных мембран, достигается вариативность необходимой чувствительности к слабым удаленным сигналам. Кроме того, дифференциальный способ измерения позволит вычесть из сигнала локальные изменения температуры.

Мембраны могут быть выполнены съемными, а интерферометры могут быть как равноплечие, так и неравноплечие.

В качестве источника излучения может быть использован любой приемлемый для решения поставленных задач гелий-неоновый лазерный источник излучения со стабилизацией частоты излучения и плоской поляризацией, например, Pacific Lasertec 25-STP.

Одноканальные лазерно-интерференционные измерители колебаний давления такой возможности не имеют, а существенное отличие предлагаемого устройства от прототипа в том, что, оптико-механические элементы, входящие в состав интерферометров, идентичны, как и влияние на них вариаций забортной температуры, то есть влияние этих изменений будет оказано на обе мембраны одновременно и впоследствии учтено.

Изобретение может быть использовано для измерения микроколебаний подводного давления и изучения пространственно-временной структуры геофизических полей инфразвукового и звукового диапазонов. Измеритель включает герметичный корпус, состоящий из измерительной камеры и компенсационной камеры, снабженной системой компенсации внешнего давления. Измерительная камера содержит две идентичные, расположенные параллельно друг другу оптические системы на основе интерферометров Майкельсона, каждая из которых содержит монохроматический источник излучения, систему регистрации, выполненную с возможностью изменения длины оптического пути, неподвижным отражателем в виде зеркала, установленного на сдвоенных пьезокерамических преобразователях, и подвижный отражатель в виде круглой измерительной мембраны с зеркальным элементом в центре. Мембраны обладают отличающимися физико-механическими свойствами и установлены во внешней стенке единой компенсационной камеры на минимальном возможном расстоянии друг от друга. Технический результат - увеличение точности получаемой информации и снижение погрешности измерений приема сигналов. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Лазерно-интерференционный измеритель вариаций давления гидросферы, включающий герметичный корпус, состоящий из измерительной камеры и компенсационной камеры, снабженной системой компенсации внешнего давления, при этом измерительная камера содержит две идентичные, расположенные параллельно друг другу оптические системы на основе интерферометров Майкельсона, каждая из которых снабжена монохроматическим источником излучения с расширителем луча, системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, и содержит в качестве неподвижных отражателей зеркала, установленные на сдвоенных пьезокерамических преобразователях, связанных с системой регистрации, а в качестве подвижных отражателей используют обладающие отличающимися физико-механическими свойствами круглые измерительные мембраны с зеркальным элементом в центре, установленные во внешней стенке единой компенсационной камеры на минимальном возможном расстоянии друг от друга, определяемом технологическими возможностями установки.

2. Лазерно-интерференционный измеритель по п. 1, отличающийся тем, что система компенсации внешнего давления выполнена пневматической.

3. Лазерно-интерференционный измеритель по п. 1, отличающийся тем, что система регистрации оборудована блоком хранения информации.

4. Лазерно-интерференционный измеритель по п. 1, отличающийся тем, что мембраны выполнены съемными.