RU155509U1 - Лазерно-интерференционный гидрофон с системой термостабилизации - Google Patents

Abstract

1. Лазерно-интерференционный гидрофон, состоящий из герметичного корпуса с установленными внутри системой компенсации внешнего давления, системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, и оптической системой, реализованной на основе двух интерферометров Майкельсона и включающей монохроматический источник излучения (лазерный модуль), два подвижных отражателя, первый из которых является одновременно чувствительным элементом гидрофона и представляет собой одну из сторон корпуса, выполненную в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, а второй выполнен в виде зеркала, установленного в непосредственной близости от центра мембраны, два неподвижных отражателя, расположенных параллельно друг другу и выполненных в виде зеркал, каждое из которых установлено на двух пьезокерамических основаниях, закрепленных на одной опоре и соединенных с системой регистрации.2. Лазерно-интерференционный гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника излучения установлен полупроводниковый лазер с временной нестабильностью частоты излучения 10.3. Лазерно-интерференционный гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что оптическая система выполнена по схеме равноплечих интерферометров Майкельсона.4. Лазерно-интерференционный гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что система регистрации дополнительно содержит блок накопления и хранения информации.

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к устройствам для измерения вариаций давления жидкостей и может быть использовано в океанологии, гидрофизике и гидроакустике.

Известно, что в гидроакустике и океанологии для измерения колебаний давления в широком диапазоне частот применяют датчики с чувствительным элементом, выполненным на основе оптоволокна (п. США N 53867229). Однако, в связи с сильной зависимостью параметров волокна от вариаций температуры, эти устройства имеют существенные погрешности измерений при работе на низких частотах, а большинство известных методов термокомпенсации малоэффективны и сильно усложняют их конструкцию.

Известен оптический измеритель давления (п. РФ N 2113697, опубл. 20.06.98 г.), в котором оптическое устройство выполнено на основе интерферометра Майкельсона, светоделитель которого представляет собой составной кубик, а подвижный и неподвижный отражатель триппель-призмы, при этом подвижный отражатель жестко связан со штоком, который посредством пружин соединен с мембранами. К сожалению, инерционность, обусловленная наличием массы штока и поддерживающих пружин, приводит к существенному ограничению в рабочем диапазоне частот и точности измерений. Помимо этого, данное устройство имеет сложную электронную систему необходимую для расшифровки интерферограммы. Проблема теплового расширения элементов интерферометра в данном случае решается за счет точной симметрии плеч, что не всегда удобно, а зачастую просто невозможно при конструировании лазерно-интерференционных измерительных систем. К тому же задача создания интерферометра с идеально симметричными плечами накладывает очень серьезные требования на качество изготовления его элементов и его сборки, что существенно усложняет процесс создания таких установок.

Одним из серьезных недостатков известных устройств с оптическими системами на основе интерферометров является зависимость длины плеч интерферометра от вариаций температуры и, как следствие, снижение точности измерений. Для решения этой проблемы часто используют прием изготовления крепления оптических элементов из материалов с низким коэффициентом теплового расширения, например, инвар (п. РФ №2159925). Однако, этот способ также имеет ограниченную эффективность, поскольку, во-первых, многие элементы интерферометра (зеркала, делительная пластина, линзы и другие) невозможно выполнить из инвара, а во-вторых, потенциально возможная точность измерений лазерно-интерференционных установок такова, что температурные расширения элементов, выполненных даже из инвара, могут вносить серьезные погрешности в измерения. При этом инвар достаточно дорогой материал, что сказывается на стоимости лазерно-интерференционного гидрофона.

Одним из наиболее близких по технической сущности к заявленной полезной модели является лазерно-интерференционный гидрофон, предлагаемый в п. №58216, 10.11.2006. Он выполнен в виде цилиндрического корпуса, внутри которого расположены оптическая система на основе интерферометра Майкельсона, цифровая система регистрации и компенсационная камера. В качестве монохроматического источника излучения используют полупроводниковый лазерный модуль. Оптическая система включает также неподвижный отражатель, выполненный в виде двух плоскопараллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу и соединенных с системой регистрации. Чувствительным элементом гидрофона является мембрана с нанесенным светоотражающим покрытием, которая расположена в корпусе прибора таким образом, что одна сторона ее контактирует с водой, а другая обращена внутрь прибора и является подвижным отражателем интерферометра. Для учета температурной погрешности используют температурный зонд. Однако данное решение имеет малую эффективность, поскольку зонд измеряет непосредственно колебания температуры, которые затем необходимо пересчитывать в колебания длины плеч интерферометра. При этом точность этих расчетов должна быть сравнима точностью линейных измерений методами лазерной интерферометрии, чего очень трудно добиться с учетом разнообразия материалов, из которых выполняются оптические элементы интерферометров и качества их исполнения.

Задачей заявляемой полезной модели является разработка лазерно-интерференционного измерителя колебаний давления гидросферы с эффективной системой термостабилизации.

Технический результат состоит в повышении точности измерений колебаний давления.

Поставленная задача решается лазерно-интерференционным гидрофоном, в котором проблема термостабилизации решается путем выполнения оптической системы прибора на основе двух интерферометров Майкельсона. Таким образом, гидрофон представляет собой герметичный корпус с установленными внутри системой компенсации внешнего давления, системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, и оптической системой, реализованной на основе двух интерферометров Майкельсона и включающей источник монохроматического излучения, два подвижных отражателя, первый из которых является одновременно чувствительным элементом гидрофона и представляет собой одну из сторон корпуса, выполненную в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, а второй выполнен в виде зеркала, установленного в непосредственной близости от центра мембраны, и два неподвижных отражателя, расположенных параллельно друг другу и выполненных в виде зеркал, каждое из которых установлено на двух пьезокерамических основания, закрепленных на одной опоре и соединенных с системой регистрации.

Оптическая система гидрофона выполнена на основе двух интерферометров Майкельсона. Первый из них необходим для измерения смещений центра мембраны, являющейся чувствительным элементом гидрофона, вызванных вариациями гидросферного давления. Второй измеряет колебания длины его плеч, возникающих в результате теплового расширения оптических элементов. Оба они сформированы на базе одного источника монохроматического излучения (лазерного модуля). Их лучи проходят через одни и те же оптические элементы, что позволяет получить практически одинаковую геометрию их распространения в обоих случаях. Отличие заключается в том, что во втором интерферометре измерительный луч отражается не от мембраны, а от зеркала, закрепленного максимально близко от ее центра таким образом, что вариации гидросферного давления на него не действуют. Также система неподвижных отражателей не является одним целым, однако оба ее элемента строго повторяют другу друга, и закреплены на одной опоре. Таким образом, величина колебаний длины плеч интерферометров вызванная тепловым расширением будет одинаковой для обоих случаев. Вычитая ее из результата измерений первого интерферометра, получаем величину пропорциональную вариациям гидросферного давления на мембране, без ошибки, обусловленной тепловым расширением элементов интерферометра.

На фиг. приведена блок-схема заявляемого интерференционного измерителя вариаций давления, состоящая из корпуса (1), лазерного модуля (2), направляющих зеркал (3, 4, 5, 6, 7), коллиматора (8), светоделителя (9), первого чувствительного элемента (мембрана) (10), второго чувствительного элемента (11), оптического окна (12), фотодиодов системы регистрации (13, 14) и неподвижных отражателей (15, 16).

Устройство работает следующим образом:

Луч от лазерного модуля (2) с помощью направляющих зеркал (6, 7) заводится в коллиматор (8), где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых для настройки интерференции. Затем системой из двух полупрозрачных пластин (4, 5) он делится на два строго параллельных друг другу. Первый формирует интерферометр для измерения давления, второй для измерения ошибки вызванной тепловым расширением материалов. Далее каждый из них проходит через делительную пластину (9), где за счет отражения и прохождения расщепляется на два пучка. Пара отраженных лучей проходя сначала через направляющее зеркало (3) потом через неподвижные отражатели (15, 16) и обратно, формируют опорные плечи первого и второго интерферометров. Первый из проходящих лучей отражается от зеркала, закрепленного на мембране (10), а второй от второго чувствительного зеркала (11), таким образом, формируются измерительные плечи интерферометров. Снова проходя через делительную пластину (9) луч измерительного плеча, первого интерферометра, совмещается с лучом, вышедшим из его опорного плеча, в результате чего между ними возникает интерференция. Таким же образом совмещаются лучи интерферометра. В итоге мы имеем интерференционные картины, изменение яркости которых регистрируется фотоприемниками (13, 14). В процессе работы прибора, изменения в длине измерительного плеча первого интерферометра могут возникать в результате смещения центра мембраны (измеряемая величина) а также за счет теплового расширения элементов интерферометра (температурная погрешность измерения). Второй интерферометр регистрирует только последствия теплового расширения. Система регистрации анализируя изменения яркости интерференционных картин формирует два сигнала: сигнал первого интерферометра и второго. Для получения сигнала, амплитуда которого будет пропорциональна амплитуде гидросферного давления на мембране без погрешности вызванной тепловым расширением элементов интерферометра, она производит вычитание второго сигнала из первого. Помимо этого, система регистрации вырабатывает сигналы обратной связи, подаваемые на пьезокерамические основания неподвижных отражателей (15, 16), подстраивая тем самым длину опорных плеч под длину измерительных и тем самым удерживая интерференционные картины в максимуме интенсивности.

В качестве системы регистрации на базе, например, микропроцессора ATEMEGA16, применена система экстремального регулирования с системой учета скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами. Система регистрации выполнена с возможностью изменения оптической длины путей, проходимых опорными лучами за счет цепей обратных связей воздействующих на зеркала неподвижных отражателей. Кроме того, система регистрации может быть снабжена блоком накопления и хранения информации

Мембрана может быть выполнена съемной, а интерферометры могут быть как равноплечие, так и неравноплечие.

В качестве источника 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^-6. Опытный образец заявляемого гидрофона с использованием данного модуля и равноплечих интерферометров Майкельсона позволил получить точность измерения порядка 19 мкПа. При этом использовалась мембрана из нержавеющей стали диаметром 100 мм и толщиной 0.1 мм. Диапазон рабочих частот от 0 до 1000 Гц.

Таким образом, благодаря предложенной конструкции оптической системы гидрофона построенной на основе двух интерферометров Майкельсона удалось разработать эффективную систему учета погрешностей, обусловленных вариациями температуры и повысить точность измерения давления в широком диапазоне частот.

Claims (4)

1. Лазерно-интерференционный гидрофон, состоящий из герметичного корпуса с установленными внутри системой компенсации внешнего давления, системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, и оптической системой, реализованной на основе двух интерферометров Майкельсона и включающей монохроматический источник излучения (лазерный модуль), два подвижных отражателя, первый из которых является одновременно чувствительным элементом гидрофона и представляет собой одну из сторон корпуса, выполненную в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, а второй выполнен в виде зеркала, установленного в непосредственной близости от центра мембраны, два неподвижных отражателя, расположенных параллельно друг другу и выполненных в виде зеркал, каждое из которых установлено на двух пьезокерамических основаниях, закрепленных на одной опоре и соединенных с системой регистрации.

2. Лазерно-интерференционный гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника излучения установлен полупроводниковый лазер с временной нестабильностью частоты излучения 10^-6.

3. Лазерно-интерференционный гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что оптическая система выполнена по схеме равноплечих интерферометров Майкельсона.

4. Лазерно-интерференционный гидрофон по п. 1, отличающийся тем, что система регистрации дополнительно содержит блок накопления и хранения информации.

Images