Оптоволоконное устройство измерения линейных перемещений

 

Изобретение относится к области сейсморазведки, а также может применяться в вибродиагностике. Технический результат: повышение точности измерения линейного перемещения. Устройство содержит жесткий корпус, магнит, инерционную массу, короткозамкнутые витки, ирисовые пружины, волоконно-оптический измерительный блок, состоящий из зеркал, световодов, линз, оптического соединителя/разветвителя, фотодетекторов, аналого-цифровых преобразователей, микропроцессора, регистратора, источников оптического излучения. Отличительной особенностью является расположение магнита внутри инерционной массы. Короткозамкнутые витки расположены на внешней стороне инерционной массы. Зеркала на торцевой стороне инерционной массы наиболее приближены к точке центра тяжести инерционной массы. Открытый торец световода покрыт полупрозрачным зеркальным покрытием. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к сейсморазведке и может быть использовано в сейсмологии, а также в вибродиагностической аппаратуре.

Известен сейсмоприемник (геофон), содержащий систему преобразования упругих колебаний в изменение интенсивности светового излучения (авторское свидетельство СССР N 1741095 A1, G 01 V 1/16).

Известный геофон не обладает необходимой чувствительностью для выполнения сейсмических работ, которая ограничивается измерениями по модуляции светового потока.

Наиболее близким к заявленному изобретению является оптоволоконное сейсмоприемное устройство, предназначенное в том числе для измерения линейных перемещений, содержащее корпус, закрепленную в корпусе на упругом подвесе инерционную массу, два световода, один из которых соединен с источником оптического излучения, а второй связан с фотоприемником и регистратором (авторское свидетельство СССР N 1827657, G 01 V 1/16).

Недостатком известного устройства является небольшой динамический диапазон в связи с измерениями потока по интенсивности, большие нелинейные искажения, ограничивающие его применение в сейсморазведке. Кроме того, демпфирование колебаний инерционной массы осуществляется только за счет жесткости пружин, что затрудняет точную настройку на необходимые частотные характеристики.

Техническим результатом настоящего изобретения является расширение функциональных возможностей устройства, повышение точности измерения за счет увеличения динамического диапазона и уменьшения нелинейных искажений.

Технический результат достигается тем, что опто-волоконное устройство измерения линейных перемещений, содержащее корпус, закрепленную в корпусе на упругом подвесе инерционную массу, световоды, источник постоянного оптического излучения, фотоприемник, регистратор, дополнительно содержит постоянный магнит, закрепленный в корпусе и расположенный во внутренней полости инерционной массы, имеющей цилиндрическую форму, на внешней цилиндрической поверхности которой расположены короткозамкнутые электрические витки, а на поверхности, перпендикулярной оси перемещения инерционной массы, расположены зеркала в центральной части и по обе стороны симметрично оси, первый световод, выполненный с открытым от оплетки окончанием со светопроницаемым покрытием и торцом, покрытым полупрозрачным зеркальным покрытием, расположен по оси перемещения инерционной массы напротив центрального зеркала и подсоединен через оптический соединитель/разветвитель и второй световод к входу первого фотоприемника, состоящего из оптического мультиплексора, двух фотодетекторов, входы которых соединены с первым и вторым выходами оптического мультиплексора, аналого-цифровых преобразователей, соединенных с выходами фотодетекторов, при этом выходы первого фотоприемника, являющиеся выходами аналого-цифровых преобразователей, подключены к первому и второму входам микропроцессора, выход которого соединен с первым входом регистратора, второй вход регистратора через микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь, второй фотоприемник, третий световод соединен с входными линзами, размещенными напротив зеркал, расположенных симметрично оси перемещения инерционной массы, и предназначенными для приема оптического излучения, отраженного от этих зеркал, второй вход оптического соединителя/разветвителя через четвертый световод и третью входную линзу подключен к генератору оптического излучения, генерирующему две когерентные волны, источник постоянного оптического излучения через пятый световод подключен к выходным линзам для подачи излучения на зеркала, расположенные симметрично оси перемещения инерционной массы. Зеркала могут быть расположены на поверхности, приближенной к центру тяжести инерционной массы.

На фиг. 1 изображено предлагаемое устройство; на фиг. 2 представлена схема первого фотоприемника; на фиг. 3 - конструкция инерционной массы.

Устройство содержит цилиндрический корпус 1, магнит 2, закрепленный шайбой 3, закрепленную на внутренней поверхности средней части корпуса втулку 4, внутри которой помещена цилиндрическая инерционная масса 5 с электрическими витками 6, расположенными на внешней боковой поверхности инерционной массы 5, удерживаемой ирисовыми пружинами 7, зафиксированными крепежной гайкой 8 и регулировочными кольцами 9. На инерционной массе закреплены в центральной части зеркало 10, а по сторонам симметрично оси перемещения инерционной массы 5 - зеркала 11,12. Световод 13, расположенный по оси перемещения инерционной массы 5, уплотнен внутри корпуса втулками 14,15 и закреплен в крепежном элементе 16. Световоды 17 и 18, на торцах которых закреплены входные 19,20 и выходные линзы 21,22, уплотнены втулками 14,15 и закреплены в крепежном элементе 16. Оконечность 23 световода 13 выполнена открытой от оплетки и покрытой светопроницаемым покрытием 24. Торцeвая часть световода 13 покрыта полупрозрачным зеркальным покрытием 25. Световоды 13, 17, 18 защищены в корпусе крышкой 26. Доступ к электрическим виткам для их коммутации осуществляется через смотровое окно 27 в корпусе 1 и крышку 28. Световод 13 через первый вход/выход соединителя/разветвителя 29 и световод 30 соединен с первым фотоприемником 31, изображенным на фиг. 2 и состоящим из оптического мультиплексора 40, подключенного через световод 30 кo второму входу соединителя/разветвителя 29, из детекторов 41, входы которых соединены с выходами оптического мультиплексора 40, из аналого-цифровых преобразователей 42, входы которых соединены с выходами детекторов 41, а выходы соединены с первым и вторым входом микропроцессора 32. Первый выход микропроцессора 32 соединен с регистратором 33. Световод 18 через второй фотоприемник 34 соединен с аналого-цифровым преобразователем 35, выход которого через микропроцессор 32 соединен со вторым входом регистратора 33. Второй вход соединителя/разветвителя 29 через световод 36 и входную линзу 37 соединен с генератором оптического излучения 38. Световод 17 подключен к источнику постоянного оптического излучения 39.

Устройство работает следующим образом.

Корпус устанавливается вертикально на измеряемом объекте и закрепляется с помощью резьбового соединения. Включается генератор оптического излучения 38. Генерируемые генератором оптического излучения две когерентные оптические волны SinΘ и CosΘ поступают через входную линзу 37 по световоду 36 через оптический соединитель/разветвитель 29 на световод 13. Через полупрозрачную зеркальную поверхность световода 13 оптический луч достигает зеркала 10, расположенного на инерционной массе 5. Отраженный от зеркала 10 луч через светопроницаемое покрытие 24, полупрозрачное зеркало 25 и открытую оконечность 23 световода 13 поступает по световоду 13 к оптическому соединителю/разветвителю 29, где он ответвляется и по световоду 30 поступает на оптический мультиплексор 40, работающий на принципе разделения по типу волн в фотоприемнике 31 (фиг. 2). Разделенные оптические значения по функциям Sin и Cos поступают на соответствующие фотодетекторы 41, где они преобразуются в электрические данные и поступают на аналого-цифровые преобразователи 42. По двум значениям данных с выхода аналого-цифровых преобразователей 42 на микропроцессоре 32 определяется значение фазы и квадранта нахождения волны. Используя принцип решения квадратурных фазовых уравнений [1], определяется значение перемещения инерционной массы 5 в корпусе сейсмоприемника 1 относительно нейтрального положения при действии внешнего вертикального воздействия на корпус сейсмоприемника. Перемещение инерционной массы выражается суммой количества длин оптических волн и фазы. Результирующие цифровые данные по фазе смещения поступают с первого выхода микропроцессора на младшие разряды цифрового регистратора 33, количество которых определяется разрядной сеткой аналого-цифровых преобразователей 42 в фотоприемнике 31. Значение целых длин волн со второго выхода микропроцессора 32 поступает на старшие цифровые разряды цифрового регистратора 33.

При начальном измерении перемещения инерционной массы необходим исходный отсчет целых длин волн световой волны относительно нейтрального положения инерционной массы. При возникновении сбойных ситуаций во время измерения колебаний возможно возникновение многозначности отсчетов. Для установки начального отсчета положения инерционной массы и устранения многозначности используется оптическая измерительная система по интенсивности света, которая позволяет измерять перемещение инерционной массы с точностью не более длины когерентных волн, формируемых генератором оптического излучения 38.

Излучаемый источником 39 постоянный по амплитуде световой поток через световод 17 и выходные линзы 20 и 21 поступает на зеркала 11 и 12. Отраженные от зеркал 11 и 12 световые лучи поступают через входные линзы 19, 20 и световод 18 на фотоприемник 34, где они преобразуются в электрическое значение, соответствующее сумме интенсивностей отраженных от зеркал 11 и 12 световых пучков. Оцифрованное значение на аналого-цифровом преобразователе 35 с точностью длины оптической (измерительной) волны поступает на микропроцессор 32, где оно формируется как среднеарифметическое значение данных отраженных от зеркал 11 и 12 пучков, которое соответствует перемещению инерционной массы 5 по оси корпуса.

Демпфирование колебаний инерционной массы 5 выполняется за счет жесткости ирисовых пружин 7 и за счет электродинамического торможения, осуществляемого с помощью магнита 2, и количества подключенных короткозамкнутых электрических витков 6.

Список литературы 1. Multi-channel interferometric demodulator, JEEF BUSH and ALLEN CEKORICH, SPIE, vol. 3180, 02277-786 X/97.

Формула изобретения

1. Оптоволоконное устройство измерения линейных перемещений, содержащее корпус, закрепленную в корпусе на упругом подвесе инерционную массу, световоды, источник постоянного оптического излучения, фотоприемник, регистратор, отличающееся тем, что устройство дополнительно содержит постоянный магнит, закрепленный в корпусе и расположенный во внутренней полости инерционной массы, имеющей цилиндрическую форму, на внешней боковой поверхности которой расположены короткозамкнутые электрические витки, а на поверхности, перпендикулярной оси перемещения инерционной массы, расположены зеркала в центральной части и по обе стороны симметрично оси, первый световод, выполненный с открытым от оплетки окончанием со светопроницаемым покрытием и торцом, покрытым полупрозрачным зеркальным покрытием, расположен по оси перемещения инерционной массы напротив центрального зеркала и подсоединен через оптический соединитель/разветвитель и второй световод к входу первого фотоприемника, состоящего из оптического мультиплексора, двух фотодетекторов, входы которых соединены с первым и вторым выходами оптического мультиплексора, аналого-цифровых преобразователей, соединенных с выходами фотодетекторов, при этом выходы первого фотоприемника, являющиеся выходами аналого-цифровых преобразователей, подключены к первому и второму входам микропроцессора, выход которого соединен с первым входом регистратора, второй вход регистратора через микропроцессор, аналого-цифровой преобразователь, второй фотоприемник, третий световод соединен с первой и второй входными линзами, размещенными напротив зеркал, расположенных симметрично оси перемещения инерционной массы, и предназначенными для приема оптического излучения, отраженного от этих зеркал, второй вход оптического соединителя/разветвителя через четвертый световод и третью входную линзу подключен к генератору оптического излучения, генерирующему две когерентные волны, источник постоянного оптического излучения через пятый световод подключен к выходным линзам для подачи излучения на зеркала, расположенные симметрично оси перемещения инерционной массы.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что зеркала расположены на поверхности, приближенной к центру тяжести инерционной массы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3