Лазерный гидрофон - RU171583U1

Чертежи

Описание

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

Известен лазерно-интерференционный гидрофон, содержащий герметичный корпус с системой компенсации внешнего давления, в котором размещена оптическая система, выполненная по схеме равноплечего интерферометра Майкельсона, включающая источник монохроматического излучения, в качестве которого установлен лазерный диод с долговременной частотной нестабильностью не более 10^-4, коллиматор и интерферометр, содержащий светоделитель, линзу, подвижный отражатель, выполненный в виде мембраны, снабженной светоотражающим покрытием, являющийся чувствительным элементом гидрофона, неподвижный отражатель в виде двух плоскопараллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90" друг к другу и связанных с системой регистрации, которая выполнена с возможностью изменения длины оптического пути, проходимого опорным лучом за счет цепи обратной связи, при этом оптическая часть установлена на оптической скамье, изготавливаемой из материала с малым тепловым расширением (см. RU №58216, 2006).

Однако известный гидрофон, выполненный на основе равноплечего интерферометра Майкельсона, оптическая схема которого включает фокусирующую линзу и неподвижный отражатель в виде двух плоскопараллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу, громоздок, имеет большие геометрические размеры, массивен, сложен в юстировке, ненадежен в работе, устанавливается стационарно.

Известен также лазерный гидрофон, содержащий герметичный корпус, в котором размещены системы регистрации и компенсации внешнего давления и оптическая система, содержащая источник лазерного излучения, коллиматор, чувствительный элемент выполненный, как элемент стенки корпуса, в виде съемной мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, светоделитель, фотодетектор, неподвижный отражатель, выполненный в виде плоскопараллельного зеркала, установленного с возможностью взаимодействия с пьезокерамическим узлом, сообщенным с выходами системы регистрации, выполненной с возможностью накопления и хранения информации (см. RU № 71163, 2008).

В оптической схеме данного измерителя применена делительная пластина, предназначенная для разделения лучей, проходящих впоследствии по измерительному и опорному пути. Она требует громоздкого и дорогого механизма настройки. Кроме того, данный механизм неустойчив к вибрациям и толчкам, что вызывает сложности в работе с прибором при донных постановках оборудования в морских условиях. Уменьшение размеров пластины невозможно, поскольку ее толщина должна быть значительно больше, чем диаметр луча (7-10 мм после коллиматора), т.е. толщина пластины должна быть 20-25 мм для исключения возникновения паразитной интерференции, возникающей при отражении от ее передней и задней граней. Кроме того, практика показала, что при использовании тонких мембран (1 мм и менее) луч, отражаясь зеркальной поверхности в измерительном плече, возвращается в другую точку делительной пластины, не предусмотренную при настройке. Интерференционная картина при этом значительно ухудшается или вовсе пропадает. Связано это со значительными ходами мембраны и микродефектами мембраны, которая смещает свой центр в осевом направлении с некоторой угловой погрешностью. Таким образом, прибор недостаточно устойчив к вибрациям и неизбежному толчку при установке прибора на дно и не обеспечивает получения достоверных данных измерений.

Задачей заявляемой полезной модели является повышение устойчивости прибора к вибрациям и толчкам при его установке на дно.

Технический результат, проявляющийся при решении поставленной задачи, выражается в повышении устойчивости прибора к вибрациям и толчкам при его установке на дно и обеспечении получения достоверных данных измерений.

Для решения поставленной задачи лазерный гидрофон, содержащий герметичный корпус, в котором размещены системы регистрации и компенсации внешнего давления и оптическая система, содержащая источник лазерного излучения, коллиматор, чувствительный элемент, выполненный, как элемент стенки корпуса, в виде съемной мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, светоделитель, фотодетектор, неподвижный отражатель, выполненный в виде плоскопараллельного зеркала, установленного с возможностью взаимодействия с пьезокерамическим узлом, сообщенным с выходами системы регистрации, выполненной с возможностью накопления и хранения информации, отличается тем, что светоделитель выполнен в виде делительного куба, в объеме которого выполнена грань для разделения лучей, ориентированная под углом к оптической оси коллиматора. Кроме того, между светоделителем и чувствительным элементом установлена собирающая линза.

Новым является замена делительной пластины на делительный куб, имеющий внутри своего объема грань для разделения лучей. Размеры делительного куба могут быть близкими величине диаметра луча, поскольку отражений, вызывающих паразитную интерференцию лучей, не возникает (т.к. делительная грань в кубе одна). Крепежный элемент куба представляет собой простой зажим с минимальными возможностями регулировки. Такой крепеж вместе с кубом имеют малую массу, делая интерферометр более устойчивым к вибрациям и неизбежному толчку при установке прибора на дно.

Проблема с угловой погрешностью обратного луча в измерительном «плече» интерферометра решена путем установки собирающей линзы. В этом случае при осевых искажениях положения мембраны, обратный луч незначительно перемещается, оставаясь параллельным прямому. Интерференционная картина при таких смещениях значительных нарушений не испытывает.

Заявляемый лазерный гидрофон позволяет измерять вариации давления жидкостей, например, на глубинах до 1000 м с точностью 0,001 Па в частотном диапазоне 0-1000 Гц.

На чертеже приведена блок-схема оптической системы заявляемого лазерного гидрофона, состоящая из полупроводникового лазера 1, коллиматора 2, делительного куба 3, плоская мембрана 4 (чувствительный элемент прибора - подвижный отражатель), снабженная светоотражающим покрытием, нанесенным на нее, собирающая линза 5, плоскопараллельное зеркало 6, пьезокерамические элементы 7 и 8, герметичный корпус 9, фотоприемник 10 системы регистрации 11.

Оптическая система размещена на оптической скамье, закрепленной в полости герметичного корпуса 9 (на чертеже не показаны).

Как правило, для сохранения высокой чувствительности гидрофона в качестве пьезокерамических элементов целесообразно использовать пьезокерамические цилиндр, на который устанавливают плоскопараллельное зеркало, и диск или два цилиндра.

В качестве источника монохроматического света в заявляемом устройстве устанавливают полупроводниковые лазерные диоды, имеющие долговременную нестабильность по частоте не более 10^-4, например HLDPM12-655-5.

Выполнение чувствительного элемента в виде съемной мембраны позволяет устанавливать мембраны различной толщины, т.е. измерять вариации давления с высокой точностью в заданном интервале давлений. Например, в конкретном случае использования в качестве чувствительного элемента круглой мембраны диаметром 0,1 м, толщиной 0,1 мм возможно измерить вариации давления жидкости с точностью 0,0015 Па в частотном диапазоне от 0 до 1000 Гц.

Система регистрации 11 выполнена с возможностью изменения оптической длины пути, проходимого опорным лучом за счет цепи обратной связи, воздействующей на одно из зеркал оптической системы. В качестве системы регистрации на базе, например, микропроцессора ATMEGA16 применена система экстремального регулирования с системой учета скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами. Кроме того, система регистрации 11 дополнительно содержит блок накопления и хранения информации, представляющий собой жесткий диск или флэш-память.

Уравнивание длин плеч интерферометра с необходимой точностью производится предварительно при сборке гидрофона, например, следующим образом. Сначала выполняют уравнивание механическим способом с помощью линейных измерительных систем и юстировочных механизмов. Затем производят более точное выравнивание с использованием стандартных электрических систем. Например, устанавливают лазерный диод на пьезокерамическое основание, на которое подают сигнал специальной формы, меандр или синусоидальный, и изменением длин одного из плеч интерферометра добиваются на выходе системы регистрации гидрофона амплитуды сигнала, близкой к нулю, что соответствует уравниванию длин плеч интерферометра с точностью не менее 10^-4 м.

Устройство работает следующим образом.

Луч от полупроводникового лазера 1 попадает на коллиматор 2, где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее луч направляется на светоделитель (делительный куб 3), где расщепляется на два пучка. Один из них отражается от подвижного отражателя, представляющего собой светоотражающее покрытие, нанесенное на плоскую мембрану 4, попадает на делительный куб 3, затем на фотоприемник 10 и в место прихода опорного луча от плоскопараллельного зеркала 6. В данном месте лучи совмещаются юстировочными болтами (на чертеже не показаны), образуя интерференционную картину. Интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого находится фотоприемник 10. Под воздействием вариаций внешнего давления возникают смещения подвижного отражателя (4) относительно его положения равновесия, вследствие чего изменяется оптическая длина, проходимая измерительным лучом, что приводит к изменению интенсивности света в месте нахождения фотоприемника 10. Для измерения изменений оптического пути с системы регистрации 11 на пьезокерамические элементы 7 и 8 подается высокочастотный сигнал раскачки и сигнал обратной связи для поддержания интерференционной картины на максимуме, который поступает на пьезокерамический элемент 7, на котором укреплено отражающее плоскопараллельное зеркало 6 неподвижного отражателя опорного луча, и этим изменяет оптическую длину, проходимую опорным лучом. Интенсивность пятна в месте нахождения фотоприемника 10 поддерживается неизменной за счет обратной связи. Величина сигнала, подаваемого на пьезокерамический элемент 7, пропорциональна изменению оптической длины измерительного луча и, соответственно, является мерой смещения подвижного отражателя относительно положения равновесия.

Реферат

Полезная модель относится к измерительной технике и касается лазерного гидрофона. Лазерный гидрофон включает в себя герметичный корпус, систему регистрации и компенсации внешнего давления и оптическую систему. Оптическая система включает в себя источник лазерного излучения, коллиматор, чувствительный элемент, выполненный, как элемент стенки корпуса, в виде съемной мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, светоделитель, фотодетектор, выполненный в виде плоскопараллельного зеркала неподвижный отражатель, установленный с возможностью взаимодействия с пьезокерамическим узлом, сообщенным с выходами системы регистрации. Светоделитель выполнен в виде делительного куба, в объеме которого выполнена грань для разделения лучей, ориентированная под углом к оптической оси коллиматора. Технический результат заключается в повышении устойчивости прибора к вибрациям и толчкам при его установке на дно и увеличении достоверности измерений. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Формула