RU2810921C1

RU2810921C1 - Laser interference meter of hydrosphere pressure variations

Info

Publication number: RU2810921C1
Application number: RU2023125794A
Authority: RU
Inventors: Сергей Владимирович Яковенко
Filing date: 2023-10-10
Publication date: 2023-12-29

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: invention can be used to measure micro-oscillations of underwater pressure and study the spatio-temporal structure of geophysical fields in the infrasound and sound ranges. The meter includes a sealed housing consisting of a measuring chamber and a compensation chamber equipped with an external pressure compensation system. The measuring chamber contains two identical optical systems based on Michelson interferometers located parallel to each other, each of which contains a monochromatic radiation source, a registration system configured to change the length of the optical path, a fixed reflector in the form of a mirror mounted on dual piezoceramic transducers, and a movable reflector in the form of a round measuring membrane with a mirror element in the center. The membranes have different physical and mechanical properties and are installed in the outer wall of a single compensation chamber at the minimum possible distance from each other.

EFFECT: increase in the accuracy of the information received and decrease in the measurement error of signal reception.

4 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области геофизики, конкретно, к измерительной технике, и может быть использовано для измерения микроколебаний подводного давления и изучения пространственно-временной структуры геофизических полей инфразвукового и звукового диапазонов. The invention relates to the field of geophysics, specifically to measurement technology, and can be used to measure micro-oscillations of underwater pressure and study the spatio-temporal structure of geophysical fields in the infrasound and sound ranges.

Известен ряд устройств для измерения микроколебаний подводного давления с использованием различных оптических измерительных систем. Примером таких устройств являются технические решения на базе лазерно-интерференционных гидрофонов. Устройства представляют собой герметичный корпус, внутри которого расположены система компенсации внешнего давления, система регистрации с блоком накопления и хранения информации и оптическая система, выполненная по схеме интерферометра Майкельсона. В качестве источника монохроматичного излучения используют лазерный диод с долговременной частотной нестабильностью, а чувствительный элемент системы выполнен как элемент стенки корпуса в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием. Мембрана может быть частью корпуса и выполняться съемной (п. РФ № 58216; п. РФ № 171583U1), а может располагаться в отдельном отсеке, снабженном системой компенсации внешнего давления (п. РФ № 2742935С1).A number of devices are known for measuring micro-oscillations of underwater pressure using various optical measuring systems. An example of such devices are technical solutions based on laser interference hydrophones. The devices are a sealed housing, inside of which there is an external pressure compensation system, a recording system with an information accumulation and storage unit, and an optical system made according to the Michelson interferometer circuit. A laser diode with long-term frequency instability is used as a source of monochromatic radiation, and the sensitive element of the system is made as an element of the housing wall in the form of a membrane with a reflective coating applied. The membrane can be part of the housing and be removable (RF clause No. 58216; RF clause No. 171583U1), or can be located in a separate compartment equipped with an external pressure compensation system (RF clause No. 2742935S1).

Выполнение чувствительного элемента в виде съемной мембраны корпуса устройства позволяет измерять вариации давления с достаточной точностью в заданном интервале давлений в зависимости от физико-механических свойств установленных мембран. В то же время существующая зависимость длины плеч интерферометра от вариаций температуры приводит к снижению точности измерений. Для учета температурной погрешности используют, как правило, температурный зонд, измеряющий непосредственно колебания температуры, которые затем пересчитывают в колебания длины плеч интерферометра.Making the sensitive element in the form of a removable membrane of the device body makes it possible to measure pressure variations with sufficient accuracy in a given pressure range, depending on the physical and mechanical properties of the installed membranes. At the same time, the existing dependence of the length of the interferometer arms on temperature variations leads to a decrease in the measurement accuracy. To take into account the temperature error, as a rule, a temperature probe is used, which directly measures temperature fluctuations, which are then converted into fluctuations in the length of the interferometer arms.

Известен лазерно-интерференционным гидрофон, в котором проблема повышения точности измерения вариаций давления решается путем выполнения оптической системы прибора на основе двух интерферометров Майкельсона (п. РФ № 155509U1). Гидрофон выполнен в виде герметичного корпуса, снабженного системой компенсации внешнего давления, системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, источником монохроматического излучения и оптической системой, реализованной на основе двух интерферометров Майкельсона, включающей два подвижных отражателя, один из которых является чувствительным элементом, выполненным в виде мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, которая является одновременно одной из сторон корпуса. Второй отражатель выполнен в виде зеркала, установленного параллельно мембране внутри корпуса в непосредственной близости от центра мембраны. Два неподвижных отражателя, расположены параллельно друг другу и выполнены в виде зеркал, каждое из которых установлено на двух пьезокерамических основаниях, закрепленных на одной опоре и соединенных с системой регистрации.A laser-interference hydrophone is known, in which the problem of increasing the accuracy of measuring pressure variations is solved by making the optical system of the device based on two Michelson interferometers (RF item No. 155509U1). The hydrophone is made in the form of a sealed housing equipped with an external pressure compensation system, a recording system configured to change the length of the optical path, a monochromatic radiation source and an optical system based on two Michelson interferometers, including two movable reflectors, one of which is a sensitive element, made in the form of a membrane with a reflective coating applied, which is also one of the sides of the body. The second reflector is made in the form of a mirror installed parallel to the membrane inside the housing in close proximity to the center of the membrane. Two fixed reflectors are located parallel to each other and are made in the form of mirrors, each of which is mounted on two piezoceramic bases, mounted on one support and connected to the registration system.

Таким образом, первый из интерферометров гидрофона измеряет смещения центра мембраны, вызванные вариациями гидросферного давления и температуры, а второй измеряет колебания длины его плеч, возникающих в результате теплового расширения оптических элементов, то есть температуры. Затем методом вычитания сигналов один из другого, система пытается исключить влияние температуры на запись вариаций давления. Однако чувствительный элемент интерферометра для регистрации температуры - зеркало, находится внутри корпуса прибора и располагается на оптически-прозрачном окне, отделяющем мембрану от внутреннего объема корпуса, то есть. чувствительный элемент этого интерферометра не имеет непосредственного контакта с забортной водой. Тогда как чувствительный элемент интерферометра для измерения давления - мембрана, имеет такой контакт своей внешней стороной и находится под влиянием изменяющейся во времени температуры. Следует отметить, что колебания температуры все-таки проникают через металлические детали конструкции прибора и внутрь него, но учитывая массивность корпуса, крепежа оптических компонентов интерферометров, постоянные времени этого процесса не позволяют говорить об одновременности влияния температуры на оба интерферометра и, соответственно, их одинаковой реакции на процесс изменения температуры.Thus, the first of the hydrophone interferometers measures displacements of the center of the membrane caused by variations in hydrosphere pressure and temperature, and the second measures fluctuations in the length of its arms resulting from the thermal expansion of optical elements, that is, temperature. Then, by subtracting the signals from one another, the system tries to eliminate the influence of temperature on the recording of pressure variations. However, the sensitive element of the interferometer for recording temperature - a mirror, is located inside the device body and is located on an optically transparent window separating the membrane from the internal volume of the body, that is. the sensitive element of this interferometer does not have direct contact with sea water. Whereas the sensitive element of the interferometer for measuring pressure - the membrane, has such a contact with its outer side and is influenced by the time-varying temperature. It should be noted that temperature fluctuations still penetrate through the metal parts of the device structure and into it, but given the massiveness of the body and the mounting of the optical components of the interferometers, the time constants of this process do not allow us to talk about the simultaneous influence of temperature on both interferometers and, accordingly, their identical response on the process of temperature change.

Хотя конструкция известного устройства с оптической системой, выполненной по данной схеме с использования двух интерферометров Майкельсона, повышает точность регистрации вариаций давления за счет дополнительного нивелирования температурной погрешности, однако, проблема повышения точности окончательных результатов остается, особенно, когда возникает необходимость приема сигналов с амплитудами ниже или даже на уровне естественного шума, присутствующего в вариациях подводного давления, при этом даже последующая обработка сигналов не всегда позволяет извлечь из суммарно зарегистрированных вариаций давления полезный сигнал.Although the design of the known device with an optical system made according to this scheme using two Michelson interferometers increases the accuracy of recording pressure variations due to additional leveling of the temperature error, however, the problem of increasing the accuracy of the final results remains, especially when there is a need to receive signals with amplitudes lower or even at the level of natural noise present in variations of underwater pressure, and even subsequent signal processing does not always make it possible to extract a useful signal from the total recorded pressure variations.

Для ее решения предлагается новая конструкция устройства, представляющая собой две обособленные лазерно-интерференционные системы измерения вариаций давления гидросферы в одном корпусе. Заявляемое устройство представляет собой герметичный корпус, состоящий из измерительной камеры и компенсационной, снабженной системой компенсации внешнего давления, при этом измерительная камера содержит две идентичные оптические системы на основе интерферометров Майкельсона, расположенных параллельно друг другу, каждая из которых снабжена монохроматическим источником излучения, системой регистрации, выполненной с возможностью изменения длины оптического пути, содержит в качестве неподвижных отражателей зеркала, установленные на сдвоенных пьезокерамических преобразователях, связанных с системой регистрации, а в качестве подвижных отражателей используют обладающие отличающимися физико-механическими свойствами измерительные мембраны с нанесенным светоотражающим покрытием, установленные во внешней стенке единой компенсационной камеры на минимальном возможном расстоянии друг от друга, определяемом технологическими возможностями их установки.To solve this problem, a new device design is proposed, which consists of two separate laser interference systems for measuring variations in hydrosphere pressure in one housing. The inventive device is a sealed housing consisting of a measuring chamber and a compensation chamber, equipped with an external pressure compensation system, while the measuring chamber contains two identical optical systems based on Michelson interferometers located parallel to each other, each of which is equipped with a monochromatic radiation source, a recording system, made with the ability to change the length of the optical path, contains mirrors mounted on dual piezoceramic transducers connected to the registration system as fixed reflectors, and those with different physical and mechanical properties are used as movable reflectors measuring membranes with a reflective coating applied, installed in the outer wall of a single compensation chamber at the minimum possible distance from each other, determined by the technological capabilities of their installation.

Предлагаемое конструкторское решение приводит к увеличению точности получаемой информации, к снижению погрешности измерений за счет обеспечения работы двух чувствительных элементов, обладающих разной чувствительностью к вариациям внешнего давления, в условиях синхронных вариаций как давления, так и температуры, то есть позволяет обнаружить слабые сигналы, освобожденные от помех, присутствующих в сигналах обоих интерферометров.The proposed design solution leads to an increase in the accuracy of the information obtained, to a reduction in measurement error by ensuring the operation of two sensitive elements with different sensitivity to variations in external pressure, under conditions of synchronous variations in both pressure and temperature, that is, it allows the detection of weak signals freed from interference present in the signals of both interferometers.

Предлагаемое конструкторское решение приводит к снижению погрешности измерений, за счет обеспечения работы двух чувствительных элементов, обладающих заведомо разной чувствительностью к вариациям внешнего давления, в условиях синхронных вариаций как давления, так и температуры с последующим вычитанием сигналов один из другого с применением масштабного коэффициента, то есть позволяет обнаружить слабые сигналы, освобожденные от помех, присутствующих в сигналах обоих интерферометров.The proposed design solution leads to a reduction in measurement error by ensuring the operation of two sensitive elements, which have obviously different sensitivity to variations in external pressure, under conditions of synchronous variations in both pressure and temperature, followed by subtracting the signals from one another using a scale factor, that is allows detection of weak signals freed from interference present in the signals of both interferometers.

Заявленное изобретение иллюстрируется изображением (фиг.), где одинаковые элементы обозначены одинаковыми цифрами.The claimed invention is illustrated by the image (Fig.), where identical elements are designated by identical numbers.

1 - излучатель с расширителем луча; 2 - светоделитель; 3 - зеркала; 4 - собирающая линза; 5 - оптическое окно; 6 - мембрана; 7 - фотоприемник; 8 - система регистрации; 9 - герметичная компенсационная камера; 10 - электромагнитный клапан; 11 - система компенсации внешнего давления (эластичная резиновая емкость); 12 - корпус измерителя.1 - emitter with beam expander; 2 - beam splitter; 3 - mirrors; 4 - collecting lens; 5 - optical window; 6 - membrane; 7 - photodetector; 8 - registration system; 9 - sealed compensation chamber; 10 - solenoid valve; 11 - external pressure compensation system (elastic rubber container); 12 - meter body.

Устройство работает следующим образом:The device works as follows:

В каждом из двух измерительных каналов луч с излучателей (1), снабженных расширителем луча, делится с помощью светоделителей (2) на два луча: опорный и измерительный. Первый из них проходит по пути опорного тракта, отражаясь от зеркал (3), установленных на пьезокерамические цилиндры и возвращается на светоделители (2). Второй проходит по пути измерительного тракта, где установлены собирающие линзы (4) и далее оптические окна (5). Затем он попадает на мембраны (6) со светоотражающим покрытием в центре и отражается в обратном направлении, чтобы также вернуться на светоделители (2). Измерительный и опорный лучи совмещаются и результирующий луч интерферирует. Вариации подводного давления, воздействуя на каждую из мембран, смещают их центр относительно нейтрального положения, что приводит к изменению длины оптического пути, по которому проходит измерительный луч, и как следствие изменению яркости интерференционной картины. На пути интерферирующего луча установлены фотоприемники (7), воспринимающие изменение интегральной яркости интерференционной картины и передающий ее значения в системы регистрации (8). Зарегистрированная в них информация может храниться как в самих системах (8) и, после поднятия измерителя, обрабатываться во внешнем вычислительном устройстве или в режиме реального времени передаваться по кабелю во внешний блок обработки, в котором путем нормализации умножением на масштабный коэффициент и вычитанием сигналов с систем регистрации (8) вычисляют информационный сигнал.In each of the two measuring channels, the beam from the emitters (1), equipped with a beam expander, is divided using beam splitters (2) into two beams: the reference and the measuring. The first of them passes along the path of the reference path, reflected from mirrors (3) mounted on piezoceramic cylinders and returns to the beam splitters (2). The second passes along the path of the measuring path, where collecting lenses (4) and then optical windows (5) are installed. It then hits membranes (6) with a reflective coating in the center and is reflected in the opposite direction to also return to the beam splitters (2). The measuring and reference beams are combined and the resulting beam interferes. Variations in underwater pressure, acting on each of the membranes, shift their center relative to the neutral position, which leads to a change in the length of the optical path along which the measuring beam passes, and as a result, a change in the brightness of the interference pattern. Photodetectors (7) are installed along the path of the interfering beam, sensing changes in the integral brightness of the interference pattern and transmitting its values to the registration systems (8). The information registered in them can be stored both in the systems themselves (8) and, after raising the meter, processed in an external computing device or transmitted in real time via cable to an external processing unit, in which, by normalizing by multiplying by a scale factor and subtracting signals from the systems registration (8) calculates the information signal.

Для управления интерферометрами и формирования выходных сигналов могут быть использованы системы регистрации, например выполненные на базе микропроцессора ATMEGA16 c цифровой системой экстремального регулирования Динамический диапазон условно неограничен, т.к. система обеспечивает возможность скачкообразных переходов между соседними интерференционными максимумами. Каждый канал системы регистрации формирует сигнал обратной связи, который подается на один из пьезокерамических преобразователей под зеркалами (3), что приводит к его расширению или сжатию, в результате чего яркость интерференционной картины возвращается к исходной, в максимум интенсивности. На другой пьезокерамический преобразователь из каждой пары в сдвоенной системе интерферометров подается «пробный» периодический сигнал для определения системой регистрации направления смещения рабочей точки от положения экстремума яркости интерференции. Сигнал обратной связи является выходным сигналом каждого из каналов системы регистрации.To control interferometers and generate output signals, registration systems can be used, for example, those based on ATMEGA16 microprocessor with a digital extreme control system. The dynamic range is conditionally unlimited, because the system provides the possibility of jump-like transitions between adjacent interference maxima. Each channel of the registration system generates a feedback signal, which is fed to one of the piezoceramic transducers under the mirrors (3), which leads to its expansion or contraction, as a result of which the brightness of the interference pattern returns to its original, maximum intensity. A “test” periodic signal is supplied to another piezoceramic transducer from each pair in a dual system of interferometers to determine by the registration system the direction of shift of the operating point from the position of the interference brightness extremum. The feedback signal is the output signal of each of the channels of the recording system.

Мембраны установлены в герметично изолированном объеме, снабженном системой компенсации внешнего гидростатического давления, например, пневматической. Такая компенсация необходима для того, чтобы перед началом проведения измерений, мембраны находилась в ненагруженном нейтральном состоянии, т.е. давление по обе стороны было равно среднему гидростатическому давлению на глубине установки прибора. Для этого во время погружения в герметичную компенсационную камеру (9), подается воздух через управляемый электромагнитный клапан (10). Запас воздуха для этой процедуры находится в эластичной резиновой емкости (11), которая нагнетает его под действием гидростатического давления воды.The membranes are installed in a hermetically sealed volume equipped with a system for compensating external hydrostatic pressure, for example, pneumatic. Such compensation is necessary so that before starting measurements, the membranes are in an unloaded neutral state, i.e. the pressure on both sides was equal to the average hydrostatic pressure at the installation depth of the device. To do this, during immersion, air is supplied into the sealed compensation chamber (9) through a controlled solenoid valve (10). The air supply for this procedure is located in an elastic rubber container (11), which pumps it under the influence of hydrostatic water pressure.

Принимая во внимание, что давление, которое может быть зарегистрировано с использованием плоской мембраны, закрепленной на краях связано со смещением ее центра формулой:Whereas the pressure that can be recorded using a flat membrane fixed at the edges is related to the displacement of its center by the formula:

, ,

где где: Δl - смещение мембраны; h - толщина мембраны; E - модуль упругости (Юнга); σ - коэффициент Пуассона, R - радиус мембраны (Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости. Учеб. пособие, 4-е изд., испр. и доп. – М.: Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит., 1987. - 248 с.). Или, если выразить смещение мембраны, то выражение принимает вид:where where: Δ l - membrane displacement; h - membrane thickness; E - elastic modulus (Young's); σ - Poisson's ratio, R - membrane radius (Landau L.D., Lifshits E.M. Theory of elasticity. Textbook, 4th ed., revised and supplemented. - M.: Nauka, Chief editor of physics .-mat. lit., 1987. - 248 p.). Or, if we express the displacement of the membrane, then the expression takes the form:

, ,

из которого следует, что, применяя мембраны различной толщины и имеющие разные характеристики упругости, мы получим отличающиеся величины прогиба мембран при одинаковом воздействии внешним давлением. Соответственно, чувствительность к вариациям давления у этих мембран будет тоже разная.from which it follows that by using membranes of different thicknesses and having different elasticity characteristics, we will obtain different values of membrane deflection under the same influence of external pressure. Accordingly, the sensitivity to pressure variations of these membranes will also be different.

Исходя из этого, круглые измерительные мембраны в оптической системе предлагаемого устройства устанавливают заведомо разными по характеристикам чувствительности к изменению давления, что достигается использованием мембран с разными физико-механическими свойствами (разной толщины и/или различного материала), и расположением их в одной плоскости. Такое расположение на разные по характеристикам мембраны обеспечивает одинаковое воздействие вариаций давления. Расстояние между мембранами выбирают минимальным, определяемым технологическими возможностями по герметизации мембран. Герметизация производится по методу радиального уплотнения с использованием герметизирующих колец по ГОСТ 9833-73.Based on this, round measuring membranes in the optical system of the proposed device are installed with obviously different characteristics of sensitivity to changes in pressure, which is achieved by using membranes with different physical and mechanical properties (different thicknesses and/or different materials), and their location in the same plane. This arrangement ensures that membranes with different characteristics are equally exposed to pressure variations. The distance between the membranes is chosen to be minimal, determined by the technological capabilities for sealing the membranes. Sealing is carried out using the radial seal method using sealing rings in accordance with GOST 9833-73.

Интерферометр с более чувствительной мембраной имеет большую детализацию сигнала, по сравнению с другим. Применив масштабный коэффициент для нормализации по амплитуде и, вычитая сигналы один из другого, получаем результирующий сигнал вариаций давления, содержащий исключительно слабые составляющие, освобожденные от помех, присутствующих в сигналах обоих интерферометров. Методом подбора комбинации измерительных мембран, достигается вариативность необходимой чувствительности к слабым удаленным сигналам. Кроме того, дифференциальный способ измерения позволит вычесть из сигнала локальные изменения температуры.An interferometer with a more sensitive membrane has greater signal detail than another. By applying a scaling factor to normalize by amplitude and subtracting the signals from one another, we obtain a resulting pressure variation signal containing exclusively weak components, free of the noise present in the signals of both interferometers. By selecting a combination of measuring membranes, the variability of the required sensitivity to weak remote signals is achieved. In addition, the differential measurement method will allow local temperature changes to be subtracted from the signal.

Мембраны могут быть выполнены съемными, а интерферометры могут быть как равноплечие, так и неравноплечие.The membranes can be made removable, and interferometers can be either equal-armed or unequal-armed.

В качестве источника излучения может быть использован любой приемлемый для решения поставленных задач гелий-неоновый лазерный источник излучения со стабилизацией частоты излучения и плоской поляризацией, например, Pacific Lasertec 25-STP.Any helium-neon laser radiation source with frequency stabilization and flat polarization, for example, Pacific Lasertec 25-STP, can be used as a radiation source.

Одноканальные лазерно-интерференционные измерители колебаний давления такой возможности не имеют, а существенное отличие предлагаемого устройства от прототипа в том, что, оптико-механические элементы, входящие в состав интерферометров, идентичны, как и влияние на них вариаций забортной температуры, то есть влияние этих изменений будет оказано на обе мембраны одновременно и впоследствии учтено.Single-channel laser interference pressure fluctuation meters do not have this capability, and the significant difference between the proposed device and the prototype is that the optical-mechanical elements included in the interferometers are identical, as is the influence of variations in outside temperature on them, that is, the influence of these changes will be applied to both membranes simultaneously and subsequently taken into account.

Claims

1. Laser interference meter of hydrosphere pressure variations, including a sealed housing consisting of a measuring chamber and a compensation chamber equipped with an external pressure compensation system, while the measuring chamber contains two identical optical systems based on Michelson interferometers located parallel to each other, each of which is equipped with a monochromatic radiation source with a beam expander, a registration system configured to change the length of the optical path, and contains mirrors mounted on dual piezoceramic transducers connected to the registration system as fixed reflectors, and those with different physical and mechanical properties are used as movable reflectors round measuring membranes with a mirror element in the center, installed in the outer wall of a single compensation chamber at the minimum possible distance from each other, determined by the technological capabilities of the installation.

2. Laser interference meter according to claim 1, characterized in that the external pressure compensation system is made pneumatic.

3. Laser interference meter according to claim 1, characterized in that the recording system is equipped with an information storage unit.

4. Laser interference meter according to claim 1, characterized in that the membranes are removable.