Сейсмоизмерительное устройство

 

Использование: в области измерения неэлектрических величин, а именно для измерения параметров сейсмоакустических сигналов. Сущность: сейсмоизмерительное устройство содержит несколько сейсмодатчиков, связанных с блоком обработки данных. Сейсмодатчики выполнены в виде волоконных интерферометров. В качестве линии передачи измерительных сигналов использованы участки световода, свободные от сейсмодатчиков. Один конец световода связан с источником когерентного излучения, предпочтительно полупроводниковым лазером. Другой конец световода через юстировочное устройство связан с обрабатывающим блоком. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для фиксации параметров сейсмоакустических сигналов, и может быть использовано при изучении механических волновых и колебательных процессов, например, при исследованиях процесса разрушения горных пород, изучении сейсмического действия взрыва, выявлении пустот и неоднородностей в массиве горных пород и при других геофизических исследованиях.

Известно сейсмоизмерительное устройство, содержащее чувствительный элемент, инертную массу, размещенную с возможностью взаимодействия с чувствительным элементом и линию передачи измерительных сигналов к блоку обработки данных (см. книгу Ямщикова В.С."Методы и средства исследования горных пород" М. Недра, 1982 г. стр. 227).

Недостаток этого устройства заключается в недостаточной его чувствительности и неудовлетворительной помехозащищенности. Кроме того, устройство не позволяет формировать измерительные сети высокого быстродействия и надежности, при этом сам по себе процесс формирования измерительной сети будет весьма трудоемким и приведет к большим материальным расходам.

Известно также сейсмоизмерительное устройство, содержащее по меньшей мере два сейсмодатчика, связанных с блоком обработки данных посредством линии передачи измерительных сигналов (см. Горная энциклопедия, т.4, М. Советская энциклопедия, 1989 г. стр. 510, рис. 1).

Недостаток этого технического решения неудовлетворительное быстродействие (вследствие необходимости поэтапного опроса датчиков, составляющих сейсмоизмерительное устройство), слабая помехозащищенность, снижающая достоверность получаемой информации, кроме того, весьма материалоемка измерительная сеть, формируемая из отдельных сейсмоизмерительных устройств, ее монтаж является процессом трудоемким и продолжительным, а известные устройства тяжелы и громоздки, требуют для своего изготовления использовать цветные металлы.

Задача, решаемая заявляемым изобретением, выражается в повышении быстродействия измерительного устройства при повышении его помехозащищенности и снижении трудовых и материальных затрат на формирование измерительной сети.

Технический результат, достигаемый при решении поставленной задачи, выражается в упрощении процессов съема и обработки информации с каждого датчика и тем самым увеличении быстродействия устройства и всей измерительной сети, кроме того, низкие потери на светопропускание в волоконных световодах позволяет, с одной стороны, резко увеличить размеры контролируемого участка, а с другой стороны, обеспечивает возможность превышения размерами системы характерных расстояний, на которых происходит изменение параметров исследуемого поля, что также способствует повышению достоверности получаемой информации.

Для решения поставленной задачи сейсмоизмерительное устройство, содержащее по меньшей мере два сейсмодатчика, связанных с блоком обработки данных посредством линии передачи измерительных сигналов, отличается тем, что все сейсмодатчики связаны с одной и той же линией передачи измерительных сигналов, для чего сейсмодатчики выполнены в виде волоконных интерферометров, в качестве оптического тракта которых использованы участки волоконного световода, предпочтительно распределенные по его длине, причем в качестве линии передачи измерительных сигналов использованы участки световода, свободные от сейсмодатчиков, при этом один конец световода связан с источником когерентного излучения, а другой конец световода связан с обрабатывающим устройством. Кроме того, участок световода, используемый в качестве датчика, подвергнут растяжению, снабжен инертной массой, зафиксированной на световоде внутри жесткого корпуса с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной продольной оси световода. При этом оно снабжено узлом подстройки рабочей точки, выполненным в виде натяжного механизма, например, механической пары с одной степенью свободы, причем ползун и направляющая пары жестко связаны с соответствующими точками световода, а друг с другом связаны посредством винта, один конец которого пропущен через снабженное резьбой отверстие направляющей, а другой зафиксирован в ползуне пары с возможностью вращения в нем. Кроме того, обрабатывающее устройство выполнено в виде двух фотодиодов, подключенных на входы дифференциального усилителя. При этом волоконный световод выполнен сплошным по длине устройства. Кроме того, в качестве источника когерентного излучения использован полупроводниковый лазер.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения и признаков аналога и прототипа свидетельствует о его соответствии критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки ".сейсмодатчики выполнены в виде волоконных интерферометров, в качестве оптического тракта которых использованы участки волоконного световода, распределенные по его длине". позволяют упростить измерительную сеть по материалоемкости и процесс съема и обработки информации с каждого датчика. Кроме того, отпадает необходимость большого числа отдельных каналов передачи информации и исключаются перекрестные помехи, обусловленные электромагнитной природой передаваемых сигналов.

Признак".в качестве линии передачи измерительных сигналов использованы участки световода, свободные от сейсмодатчиков." позволяет улучшить помехозащищенность измерений за счет снижения влияния электромагнитных помех, упрощается монтаж измерительной сети.

Признаки ".один конец световода связан с источником когерентного излучения, а другой конец световода связан с обрабатывающим устройством." показывают имеющиеся связи элементов устройства.

Признаки ".участок световода, используемый в качестве датчика, подвергнут растяжению, снабжен инертной массой, зафиксированной на световоде внутри жесткого корпуса с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной продольной оси световода". позволяют получить датчик с необходимой натяженностью оптического волокна.

Признаки ".устройство снабжено узлом подстройки рабочей точки, выполненным в виде натяжного механизма, например, механической пары с одной степенью свободы, при этом и ползун, и направляющая пары жестко связаны посредством винта, один конец которого пропущен через снабженное резьбой отверстие направляющей, а другой зафиксирован в ползуне пары с возможностью вращения в нем." позволяют устанавливать рабочую точку датчиков.

Признаки ".обрабатывающее устройство выполнено в виде двух фотодиодов, подключенных на входы дифференциального усилителя". позволяют обрабатывать информацию, полученную с сейсмодатчиков.

Заявленное решение иллюстрируется чертежами: на фиг.1 показана функциональная схема сейсмоизмерительного устройства; на фиг.2 зависимость величины сигнала (V) на выходе блока обработки данных от удлинения (Δl) световода.

Предлагаемое сейсмоизмерительное устройство представляет собой волоконный световод 1, по длине которого размещены датчики, каждый из которых включает в себя участок световода 1, оба конца которого после растяжения зафиксированы (например, клеем) в торцовых заглушках 2 жесткого корпуса 3. При этом на середине датчика непосредственно на световоде 1 зафиксирован грузик 4. Полость корпуса 3 герметизирована и заполнена наполнителем 5 (маслом). Причем один свободный конец световода 1 связан с лазером 6, а другой через узел 7 настройки рабочей точки устройства с блоком 8 обработки данных. В качестве лазеров наиболее предпочтителен полупроводниковый лазер. Блок 8 обработки содержит два фотодиода, подключенных на вход дифференциального усилителя. Узел 7 настройки рабочей точки выполнен в виде механической пары ползун, перемещаемый по направляющей с одной степенью свободы. При этом ползун жестко связан с одной из точек световода, а направляющая с другой. При перемещении ползуна по направляющей происходит изменение величины натяжения участка световода, соответствующее направлению взаимного перемещения элементов механической пары.

Для нормальной работы устройства его рабочая точка должна находиться на прямолинейном участке зависимости U(Δl). (фиг.2).

Число датчиков, размещаемых на волоконном световоде, определяется задачами измерений, протяженностью измерительного участка и мощностью используемого источника когерентного излучения. Каждый датчик представляет собой двухмодовый одноволоконный интерферометр, отличающийся стабильностью параметров и простотой изготовления.

Принцип работы сейсмоизмерительного устройства основан на фазовой модуляции каналируемых мод в слабонаправляющем (двухмодовом) световоде при деформации волокна, вызываемой поперечными колебаниями присоединенного к нему грузика 4. Изменение разности фаз приводит к перераспределению интенсивности двух интерференционных пятен на выходе интерферометра что регистрируется обрабатывающей системой. Когда амплитуда колебаний мала, т.е. малы углы изгиба волокна, главный вклад в изменение фазы световой волны обусловлен удлинением световода. Разность фаз между направляемыми в световоде модами будет суммироваться по мере прохождения излучения последовательно через все датчики, т. е. сигнал на выходе такого измерительного устройства пропорционален сумме сигналов от каждого датчика.

Заявленное устройство работает следующим образом. Измерительную "косу", т.е. систему, включающую световод 1 с размещенным на нем датчиками, размещают на контролируемой плоскости. Один свободный конец световода 1 связывают с лазером 6, а другой со входом дифференциального усилителя блока 8 обработки данных. Посредством узла 7 "выводят" рабочий диапазон устройства на линейный участок. Излучение лазера 6 вводят в световод 1, при этом при деформациях световода (вызванных поперечными колебаниями грузика 4 внутри корпуса 3) будет иметь место фазовая модуляция каналируемых мод, что в свою очередь приводит к перераспределению интенсивности двух интерференционных пятен на выходе соответствующего датчика.

Разность фаз между направляемыми в световоде модами суммируется по мере прохождения излучения последовательно через все датчики устройства, т.е. сигнал на выходе такого сейсмоизмерительного устройства пропорционален сумме сигналов (Ii) от каждого датчика и пропорционален сумме квадратов амплитуд (сумме интенсивностей) Zi колебаний исследуемой поверхности в местах размещения датчиков: где N число датчиков; K коэффициент преобразования сейсмоизмерительного устройства.

Таким образом, можно измерять суммарную интенсивность колебаний вдоль линии расположенного оптического канала (световода), что в свою очередь позволяет вести контроль за вибрацией различных конструкционных элементов машин и сооружений и предупреждать опасные режимы их работы.

Были проведены измерения на экспериментальной модели, состоящей из пяти элементарных чувствительных элементов (ЭЧЭ), узла настройки рабочей точки интерферометра, расположенных на едином непрерывном волоконном световоде, выполняющем функции чувствительного элемента и тракта передачи сигнала. Использовалось кварцевое оптическое волокно с диаметром сердцевины 7 мкм, в качестве источника излучения использовался гелий неоновый лазер с длиной волны 0,63 мкм. Технические параметры ЭЧЭ были выбраны таким образом, чтобы обеспечить рабочий частотный диапазон 2-800 Гц. Для этого в качестве вязкой среды в ЭЧЭ было выбрано масло марки М 110 ГИ с коэффициентом динамической вязкости η 0,27 Па·с. Длина датчика составляла 5 м, диаметр 20 мм. Весь датчик был помещен в защитное силиконовое покрытие. Характеристика датчика исследовались на калиброванном вибростенде. Выходной сигнал регистрировался с помощью двух фотодиодов, подключенных ко входам дифференциального усилителя. Порог чувствительности к ускорению составил 1,6·10^-3 м/с², коэффициент преобразования на частоте 20 Гц - 1,4 мВ·c/м. Экспериментальная амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) была исследована в диапазоне 2-40 Гц и является практически линейной, что хорошо согласуется с теоретическими расчетами. Исследовался процесс суммирования сигналов в квазираспределенном волоконнооптическом датчике. Для этого воздействию колебаний последовательно подвергались от одной до пяти чувствительных секций датчика.

Полученные результаты полностью соответствуют теоретическим расчетам.

Формула изобретения

1. Сейсмоизмерительное устройство, содержащее по меньшей мере два сейсмодатчика, связанных с блоком обработки данных посредством линии передачи измерительных сигналов, отличающееся тем, что все сейсмодатчики связаны с одной и той же линией передачи измерительных сигналов, для чего сейсмодатчики выполнены в виде волоконных интерферометров, в качестве оптического тракта которых использованы участки волоконного световода, распределенные по его длине, причем в качестве линии передачи измерительных сигналов использованы участки световода, свободные от сейсмодатчиков, при этом один конец световода связан с источником когерентного излучения, а другой с блоком обработки данных.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что участок световода, используемый в качестве датчика, подвергнут растяжению, снабжен инертной массой, зафиксированной на световоде внутри жесткого корпуса с возможностью перемещения в плоскости, перпендикулярной продольной оси световода.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено узлом подстройки рабочих точек, выполненным в виде натяжного механизма, например, механической пары с одной степенью свободы, при этом и ползун и направляющая пары жестко связаны с соответствующими точками световода, а друг с другом связаны посредством винта, один конец которого пропущен через снабженное резьбой отверстие направляющей, а другой зафиксирован в ползуне пары с возможностью вращения в нем.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что обрабатывающее устройство выполнено в виде двух фотодиодов, подключенных на входы дифференциального усилителя.

5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волоконный световод выполнен сплошным по длине устройства.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что в качестве источника когерентного излучения использован полупроводниковый лазер.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2