Геофон Советский патент 1992 года по МПК G01V1/16 G03H3/00 

Изобретение относится к сейсмологии, в частности к сейсмопреобразовэтельным приборам для регистрации колебаний грунта и сооружений, вызванных землетрясениями и другими видами колебаний.

Известен геофон, содержащий биопластину из пьезоэлектрического полимера, за- крепленную одним концом в корпус геофона и свободным концом - на инерционной массе.

Однако известное устройство не позволяет получить необходимую точность измерения, которая ограничивается чувствительностью биопластины,

Известен сейсмометр, содержащий У/образный полый корпус с ветвями большого и малого диаметра, частично заполненный жидкостью. Регистрация колебаний производится посредством освещения торца ветви малого диаметра, снабженной зеркально-внутрен ним покрытием и цепью в боковой стенке, против которой размещена линейка световодов, соединенных с волоконно-оптическим кодовым устройством,

Однако известное устройство не обладает необходимой чувствительностью, которая ограничивается диаметром световодов и вязкостью жидкости.

Прототипом является известная система, содержащая подвижной груз на пружине, закрепленный на платформе, соединенный механически с катушкой, в зазоре магнита и магнит.

Недостатком электродинамического сейсмографа является малая чувствительность.

Цель изобретения - повышение чувствительности приемника сейсмических волн путем введения оптико-голографического устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее платформу, подвижной груз на пружине, введены и последовательно установлены лазер, коллиматор, фокусирующая, линза, отражательное зеркало, расположенное под углом 46° к оптической оси, голограмма, отражательное зеркало, расположенное на подвижном грузе и в фокальной плоскости фокусирующей линзы, отражательное зеркало, размещенное в фокальной плоскости коллматора оси повернутое под углом 45° к оптической оси дифрагированного от голограммы излуче(Л

С

О

ния, фотоприемника, размещенного в плоскости изображения дифрагированного излучения, электрически соединенного с решающим устройством.

На фиг. 1 изображена схема геофона.

Геофон состоит из платформы 1, на которой последовательно установлены лазер 2, коллиматор 3, фокусирующая линза А, отражательное зеркало 5, расположенное под углом 46° к оптической оси, голограмма 6, на которой в исходном состоянии заэкспо- нировано и зафиксировано положение подвижного груза, отражательное зеркало 7, размещенное на грузе 8 и в фокусе линзы 4, отражательное зеркало 9, расположенное под углом 45° к оптической оси, фотоприемник 10, размещенный на оптической оси отраженного от зеркала 9 оптического излучения, блок 11 обработки сигналов, электрически соединенный с фотоприемником 10.

Геофон работает следующим образом.

Световой луч от лазера 2 проходит через коллиматор 3, фокусируется линзой 4, отражается от зеркала 5, попадает на голограмму 6. Часть светового потока, дифрагирует на голограмме 6, а часть проходит сквозь нее, отражается от зеркала 7, снова проходит голограмму 6 и образует с дифрагированным потоком интерференционное поле в виде концентрических колец (фиг.2), которое проецируется с помощью зеркала

5,линзы 4, выходной линзы коллиматора 3 и зеркала 9 в плоскость размещения фотоприемника 10.

Когда груз получил механическое воздействие, он принимает любое положение в пределах R, Происходит отклонение луча, отраженного от зеркала 7, и изменение интенсивности интерференционного поля.

В исходном состоянии при расположении зеркала 7 в фокусе линзы 4 разность фаз подающего, и отраженного лучей на голограмме тс или разность хода -п . В этом

случае луч, дифрагированный от голограммы б, и луч, отраженный от зеркала 7, образуют интерференционную картину (фиг.2,а). При изменении местоположения зеркала 7 разность фаз отраженного луча от зеркала 7 и луча, дифрагированного от голограммы

6,будет измен яте я. В случае, когда разность

фаз будет равна ту, интерференционная

картина будет иметь вид, как показано на фиг.2,б. На фиг.2,в разность фаз падающего и отраженного лучей совпадает, интенсивность поля в центре максимальна.

Фотоприемник, помещенный в плоскость интерференционной картины, будет реагировать на изменение интенсивности в интерферограмме, т.е. фототок будет прямо пропорционален изменению интенсивности интерференционного поля или амплитуде колебаний груза 8.

Таким образом, оптико-голографиче- ский преобразователь является нелинейным устройством с характеристикой, изображенной на фиг.З.а, где I - фототок, R

- величина смещения груза.

Голограмма в преобразователе выполняет роль памяти исходного состояния сферической волны (или исходного состояния подвижной массы), а в процессе работы и

прохождения сквозь нее оптических лучей в обшей совокупности связей образуют интерференционную картину (фиг.2),

При колебательном движении по,цвиж- ного груза с амплитудой AI (фиг.3,6), мходной фототок будет прямо пропорцис пален изменению интенсивности в интерферограмме (фиг.З.в). При изменении амплитуды колебаний подвижной массы, предположим AI А2 Аз, характер изменения интенсивности интерферограммы будет определяться в соответствии с фиг.3,г,д, где i относится к А2, а 1з - к Аз.

Вследствие нелинейного характера преобразования механических колебаний в

электрические с использованием интерферограммы, получаемой с помощью голограммы, разрешающая способность может быть определена по формуле

35

R-4vm

. -М

1 R7

где Я-длина волны света;

Ах -- апертура голограммы; RO - расстояние от фокуса до голограммы.

Как видно из фиг.3,б,в,г,д «астота выходного фототока прямо пропорциональна амплитуде колебаний подвижного груча. Следовательно, о амплитуде колебаний можно судить по частоте фототока.

Структурная схема блока 11 обработки сигналов представлена на фиг.4.

Он содержит усилитель 12, генератор 13, селектор 14 импульсов, счетчик 15, блок 16 индикации, блок 17 задания времени, регистр 18.

Сигнал, поступающий на усилитель 12, усиливается и преобразуется в прямоуголь- ные импульсы. Передним фронтом импульсов открывается селектор 14 импульсов. С генератора 13 начинают поступать импульсы с частотой fi на счетчик 15. Чем больше длительность импульсов, поступающих с усилителя 12, тем больше амплитуда воздействующей волны. Блок задания времени представляет собой часы. Он соединен с регистром 18 четырехразрядными выходами, по которым поступает информация в параллельном двоичном коде о текущем времени.

По заднему фронту импульсов производится запись информации со счетчика 15 и блока 17 задания времени в параллельном двоичном коде в регистр 18, а считывание из регистра 18 производится с частотой в последовательном двоичном коде для записи в постоянную память.

Вариант принципиальной схемы блока обработки сигналов представлен на фиг.5.

Сигнал от фотоприемника 10 поступает на усилитель, собранный на VT1 и VT2. Усиленное напряжение снимается с и поступает на формирователе прямоугольных импульсов (DD1).

Передним фронтом положительных импульсов открывается клапан DD2, с генератора 13 начинают поступать импульсы с частотой f1 на вход С счетчика DD5, одно- временно через DD3 поступает на вход R счетчика DD5 команда на разрешение счета. Кодовая комбинация на выходе DD5 преобразуется дешифратором DD6 и на индикаторе VL1 высвечиваются показания. Элементы DD4.1 - DD4.5 выделяют задний фронт импульсов, по которому производится запись информации со счетчика DD5 и со счетчиков блока 17 задания времени в регистр 18(DD7- DD11) и с частотой г считы- вается в последовательном коде с выхода DD11.

Формула изобретения Геофон, содержащий платформу, подвижный груз, фотоприемник, соединенный с блоком обработки сигналов, отличающийся тем, что, с целью увеличения чувствительности, в него введены последовательно лазер, коллиматор, оптическая фо кусирующая система, в фокусе которой расположен подвижный груз с установленным на нем зеркалом, причем между оптической фокусирующей системой и подвижным грузом размещены под углом к оптической оси устройства зеркало, выполненное с возможностью поворота (вращения), и голограмма с записанным на ней исходным состоянием волнового фронта, при этом между коллиматором и оптической фокусирующей системой на пути обратного хода лучей установлено зеркало под углом 45° к оптической оси устройства, выход которого сопряжен с фотоприемником, причем блок обработки сигналов выполнен в виде усилителя, выход которого соединен с первым входом селектора импульсов, генератора, первый выход которого соединен с вторым входом селектора излучения и первым входом селектора излучения и первым входом регистра, третий и четвертый выходы селектора соединены с вторым и третьим входами счетчика, выход которого соединен с третьим входом регистра и входом блока индикации, выход блока индикации подключен к входу блока задания времени, выход которого соединен с четвертым входом регистра, выход которого подключен к входу устройства с постоянной памятью.

Сущность изобретения: геофон содержит голографическую систему преобразования упругих волн в изменение интенсивности светового улучшения по интерференционной картине. 5 ил.

фиг i

а

$

в

Л

к}эд ( 1-11- - гт- 1

/ Z 3 -i-в-7--F3 10 И

д

I.

hv

IA

Ui U2

и

n

nn

л

n

JH

фие.З

saoiw.i

Г