RU2089848C1

RU2089848C1 - Laser deformation meter

Info

Publication number: RU2089848C1
Application number: RU95106877A
Authority: RU
Inventors: Михаил Александрович Губин; Владимир Николаевич Полубояров; Дмитрий Алексеевич Тюриков
Original assignee: Михаил Александрович Губин; Владимир Николаевич Полубояров; Дмитрий Алексеевич Тюриков
Priority date: 1995-04-28
Filing date: 1995-04-28
Publication date: 1997-09-10
Also published as: RU95106877A

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: proposed laser deformation meter has pickup 12, two laser systems 1, 2, two frequency stabilization systems 3,4, splitters 5,6,7, rotary mirror 8, photodetector 9. Pickup 12 includes two optical resonators (Fabry-Perot interferometers) with mirrors 15, 16, 17. Measurement unit is coupled to pickup 12 by fibre- optical cables 10, 11. Pickup is manufactured in the form of two cases 13, 14 placed one into other and having common wall. Mirrors 15, 16 are anchored on opposite walls of inner case 14 and mirrors 17,18 are fixed on opposite walls of outer case 13. Deformations of outer case 12 directed along optical axis of interferometer with mirrors 17, 18 lead to changes of distance between mirrors 17, 18 which causes returning of frequency of laser 1, frequency of other laser 2 remains unchanged. Radiations of lasers 1,2 are integrated in photodetector 9 where value of beat frequency changes in agreement with deformation. EFFECT: increased accuracy of measurement, provision for work under high temperatures. 1 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике, а именно, к измерению деформаций оптическими методами. Может применяться в сейсмологии, геофизике, метрологии для прецизионного измерения деформаций. The invention relates to measuring technique, namely, to the measurement of strains by optical methods. It can be used in seismology, geophysics, metrology for precision strain measurements.

Известны интерферометрические измерители перемещений и деформаций на основе помехоустойчивого трехзеркального лазера-интерферометра (а.с. СССР N 1142731, кл. G 01 B 11/00, 1985). Источником излучения служит стабилизированный по частоте лазер. Указанный тип датчика отличается сложностью из-за применения частотно-стабилизированного лазера и низкой чувствительности для малых измерительных баз. Interferometric displacement and deformation meters are known based on a noise-resistant three-mirror interferometer laser (AS USSR N 1142731, class G 01 B 11/00, 1985). The radiation source is a frequency-stabilized laser. The indicated type of sensor is complex due to the use of a frequency-stabilized laser and low sensitivity for small measuring bases.

Известен также лазерный стрейн-сейсмограф (Veen H.Van, A laser strain seinsmometer. Natuurkunde cerste. Reecks-Deel. XXVI, N 1, 1970 г. р.25), в котором используются два нестабилизированных по частоте газоразрядных лазера, расположенных ортогонально друг другу, с резонаторами, закрепленными на Земле. Регистрируется частота биений смешанных оптических частот лазеров. Недостатком данного устройства является нестабильность выходного сигнала, т. е. частоты биений, обусловленная изменениями окружающей температуры, магнитного поля, разрядного тока, конвекционных потоков, за счет неидентичности воздействия указанных факторов на активные элементы и резонаторы лазеров. К нестабильности приводит также разная скорость старения и изменения газовой среды активных элементов. Also known is a laser strain seismograph (Veen H. Van, A laser strain seinsmometer. Natuurkunde cerste. Reecks-Deel. XXVI, N 1, 1970, p.25), which uses two frequency-unstabilized discharge lasers arranged orthogonally to each other to a friend, with resonators mounted on the Earth. The beat frequency of mixed optical laser frequencies is recorded. The disadvantage of this device is the instability of the output signal, i.e., the beat frequency, due to changes in the ambient temperature, magnetic field, discharge current, convection currents, due to the non-identical effect of these factors on the active elements and resonators of the lasers. The instability is also caused by different aging rates and changes in the gaseous environment of active elements.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности к достигаемому эффекту является устройство для измерения перемещений [1] содержащее измерительный блок с двумя не стабилизированными по частоте газоразрядными лазерами с общей активной средой, систему зеркал, фотоприемник, заключенные в единый корпус. Регистрируется частота биений, получаемых на фотоприемнике, изменяющаяся в соответствии с деформацией корпуса. The closest to the effect proposed by the technical essence is the displacement measuring device [1] containing a measuring unit with two gas-discharge discharge lasers not stabilized in frequency with a common active medium, a mirror system, a photodetector, enclosed in a single case. The frequency of the beats obtained at the photodetector is recorded, changing in accordance with the deformation of the case.

Недостатками данного устройства являются недостаточная термостабильность, поскольку присутствует тепловой источник (активная среда лазера) с мощностью в несколько ватт, заключенный в замкнутый объем; невозможность работы при высоких температурах вплоть до 400^oC.The disadvantages of this device are insufficient thermal stability, since there is a heat source (active laser medium) with a power of several watts, enclosed in a closed volume; the inability to work at high temperatures up to 400 ^o C.

Цель изобретения повышение точности измерения, возможность работы при высоких температурах. The purpose of the invention is the improvement of measurement accuracy, the ability to work at high temperatures.

Цель достигается тем, что в лазерном деформометре, содержащем измерительный блок с двумя лазерными системами, систему зеркал, фотоприемник, имеется датчик, содержащий связанные волоконно-оптическим кабелем с лазерными системами два интерферометра Фабри-Перо с зеркалами и выполненные в виде двух корпусов, вложенных один в другой и связанных общей стенкой, внутри которых установлены зеркала интерферометров, причем у одного интерферометра оба зеркала закреплены на противоположных стенках внешнего корпуса, а у другого интерферометра зеркала закреплены на противоположных стенках внутреннего корпуса, при этом измерительный блок снабжен системой частотной стабилизации по резонансам интерферометров. The goal is achieved by the fact that in a laser strainmeter containing a measuring unit with two laser systems, a mirror system, a photodetector, there is a sensor containing two Fabry-Perot interferometers with mirrors connected by a fiber-optic cable with laser systems and made in the form of two cases, one enclosed in another and connected by a common wall, inside which mirrors of interferometers are installed, moreover, in one interferometer, both mirrors are mounted on opposite walls of the outer casing, and in the other interferometer, a mirror Alas are mounted on opposite walls of the inner case, while the measuring unit is equipped with a frequency stabilization system for resonances of interferometers.

Проведенный заявителем поиск по научно-технической и патентным источникам информации и выбранный из перечня аналогов прототип позволили выявить отличительные признаки в заявленном техническом решении, следовательно, заявленное устройство удовлетворяет критерию изобретения "новизна", а проведенный заявителем дополнительный поиск известных технических решений с целью обнаружения в них признаков, сходных с признаками отличительной части формулы заявленного технического решения и сравнения свойств заявленного и известных решений, обусловленных наличием в них указанных признаков, показал, что, во-первых, не все признаки отличительной части формулы найдены в известных технических решениях, во-вторых, сопоставительный анализ свойств, обусловленных наличием отличительных признаков в известных решениях и в заявленном техническом решении, показал, что у заявленного решения проявляются свойства, не совпадающие со свойствами, проявляемыми указанными признаками в известных технических решениях, чем обуславливается достижение заявленного технического эффекта. Следовательно, заявленное техническое решение удовлетворяет критерию изобретения "существенные отличия". A search by the applicant for scientific, technical and patent sources of information and a prototype selected from the list of analogues made it possible to identify distinctive features in the claimed technical solution, therefore, the claimed device meets the criteria of the invention of “novelty”, and the applicant conducted an additional search for known technical solutions in order to detect them features similar to those of the distinctive part of the formula of the claimed technical solution and comparing the properties of the claimed and known solutions, agreed upon by the presence of the indicated features in them, showed that, firstly, not all the features of the distinctive part of the formula were found in known technical solutions, and secondly, a comparative analysis of the properties due to the presence of distinctive features in the known solutions and in the claimed technical solution showed that the claimed solution exhibits properties that do not match the properties exhibited by the indicated features in known technical solutions, which determines the achievement of the claimed technical effect. Therefore, the claimed technical solution meets the criteria of the invention "significant differences".

На чертеже представлена схема лазерного деформометра. The drawing shows a diagram of a laser strainmeter.

Его измерительный блок содержит две лазерные системы 1,2, две системы частотной стабилизации по резонансам интерферометров 3,4. Часть излучения лазеров с помощью расщепителей 5-7 и поворотного зеркала 8 совмещается на фотоприемнике 9. Остальное излучение через расщепители 5,7 попадает в волоконно-оптические кабели 10,11, которые связывают измерительный блок с датчиком 12. Датчик выполнен в виде двух корпусов 13,14, вложенных один в другой и имеющих общую стенку. Во внутреннем корпусе 14 закреплены на противоположных стенках зеркала 15,16 одного интерферометра, а на противоположных стенках внешнего корпуса 13 закреплены зеркала 17,18 другого интерферометра. Лазерное излучение, выходящее из волоконно-оптических кабелей 10,11, через окошки 19,20 датчика 12 попадает в интерферометры с зеркалами 15-18. Its measuring unit contains two laser systems 1.2, two systems of frequency stabilization by resonances of interferometers 3.4. Part of the laser radiation with the help of splitters 5-7 and a rotary mirror 8 is combined on the photodetector 9. The remaining radiation through the splitters 5.7 enters the fiber optic cables 10.11, which connect the measuring unit to the sensor 12. The sensor is made in the form of two cases 13 , 14, nested one in another and having a common wall. In the inner case 14, mirrors 15.16 of one interferometer are fixed on opposite walls of the mirror, and mirrors 17.18 of another interferometer are fixed on opposite walls of the outer case 13. Laser radiation emerging from the fiber-optic cables 10.11, through the windows 19.20 of the sensor 12 enters the interferometers with mirrors 15-18.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

Деформации внешнего корпуса 13 датчика 12, направленные вдоль оптической оси интерферометра с зеркалами 17,18, приводят к изменению расстояния между зеркалами 17,18 интерферометра, производя перестройку резонанса интерферометра, что вызывает через систему частотной стабилизации по резонансам интерферометров 3 перестройку частоты лазера 1. Частота другого лазера 2 остается неизменной, так как он настроен на частоту резонанса интерферометра с зеркалами 15,16, у которого частота резонанса не изменяется, так как расстояние между зеркалами 15,16 не изменяется. Излучения частоты двух лазеров 1,2 смешиваются и поступают на фотоприемник 9, где значение частоты биений изменяется в соответствии с деформацией корпуса. Deformation of the outer case 13 of the sensor 12, directed along the optical axis of the interferometer with mirrors 17.18, leads to a change in the distance between the mirrors 17.18 of the interferometer, tuning the resonance of the interferometer, which causes the frequency of the laser to be tuned to the resonances of the interferometers 3 through the frequency stabilization system 1. Frequency another laser 2 remains unchanged, since it is tuned to the resonance frequency of the interferometer with mirrors 15.16, in which the resonance frequency does not change, since the distance between the mirrors 15.16 is not from enyaetsya. The radiation of the frequency of two lasers 1,2 is mixed and fed to the photodetector 9, where the value of the beat frequency varies in accordance with the deformation of the housing.

Положительный эффект достигается за счет выноса лазеров из корпуса датчика, что улучшает термостабильность устройства. Датчик может работать при высоких температурах вплоть до 400^oC, так как не содержит в себе никаких электронных компонентов.A positive effect is achieved due to the removal of lasers from the sensor housing, which improves the thermal stability of the device. The sensor can operate at high temperatures up to 400 ^o C, as it does not contain any electronic components.

Claims

A laser strainmeter comprising a measuring unit including two laser systems, a system of mirrors and a photodetector, characterized in that it is equipped with two fiber-optic cables, two systems of frequency stabilization of the laser along the optical cavity and a sensor containing two optical resonators and made in the form of two cases nested one inside the other and connected by a common wall, inside which mirrors of optical resonators are installed, moreover, at one optical resonator both mirrors are mounted on opposite sides the external housing, and on the other optical cavity, the mirrors are mounted on opposite walls of the internal housing, the first optical cavity is optically coupled through the first fiber optic cable and the first splitter of the mirror system to the first laser system and the laser frequency stabilization system along the optical cavity, the second optical cavity is optically connected through a second fiber optic cable and a second splitter of the mirror system with the second laser system and the laser frequency stabilization system along the optical cavity, the laser systems are optically coupled through a third splitter of the mirror system to a photodetector, and the outputs of the frequency stabilization systems are connected to the resonators of the respective laser systems.