RU209950U9

RU209950U9 - Vertical seismometer with optoelectronic diffraction vibration sensor

Info

Publication number: RU209950U9
Application number: RU2021133815U
Authority: RU
Inventors: Владислав Антонович Комоцкий; Никита Владимирович Суетин
Priority date: 2021-11-19
Filing date: 2021-11-19
Publication date: 2022-04-20
Also published as: RU209950U1

Abstract

Полезная модель предназначена для измерения колебаний поверхности Земли по вертикальной координате. Вертикальный сейсмометр с оптоэлектронным дифракционным датчиком колебаний содержит физический маятник в виде диска с прикрепленным к нему дополнительным грузиком и возвратной пружиной, ось диска, которая установлена в основании сейсмометра в крестообразных подвесах, допускающих поворот диска маятника относительно основания, магнитный демпфер колебаний диска, датчик углового смещения диска маятника относительно основания с лазером, блок-сенсором, представляющим собой прозрачный параллелепипед, на параллельных, противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки с прямоугольными профилями рельефов решеток, пространственный оптический фильтр, выделяющий первый порядок дифракции лазерного пучка после его прохождения через блок-сенсор, а также фотодиод, расположенный после пространственного фильтра, причем диск физического маятника расположен в вертикальной плоскости, а ось, к которой прикреплен диск, установлена горизонтально, на вертикальной стойке основания, при этом блок-сенсор прикреплен к торцу оси диска со стороны, которая противоположна диску, и расположен по другую сторону от вертикальной стойки, а лазер, дополнительное зеркало, пространственный фильтр и фотодиод установлены на подвижной поворотной платформе, которая связана с вертикальной стойкой через посредство кольцевого подшипника скольжения, который допускает поворот платформы относительно оси маятника с помощью механизма перемещения. Технический результат заключается в расширении арсенала технических средств, позволяющих регистрировать вертикальные колебания земной поверхности. 2 фиг.The utility model is designed to measure the fluctuations of the Earth's surface along the vertical coordinate. SUBSTANCE: vertical seismometer with an optoelectronic diffraction oscillation sensor contains a physical pendulum in the form of a disk with an additional weight attached to it and a return spring, an axis of the disk, which is installed at the base of the seismometer in cruciform suspensions that allow rotation of the pendulum disk relative to the base, a magnetic vibration damper of the disk, and an angular displacement sensor pendulum disk relative to the base with a laser, a block sensor, which is a transparent parallelepiped, on parallel, opposite faces of which there are two relief phase diffraction gratings with rectangular profiles of the grating reliefs, a spatial optical filter that singles out the first order of diffraction of the laser beam after it passes through the block sensor, as well as a photodiode located after the spatial filter, and the disk of the physical pendulum is located in a vertical plane, and the axis to which the disk is attached is installed horizontally, on a vertical stand of the main at the same time, the sensor unit is attached to the end of the disk axis on the side opposite to the disk and located on the other side of the vertical stand, and the laser, additional mirror, spatial filter and photodiode are mounted on a movable turntable, which is connected to the vertical stand through by means of an annular plain bearing, which allows the platform to be rotated relative to the pendulum axis by means of a movement mechanism. The technical result consists in expanding the arsenal of technical means that make it possible to register vertical oscillations of the earth's surface. 2 fig.

Description

Полезная модель относится к области приборостроения и оптоэлектроники. Устройство предназначено для измерения колебаний поверхности Земли в вертикальной плоскости.The utility model relates to the field of instrumentation and optoelectronics. The device is designed to measure fluctuations of the Earth's surface in the vertical plane.

Известны устройства для измерения колебаний земной поверхности в вертикальной и горизонтальной плоскости, например, сейсмометр типов СМ-3, который описан в книге: «Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений в СССР» // изд. «наука», Москва, 1974 г (с. 48-49, с. 52,). Это устройство является аналогом предлагаемой полезной модели. В сейсмометре СМ-3 применен индуктивный датчик колебаний, у которого выходной электрический сигнал пропорционален скорости движения, а не смещению маятника относительно основания сейсмометра. В результате происходит потеря чувствительности в области низких частот регистрируемых колебаний.Known devices for measuring vibrations of the earth's surface in the vertical and horizontal planes, for example, seismometer types SM-3, which is described in the book: "Instrument and methods of seismometric observations in the USSR" // ed. "Science", Moscow, 1974 (p. 48-49, p. 52,). This device is similar to the proposed utility model. The CM-3 seismometer uses an inductive oscillation sensor, whose output electrical signal is proportional to the speed of movement, and not to the displacement of the pendulum relative to the base of the seismometer. As a result, there is a loss of sensitivity in the region of low frequencies of the recorded oscillations.

Известно устройство горизонтального сейсмометра с оптоэлектронным датчиком смещения, у которого выходной сигнал пропорционален отклонению маятника от положения равновесия, а не скорости движения маятника. Это устройство описано в патенте на полезную модель: «горизонтальный сейсмометр с оптоэлектронным дифракционным датчиком колебаний», RU 203735 (публ. 19.04.2021 г.), и оно является прототипом предлагаемой полезной модели.A device of a horizontal seismometer with an optoelectronic displacement sensor is known, in which the output signal is proportional to the deviation of the pendulum from the equilibrium position, and not to the speed of the pendulum. This device is described in the utility model patent: “horizontal seismometer with an optoelectronic diffractive oscillation sensor”, RU 203735 (published on April 19, 2021), and it is a prototype of the proposed utility model.

Устройство прототип включает: основание, на котором установлен физический маятник, который выполнен в виде горизонтального диска с дополнительным грузиком, прикрепленным на периферии диска, диск закреплен на вертикальной оси, установленной в крестообразных подвесах, допускающих поворот диска относительно основания в горизонтальной плоскости и пружину, возвращающую маятник в положение равновесия, регулятор натяжения пружины, магнитный демпфер колебаний диска маятника, датчик углового перемещения маятника относительно основания, в состав которого входит лазер, блок-сенсор, представляющий собой прозрачный стеклянный параллелепипед, содержащий две рельефные фазовые дифракционные решетки с прямоугольными профилями рельефов, расположенные на параллельных противоположных гранях стеклянного параллелепипеда, пространственный фильтр, и расположенный за пространственным фильтром в области первого порядка дифракции фотодиод, с выхода которого получают электрический сигнал, пропорциональный угловому смещению маятника.The prototype device includes: a base on which a physical pendulum is installed, which is made in the form of a horizontal disk with an additional weight attached to the periphery of the disk, the disk is fixed on a vertical axis installed in cruciform suspensions that allow the disk to rotate relative to the base in a horizontal plane and a spring that returns pendulum to the equilibrium position, spring tension regulator, magnetic vibration damper of the pendulum disk, sensor of the angular displacement of the pendulum relative to the base, which includes a laser, a sensor unit, which is a transparent glass parallelepiped, containing two relief phase diffraction gratings with rectangular relief profiles, located on parallel opposite faces of a glass parallelepiped, a spatial filter, and a photodiode located behind the spatial filter in the region of the first order of diffraction, from the output of which an electrical signal is obtained proportional to the angular at the displacement of the pendulum.

Недостатком устройства-прототипа является невозможность его применения для регистрации вертикальных колебаний поверхности Земли.The disadvantage of the prototype device is the inability to use it to register vertical oscillations of the Earth's surface.

Технический результат полезной модели заключается в расширении арсенала технических средств, позволяющих регистрировать вертикальные колебания земной поверхности, получая при этом на выходе электрический сигнал, пропорциональный смещению маятника относительно основания, установленного на поверхность Земли.The technical result of the utility model is to expand the arsenal of technical means that make it possible to register vertical oscillations of the earth's surface, while receiving an electrical signal at the output proportional to the displacement of the pendulum relative to the base installed on the earth's surface.

Технический результат достигается за счет того, что диск физического маятника с дополнительным грузиком расположен в вертикальной плоскости и прикреплен к горизонтальной оси, установленной в крестообразных подвесах на вертикальной стойке основания, к диску прикреплена вертикальная пружина, уравновешивающая вес дополнительного грузика в таком начальном положении, при котором центр масс грузика находится на горизонтальной линии, проходящей через центр оси диска, при этом блок-сенсор прикреплен к противоположному торцу оси диска, по другую сторону стойки основания, а лазер, пространственный оптический фильтр и фотодиод, а также дополнительное направляющее зеркало, установлены на подвижной платформе, которая связана с вертикальной стойкой основания через кольцевой подшипник скольжения, допускающий независимый поворот этой платформы относительно оси маятника, при этом платформа связана с механизмом тонкой регулировки угла поворота платформы относительно стойки основания. Лазер, направляющее зеркало, пространственный фильтр и фотодиод установлены на поверхности платформы таким образом, чтобы пучок излучения лазера проходил через блок-сенсор, при этом направляющее зеркало, пространственный фильтр и фотодиод расположены в области после прохождения лазерного пучка через блок-сенсор.The technical result is achieved due to the fact that the disk of the physical pendulum with an additional weight is located in a vertical plane and is attached to a horizontal axis mounted in cross-shaped suspensions on a vertical stand of the base, a vertical spring is attached to the disk, balancing the weight of the additional weight in such an initial position, in which the center of mass of the weight is on a horizontal line passing through the center of the disk axis, while the sensor unit is attached to the opposite end of the disk axis, on the other side of the base post, and the laser, spatial optical filter and photodiode, as well as an additional guiding mirror, are mounted on a movable a platform that is connected to the vertical base post through an annular plain bearing that allows independent rotation of this platform relative to the pendulum axis, while the platform is connected to a mechanism for fine adjustment of the platform rotation angle relative to the base post. The laser, the guiding mirror, the spatial filter and the photodiode are installed on the platform surface so that the laser radiation beam passes through the block sensor, while the guiding mirror, the spatial filter and the photodiode are located in the area after the passage of the laser beam through the sensor block.

Полезный электрический сигнал получают с выхода фотодиода, помещенного за пространственным фильтром, выделяющим излучение первого порядка дифракции. Полезный сигнал, т.е. электрический ток фотодиода, пропорционален угловому отклонению физического маятника от его положения равновесия в пределах рабочей области отклонений диска от равновесия.A useful electrical signal is obtained from the output of a photodiode placed behind a spatial filter that emits radiation of the first order of diffraction. Useful signal, i.e. the electric current of the photodiode is proportional to the angular deviation of the physical pendulum from its equilibrium position within the working area of the disk deviations from equilibrium.

Полезная модель поясняется фигурами, где на фиг. 1 изображена схема расположения основных элементов полезной модели, на фиг. 2 - изображены нормированные зависимости отношений мощностей излучения в первом и в минус первом дифракционных порядках к падающей мощности излучения на входе блока-сенсора от смещения одной дифракционной решетки относительно другой решетки в направлении поперек линий штрихов дифракционной решетки. По горизонтальной оси на фигуре 2 отложено нормированное смещение, равное отношению линейного смещения к периоду дифракционной решетки. Жирными линиями на фигуре 2 выделены линейные участки на зависимостях нормированных мощностей излучения в дифракционных порядках от относительного смещения одной из дифракционных решеток относительно другой.The utility model is illustrated by figures, where in Fig. 1 shows the layout of the main elements of the utility model, Fig. 2 - shows the normalized dependences of the ratios of the radiation powers in the first and minus first diffraction orders to the incident radiation power at the input of the sensor unit on the displacement of one diffraction grating relative to the other grating in the direction across the lines of the grooves of the diffraction grating. The horizontal axis in figure 2 shows the normalized displacement, equal to the ratio of the linear displacement to the period of the diffraction grating. The bold lines in figure 2 highlight the linear sections on the dependences of the normalized radiation powers in diffraction orders on the relative displacement of one of the diffraction gratings relative to the other.

На схеме, изображенной на фиг. 1, основание прибора состоит из горизонтальной части 1 и вертикальной стойки 2, в которой в упругих подвесах 3 установлена горизонтальная ось вращения 4. На торце этой оси закреплен физический маятник, в состав которого входит расположенный в вертикальной плоскости диск 5, к краю которого прикреплен дополнительный грузик 6, а к противоположной от грузика стороне диска прикреплена пружина 7, которая уравновешивает момент, создаваемый весом грузика, таким образом, чтобы центр тяжести грузика находился на горизонтальной линии, проходящей через центр оси вращения диска маятника. Другой, противоположный конец пружины связан с механизмом перемещения 8, который установлен на стойке 2 основания и предназначен для регулировки натяжения пружины и установки начального положения диска с грузиком.In the diagram shown in Fig. 1, the base of the device consists of a horizontal part 1 and a vertical stand 2, in which a horizontal axis of rotation 4 is installed in elastic suspensions 3. A physical pendulum is fixed at the end of this axis, which includes a disk 5 located in a vertical plane, to the edge of which an additional weight 6, and a spring 7 is attached to the opposite side of the weight of the disk, which balances the moment created by the weight of the weight, so that the center of gravity of the weight is on a horizontal line passing through the center of the axis of rotation of the pendulum disk. The other, opposite end of the spring is connected to the movement mechanism 8, which is mounted on the stand 2 of the base and is designed to adjust the tension of the spring and set the initial position of the disk with the weight.

Вблизи плоскости металлического диска маятника расположен плоский постоянный магнит 9, установленный на П-образной стойке 10, который предназначен для демпфирования колебаний маятника за счет эффекта возникновения вихревых токов в металле при движении диска маятника в магнитном поле.Near the plane of the metal disk of the pendulum there is a flat permanent magnet 9 mounted on a U-shaped rack 10, which is designed to dampen the oscillations of the pendulum due to the effect of the occurrence of eddy currents in the metal when the pendulum disk moves in a magnetic field.

На торце оси 4, противоположном по отношению к расположению диска маятника, по другую сторону вертикальной стойки 2, закреплен блок-сенсор 11, который представляет собой прозрачный стеклянный параллелепипед, на противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки с прямоугольными профилями рельефов, при этом линии профилей рельефов этих решеток параллельны друг другу.At the end of the axis 4, opposite to the location of the pendulum disk, on the other side of the vertical post 2, a block sensor 11 is fixed, which is a transparent glass parallelepiped, on the opposite faces of which there are two relief phase diffraction gratings with rectangular relief profiles, while the relief profile lines of these gratings are parallel to each other.

Блок-сенсор 11 в совокупности с другими элементами схемы лазером 14, направляющим зеркалом 15, пространственным оптическим фильтром 16 и фотодиодом 17, которые расположены на поворотной платформе 13, составляют оптоэлектронный датчик колебаний маятника. Платформа 13 имеет кольцевое отверстие, которое посажено на кольцевую втулку 12, которая связана с вертикальной стойкой 2, при этом платформа 13 имеет возможность поворота вокруг оси, совпадающей с осью вращения маятника. Для регулировки угла поворота платформы предназначен механизм перемещения 18, который установлен на основании прибора и связан с платформой 13. Лазер 14 установлен на поворотной платформе таким образом, чтобы пучок его излучения был направлен на дифракционную решетку, расположенную на грани блока-сенсора 11, и проходил сквозь блок-сенсор, пересекая обе дифракционные решетки блока-сенсора. Направляющее зеркало 15 установлено на платформе 13 по другую сторону от блока-сенсора по ходу лазерного пучка после прохождения лазерного пучка последовательно через две дифракционные решетки, расположенные на параллельных гранях блока-сенсора. Зеркало 15 имеет возможность регулировки направления отраженного светового пучка, чтобы дифракционный пучок первого порядка попадал в отверстие диафрагмы пространственного оптического фильтра 16. Фотодиод 17 расположен за диафрагмой пространственного фильтра 16, а электрический сигнал, характеризующий угловое перемещение маятника, получаем с выхода фотодиода. Для получения выходного электрического сигнала, пропорционального мощности оптического излучения, падающего на фотодиод, следует применять схему с обратным напряжением смещения на фотодиоде.Block-sensor 11 in combination with other elements of the circuit - laser 14, guiding mirror 15, spatial optical filter 16 and photodiode 17, which are located on the rotary platform 13, constitute an optoelectronic pendulum oscillation sensor. The platform 13 has an annular hole, which is seated on the annular sleeve 12, which is connected to the vertical post 2, while the platform 13 can be rotated around an axis coinciding with the axis of rotation of the pendulum. To adjust the angle of rotation of the platform, the movement mechanism 18 is designed, which is installed on the base of the device and connected to the platform 13. The laser 14 is installed on the rotary platform in such a way that its radiation beam is directed to the diffraction grating located on the edge of the sensor block 11 and passes through the block-sensor, crossing both diffraction gratings of the block-sensor. The guiding mirror 15 is installed on the platform 13 on the other side of the sensor block along the laser beam after the laser beam passes successively through two diffraction gratings located on the parallel faces of the sensor block. Mirror 15 has the ability to adjust the direction of the reflected light beam so that the first-order diffraction beam enters the aperture of the aperture of the spatial optical filter 16. The photodiode 17 is located behind the aperture of the spatial filter 16, and the electrical signal characterizing the angular displacement of the pendulum is obtained from the output of the photodiode. To obtain an output electrical signal proportional to the power of optical radiation incident on the photodiode, a circuit with a reverse bias voltage on the photodiode should be used.

Вертикальный сейсмометр с оптоэлектронным дифракционным датчиком углового смещения диска маятника работает следующим образом.Vertical seismometer with optoelectronic diffractive sensor of the angular displacement of the disk of the pendulum works as follows.

Предварительная настройка прибора проводится следующим образом. Прибор устанавливается на горизонтальную поверхность. После этого с помощью механизма перемещения 8 регулируется натяжение пружины 7 таким образом, чтобы центр тяжести грузика 6 совместился с точкой на горизонтальной линии, проходящей через центр оси вращения маятника. При этом условии маятник не будет реагировать на горизонтальные колебания основания прибора. Блок-сенсор 11, прикрепленный на противоположном торце оси 4, должен быть сориентирован так, чтобы дифракционные решетки располагались в горизонтальных плоскостях, симметрично по отношению к оси маятника. Пучок излучения лазера 14, который установлен в верхней части платформы 13, направляется на дифракционную решетку блока-сенсора, последовательно пересекает две дифракционные решетки по направлению, близкому к нормали к плоскостям решеток. Далее, после дифракции на двух решетках, пучок отражается от зеркала 15 и направляется на пространственный фильтр. В области пространственного фильтра оптический пучок имеет вид набора дифракционных световых пятен, которые соответствуют различным дифракционным порядкам. При достаточно большой длине хода L_рф оптического пучка от блока-сенсора 11 до пространственного фильтра 16 дифракционные пятна в области пространственного фильтра не перекрываются и достаточно хорошо отделены друг от друга. Расстояние L_рф можно рассчитать по формуле:Preliminary adjustment of the device is carried out as follows. The device is installed on a horizontal surface. After that, using the movement mechanism 8, the tension of the spring 7 is adjusted in such a way that the center of gravity of the weight 6 is aligned with a point on a horizontal line passing through the center of the axis of rotation of the pendulum. Under this condition, the pendulum will not respond to horizontal oscillations of the base of the device. Block sensor 11, attached to the opposite end of axis 4, must be oriented so that the diffraction gratings are located in horizontal planes, symmetrically with respect to the axis of the pendulum. The laser radiation beam 14, which is installed in the upper part of the platform 13, is directed to the diffraction grating of the sensor block, sequentially crosses two diffraction gratings in a direction close to the normal to the grating planes. Further, after diffraction on two gratings, the beam is reflected from mirror 15 and directed to a spatial filter. In the region of the spatial filter, the optical beam has the form of a set of diffractive light spots, which correspond to different diffraction orders. With a sufficiently long path length L _rf of the optical beam from the sensor unit 11 to the spatial filter 16, the diffraction spots in the region of the spatial filter do not overlap and are fairly well separated from each other. The distance L _rf can be calculated by the formula:

.

Здесь: d_П - диаметр лазерного пучка, Λ - период дифракционной решетки, λ - длина волны лазера, k_з - коэффициент запаса качества разделения k_з должен быть k_з≥2. При d_П=1 мм, Λ-100 мкм, λ=0,65 мкм, k_з=2 расчет по формуле (1) дает значение L_рф=307 мм.Here: d _P is the diameter of the laser beam, Λ is the period of the diffraction grating, λ is the wavelength of the laser, k _s is the safety factor of the separation quality k _s should be k _s ≥2. At d _P =1 mm, Λ-100 µm, λ=0.65 µm, k _z =2 calculation according to formula (1) gives the value of L _rf =307 mm.

С помощью диафрагмы пространственного фильтра 16 мы выделяем из дифракционной картины первый порядок дифракции. Положение диафрагмы 16 настраивается таким образом, чтобы через отверстие диафрагмы проходило только излучение первого порядка дифракции, которое затем попадает на фотодетектор 17. Фотодиод, включен по схеме с обратным напряжением смещения р-n перехода, при этом ток фотодиода пропорционален мощности падающего на фотодиод излучения. Ток фотодиода, а также напряжение на резисторе нагрузки фотодиода является выходным сигналом прибора.Using the aperture of the spatial filter 16, we extract the first order of diffraction from the diffraction pattern. The position of the diaphragm 16 is adjusted in such a way that only the radiation of the first order of diffraction passes through the aperture of the diaphragm, which then enters the photodetector 17. The photodiode is connected according to the reverse bias voltage p-n junction, while the current of the photodiode is proportional to the power of the radiation incident on the photodiode. The current of the photodiode, as well as the voltage across the load resistor of the photodiode, is the output signal of the device.

Рассмотрим, как формируется отклик данного прибора на колебания Земли в вертикальном направлении. При движении основания прибора, в вертикальном направлении, грузик 6 смещается в противоположном вертикальном противоположном направлении на некоторую величину Δy_g относительно основания, из-за инерции. В результате происходит поворот диска на некоторый угол ΔΘ≈Δy_g/r_g, где r_g - расстояние от центра диска до центра тяжести грузика. Вместе с диском происходит поворот блока-сенсора, по отношению к постоянному направлению лазерного пучка. При этом происходит смещение дифракционных решеток относительно лазерного пучка в противоположных направлениях, перпендикулярных к направлению оси распространения лазерного пучка. Это приводит к изменению мощности излучения в дифракционных порядках. Как было установлено исследованиями, описанными в работах: (В.А. Комоцкий, В.И. Корольков, Ю.М. Соколов «Исследование датчика малых линейных перемещений на основе двух фазовых дифракционных решеток.» // Автометрия, 2006, том 42, №6, с. 105-112.], а также в работе: [В.А. Комоцкий, В.И. Корольков, Ю.М. Соколов «Оптоэлектронные дифракционные датчики малых угловых перемещений» // Фотоника, 2011, №1, с. 16-19), зависимость мощности излучения в первом порядке дифракции от угла поворота блока-сенсора имеет гармонический характер. Зависимости изменений мощностей излучения в первом порядке дифракции и в минус первом порядке дифракции от относительного смещения одной дифракционной решетки относительно другой дифракционной решетки показаны на фиг. 2. По вертикальной оси на графике фиг. 2 отложены относительные величины: I_±1=P_±1(x)/P_i, где Р_±1(х) - мощности излучения в первых порядках дифракции, a P_i - мощность на входе блока-сенсора.Let us consider how the response of this device to the Earth's oscillations in the vertical direction is formed. When the base of the device moves in the vertical direction, the weight 6 is displaced in the opposite vertical opposite direction by a certain amount Δy _g relative to the base, due to inertia. As a result, the disk rotates through a certain angle ΔΘ≈Δy _g /r _g , where r _g is the distance from the center of the disk to the center of gravity of the weight. Together with the disk, the sensor block rotates with respect to the constant direction of the laser beam. In this case, the diffraction gratings are displaced relative to the laser beam in opposite directions, perpendicular to the direction of the axis of propagation of the laser beam. This leads to a change in the radiation power in diffraction orders. As established by the studies described in the works: (V.A. Komotsky, V.I. Korolkov, Yu.M. Sokolov “Study of a small linear displacement sensor based on two phase diffraction gratings.” // Avtometriya, 2006, volume 42, No. 6, pp. 105-112.], as well as in the work: [V. A. Komotsky, V. I. Korolkov, Y. M. Sokolov "Optoelectronic diffractive sensors of small angular displacements" // Photonics, 2011, No. 1 , pp. 16-19), the dependence of the radiation power in the first order of diffraction on the angle of rotation of the sensor unit has a harmonic character. The dependences of changes in radiation powers in the first diffraction order and in the minus first diffraction order on the relative displacement of one diffraction grating relative to the other diffraction grating are shown in Fig. 2. On the vertical axis in the graph of FIG. 2 relative values are plotted: I _±1 =P _±1 (x)/P _i , where P _±1 (x) is the radiation power in the first orders of diffraction, and P _i is the power at the input of the sensor unit.

Зависимости мощности излучения первого и минус первого порядков имеют строго гармоническую форму с периодом, равным периоду дифракционных решеток при условии, что профили рельефов решеток - прямоугольные и ширина выступа рельефа равна ширине впадины рельефа и составляет половину периода решетки. На графике зависимости мощности первого (или минус первого) порядка дифракции, приведенном на фиг. 2 существуют линейные участки. В результате проведения предварительной настройки прибора, начальное положение блока-сенсора будет соответствовать середине одного из линейных участков гармонической зависимости. Тогда при угловом отклонении диска на небольшой угол ΔΘ мощность излучения в первом порядке дифракции будет изменяться пропорционально угловому отклонению диска ΔΘ. Для установки правильного начального положения блока-сенсора проводится операция предварительной настройки прибора с помощью поворота платформы 13 относительно стойки основания 2. Поворот платформы производится с помощью механизма перемещения 18, который установлен на основании и связан с платформой 13. При повороте платформы с расположенным на ней лазером изменяется угол падения лазерного пучка на блок-сенсор, а это эквивалентно перемещению относительно луча лазера одной дифракционной решетки блока-сенсора относительно другой решетки в направлении поперек штрихов решеток. При этом будет изменяться уровень сигнала на выходе схемы по гармоническому закону, как это показано на фиг. 2. Для осуществления точной настройки прибора на середину линейного участка характеристики, изображенной на фиг. 2, мы измеряем величину сигнала на выходе фотодетектора 17 в диапазоне угловых отклонений платформы, который превышает промежуток между минимумом и максимумом выходного сигнала. После этого мы устанавливаем такое положение платформы 13, при котором величина сигнала на выходе фотодетектора равна средней величине между максимальным и минимальным значениями выходного сигнала. В дальнейшем для измерений колебаний используется линейный участок зависимости выходного сигнала от углового отклонения диска.The dependences of the radiation power of the first and minus first orders have a strictly harmonic shape with a period equal to the period of the diffraction gratings, provided that the profiles of the grating reliefs are rectangular and the width of the relief protrusion is equal to the width of the relief depression and is half the grating period. In the power plot of the first (or minus first) diffraction order shown in FIG. 2 there are linear sections. As a result of preliminary tuning of the device, the initial position of the sensor block will correspond to the middle of one of the linear sections of the harmonic dependence. Then, with the angular deviation of the disk by a small angle ΔΘ, the radiation power in the first order of diffraction will change in proportion to the angular deviation of the disk ΔΘ. To set the correct initial position of the sensor block, the device is pre-set by rotating the platform 13 relative to the base post 2. The platform is rotated using the movement mechanism 18, which is installed on the base and connected to the platform 13. When the platform with the laser located on it is rotated the angle of incidence of the laser beam on the sensor block changes, and this is equivalent to moving relative to the laser beam of one diffraction grating of the sensor block relative to the other grating in the direction across the grooves of the gratings. In this case, the signal level at the output of the circuit will change according to the harmonic law, as shown in Fig. 2. To fine-tune the device to the middle of the linear section of the characteristic shown in FIG. 2, we measure the magnitude of the signal at the output of the photodetector 17 in the range of the angular deviations of the platform, which exceeds the interval between the minimum and maximum of the output signal. After that, we set the position of the platform 13, in which the value of the signal at the output of the photodetector is equal to the average value between the maximum and minimum values of the output signal. In what follows, the linear portion of the dependence of the output signal on the angular deflection of the disk is used to measure oscillations.

После настройки устройство работает следующим образом. При вертикальном движении основания устройства, установленного на поверхности Земли, происходит смещение грузика 6 относительно основания под действием сил инерции в направлении, противоположном движению основания. В результате этого происходит поворот диска 5 маятника вместе с блоком-сенсором 11 относительно основания, прибора. В результате поворота блока-сенсора изменяется угол падения лазерного пучка на дифракционную структуру блока-сенсора. Изменение угла падения вызывает пропорциональное изменение мощности первого порядка дифракции лазерного пучка в области диафрагмы 16. Зависимость мощности излучения первого порядка дифракции P₁ от угла падения Θ при оптимальной глубине рельефа каждой фазовой дифракционной решетки выражается следующей формулой, приведенной в работах: (В.А. Комоцкий, В.И. Корольков Ю.М. Соколов, «Оптоэлектронные дифракционные датчики малых угловых перемещений» // Фотоника, 2011 г., №1, с. 16-19.),After setting, the device works as follows. With the vertical movement of the base of the device installed on the surface of the Earth, the weight 6 is displaced relative to the base under the action of inertia forces in the direction opposite to the movement of the base. As a result, the disk 5 of the pendulum rotates together with the sensor unit 11 relative to the base, the device. As a result of rotation of the sensor block, the angle of incidence of the laser beam on the diffraction structure of the sensor block changes. A change in the angle of incidence causes a proportional change in the power of the first order of diffraction of the laser beam in the area of the diaphragm 16. The dependence of the radiation power of the first order of diffraction P ₁ on the angle of incidence Θ at the optimal depth of the relief of each phase diffraction grating is expressed by the following formula given in the works: (V.A. Komotsky, V. I. Korolkov, Y. M. Sokolov, "Optoelectronic diffractive sensors of small angular displacements" // Photonics, 2011, No. 1, pp. 16-19.),

(Комоцкий В.А., Соколов Ю.М. «Анализ интенсивностей дифракционных порядков в оптической схеме, содержащей две фазовые дифракционные решетки» // Вестник РУДН. сер. физика. 2006 г., №1, с. 90-95.):(Komotsky V.A., Sokolov Yu.M. “Analysis of the intensities of diffraction orders in an optical scheme containing two phase diffraction gratings” // Vestnik RUDN. Ser. Physics. 2006, No. 1, p. 90-95.) :

здесь

- это безразмерный параметр, характеризующий расстояние межу решетками, Λ - период дифракционной решетки, λ - длина волны излучения лазера,

- расстояние между дифракционными решетками, P_i - мощность излучения на входе блока-сенсора, n - показатель преломления материала блока-сенсора.here

is a dimensionless parameter that characterizes the distance between the gratings, Λ is the period of the diffraction grating, λ is the wavelength of the laser radiation,

is the distance between the diffraction gratings, P _i is the radiation power at the input of the sensor block, n is the refractive index of the material of the sensor block.

Формула (2) соответствует схеме, в которой глубины рельефов, образующих фазовые дифракционные решетки, оптимальны. Значения оптимальных амплитуд пространственной фазовой модуляции волновых фронтов обеих решеток при этом равны оптимальной величине: Ф_М=Ф_М1=Ф_М2=π/4. Именно при этом условии, достигается максимальное значение амплитуды колебаний зависимостей Р_±1(х) при смещении одной из решеток относительно другой, а мощность дифрагированного излучения в каждом из первых порядков изменяется от нулевого значения до максимального значения, равно P_1max=0,4P_i.Formula (2) corresponds to the scheme in which the depths of the reliefs forming the phase diffraction gratings are optimal. The values of the optimal amplitudes of the spatial phase modulation of the wave fronts of both gratings are equal to the optimal value: Ф _M =Ф _М1 =Ф _М2 =π/4. It is under this condition that the maximum value of the amplitude of fluctuations of the dependencies P _±1 (x) is reached when one of the gratings is shifted relative to the other, and the power of the diffracted radiation in each of the first orders changes from zero to the maximum value, equal to P _1max = 0.4P _i .

Таким образом, в результате поворота блока-сенсора, мощности первых порядков дифракции изменяются. На линейном участке зависимости мощности от угла поворота блока-сенсора крутизна преобразования величины угла поворота блока в величину изменения мощности первого порядка дифракции равна:Thus, as a result of rotation of the sensor block, the powers of the first orders of diffraction change. In the linear section of the dependence of power on the angle of rotation of the sensor block, the slope of the conversion of the angle of rotation of the block into the value of the change in the power of the first order of diffraction is:

Приведем расчетную оценку величины S_Θ-P: положим, что блок-сенсор изготовлен из стекла с показателем преломления n=1,51, длина блока равна

= 10 мм, а период решеток равен: Λ=0,1 мм. Тогда расчет по формуле (3) при условии P_i=1 мВт дает следующий результат: S_Θ-P=84 мВт/радиан. Очевидно, что крутизна увеличивается пропорционально при увеличении мощности лазера. При типичной для полупроводникового красного лазера мощности P_i=5 мВт крутизна составит S_Θ-P=420 мВт/радиан.Let us give a calculated estimate of the value S _Θ-P : we assume that the block sensor is made of glass with a refractive index n=1.51, the length of the block is equal to

= 10 mm, and the grating period is: Λ=0.1 mm. Then the calculation according to the formula (3) under the condition P _i =1 mW gives the following result: S _Θ-P =84 mW/radian. Obviously, the slope increases proportionally with increasing laser power. With a typical semiconductor red laser power P _i =5 mW, the slope will be S _Θ-P =420 mW/radian.

Пример практической реализации. Для практической реализации блока-сенсора может быть применен блок из стекла с полированными гранями с размером порядка 10 мм. Дифракционные решетки могут быть изготовлены на отдельных стеклянных подложках, и затем приклеены к стеклянному блоку. Период решеток можно выбрать равным 100 мкм. Если диаметр лазерного пучка составляет порядка 1 мм, то выполняется необходимое условие, чтобы диаметр лазерного пучка в несколько раз (фактически в 10 раз) превышал период дифракционной решетки. При этом, как показывают расчеты по формуле (1), выполняется условие надежного разделения дифракционных порядков в области пространственного фильтра, при L_рф=307 мм, т.е. при разумных габаритах прибора.An example of practical implementation. For the practical implementation of the sensor block, a glass block with polished edges with a size of about 10 mm can be used. Diffraction gratings can be fabricated on separate glass substrates and then glued to a glass block. The grating period can be chosen to be 100 µm. If the laser beam diameter is on the order of 1 mm, then the necessary condition is satisfied that the laser beam diameter is several times (actually 10 times) larger than the period of the diffraction grating. In this case, as calculations by formula (1) show, the condition for reliable separation of diffraction orders in the region of the spatial filter is satisfied, at L _rf = 307 mm, i.e. with reasonable dimensions of the device.

Диск физического маятника можно изготовить из меди. В альтернативном варианте диск можно изготовить из пластика, или из многослойной фанеры, либо из фольгированного текстолита, или из другого немагнитного материала, но при этом на поверхности диска, которая обращена к магниту, должен быть расположен слой металла с высокой электропроводностью. В качестве слоя, обращенного к магниту, можно использовать слой меди на поверхности пластины, изготовленной из фольгированного медью стеклотекстолита.The disk of a physical pendulum can be made of copper. Alternatively, the disk can be made of plastic, or plywood, or foil textolite, or other non-magnetic material, but at the same time, a layer of metal with high electrical conductivity must be located on the surface of the disk that faces the magnet. As a layer facing the magnet, you can use a layer of copper on the surface of a plate made of copper-foiled fiberglass.

Если принять, что мощность лазера P_i=5 мВт, а расчетная крутизна составляет S_Θ-P=420 мВт/радиан, то при условии, что ампер-ваттная крутизна фотодиода равна: S_фд=0,24 А/Вт (для фотодиода фд-24к), то крутизна характеристики сейсмометра составит: S_Θ-I=100 миллиампер/радиан. Для сравнения можно привести оценку среднеквадратической величины тока дробовых шумов, которые будут возникать при протекании постоянного фототока в цепи фотодетектора, помещенного в первом порядке дифракции при мощности лазера P_i=5 мВт. Средняя мощность излучения в первом порядке при этом составит: P₁=1 мВт, а среднее значение постоянного тока фотодиода составит:

Расчет среднеквадратической величины тока дробового шума проведем по формуле:If we assume that the laser power P _i \u003d 5 mW, and the calculated slope is S _Θ-P \u003d 420 mW / radian, then provided that the ampere-watt slope of the photodiode is: S fd \ _u003d 0.24 A / W (for a photodiode fd-24k), then the steepness of the characteristics of the seismometer will be: S _Θ-I =100 milliamps / radians. For comparison, we can estimate the root-mean-square value of the shot noise current that will occur when a constant photocurrent flows in the circuit of a photodetector placed in the first order of diffraction at a laser power P _i =5 mW. In this case, the average radiation power in the first order will be: P ₁ =1 mW, and the average value of the direct current of the photodiode will be:

The calculation of the root-mean-square value of the shot noise current will be carried out according to the formula:

где е - заряд электрона, ΔF - эффективная полоса частот нагрузки фотодиода и усилителя сигнала. При ΔF=1 кГц. получаем следующую оценку:where e is the electron charge, ΔF is the effective frequency band of the load of the photodiode and signal amplifier. With ΔF=1 kHz. we get the following estimate:

данная оценка уровня шумов в сочетании с высокой крутизной преобразования углового отклонения в ток фотодиода позволяет рассчитывать на очень высокую чувствительность прибора и на возможность регистрации микросейсмических колебаний.This estimate of the noise level, combined with the high steepness of the conversion of the angular deviation into the photodiode current, makes it possible to count on a very high sensitivity of the device and on the possibility of registering microseismic oscillations.

Claims

A vertical seismometer with an optoelectronic diffractive oscillation sensor, containing a physical pendulum in the form of a disk with an additional weight attached to it and a return spring, an axis of the disk, which is installed at the base of the seismometer in cruciform suspensions that allow rotation of the pendulum disk relative to the base, a magnetic vibration damper of the disk, an angular sensor displacement of the pendulum disk relative to the base with a laser, a block sensor, which is a transparent parallelepiped, on parallel, opposite faces of which there are two relief phase diffraction gratings with rectangular profiles of the grating reliefs, a spatial optical filter that singles out the first order of the diffraction of the laser beam after it passes through the block -sensor, as well as a photodiode located after the spatial filter, characterized in that the disk of the physical pendulum is located in a vertical plane, and the axis to which the disk is attached is installed horizontally, on the vertical the base post, while the sensor unit is attached to the end of the disk axis on the side opposite to the disk and is located on the other side of the vertical post, while the laser, additional mirror, spatial filter and photodiode are mounted on a movable rotary platform, which is connected to vertical stand through an annular plain bearing, which allows the platform to rotate relative to the axis of the pendulum using the movement mechanism.