RU203735U1

RU203735U1 - HORIZONTAL SEISMOMETER WITH OPTOELECTRONIC DIFFRACTIONAL VIBRATION SENSOR

Info

Publication number: RU203735U1
Application number: RU2020140156U
Authority: RU
Inventors: Владислав Антонович Комоцкий; Никита Владимирович Суетин
Priority date: 2020-12-07
Filing date: 2020-12-07
Publication date: 2021-04-19

Abstract

Полезная модель предназначена для измерения колебаний поверхности земли в горизонтальной плоскости, она содержит механический маятник в виде горизонтального диска, закрепленного на вертикальной оси в крестообразных подвесах, и оптоэлектронный датчик угловых колебаний диска маятника. На краю диска размещен дополнительный грузик. Датчик угловых колебаний диска содержит лазер, блок-сенсор в виде прозрачного параллелепипеда, на противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки, пространственный фильтр для выделения первого дифракционного порядка и фотодиод. Блок-сенсор установлен на диске и просвечивается пучком излучения лазера. Сигнал с выхода фотодетектора, который расположен в первом дифракционном порядке, пропорционален поворотам диска относительно своей оси при колебаниях земной поверхности. Для начальной настройки сенсора на середину линейного участка зависимости выходного сигнала от угла поворота диска в приборе имеются механизмы натяжения пружин, связанных с диском. В пределах линейного участка выходной сигнал пропорционален углу поворота диска и пропорционален смещению дополнительного грузика относительно поверхности Земли. Технический результат заключается в повышении чувствительности сейсмометра в области низких частот. 2 ил.The utility model is designed to measure vibrations of the earth's surface in the horizontal plane; it contains a mechanical pendulum in the form of a horizontal disk, fixed on a vertical axis in cross-shaped suspensions, and an optoelectronic sensor of angular oscillations of the pendulum disk. An additional weight is placed on the edge of the disc. The angular oscillation sensor of the disk contains a laser, a block-sensor in the form of a transparent parallelepiped, on the opposite faces of which there are two relief phase diffraction gratings, a spatial filter for separating the first diffraction order, and a photodiode. The block-sensor is mounted on a disk and is illuminated by a laser beam. The signal from the output of the photodetector, which is located in the first diffraction order, is proportional to the rotations of the disk about its axis during vibrations of the earth's surface. For the initial adjustment of the sensor to the middle of the linear section of the dependence of the output signal on the angle of rotation of the disk, the device has mechanisms for tensioning the springs connected to the disk. Within the linear section, the output signal is proportional to the angle of rotation of the disk and proportional to the displacement of the additional weight relative to the Earth's surface. The technical result consists in increasing the sensitivity of the seismometer in the low frequency region. 2 ill.

Description

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

Известны устройства для измерения колебаний земной поверхности в горизонтальной плоскости - горизонтальные сейсмометры, например, сейсмометры типов СМ-3, СГМ-3, которые описаны в книге: «Аппаратура и методика сейсмометрических наблюдений в СССР» // изд. «наука», Москва, 1974 г (с. 48-49, с. 52, с. 61). Эти устройства являются аналогами предлагаемой полезной модели, а сейсмометр СМ-3 - это прототип предлагаемой полезной модели.Known devices for measuring vibrations of the earth's surface in the horizontal plane - horizontal seismometers, for example, seismometers types CM-3, SGM-3, which are described in the book: "Equipment and technique of seismometric observations in the USSR" // ed. "Science", Moscow, 1974 (p. 48-49, p. 52, p. 61). These devices are analogs of the proposed utility model, and the CM-3 seismometer is a prototype of the proposed utility model.

Устройство-прототип включает: основание, на котором установлен физический маятник на упругом подвесе, допускающем поворот маятника в горизонтальной плоскости, пружину, возвращающую маятник в положение равновесия, электромагнитный демпфер колебаний маятника, датчик движения маятника относительно основания, выполненный в виде сигнальной катушки, которая связанна с маятником и помещена в постоянное магнитное поле сильного магнита, установленного на основании.The prototype device includes: a base on which a physical pendulum is mounted on an elastic suspension that allows the pendulum to rotate in a horizontal plane, a spring that returns the pendulum to its equilibrium position, an electromagnetic damper for the pendulum, a pendulum motion sensor relative to the base, made in the form of a signal coil, which is connected with a pendulum and placed in a constant magnetic field of a strong magnet mounted on the base.

Устройство - прототип (сейсмометр типа СМ-3) работает следующим образом. При смещении поверхности Земли в горизонтальном направлении инерционная масса физического маятника, подвешенная на упругих крестообразных подвесах, стремится остаться в покое, и в результате инерционная масса физического маятника смещается относительно основания, установленного на поверхности Земли, в направлении, противоположном движению основания маятника, связанного с земной поверхностью. Сигнальная катушка, связанная с инерционной массой маятника, также смещается относительно магнита, связанного с основанием. При этом электрический сигнал - ток на выходе сигнальной катушки - пропорционален скорости движения катушки относительно постоянного магнита, связанного с основанием. Скорость движения маятника относительно основания уменьшается с уменьшением частоты колебаний при одинаковой амплитуде отклонения, поэтому амплитуда сигнала уменьшается с понижением частоты колебаний. Снижение уровня выходного сигнала вызывает снижение чувствительности сейсмометра - прототипа в области низких частот колебаний, что является недостатком устройства - прототипа.The prototype device (seismometer type SM-3) operates as follows. When the Earth's surface is displaced in the horizontal direction, the inertial mass of the physical pendulum suspended on elastic cruciform suspensions tends to remain at rest, and as a result, the inertial mass of the physical pendulum is displaced relative to the base installed on the Earth's surface in the direction opposite to the motion of the base of the pendulum connected to the earth surface. The signal coil associated with the inertial mass of the pendulum is also displaced relative to the magnet associated with the base. In this case, the electrical signal - the current at the output of the signal coil - is proportional to the speed of the coil relative to the permanent magnet connected to the base. The speed of the pendulum movement relative to the base decreases with decreasing vibration frequency at the same deflection amplitude, therefore the signal amplitude decreases with decreasing vibration frequency. A decrease in the level of the output signal causes a decrease in the sensitivity of the seismometer - the prototype in the region of low vibration frequencies, which is a disadvantage of the device - the prototype.

Технический результат полезной модели заключается в повышении чувствительности сейсмометра в области низких частот колебаний.The technical result of the utility model is to increase the sensitivity of the seismometer in the region of low vibration frequencies.

Технический результат достигается за счет того, что физический маятник выполнен в виде горизонтального диска, закрепленного на вертикальной оси, установленной в крестообразных подвесах, во втулке на основании прибора, на поверхности диска, на его краю прикреплен грузик, а в центре диска над осью вращения установлен блок-сенсор оптоэлектронного датчика угловых колебаний диска, датчик угловых колебаний состоит из закрепленного на основании лазера, пучок излучения которого направлен на блок-сенсор, который прикреплен к диску физического маятника над осью его вращения и представляет собой прозрачный параллелепипед, на противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки с прямоугольными профилями рельефов, при этом в области после прохождения пучка излучения лазера через блок-сенсор установлен пространственный фильтр в виде диафрагмы в первом порядке дифракции, а за пространственным фильтром помещен фотодиод, с выхода которого получают электрический сигнал пропорциональный угловому отклонению физического маятника от положения равновесия маятника.The technical result is achieved due to the fact that the physical pendulum is made in the form of a horizontal disk fixed on a vertical axis installed in cruciform suspensions, in a bushing on the base of the device, on the surface of the disk, a weight is attached to its edge, and in the center of the disk above the axis of rotation is installed block sensor of an optoelectronic sensor of angular oscillations of the disk, the sensor of angular oscillations consists of a laser fixed on the base, the radiation beam of which is directed to the block sensor, which is attached to the disk of the physical pendulum above its axis of rotation and is a transparent parallelepiped with two relief phase diffraction gratings with rectangular relief profiles, with a spatial filter in the form of a diaphragm in the first diffraction order installed in the region after the laser beam passes through the sensor block, and a photodiode is placed behind the spatial filter, from the output of which an electrical signal is received l proportional to the angular deviation of the physical pendulum from the equilibrium position of the pendulum.

В предлагаемом устройстве сейсмометра в качестве датчика угловых отклонений физического маятника от его положения равновесия применен оптоэлектронный датчик угловых перемещений, у которого выходной сигнал пропорционален величине углового отклонения физического маятника от положения равновесия, а не скорости движения маятника, как это имеет место в случае устройства - прототипа. В состав датчика угловых колебаний входит лазер, закрепленный на стойке на основании сейсмометра, блок-сенсор, который прикреплен к физическому маятнику над осью его вращения и представляет собой прозрачный параллелепипед, на противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки с прямоугольными профилями рельефов, при этом линии рельефов решеток параллельны друг другу. Пучок излучения лазера направлен на блок-сенсор, а в области после прохождения пучка излучения лазера через решетки блока-сенсора установлен пространственный фильтр, который выделяет пучок излучения первого порядка в дифракционной картине, образованной после прохождения лазерного пучка через блок-сенсор. За пространственным фильтром помещен фотодиод, с выхода которого получают полезный электрический сигнал, т.е. электрический ток, который в пределах рабочей области отклонений пропорционален угловому отклонению физического маятника от его положения равновесия.In the proposed seismometer device, an optoelectronic angular displacement sensor is used as a sensor for the angular deviations of a physical pendulum from its equilibrium position, in which the output signal is proportional to the angular deviation of the physical pendulum from the equilibrium position, and not to the speed of movement of the pendulum, as is the case in the case of a prototype device ... The angular vibration sensor includes a laser mounted on a stand on the base of the seismometer, a block-sensor attached to a physical pendulum above its axis of rotation and is a transparent parallelepiped, on the opposite faces of which there are two relief phase diffraction gratings with rectangular relief profiles, at In this case, the lines of the reliefs of the gratings are parallel to each other. The laser radiation beam is directed to the block-sensor, and in the area after the passage of the laser beam through the gratings of the sensor block, a spatial filter is installed, which separates the first-order radiation beam in the diffraction pattern formed after the passage of the laser beam through the block-sensor. A photodiode is placed behind the spatial filter, from the output of which a useful electrical signal is received, i.e. electric current, which, within the working range of deviations, is proportional to the angular deviation of the physical pendulum from its equilibrium position.

Полезная модель поясняется фигурами, где на фиг. 1 изображен чертеж схемы расположения основных элементов полезной модели, а на фиг. 2, изображены зависимости отношений мощностей излучения в первом и в минус первом дифракционных порядках к 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 фиг. 2 отложено нормированное смещение, равное отношению линейного смещения к периоду дифракционной решетки. Жирными линиями на рисунке 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 the figures, where in FIG. 1 shows a diagram of the layout of the main elements of the utility model, and FIG. 2, the dependences of the ratios of the radiation powers in the first and minus first diffraction orders to the 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 grating lines are shown. On the horizontal axis in FIG. 2 shows the normalized displacement equal to the ratio of the linear displacement to the period of the diffraction grating. The bold lines in the figure show the linear sections in the dependences of the normalized radiation powers in diffraction orders on the relative displacement of one of the diffraction gratings with respect to the other.

На основании 1 прибора в закрепленной на основании втулке 2 в упругих подвесах 3 установлена ось вращения 4, на которой закреплен горизонтальный физический маятник, в состав которого входит металлический диск 5, на краю которого прикреплен дополнительный грузик 6. К маятнику прикреплены возвратные пружины 18, при этом противоположные концы пружин прикреплены к установленным на стойках 17 и 20 регулировочным механизмам перемещения 19, с помощью которых можно изменять натяжения пружин с целью исходной настройки положения маятника и связанного с ним блока-сенсора в такую исходную рабочую точку, которая соответствует средине линейного участка зависимости выходного сигнала от угла поворота диска 5 физического маятника. Вблизи от металлической поверхности диска 5 в параллельной плоскости расположен установленный на стойке 8, плоский магнит 7, за счет которого обеспечивается демпфирование колебаний вследствие возникновения вихревых токов в металле диска при его движении в магнитном поле. Для измерений угловых перемещений диска маятника относительно основания сейсмометра предназначен оптоэлектронный дифракционный датчик угловых перемещений, в состав которого входит лазер 10, закрепленный на стойке 9, блок-сенсор 11, который расположен по ходу лазерного пучка, прикреплен к диску физического маятника над осью его вращения и представляет собой прозрачный стеклянный параллелепипед, на противоположных гранях которого расположены две рельефные фазовые дифракционные решетки 12 с прямоугольными профилями рельефов, линии профилей рельефов которых параллельны, а после блока-сенсора по ходу оптического пучка расположен пространственный фильтр, установленный на подставке 16, состоящий из линзы 13 и диафрагмы 14, которая расположена в фокальной плоскости линзы и выделяет пучок первого порядка дифракции. Выделенное пространственным фильтром излучение первого порядка дифракции попадает на фотодиод 15, и в результате на выходе фотодиода 15, расположенного за диафрагмой, формируется электрический сигнал, пропорциональный угловому перемещению диска маятника.On the base 1 of the device, in the bushing 2 fixed on the base in elastic suspensions 3, an axis of rotation 4 is installed, on which a horizontal physical pendulum is fixed, which includes a metal disk 5, on the edge of which an additional weight is attached 6. Return springs 18 are attached to the pendulum, with the opposite ends of the springs are attached to the adjustment mechanisms 19 mounted on the racks 17 and 20, with which it is possible to change the tension of the springs in order to initially adjust the position of the pendulum and the associated sensor unit to such an initial operating point that corresponds to the middle of the linear section of the dependence of the output signal from the angle of rotation of the disk 5 of the physical pendulum. Close to the metal surface of the disc 5 in a parallel plane is a flat magnet 7 mounted on the rack 8, due to which vibration damping is provided due to the occurrence of eddy currents in the metal of the disc when it moves in a magnetic field. To measure the angular displacements of the pendulum disk relative to the seismometer base, an optoelectronic diffraction angular displacement sensor is intended, which includes a laser 10 mounted on a rack 9, a block sensor 11, which is located along the laser beam, is attached to the physical pendulum disk above its axis of rotation and is a transparent glass parallelepiped, on the opposite faces of which there are two relief phase diffraction gratings 12 with rectangular relief profiles, the lines of the relief profiles of which are parallel, and after the sensor block along the optical beam there is a spatial filter mounted on a support 16, consisting of a lens 13 and a diaphragm 14, which is located in the focal plane of the lens and separates the beam of the first diffraction order. The radiation of the first diffraction order selected by the spatial filter hits the photodiode 15, and as a result, an electrical signal is generated at the output of the photodiode 15 located behind the diaphragm, proportional to the angular displacement of the pendulum disk.

Сейсмометр с оптоэлектронным датчиком углового смещения диска маятника работает следующим образом.A seismometer with an optoelectronic sensor of the angular displacement of the pendulum disk works as follows.

Предварительная настройка прибора Прибор устанавливается на горизонтальную поверхность и ориентируется таким образом, чтобы направление движения дополнительного грузика 6 вдоль оси 0у при малом угловом отклонении диска от положения равновесия совпадало с направлением координаты земной поверхности, вдоль которой производится измерение колебаний поверхности Земли. После установки исходного положения диска необходимо будет дополнительно провести уточненную тонкую настройку схемы на средину линейного участка зависимости величины сигнала на выходе фотодиода от поворота диска с блоком сенсором. Блок-сенсор расположен таким образом, что пучок излучения лазера последовательно проходит через фазовые дифракционные решетки, расположенные на гранях блока-сенсора по направлению, близкому к нормали к поверхностям, на которых расположены дифракционные решетки. При повороте блока-сенсора, связанного с диском, относительно направления лазерного пучка происходит смещение дифракционных решеток относительно лазерного пучка в противоположных направлениях, перпендикулярных к направлению оси распространения лазерного пучка, а это приводит к изменению мощности излучения в первом (и в минус первом) дифракционном порядке и к пропорциональному изменению выходного тока фотодиода. 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 решетки показаны на фиг. 2. По вертикальной оси на графике фиг. 2 отложены относительные величины:Presetting the device The device is installed on a horizontal surface and oriented in such a way that the direction of movement of the additional weight 6 along the 0y axis with a small angular deviation of the disk from the equilibrium position coincides with the direction of the coordinate of the earth's surface along which the Earth's surface oscillations are measured. After setting the initial position of the disk, it will be necessary to additionally carry out a refined fine-tuning of the circuit to the middle of the linear section of the dependence of the signal at the output of the photodiode on the rotation of the disk with the sensor unit. The block sensor is located in such a way that the laser beam passes sequentially through the phase diffraction gratings located on the edges of the sensor block in a direction close to the normal to the surfaces on which the diffraction gratings are located. When the sensor unit connected to the disk is rotated relative to the direction of the laser beam, the diffraction gratings are displaced relative to the laser beam in opposite directions, perpendicular to the direction of the laser beam propagation axis, and this leads to a change in the radiation power in the first (and in the minus first) diffraction order and a proportional change in the output current of the photodiode. As it was established by the studies described in the works: [V.A. Komotsky, V.I. Korolkov, Yu.M. Sokolov "Research of a sensor of small linear displacements based on two phase diffraction gratings." // Avtometriya, 2006, volume 42, no. 6, p. 105-112.], As well as in the work: [V.A. Komotsky, V.I. Korolkov, Yu.M. Sokolov "Optoelectronic diffraction sensors of small angular displacements" // Photonics, 2011, №1, p. 16-19], the dependence of the radiation power in the first diffraction order on the angle of rotation of the sensor unit has a harmonic character. The dependences of the changes in the radiation powers in the first diffraction order and in the minus first diffraction order on the relative displacement of one diffraction grating with respect to the other grating are shown in Fig. 2. Along the vertical axis in the graph of FIG. 2 postponed relative values:

I_±l=P_±l(x)/P_i, где P_±l(x) - мощности излучения в первых порядках дифракции, а P_i - мощность на входе блока-сенсора.I _{± l} = P _{± l} (x) / P _i , where P _{± l} (x) is the radiation power in the first diffraction orders, 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 существуют линейные участки. Если начальное положение блока-сенсора будет соответствовать средине одного из линейных участков этой гармонической зависимости, то при угловом отклонении диска на небольшой угол ΔΘ мощность излучения в первом порядке дифракции будет изменяться пропорционально угловому отклонению диска ΔΘ. Для установки начального положения блока-сенсора проводится операция уточненной настройки прибора. Уточненная настройка на средину линейного участка проводится с помощью механизмов натяжения 19 пружин. Изменяя натяжение пружин, мы поворачиваем диск, и вместе с этим поворачиваем блок-сенсор. При этом изменяется величина сигнала на выходе фотодетектора от нулевого до максимального значения по гармоническому закону, как это показано на фиг. 2. Для осуществления точной настройки мы измеряем величину сигнала на выходе фото детектора 15 и устанавливаем такое натяжение пружины, при котором величина сигнала на выходе фотодетектора равна средней величине между максимальным и минимальным значениями, измеренными при угловых отклонениях диска, превышающих промежуток между минимумом и максимумом выходного сигнала. После завершения уточненной настройки при измерениях 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 grating relief profiles are rectangular and the width of the relief protrusion is equal to the width of the relief depression and is half the grating period. There are linear sections in the graph of the power dependence of the first (or minus first) diffraction order. If the initial position of the sensor block corresponds to the middle of one of the linear sections of this harmonic dependence, then with an angular deflection of the disk by a small angle ΔΘ, the radiation power in the first diffraction order will change in proportion to the angular deflection of the disk ΔΘ. To set the initial position of the sensor unit, an operation of the adjusted device adjustment is carried out. A refined adjustment to the middle of the linear section is carried out using 19 spring tension mechanisms. By changing the tension of the springs, we turn the disc, and at the same time we turn the block-sensor. In this case, the value of the signal at the output of the photodetector changes from zero to the maximum value according to the harmonic law, as shown in Fig. 2. To carry out fine tuning, we measure the value of the signal at the output of the photo detector 15 and set the spring tension at which the value of the signal at the output of the photodetector is equal to the average value between the maximum and minimum values measured at angular deviations of the disk exceeding the interval between the minimum and maximum of the output signal. After the completion of the refined adjustment, the measurements use the linear section of the dependence of the output signal on the angular deviation of the disc.

После настройки устройство работает следующим образом.After setup, the device works as follows.

При горизонтальном движении основания устройства вместе с поверхностью в направлении, перпендикулярном радиусу, проведенному из центра диска к грузику 6, т.е. в направлении 0у на фиг. 1, под действием сил инерции происходит смещение грузика относительно основания в направлении, противоположном движению основания. В результате происходит поворот диска маятника вместе с блоком-сенсором относительно основания, прибора. При этом происходит изменение угла падения лазерного пучка на дифракционную структуру блока-сенсора. Изменение угла падения вызывает изменение мощности первого порядка дифракции лазерного пучка в области после прохождения пучка излучения через блок-сенсор. Зависимость мощности излучения первого порядка дифракции P_i 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, №1, с 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.):When the base of the device moves horizontally together with the surface in a direction perpendicular to the radius drawn from the center of the disc to the weight 6, i.e. in the direction 0y in FIG. 1, under the action of inertial forces, the weight is displaced relative to the base in the direction opposite to the movement of the base. As a result, the disc of the pendulum rotates with the sensor block relative to the base, the device. In this case, the angle of incidence of the laser beam on the diffraction structure of the sensor unit changes. A change in the angle of incidence causes a change in the power of the first order of diffraction of the laser beam in the region after the passage of the radiation beam through the block-sensor. The dependence of the radiation power of the first order of diffraction P _i 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. small angular displacements "// Photonics, 2011, No. 1, pp. 16-19.), (Komotskiy VA, Sokolov Yu.M." Analysis of the intensities of diffraction orders in an optical scheme containing two phase diffraction gratings "// Bulletin RUDN. Ser. Physics. 2006, No. 1, pp. 90-95.):

здесь L=πλl_z/nΛ² - это безразмерный параметр, характеризующий расстояние межу решетками, Λ - период дифракционной решетки, λ - длина волны излучения лазера, l_z - расстояние между дифракционными решетками, P_i - мощность излучения на входе блока-сенсора, n - показатель преломления материала блок-сенсора.here L = πλl _z / nΛ ² is a dimensionless parameter characterizing the distance between the gratings, Λ is the period of the diffraction grating, λ is the laser radiation wavelength, l _z is the distance between the diffraction gratings, P _i is the radiation power at the input of the sensor unit, n is the refractive index of the block sensor material.

Формула (1) соответствует схеме, в которой глубины рельефов, образующих фазовые дифракционные решетки, оптимальны. Величины 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 P_±l(x) при смещении одной из решеток относительно другой, а мощность дифрагированного излучения в каждом из первых порядков изменяется от нулевого до максимального значения, равно P_1max=0,4Р_i.Formula (1) corresponds to the scheme in which the depths of the reliefs forming the phase diffraction gratings are optimal. The amplitudes of the spatial phase modulation of the wave fronts of both gratings are then equal to the optimal value: Ф _М = Ф _М1 = Ф _М2 = π / 4. It is under this condition that the maximum value of the amplitude of oscillations of the dependences P _{± l} (x) is achieved when one of the gratings is displaced relative to the other, and the power of diffracted radiation in each of the first orders changes from zero to the maximum value, equal to P _1max = 0.4P _i .

В результате поворота блока-сенсора мощность первых порядков дифракции изменяется. На линейном участке зависимости мощности от угла поворота блока-сенсора крутизна преобразования величины угла поворота блока в величину изменения мощности первого порядка дифракции равна:As a result of the rotation of the sensor unit, the power of the first diffraction orders changes. On the linear section of the dependence of the power on the angle of rotation of the sensor unit, the slope of the conversion of the value of the angle of rotation of the unit 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 l_z=10 мм, а период решеток равен: Λ=0,2 мм. Тогда расчет по формуле (2) при условии Р_i=1 мВт дает следующий результат: S_Θ-P=42 мВт/радиан. Очевидно, что крутизна увеличивается пропорционально при увеличении мощности лазера. При мощности P_i=5 мВт крутизна составит 5, S_Θ-P=210 мВт/радиан.Let us give a calculated estimate of the S _Θ-P value: let us assume that the block-sensor is made of glass with a refractive index n = 1.51, the block length is l _z = 10 mm, and the grating period is: Λ = 0.2 mm. Then the calculation according to the formula (2) under the condition P _i = 1 mW gives the following result: S _Θ-P = 42 mW / radian. Obviously, the slope increases proportionally with increasing laser power. When power P _i = 5 mW slope is 5, S _Θ-P = 210 mW / radian.

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. Период решеток можно выбрать равным 200 мкм. Если диаметр лазерного пучка составляет порядка (1-2) мм, то выполняется необходимое условие, чтобы диаметр лазерного пучка в несколько раз превышал период дифракционной решетки. При этом выполняется условие надежного разделения дифракционных порядков в области пространственного фильтра. Диск физического маятника можно изготовить из меди. Также диск можно изготовить из пластика, дерева или другого немагнитного материала, но при этом к поверхности диска, которая обращена к магниту, должен быть приклеен слой металла с высокой электропроводностью.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. The grating period can be chosen equal to 200 µm. If the diameter of the laser beam is on the order of (1–2) mm, then the necessary condition is satisfied that the diameter of the laser beam is several times greater than the period of the diffraction grating. In this case, the condition of reliable separation of diffraction orders in the region of the spatial filter is fulfilled. A physical pendulum disk can be made of copper. Also, the disc can be made of plastic, wood or other non-magnetic material, but a layer of metal with high electrical conductivity must be glued to the surface of the disc facing the magnet.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет повысить чувствительность сейсмометра в области низких частот колебаний.Thus, the proposed design makes it possible to increase the sensitivity of the seismometer in the region of low vibration frequencies.

Claims

A horizontal seismometer with an optoelectronic diffractive vibration sensor, containing a base mounted horizontally on the earth's surface, a physical pendulum mounted on the base in a bushing using elastic suspensions that allow the axis with a pendulum to rotate relative to the base, a return spring with a tension regulator, a pendulum vibration damper, a vibration sensor pendulum, characterized in that the physical pendulum is made in the form of a horizontal disk, fixed on a vertical axis, installed in cruciform suspensions, in a bushing on the base of the device, on the surface of the disk, a weight is attached to its edge, and a block is installed in the center of the disk above the axis of rotation. sensor of an optoelectronic sensor of angular oscillations of the disk, the sensor of angular oscillations consists of a laser fixed on the base, the radiation beam of which is directed to the block sensor, which is attached to the disk of the physical pendulum above the axis of its rotation and is a transparent parallelepiped, on the opposite on the sides of which there are two relief phase diffraction gratings with rectangular profiles of reliefs, while in the region after the passage of the laser beam through the block sensor, a spatial filter in the form of a diaphragm is installed in the first diffraction order, and behind the spatial filter is placed a photodiode, from the output of which an electric a signal proportional to the angular deviation of the physical pendulum from the equilibrium position of the pendulum.