Мобильный лазерный нанобарограф
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения вариаций давления газов, в частности атмосферного давления, и может быть использована в геофизике. Мобильный лазерный нанобарограф содержит корпус, внутри которого расположены система регистрации с блоком накопления и хранения информации и установленная на оптической скамье оптическая система, выполненная по схеме равноплечего интерферометра Майкельсона, при этом в качестве источника монохроматического излучения установлен полупроводниковый лазер с долговременной частотной нестабильностью не хуже 10-4, а неподвижный отражатель выполнен в виде одного плоско-параллельного зеркала, установленного на основании, состоящем из двух не контактирующих друг с другом пьезокерамических элементов. Технический результат - мобильный, автономный, компактный, дешевый лазерный нанобарограф с высокой точностью измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления фонового уровня.
Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения вариаций давления газов, в частности атмосферного давления, и может быть использовано в геофизике для регистрации вариаций атмосферного давления при поиске предвестников землетрясений.
Известен оптико-механический измеритель давления (п. РФ №2029933, опубл. 27.02.1995), содержащий герметичный корпус, в котором размещены анероидный чувствительный элемент в виде мембранной коробки, светоизлучатель, фотоэлектрический преобразователь с электрической измерительной схемой, регистратор, термокомпенсатор, жестко соединенной с одной из поверхностей мембранной коробки, к другой поверхности которой жестко прикреплена маска с прорезью, размещенная между светоизлучателем и ФЭП 5, подвешенными на стойке, механизм коррекции нуля в виде дифференциальной винтовой пары, головка которого жестко связана со втулкой, и регулировочным винтом с наружной и внутренней резьбой с различными шагами. За счет жесткой связи чувствительного элемента со световой системой и системой термокомпенсации и коррекции нуля повышается точность регистрации атмосферного давления.
Однако конструкция громоздка и не позволяет с достаточной степенью точности измерять низкочастотные и сверхнизкочастотные вариации давления.
Известен оптико-механический измеритель давления (п. FR №2677448, опубл. 11.12.1992), созданный на основе интерферометра Фабри-Перо. Конструкция содержит источник излучения, полупрозрачное зеркало, две линзы, капсулу с блоком анероидных коробок, блок обработки информации.
Однако из-за применения схемы созданной на основе интерферометра Фабри-Перо, конструкция получается громоздкой и сложной в юстировке.
Известен оптико-механический измеритель давления (п. РФ №2159925, опубл. 27.11.2000), содержащий герметичный корпус, в котором размещена оптическая часть системы, выполненной по схеме Майкельсона. Оптическая часть прибора состоит из источника монохроматического излучения, коллиматора и интерферометра, содержащего светоделитель, световод, линзу, фотодетектор, подвижный отражатель, являющийся одновременно чувствительным элементом датчика, 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. Подвижный отражатель оптической системы выполнен в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, которая одновременно является одним из торцов корпуса.
Однако известная конструкция не обеспечивает требуемой точности измерений низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления.
Наиболее близким по технической сущности к заявленной полезной модели является оптический измеритель давления, позволяющий измерять вариации давления с высокой точностью, начиная со значений 20-50 кПа и выше (п. РФ №45528, опубл. 10.05.2005). Устройство состоит из оптической системы, включающей источник монохроматического излучения, коллиматор, и интерферометр, выполненный по схеме равноплечего Майкельсона, который содержит светоделитель, чувствительный элемент в виде анероидной коробки со светоотражающим покрытием, фотодетектор, фокусирующую линзу, неподвижный отражатель в виде двух плоскопараллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу и температурный зонд, соединенные с системой регистрации. Вся оптическая часть заявляемого устройства жестко закрепляется на оптической скамье, изготавливаемой из материала с малым тепловым расширением. В качестве источника монохроматического излучения используют частотно-стабилизированные лазеры.
Однако известное устройство из-за использования в оптической схеме частотно-стабилизированного лазера, фокусирующей линзы и конструкции неподвижного отражателя в виде двух параллельных зеркал, установленных на пьезокерамических основаниях под углом 90° друг к другу, громоздко, имеет большие геометрические размеры, массивно, сложно в юстировке и ненадежно в работе. Устройство требует стационарной установки и при этом не обеспечивает требуемой точности измерений низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления фонового уровня.
Задачей заявляемой полезной модели является разработка лазерного нанобарографа, обладающего мобильностью при сохранении высокой точности измерения низкочастотных и сверхнизкочастотных вариаций давления фонового уровня, легко настраиваемого и надежного в работе, и при этом способного работать автономно продолжительное время при малых затратах потребляемой энергии, компактного и дешевого.
Поставленная задача решается мобильным лазерным нанобарографом, представляющим собой корпус, содержащий систему регистрации, содержащую блок накопления и хранения информации, и установленную на оптической скамье оптическую систему на основе равноплечего интерферометра Майкельсона,
включающую монохроматический источник излучения с долговременной частотной нестабильностью не хуже 10-4, неподвижный отражатель в виде плоско-параллельного зеркала, установленного на основании, состоящем из двух не контактирующих друг с другом пьезокерамических элементов, связанных с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, подвижный отражатель, являющийся одновременно и чувствительным элементом, представляющий собой как минимум одну анероидную коробку с нанесенным на ее незакрепленном конце светоотражающим покрытием.
Предлагаемое устройство позволяет достичь точности измерения вариаций давления в 10 нбар в низкочастотных и сверхнизкочастотных областях давления фонового уровня.
Для повышения точности измерения система нанобарограф может быть снабжен температурным датчиком, соединенным с системой регистрации.
На фиг. приведена блок-схема оптической системы заявляемого лазерного нанобарографа, состоящая из полупроводникового лазера (1), коллиматора (2), и интерферометра, выполненного по схеме равноплечего интерферометра Майкельсона, который включает светоделитель (3), подвижный отражатель (4) - анероидная коробка со светоотражающим покрытием, неподвижный отражатель (5), включающий плоскопараллельное зеркало 6 и пьезокерамическое основание, состоящее из пьезокерамического цилиндра (7) и пьезокерамического диска (8), система регистрации (9), включающая фотодиод (10), блок (11) управления и блок (12) накопления и хранения информации.
Оптическая система размещена на оптической скамье в корпусе (на фиг. не показаны).
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 плоскопараллельный светоделитель (3), где расщепляется на два пучка. Один из них отражается от светоотражающего покрытия подвижного отражателя (4), попадает на светоделитель (3), затем на фотодиод (10) и в место прихода луча от плоско-параллельного зеркала (6). В данном месте лучи совмещаются котировочными болтами (болты на фиг. не показаны), образуя интерференционную картину. Интерференционная картина настраивается на пятно-минимум, в месте расположения которого находится фотодиод (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 фотодиода (10). Для измерения изменения оптического пути с блока управления (11) на диск (8) пьезокерамического основания 5 подается высокочастотный сигнал раскачки. Блок управления (11) вырабатывает сигнал обратной связи для поддержания интерференционной картины на максимуме, который поступает на пьезокерамический цилиндр (7), на котором укреплено зеркало (6) неподвижного отражателя, и этим изменяет оптическую длину, проходимую опорным лучом. Интенсивность пятна в месте нахождения фотодиода (10) поддерживается неизменной за счет обратной связи. Величина сигнала, подаваемого на пьезокерамический цилиндр (7) неподвижного отражателя (5), пропорциональна изменению оптической длины измерительного луча, и соответственно, является мерой смещения подвижного отражателя (4) относительно положения равновесия.
Использование полупроводникового лазера с долговременной стабильностью не более 10-4 и возможность уравнивания длин плеч интерферометра до 10-4 м позволяют измерять вариации давления газа с точностью 10 нбар.
В качестве системы регистрации на базе, например, микропроцессора ATMEGA16, применена система экстремального регулирования с системой учета скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами автоматическим введением расчетных поправок температурной погрешности. Система регистрации выполнена с возможностью изменения оптической длины пути, проходимого опорным лучом за счет цепи обратной связи воздействующей на неподвижный отражатель оптической системы. Кроме того, система регистрации дополнительно содержит блок накопления и хранения информации, например, жесткий диск или флэш-память.
Таким образом, использование в нанобарографе в качестве источника излучения маломощных полупроводниковых лазеров с высокой долговременной нестабильностью частоты и предложенная конструкция неподвижного отражателя, позволило достичь заявляемого технического результата - обеспечить мобильность, компактность при высокой точности измерения низкочастотных, сверхнизкочастотных вариаций давления на уровне фоновых колебаний и одновременно добиться простоты в настройке и обслуживании заявляемого нанобарографа.
1. Лазерный нанобарограф, представляющий собой герметичный корпус, содержащий систему регистрации и установленную на оптической скамье оптическую систему на основе равноплечего интерферометра Майкельсона, включающую монохроматический источник излучения, неподвижный отражатель, связанный с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, подвижный отражатель, являющийся одновременно и чувствительным элементом, представляющий собой как минимум одну анероидную коробку с нанесенным на ее незакрепленном конце светоотражающим покрытием, отличающийся тем, что система регистрации дополнительно содержит блок накопления и хранения информации, в качестве источника излучения используют полупроводниковый лазер с долговременной частотной нестабильностью не хуже 10-4, а неподвижный отражатель выполнен в виде плоскопараллельного зеркала, установленного на основании, состоящем из двух не контактирующих друг с другом пьезокерамических элементов.
2. Лазерный нанобарограф по п.1, отличающийся тем, что в качестве пьезокерамических элементов используют пьезокерамические цилиндр и диск, при этом плоскопараллельное зеркало установлено на цилиндре
3. Лазерный нанобарограф по п.1, отличающийся тем, что дополнительно содержит температурный зонд, соединенный с системой регистрации.
