Лазерний реєстратор для деформографічних досліджень

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 550.34.056/

Карпатське відділення Інституту геофізики ім. Субботіна НАН України

Лазерний реєстратор для деформографічних досліджень

С.В.Кравець

Д.В. Малицький

Предложен высокоточный лазерный прибор для преобразования механических перемещений в электрический сигнал для задач деформационных измерений в геодинамике,сейсмологии и геофизике.

It was proposed a high-precise device to transform mechanical transferences into the electrical signal for problems of deformation measurement in the geodynamics, seismology and geophysics.

На сьогоднішній день в Україні і у світі надзвичайно актуальною є задача реєстрації та дослідження повільних рухів земної кори, викликаних тектонічними і сейсмотектонічними процесами, гравітаційною дією Місяця і Сонця, довгоперіодними сейсмічними хвилями, зсувними, провальними, метеорологічними і техногенними процесами. Для дослідження таких явищ використовуються деформографи, що вимірюють відносне зміщення двох точок масиву гірської породи, відстань між якими (база приладу) здебільшого становить 20-30 м. [1]. Для мінімізації температурної зміни вимірювальної бази приладу він повинен працювати у гірських виробках на глибині кілька десятків метрів, де сезонні коливання температури не перевищують 5 С, зате наявна висока відносна вологість (100%). У таких умовах необхідно забезпечити тривалу стабільність вимірювання відносних деформацій порядку 10-9 або менше [2]. Деформографи, що сьогодні використовуються у вітчизняній і світовій практиці забезпечують точність меншу, ніж 0,25 мкм [3]. Крім того, недосконалість реєструючої системи (фотооптичний запис і фотоелектричний перетворювач) не дозволяють проводити довготривалі режимні спостереження в земній корі. Створення малогабаритного, високочутливого, високоточного, стабільного, надійного і простого в експлуатації датчика для деформографів є зараз актуальною задачею.

Створення прецизійного і стабільного датчика сприяло б вирішенню вказаних проблем і мало б велике практичне значення як в галузі пошуку провісників землетрусів, так і в промисловості, а також дозволить глибше розібратись в суті процесів, що відбуваються в середовищі, і постійно вести спостереження за зміною напружено- деформованого стану, що є важливим фактором під час підготовки до землетрусу [4].

За останні декілька десятиліть для реєстрації сейсмічних полів було розроблено і впроваджено різні модифікації перетворювачів для деформографів: механічні, світлові, п'єзо, тензо, конденсаторні і лазерні. Для механічних є характерним багатоланкова система передачі переміщення; для світлових - нестабільність освітлення і зміна характеристик фотоелементів; для п'єзо і тензо - нелінійність перетворення сигналу, малий динамічний діапазон, поступове руйнування кристалічної структури перетворювача, зміни температури і тиску; для конденсаторних - значний вплив температури і тиску, вологості, монтажних з'єднань, недовговічність і нелінійність, обмежений динамічний діапазон.

Найкращі характеристики, на думку авторів має прилад, описаний у роботах [2,5,6,7,8,9,10,11,12,13]. Результати вимірів датчика-інтерферометра виражаються в долях довжини світлової хвилі лазерного генератора (в даному випадку 0,63 мкм). Проте можна вказати і на його недоліки - нестабільність частоти лазера та оптичної довжини захисного трубопроводу, недостатня теплова ізоляція лазера, який є джерелом випромінювання тепла від вимірювальної системи, а також реєстрація переміщень тільки в динамічному режимі. За допомогою згаданого лазерного інтерферометра було проведено декілька неперервних деформографічних спостережень на протязі двох місяців. Для прикладу, на рис.1 наведено три фрагменти запису сейсмічних подій. Аналізуючи отриману інформацію, можна вказати на відносно широкий динамічний діапазон приладу (4Ао - 10 мкм), широкосмуговість системи (0,01 - 100 Гц), що дозволяє одночасно реєструвати як повільні, так і короткотривалі процеси. Дані про віддалені землетруси (всього зафіксовано 20 подій від - 500 км і 10 віддалених до 16000 км), дозволяють зробити висновок, що найбільш інформативними є зафіксовані переміщення з амплітудою від 0,2 мкм і періодом від 40 до 0,1 секунди (0,04 - 0,1 гц).

Рисунок 1- Фрагменти запису сейсмічних подій лазерним інтерферометром, що описаний в роботі [5]

На Карпатському геодинамічному полігоні деформографічні дослідження проводились на двох сейсмічних геофізичних станціях (ст.Берегово, ст.Королеве) з допомогою деформографа оптико-механічного типу, розробленого ще на початку 70-х років проф. Латиніною Л.А. [3]. Цей деформограф на сьогоднішній день є фізично і технічно застарілий.

Автори статті поставили перед собою завдання розробити і впровадити для збору деформографічної інформації перетворювач на сучасній елементній базі з відповідними характеристиками, простий в обслуговуванні і експлуатації, з уніфікованим цифровим і паралельним аналоговим зняттям інформації і який би забезпечував :

- частотний діапазон (0 - 50 Гц ), що дозволить фіксувати і статичне переміщення;

- мінімальне зміщення 0,16 мкм (без накопичення і інтерполяції);

- цифровий і аналоговий вихід ;

- повний динамічний діапазон переміщень 0,16 мкм - 980 мкм;

- нестабільність випромінювання лазера 10-9 за 12 год.

Прилад з наведеними вище характеристиками нами розроблений і вже виготовлено дослідний взірець.

Переваги запропонованого приладу наступні:

- відсутність громіздкого захисного трубопроводу;

- короткий (2мм) шлях проходження лазерного променя;

- відсутність зовнішніх коректорів інтенсивності випромінювання;

- живлення з широтно-імпульсною модуляцією;

- уніфікованість зняття інформації;

- можливість обробки і накопичення інформації на ПЕОМ;

- розширений до 980 мкм динамічний діапазон дозволяє використовувати прилад для реєстрації значних зміщень і близьких вибухів.

- гарантується 1500 год. безперервної роботи без погіршення характеристик.

Порівняно низька нижня границя вимірювання - 0,16мкм доведена експериментально (менші переміщення не задавались через відсутність необхідного устаткування). Для градуювання застосовувався магнітостріктор, що використовувала проф. Латиніна Л.А. для деформографа, описаного в [3]. Для деформографічних досліджень на Закарпатті нижня границя чутливості 0,16 мкм є цілком достатньою, так як прилад пропонується використовувати безпосередньо в сейсмічноактивній зоні. При необхідності для збільшення чутливості можливе застосування механічного перетворювача 1:7, який використано в базовій моделі деформографа [3].

Пояснимо принцип роботи запропонованого деформографа.

Кварцева труба, довжиною не менше 20 м, закріплюється з одного кінця в бетонному постаменті в горизонтальному положенні і підвішується за допомогою підвісних систем встановленних вздовж осі труби, в розтин якої вмонтовується магнітострикційний елемент. З іншого кінця, на торець труби закріплюється кварцеве дзеркало високого класу обробки відбиваючої поверхні.

В коробі , який за допомогою мікрометричних гвинтів і рівня виведений у горизонтальне положення, вільно розміщена алюмінієва плита із закріпленим лазерним реєструючим пристроєм. По бетонному постаменті плита може рухатись тільки вздовж осі кварцевої труби з допомогою двох мікрометрів в інтервалі 5мм, що є неохідним для усунення зайвих рухомих частин і виведення перетворювача в початкове положення.

За результатами випробовування максимальна стабільність забезпечується при массі алюмініевої плити - 20кг і розмірах 20405см.

Основою реєструючого пристрою є напівпровідниковий арсенід-галієвий лазер потужністю 2 мВт, прецизійна оптична лінза, фотодіодна матриця і монолітна електронна схема керування. За рахунок малої фокусної відстані лінзи промінь лазера проектується зменшеним у діаметрі в 1000 раз і в стільки ж зменшуються і всі завади на його шляху. За рахунок прямого і зворотнього проходження променя компенсується зміна фази випромінювання лазера. Промінь 1, діаметром 1 мм рис.3а, проходячи через призму 2, заломлюється на кут 90о, проходить через напівпрозору призму Фуко 3 і фокусується рухомою лінзою 4 в пляму 1 мкм на відбиваючій поверхні 6 рис.4,б. Максимальна відстань від лінзи до відбиваючої поверхні 1,5 - 2,5 мм. Відбитий промінь проходить назад через фокусуючу лінзу 4 напівпрозору призму Фуко 3, заломившись на якій, потрапляє на фотодіодну матрицю 5.

Рисунок 2 - Схема оптичної системи реєструючого пристрою.

Діаметр плями на фотодіодній матриці 5 становить 1 мкм, він перемежовується електронікою і виділяється для керування позицій рухомої лінзи 4. При стабільній відбиваючій поверхні, співпаданні за фазою відбитого і прямого променя, розмірі плями 1 мкм, відображеній на фотодіодній матриці, керуючий сигнал розфокусування для лінзи 4 дорівнює нулю. При переміщенні відбиваючої поверхні 6 змінюється діаметр плями на фотодіодній матриці, виробляється сигнал управління рухомою лінзою 4. За рахунок електромеханічного зворотнього зв'язку відстань між лінзою 4 і відбиваючою поверхнею дзеркальця 6 рис.2б. підтримується з високою точністю, а сигнал керування рухомою лінзою 4 кількісно відображає переміщення відбиваючої поверхні 6. Сигнал розфокусування при переміщеннях менших від довжини хвилі випромінювання (різниці фаз між прямим і відбитим променями) може відслідковуватись з такою ж точністю, але при відповідний якості обробки відбиваючої поверхні дзеркальця 6, а також параметрами електроніки. В нашому випадку при зміні відстані від 0 до 980 мкм сигнал керування лінзою змінюється лінійно від 1.5 мV до 4900мV (див.рис.3). лазерний електричний деформаційний вимірювання

Рисунок 3 - Залежність напруги керування лінзою ( Е, мV) при переміщенні - (L, mкm) відбиваючої поверхні

Електронний блок реєструючого пристрою 4 на рис.2 включає в себе процесор управління фокусуючою лінзою, стабілізатор напруги живлення лазерного генератора, плату фільтрів вихідного сигналу, який застосовано для виділення сигналу слідкування за переміщенням в інтервалі від 0 до 60 Гц (без фільтру швидкість слідкування за переміщенням сягає 10 кГц при прискоренні 10 м/сек2), стабілізатор живлення і блок АЦП (аналогово-цифровий перетворювач).

В лабораторних умовах було проведено наступні дослідження дослідного взірця:

1. Час встановлення режиму вимірювання.

2. Нелінійність слідкування системи в діапазоні 0 - 1000 мкм ( переміщення відбиваючої поверхні задавались механічно за допомогою мікрометра з точністю 2,5 мкм). при кроці 5 мкм нелінійність становила 2%, що повязано з класом точності мікрометра (2,5 мкм). При вимірах відбиваюча поверхня шунтувалась на протязі 24 год. За цей час вихідний сигнал залишався стабільним у межах класу точності електронного вольтметра В-019.

3. Градуювання і чутливість визначались за методикою,описаною в [3].

Магнітостріктор, який пройшов калібрування на інтерферометрі і використовувався у приладі [3], використали і ми для задання градуювального переміщення в динамічному і статичному режимі. На його торцеву поверхню наклеювалось силікатним клеєм відбиваюче дзеркало і через його катушку, опором 10 Ом пропускалась змінна, імпульсна і постійна напруга з діючим значенням від 0,05 до 8В . При струмі через катушку від 0,1 до 0.8А було зареєстровано переміщення від 0,16 до 20 мкм і відповідно сигнал керування фокусуючою лінзою становив 0,6-60мВ. Експерименти проводились неодноразово при денному і штучному освітленні і різній температурі. При цьому результати повторювались. В експериментах використовувались осцилограф С-68, вольтметр В-19, генератор ГЗ-118. Напруга живлення реєстратора - 12В, струм споживання пристрою - 0,25А.

Розроблена реєструюча система використовувалась для паралельного зняття амплітудно-частотних характеристик сейсмодатчика СМ-3кВ. Сейсмодатчик СМ-3кВ встановлювався на стандартну калібрувальну платформу з приєднаною лазерною реєструючою системою. Вихідні дані двома незалежними каналами з однаковими характеристиками передавались для обробки і запису на ПЕОМ. Задання переміщень на калібрувальну платформу проводилось по загальноприйнятою методикою.

При переміщеннях робочої котушки маятника СМ-3кВ на частотах менших від 0.8Гц електрорушійна сила - (ЄРС) в ній не виникала на відміну від данних з лазерного регестратора, АЧХ вихідного сигналу якого була лінійною до 45Гц (див. рис.4).

Рисунок 4- Амплітудно - частотна характеристика (АЧХ) вихідного сигналу при сталій амплітуді збудження калібрувальної платформи: 1 - сигнал з лазерного перетворювача, 2 - сигнал з робочої котушки СМ-3кВ.

Отримані результати вказують на високу чутливість і лінійність лазерного реєструючого пристрою. Режимні спостереження за допомогою розробленого реєстратора нададуть кількісну і якісну інформацію, яка необхідна для кращого розуміння процесів, що відбуваються у земній корі, забезпечить їх моніторинг і передбачення на цій основі геодинамічних і сейсмічних явищ. Для розв'язання останньої задачі розроблено методику визначення швидкісної моделі середовища під сейсмічною станцією “Берегово”, розробляється методика сумісного визначення моделі середовища і параметрів вогнища землетрусу [4]. Застосування описаного реєстратора дозволить підвищити достовірність оцінок сейсмічної небезпеки в регіоні, забезпечити контроль за динамікою напружено-деформованого стану земної кори і краще вивчити механізми виникнення місцевих землетрусів та створити теоретико-експериментальні основи їх прогнозування.

Запропонований лазерний реєстратор може бути використаний геофізичними установами та організаціями у регіонах, де відбуваються активні сейсмотектонічні процеси. Можливість фіксації статичного зміщення з великим періодом знайде застосування і у промисловому будівництві [13]. Це суттєво зменшить втрати, як людські так і матеріальні спричинені такими руйнівними явищами, як землетруси.

Література

1. Алешин В.А., Дубров М.Н., Яковлев А.П. Геофизический лазерный деформограф штольневого типа, Физика Земли, №4. 1993, с.62-68.

2. Дубров М.Н., Матвеев Р.Ф. Разработка и исследование многокомпонентных геофизических лазерных интерферометров-деформографов. Радиотехника и электроника, т.43, №9. 1998, с.1147-1152.

3.Описание деформографа и правила его эксплуатации.(составила Латынина Л.А.) Москва ., 1971.

4. Мікросейсмічні і деформаційні дослідження в Закарпатті: результати та перспективи.( Т. Вербицький, А. Гнип, Д. Малицький, А. Назаревич, Ю. Вербицький, В. Ігнатишин, О. Навотна, М. Нарівна, І. Ярема.)

5. Алешин В.А., Горшков А.С., Дубров М.Н., Иванов И.П., Скепко А.Г. Лазерный интерферометр для деформографических наблюдений в зоне Сурхобского тектонического разлома, Известия АН СССР, Физика Земли, N3. -1986. с.80-87.

6. ZMI-1000 Displacement measurement interferometer system, Проспект фирмы ZIGO, Международная выставка "Наука-93", Москва, ноябрь, 1993.

7. Smith P.W., Ganapathi S.K., Veillard D.H. Measurement of Head-Disk Spacing Using Laser Heterodyne Interferometry. 2. Simulation and Experiments, IEEE Transactions on Magnetics, Vol 29, Iss 6, 1993, pp 3912-3914.

8. Araya A., Kawabe K., Sato T., Mio N., Tsubono K. Highly Sensitive Wide-Band Seismometer Using a Laser Interferometer, Review of Scientific Instruments, 1993, Vol 64, Iss 5, pp 1337-1341.

9. Дубров М.Н., Матвеев Р.Ф. Вопросы теории протяженных лазерных деформографов для сейсмических исследований, Препринт №1(589), ИРЭ РАН, М., 1994.-28 с.

10. Alyoshin V.A., Mahmoud S.M., Loskutov V. Laser strainmeter at Helwan Geodynamical Observatory for high resolution measurements of Earth's crustal deformation, The Ninth International Symposium on Recent Crustal Movements CRCM'98, November 14-19, 1998, Cairo, Egypt, Abstracts, Cairo, NRIAG, A1, 1998.

11. Дубров М.Н. Следящая система для оптических интерферометров, Патент РФ №720292, МПК: G01B 9/02, БИ, N9, 1980.

12. Измайлов Г.Н., Николаев Ф.А., Дубров М.Н., Алешин В.А., Парахин В.Е. Стабильный лазерный интерферометр для постановки прецизионных физических экспериментов. Журнал технической физики, 1987, вып.6, с.1194-1197.

13. Дубров М.Н., Латынина Л.А., Матвеев Р.Ф., Пономарев А.В. Наблюдение сверхдлиннопериодных деформационных колебаний земной поверхности, связанных с малыми вариациями атмосферного давления. Физика Земли, №12, 1998, с.22-30.

Размещено на Allbest.ru