Лазерный деформатор

 

Изобретение относится к измерительной технике. Технический результат использования изобретения - повышение точности измерения, возможность работы при высоких температурах. Лазерный деформометр состоит из датчика 12 и измерительного блока из двух лазерных систем 1, 2, две системы частотной стабилизации 3, 4, расщепители 5, 6, 7, поворотное зеркало 8, фотоприемник 9. Датчик 12 выполнен по дифференциальной схеме в виде двух коаксиальных цилиндров 15, 16, установленных один в другом, и закрепленных между собой с помощью перемычек 17, 18. Он содержит в себе два оптических резонатора 13, 14, которые связаны с измерительным блоком волоконно-оптическими кабелями 10, 11, оптические оси резонаторов взаимно-перпендикулярны. Зеркала 19, 20, 21, 22 интерферометров 13, 14 закреплены на внутренней стенке внутреннего цилиндра 16. Деформации корпуса датчика 12, направленные вдоль оси интерферометра 13, на которой находятся перемычки 17, 18, приводят к уменьшению длины резонатора интерферометра 13 и к такому же увеличению длины резонатора интерферометра 14, расположенного перпендикулярно к первому на одну и ту же величину, что производит перестройку частот лазеров 1, 2. Излучения лазеров 1, 2 смешиваются и поступают на фотоприемник 9, где значение частоты биений изменяется в соответствии с деформацией корпуса. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению деформаций оптическими методами, может применяться в сейсмологии, геофизике, метрологии для прецизионного измерения деформаций.

Известны интерферометрические измерители перемещений и деформаций на основе помехоустойчивого трехзеркального лазера-интерферометра (авт.св. СССР N1142731, кл. G 01 B 11/00, 1985). Источником излучения служит стабилизированный по частоте лазер. Указанный тип датчика отличается сложностью из-за применения частотно-стабилизированного лазера и низкой чувствительностью для малых измерительных баз. Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является лазерный стрейн-сейсмограф (Veen H. Van A laser strain seismometer. Natuur Kunde cerste. Reecks-Deel, XXVI, N 1, 1970г, p.25), в котором используются два нестабилизированных по частоте газоразрядных лазера, расположенные ортогонально друг другу, с резонаторами, закрепленными на Земле. Регистрируется частота биений смешанных оптических частот лазеров. Недостатком данного устройства является нестабильность выходного сигнала, т.е. частоты биений, обусловленная изменениями окружающей температуры, магнитного поля, разрядного тока, конвекционных потоков за счет неидентичности воздействия указанных факторов на активные элементы и резонаторы лазеров. К нестабильности приводят также разная скорость старения и изменения газовой среды активных элементов.

Технический результат повышение точности измерения, возможность работы при высоких температурах.

Лазерный деформометр, содержащий измерительный блок, включающий две лазерные системы, систему зеркал и фотоприемник, снабжен двумя волоконно-оптическими кабелями, двумя системами частотной стабилизации лазера по оптическому резонатору и датчиками, выполненным в виде двух коаксиальных цилиндров, двух оптических резонаторов, установленных во внутреннем цилиндре таким образом, что их оптические оси взаимноперпендикулярны и перпендикулярны центральной продольной оси цилиндров, при этом зеркала оптических резонаторов установлены на внутренней поверхности внутреннего цилиндра, соединенного с внешним двумя диаметрально расположенными перемычками, установленными на продолжении оптической оси одного из оптических резонаторов, первый оптический резонатор оптически связан через первый волоконно-оптический кабель и первый расщепитель системы зеркал с первыми лазерной системой и системой частотной стабилизации лазера по оптическому резонатору, второй оптический резонатор оптически связан через второй волоконно-оптический кабель и второй расщепитель системы зеркал с вторыми лазерной системой и системой частотной стабилизации лазера по оптическому резонатору, лазерные системы оптически связаны через третий расщепитель системы зеркал с фотоприемником, а выходы систем частотной стабилизации связаны с резонаторами соответствующих лазерных систем.

На чертеже представлена схема лазерного деформометра.

Измерительный блок лазерного деформометра содержит две лазерные системы 1, 2, две системы 3, 4 частотной стабилизации по оптическому резонатору. Часть излучения лазеров с помощью расщепителей 5 7 и поворотного зеркала 8 совмещаются на фотоприемнике 9. Остальное излучение через расщепители 5, 7 попадает в волоконно-оптические кабели 10, 11, которые связывают измерительный блок с датчиком 12. Датчик 12 содержит в себе два оптических резонатора 13, 14 и выполнен по дифференциальной схеме в виде двух коаксиальных цилиндров 15, 16, установленных один в другом, закрепленных между собой с помощью перемычек 17, 18 и находящихся на оптической оси одного из резонаторов. На внутренней стенке внутреннего цилиндра 16 закреплены зеркала 19, 20 резонатора 13 и зеркала 21, 22 резонатора 14, причем оптические оси резонатора 13, 14 расположены взаимноперпендикулярно.

Устройство работает следующим образом.

Деформации корпуса датчика 12, направленные вдоль оси резонатора 13, на которой находятся перемычки 17, 18, приводят к уменьшению длины резонатора 13 и к такому же увеличению длины резонатора 14, расположенного перпендикулярно к первому (на одну и ту же величину), что производит перестройку резонаторов 13, 14. Эта перестройка вызывает через волоконно-оптические кабели 10, 11 и системы 3, 4 частотной стабилизации по оптическому резонатору перестройку частоты лазеров 1, 2. Излучения частоты двух лазеров 1, 2 смешиваются и поступают на фотоприемник 9, где значение частоты биений изменяется в соответствии с деформацией корпуса.

Положительный эффект в предлагаемом решении достигается: за счет выноса лазеров из корпуса датчика, что улучшает термостабильность устройства; за счет применения лазеров с частотной стабилизацией по резонансам интерферометров; за счет того, что датчик может работать при высоких температурах вплоть до 400^oC, так как не содержит в себе никаких электронных компонентов. Применение датчика, выполненного по дифференциальной схеме, дает увеличение чувствительности в два раза, а за счет того, что элементы датчика (интерферометры) расположены на общем конце, индентичность пространственного расположения которых обеспечивает высокую степень корреляции "паразитных сигналов" (в том числе из-за температурного дрейфа) и, как следствие, их компенсацию в регистрируемом сигнале, достигается высокая точность измерений.

Формула изобретения

Лазерный деформометр, содержащий измерительный блок, включающий две лазерные системы, систему зеркал и фотоприемник, отличающийся тем, что он снабжен двумя волоконно-оптическими кабелями, двумя системами частотной стабилизации лазера по оптическому резонатору и датчиком, выполненным в виде двух коаксиальных цилиндров, двух оптических резонаторов, установленных во внутреннем цилиндре таким образом, что их оптические оси взаимоперпендикулярны и перпендикулярны центральной продольной оси цилиндров, при этом зеркала оптических резонаторов установлены на внутренней поверхности внутреннего цилиндра, соединенного с внешними двумя диаметрально расположенными перемычками, установленными на продолжении оптической оси одного из оптических резонаторов, первый оптический резонатор оптически связан через первый волоконно-оптический кабель и первый расщепитель системы зеркал с первыми лазерной системой и системой частотной стабилизации лазера по оптическому резонатору, второй оптический резонатор оптически связан через второй волоконно-оптический кабель и второй расщепитель системы зеркал с вторыми лазерной системой и системой частотной стабилизации лазера по оптическому резонатору, лазерные системы оптически связаны через третий расщепитель системы зеркал с фотоприемником, а выходы систем частотной стабилизации связаны с резонаторами соответствующих лазерных систем.

РИСУНКИ

Рисунок 1