RU2434201C1 - Pendulum laser interferometer - Google Patents
Pendulum laser interferometer Download PDFInfo
- Publication number
- RU2434201C1 RU2434201C1 RU2010131516/28A RU2010131516A RU2434201C1 RU 2434201 C1 RU2434201 C1 RU 2434201C1 RU 2010131516/28 A RU2010131516/28 A RU 2010131516/28A RU 2010131516 A RU2010131516 A RU 2010131516A RU 2434201 C1 RU2434201 C1 RU 2434201C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- interferometer
- reflector
- pendulum
- frequency
- movable reflector
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Measurement Of Mechanical Vibrations Or Ultrasonic Waves (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области геофизики и может быть использовано для измерения микродеформаций земной коры и изучения пространственно-временной структуры геофизических полей инфразвукового и звукового диапазонов.The invention relates to the field of geophysics and can be used to measure microdeformations of the earth's crust and study the spatio-temporal structure of geophysical fields of the infrasound and sound ranges.
Известен интерферометр для измерения перемещений, содержащий последовательно установленные одночастотный лазер, телескопическую систему, светоделитель и два уголковых отражателя, один из которых предназначен для связи с объектом, а другой расположен в опорном плече интерферометра, четвертьволновую пластину, размещенную между первым отражателем и светоделителем, и последовательно установленные по ходу излучения два поляризатора, оптически связанные со светоделителем, и фотоэлектрическую систему обработки квадратурных интерференциальных сигналов (п. РФ N 2025655, МПК G01В 9/02).Known interferometer for measuring displacements, containing sequentially mounted single-frequency laser, a telescopic system, a beam splitter and two corner reflectors, one of which is designed to communicate with the object, and the other is located in the supporting arm of the interferometer, a quarter-wave plate placed between the first reflector and the beam splitter, and sequentially two polarizers installed along the radiation optically coupled to a beam splitter and a photoelectric quadrature interference processing system cial signal (n. of RF N 2025655, IPC G01V 9/02).
Известен также интерферометр для измерения линейных перемещений, содержащий источник излучения, оптически связанные коллиматор и светоделитель, два уголковых отражателя, каждый из которых установлен соответственно в одном из потоков от светоделителя, два фотоприемника, расположенных соответственно в каждом из потоков, отраженных от уголковых отражателей, и блок регистрации, оптические элементы которого расположены на двух устоях, жестко соединенных с исследуемым объектом (Shuzo Takemoto, Akito Araya, Junpei Akamatsu, et al. A 100 m laser strainmeter system installed in a 1 km deep tunnel at Kamioka, Gifu, Japan // Journal of Geodynamics. V.38, 2004, pp 477-488).Also known is an interferometer for measuring linear displacements, comprising a radiation source, optically coupled collimator and a beam splitter, two corner reflectors, each of which is installed respectively in one of the streams from the beam splitter, two photodetectors located respectively in each of the streams reflected from the corner reflectors, and registration unit, the optical elements of which are located on two abutments, rigidly connected to the studied object (Shuzo Takemoto, Akito Araya, Junpei Akamatsu, et al. A 100 m laser strainmeter system installed in a 1 km deep tu nnel at Kamioka, Gifu, Japan // Journal of Geodynamics. V.38, 2004, pp 477-488).
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является интерферометр для измерения перемещений по патенту РФ №2146354, МПК G01B 9/02. Интерферометр выполнен по схеме неравноплечего интерферометра Майкельсона и включает источник излучения, коллиматор, светоделитель, подвижный отражатель и неподвижный отражатель, связанный с системой регистрации. Неподвижный отражатель представляет собой два плоскопараллельных зеркала, каждое из которых закреплено на пьезокерамическом основании, при этом как подвижный отражатель, так и неподвижный отражатель расположены на двух устоях, жестко соединенных с исследуемым объектом.The closest in technical essence to the claimed invention is an interferometer for measuring displacements according to the patent of the Russian Federation No. 2146354, IPC G01B 9/02. The interferometer is made according to the scheme of the non-equal Michelson interferometer and includes a radiation source, a collimator, a beam splitter, a movable reflector and a stationary reflector associated with the registration system. The fixed reflector is two plane-parallel mirrors, each of which is mounted on a piezoceramic base, while both the movable reflector and the stationary reflector are located on two abutments rigidly connected to the object under study.
Общим недостатком всех указанных устройств является то, что из-за жесткого крепления устоев интерферометров с исследуемым объектом их амплитудно-частотная характеристика в звуковой области спектра испытывает периодические синусоидальные колебания, амплитуда которых изменяется от максимального значения до нуля, из-за чего невозможно проводить объективную интерпретацию измеренных микросмещений в звуковом диапазоне частот. Это связано с тем, что лазерный интерферометр регистрирует изменение своей базы, то есть расстояние между двумя устоями интерферометра, и при этом вместо регистрации амплитуды волны А0, распространяющейся в исследуемом объекте, на выходе интерферометр регистрирует амплитуду волны, изменяющуюся по следующему закону (I) Á=A0(eikL-1), действительная часть которой меняется согласно выражению Á =A0(coskL-l), где A0 - амплитуда волны, к=2π/λ - волновое число, λ - длина волны, L - длина рабочего плеча интерферометра. Амплитудно-частотная характеристика известного лазерного интерферометра в соответствии с указанными выражениями приведена на фиг.1.A common drawback of all these devices is that due to the rigid attachment of the interferometers with the object under study, their amplitude-frequency characteristic in the sound region of the spectrum experiences periodic sinusoidal oscillations, the amplitude of which varies from the maximum value to zero, which makes it impossible to conduct an objective interpretation measured micro displacements in the sound frequency range. This is due to the fact that the laser interferometer detects a change in its base, that is, the distance between the two abutments of the interferometer, and instead of registering the amplitude of the wave A 0 propagating in the studied object, the interferometer at the output registers the wave amplitude changing according to the following law (I) Á = A 0 (e ikL -1), the real part of which changes according to the expression Á = A 0 (coskL-l), where A 0 is the wave amplitude, k = 2π / λ is the wave number, λ is the wavelength, L - the length of the working arm of the interferometer. The frequency response of a known laser interferometer in accordance with the specified expressions is shown in figure 1.
Задачей заявляемого изобретения является улучшение амплитудно-частотной характеристики лазерных интерферометров за счет ликвидации ее периодических гармонических колебаний в звуковом диапазоне и регистрации не относительных, а абсолютных амплитуд упругих волн звукового диапазона.The task of the invention is to improve the amplitude-frequency characteristics of laser interferometers by eliminating its periodic harmonic vibrations in the sound range and recording not the relative, but the absolute amplitudes of the elastic waves of the sound range.
Поставленная задача решается интерферометром для измерения перемещений в однородной среде, содержащим установленную на оптической скамье систему на основе неравноплечего интерферометра Майкельсона, включающую источник монохроматического излучения, неподвижный отражатель, пьезокерамические элементы которого связаны с системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути интерферометра, расположенный на устое, жестко закрепленном на исследуемом объекте, а также подвижный отражатель, смонтированный на устое, входящем в состав маятниковой системы, характеристики которой определяются длиной регистрируемой волны, расстоянием между устоями, добротностью и резонансной частотой маятниковой системыThe problem is solved by an interferometer for measuring displacements in a homogeneous medium, containing a system based on an unequal Michelson interferometer, including a monochromatic radiation source, a stationary reflector, the piezoceramic elements of which are connected to a recording system configured to change the optical path length of the interferometer located on stable, rigidly fixed to the studied object, as well as a movable reflector mounted on -empty, is part of the pendulum system, the characteristics of which are defined wave length recorded, the distance between the abutments, the quality factor and the resonant frequency of the pendulum system
Принцип работы заявляемого интерферометра основывается на следующем.The principle of operation of the inventive interferometer is based on the following.
Пусть в исследуемой однородной среде распространяется волна, которая вызывает в ней смещение.Let a wave propagate in the homogeneous medium under study, which causes a displacement in it.
При жестком закреплении устоев интерферометра неравноплечего типа с исследуемым объектом вызванное волной смещение описывается следующим выражением: u(х, t)=А0еi(kх-ωt),When the abutments of an interferometer of unequal type are rigidly fixed with the object under study, the wave-induced displacement is described by the following expression: u (x, t) = A 0 e i (kx-ωt) ,
где х - координата, t -время, А0 - амплитуда волны, k=2 π/λ - волновое число, λ-длина волны, ω=2πv - циклическая частота, v - частота волны.where x is the coordinate, t is time, A 0 is the wave amplitude, k = 2 π / λ is the wave number, λ is the wavelength, ω = 2πv is the cyclic frequency, v is the wave frequency.
Смещение одного из жестко закрепленных устоев, на котором расположен один из отражателей, будет равно:The displacement of one of the rigidly fixed foundations, on which one of the reflectors is located, will be equal to:
а смещение другого жестко закрепленного устоя:and the displacement of another rigidly fixed foundation:
где x2=x1+L.where x 2 = x 1 + L.
Величина смещения, которое будет регистрировать известный интерферометр, равна:The amount of displacement that will be recorded by a known interferometer is:
где А=A0(eikL - 1) или с учетом только действительной части: А=A0(cos kL - 1).where A = A 0 (e ikL - 1) or taking into account only the real part: A = A 0 (cos kL - 1).
В случае установления подвижного отражателя на устое, входящем в состав маятниковой системы, установленной на исследуемом объекте, смещение устоя, жестко закрепленного на объекте, будет описываться выражением: 
где х2=х1+L, L - расстояние между устоями (длина рабочего плеча интерферометра),where x 2 = x 1 + L, L is the distance between the abutments (the length of the working arm of the interferometer),
ω0=2πv0 - циклическая частота маятниковой системы, v0 - собственная, резонансная частота маятника, γ - коэффициент затухания, γ=ω0/2Q.ω 0 = 2πv 0 is the cyclic frequency of the pendulum system, v 0 is the intrinsic resonant frequency of the pendulum, γ is the attenuation coefficient, γ = ω 0 / 2Q.
В этом случае, величина смещения, которое будет регистрировать заявляемый интерферометр, равна:In this case, the amount of displacement that will be recorded by the inventive interferometer is:
где:Where:
- регистрируемая заявляемым лазерным интерферометром амплитуда волны.- recorded by the claimed laser interferometer wave amplitude.
Или с учетом только действительной части:Or, taking into account only the real part:
Таким образом, заявленный технический результат - ликвидация периодических гармонических колебаний лазерных интерферометров и регистрация не относительных, а абсолютных амплитуд упругих волн звукового диапазона - достигается за счет того, что при установке подвижного отражателя на устое, являющемся частью маятниковой системы, интерферометр регистрирует амплитуду волны (ее действительную часть), изменяющуюся по закону (III): 
а не по закону (I) прототипа А=А0(cos kL-1).and not according to the law (I) of the prototype A = A 0 (cos kL-1).
То есть регистрируемая интерферометром амплитуда волны зависит от длины регистрируемой волны λ, расстояния между устоями (длина рабочего плеча интерферометра) - L, добротности Q и резонансной частоты v0 маятниковой системы, при этом резонансная частота v0 и добротность Q выбираются в зависимости от минимальной частоты частотного диапазона периодических гармонических колебаний конкретного лазерного интерферометра, требуемой степени подавления амплитуд данных колебаний, упругими и геометрическими характеристиками маятниковой системы.That is, the wave amplitude recorded by the interferometer depends on the recorded wavelength λ, the distance between the abutments (the length of the working arm of the interferometer) - L, Q factor and resonant frequency v 0 of the pendulum system, while the resonant frequency v 0 and Q factor are selected depending on the minimum frequency the frequency range of periodic harmonic oscillations of a specific laser interferometer, the required degree of suppression of the amplitudes of these oscillations, the elastic and geometric characteristics of the pendulum system.
На фиг.2. приведена амплитудно-частотная характеристика заявляемого лазерного интерферометра, полученная при регистрации упругих волн в однородной среде (скорость распространения около 2000 м/с) в частотном диапазоне от 0,0001 до 10 Гц, длине L рабочего плеча интерферометра, равной 100 м, резонансная частота v0 маятниковой системы - 0,3 Гц, добротность Q маятниковой системы -100.In figure 2. the amplitude-frequency characteristic of the inventive laser interferometer obtained by recording elastic waves in a homogeneous medium (propagation velocity of about 2000 m / s) in the frequency range from 0.0001 to 10 Hz, the length L of the working arm of the interferometer is 100 m, the resonance frequency v 0 of the pendulum system is 0.3 Hz, the quality factor Q of the pendulum system is -100.
На фиг.3 представлена блок-схема интерферометра. На фиг.4 - вертикальный разрез маятникового лазерного интерферометра.Figure 3 presents a block diagram of an interferometer. Figure 4 is a vertical section of a pendulum laser interferometer.
Интерферометр (фиг.3) содержит 1 - источник монохроматического излучения, 2 - коллиматор и оптический затвор, представляющие собой единую систему (диафрагма, поляроид, пластина L/4, коллиматор), 3 - светоделитель, 4 - световод, 5 - подвижный отражатель, 6 - неподвижный отражатель, 7 - фотоприемник и 8 - систему регистрации.The interferometer (figure 3) contains 1 - a source of monochromatic radiation, 2 - a collimator and an optical shutter, which are a single system (diaphragm, polaroid, plate L / 4, collimator), 3 - a beam splitter, 4 - a light guide, 5 - a movable reflector, 6 - fixed reflector, 7 - photodetector and 8 - registration system.
На фиг.4 приведен вертикальный разрез маятникового лазерного интерферометра, расположенного в приборном боксе, находящемся под землей, где 9 интерференционный узел, включающий источник излучения 1, коллиматор и оптический затвор - 2, светоделитель 3 и неподвижный отражатель 6, 10 - устой, жестко закрепленный в приборном боксе 11; 12 - устой, входящий в состав установленной на исследуемом объекте маятниковой системы и закрепленный на нерастяжимом стержне 13.Figure 4 shows a vertical section of a pendulum laser interferometer located in the instrument box located underground, where 9 is an interference unit including a
В качестве подвижного отражателя используют, например, уголковый отражатель, а в качестве неподвижного, например, два плоскопараллельных зеркала, закрепленных с возможностью юстировки на пьезокерамических цилиндрах, установленных на оптической скамье под углом 90° друг к другу. Для управления работой интерферометра целесообразнее использовать цифровую систему регистрации.For example, an angular reflector is used as a movable reflector, and two plane-parallel mirrors mounted, for example, on a piezoceramic cylinder mounted on an optical bench at an angle of 90 ° to each other, as a stationary one. To control the operation of the interferometer, it is more advisable to use a digital registration system.
Интерферометр работает следующим образом. Луч от источника излучения 1 попадает на коллиматор 2, где преобразуется в параллельный пучок и расширяется до размеров, приемлемых при настройке интерференции. Далее пучок направляется на плоскопараллельный светоделитель 3, где расщепляется на два пучка. Один из них через световод 4 попадает в измерительное плечо на подвижный отражатель 5, расположенный на устое 12, входящем в состав маятниковой системы, от которого возвращается обратно на светоделитель 3. Другой пучок, пройдя установленный на устое 10 на пьезокерамическом основании неподвижный отражатель 6, попадает на светоделитель 3 в место прихода луча от подвижного отражателя 5. В данном месте лучи сбиваются, и с помощью юстировочных болтов (на фиг.3 не показаны), расположенных на неподвижном отражателе 6, интерференционная картина настраивается на пятноминимум, в месте расположения которого устанавливают фотодиод 7 и систему регистрации 8. Работой интерферометра управляет система регистрации посредством сигналов, подающихся на пьезокерамическое основание.The interferometer operates as follows. The beam from the
Как видно из фиг.2, при регистрации волны заявляемым интерферометром исчезают периодические колебания амплитудно-частотной характеристики в звуковом диапазоне, регистрируемые при использовании прототипа (фиг.1), и регистрируемая амплитуда равна по модулю амплитуде волны, распространяющейся в исследуемом объекте.As can be seen from figure 2, when registering the wave with the claimed interferometer, periodic oscillations of the amplitude-frequency characteristics in the sound range recorded using the prototype (Fig. 1) disappear, and the recorded amplitude is equal in absolute value to the amplitude of the wave propagating in the studied object.
Сравнение заявляемого лазерного интерферометра, собранного по маятниковому принципу, показывает его колоссальные преимущества перед лазерными интерферометрами классического исполнения. Преимущества касаются как низкочастотных, так и высокочастотных областей исследования. Так в низкочастотной (инфразвуковой) области чувствительность лазерных интерферометров маятникового типа на 2-3 порядка выше лазерных интерферометров классического исполнения. Кроме того, полностью исчезают биения в высокочастотной области (более 10 Гц, фиг.2). В этой области лазерный интерферометр измеряет не относительную, а практически абсолютную амплитуду волн. Конечно, есть точка перегиба, т.е. переход от положительных значений регистрируемой амплитуды к отрицательным, амплитуда которой в этой точке равна 0. Однако в лазерном интерферометре маятникового типа существует только одно значение частоты, при которой регистрируемая амплитуда равна 0, то есть интерферометр ничего не регистрирует, а в лазерном интерферометре классического исполнения таких точек множество (фиг.1).A comparison of the inventive laser interferometer, assembled according to the pendulum principle, shows its tremendous advantages over classical laser interferometers. The benefits relate to both low-frequency and high-frequency research areas. So in the low-frequency (infrasound) region, the sensitivity of pendulum-type laser interferometers is 2-3 orders of magnitude higher than classical laser interferometers. In addition, the beating completely disappears in the high-frequency region (more than 10 Hz, figure 2). In this area, the laser interferometer measures not the relative, but almost absolute amplitude of the waves. Of course, there is an inflection point, i.e. the transition from positive values of the recorded amplitude to negative, the amplitude of which at this point is 0. However, in a pendulum-type laser interferometer, there is only one frequency value at which the recorded amplitude is 0, that is, the interferometer does not register anything, but in a classical laser interferometer such there are many points (Fig. 1).
Таким образом, расположение подвижного отражателя лазерного интерферометра на устое, входящем в состав маятниковой системы, позволяет получить новый оптический измеритель с улучшенными амплитудно-частотными характеристиками, пригодный для измерения вариаций уровня микросмещений в однородной среде на уровне фоновых колебаний в частотном диапазоне от 0 (условно) до 1000 Гц.Thus, the location of the movable reflector of the laser interferometer on the abutment, which is part of the pendulum system, allows you to get a new optical meter with improved amplitude-frequency characteristics, suitable for measuring variations in the level of micro displacements in a homogeneous medium at the level of background vibrations in the frequency range from 0 (conditionally) up to 1000 Hz.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010131516/28A RU2434201C1 (en) | 2010-07-27 | 2010-07-27 | Pendulum laser interferometer |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2010131516/28A RU2434201C1 (en) | 2010-07-27 | 2010-07-27 | Pendulum laser interferometer |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2434201C1 true RU2434201C1 (en) | 2011-11-20 |
Family
ID=45316741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2010131516/28A RU2434201C1 (en) | 2010-07-27 | 2010-07-27 | Pendulum laser interferometer |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2434201C1 (en) |
-
2010
- 2010-07-27 RU RU2010131516/28A patent/RU2434201C1/en not_active IP Right Cessation
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6678211B2 (en) | Amplified tree structure technology for fiber optic sensor arrays | |
| CN107907203A (en) | A kind of demodulation method of optical fiber F P cavate sonic sensors | |
| CN111045070B (en) | System and method for measuring captured cold atoms based on differential interferometer | |
| Yu et al. | Distributed optical fiber vibration sensing using phase-generated carrier demodulation algorithm | |
| RU155509U1 (en) | LASER-INTERFERENCE HYDROPHONE WITH THERMOSTABILIZATION SYSTEM | |
| Guo et al. | High-sensitivity fiber-optic low-frequency acoustic detector based on cross-correlation demodulation | |
| Araya et al. | Highly sensitive wideband seismometer using a laser interferometer | |
| Theobald et al. | Technique for the calibration of hydrophones in the frequency range 10 to 600 kHz using a heterodyne interferometer and an acoustically compliant membrane | |
| CN110530531A (en) | Fountain type belted atomic vapor beam phase measure of the change apparatus and method based on Michelson interference | |
| Di Sante et al. | A novel fiber optic sensor for multiple and simultaneous measurement of vibration velocity | |
| RU2434201C1 (en) | Pendulum laser interferometer | |
| Kaczmarek et al. | Laser Doppler vibrometry with acoustooptic frequency shift | |
| RU2625000C1 (en) | Laser-interference meter of pressure gradient in liquid | |
| Ding et al. | Huddle test of optical inertial sensors combined with slightly damped mechanics | |
| Li et al. | Phase-shifted sensitivity calibration of fiber optic vector hydrophone based on heterodyne method | |
| RU2653099C1 (en) | Laser interferometric bottom seismograph | |
| Araya et al. | Laser-interferometric broadband seismometer for ocean borehole observations | |
| Liu et al. | A 3× 3 Phase Demodulation System Based on Active Ellipse Fitting for 3C Fiber-optic Geophone Array and Field Tests | |
| Harland et al. | Visualising scattering underwater acoustic fields using laser Doppler vibrometry | |
| Theobald et al. | Fundamental standards for acoustics based on optical methods-phase three report for sound in water. | |
| Cherry et al. | A new wideband (1 mHz to 100 Hz) seismic spectrometer | |
| RU2159925C1 (en) | Optomechanical pressure meter | |
| CN212082583U (en) | Micro-vibration measuring device | |
| Sokolov et al. | Adaptive interferometers for sensor applications | |
| Shakher et al. | Real time monitoring of vibrations using interferometric sensor |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120728 |
|
| NF4A | Reinstatement of patent |
Effective date: 20130927 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20200728 |