Устройство для измерения перемещений

Устройство для измерения перемещений

Реферат

 

Использование: в измерительной технике при измерении деформаций оптическими методами, в частности в сейсмологии, геофизике, метрологии. Сущность изобретения: устройство включает корпус, выполненный из двух пустотелых цилиндров, вложенных один в другой и связанных через пружинящий элемент, четыре зеркала образуют два лазерных резонатора и закреплены на концах цилиндров, активный элемент является общей усиливающей средой для обоих лазеров, излучения лазеров с помощью поворотного зеркала и расщепителя совмещаются на фотоприемнике, зазор между боковыми поверхностями цилиндров заполнен антифрикционным материалом. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к измерению деформаций оптическими методами, и может применяться в сейсмологии, геофизике, метрологии для прецизионного измерения деформаций.

Известны интерферометрические измерители перемещений и деформаций на основе помехоустойчивого трехзеркального лазера интерферометра [1] Источником излучения служит стабилизированный по частоте лазер. Указанный тип датчика отличается сложностью из-за применения частотно-стабилизированного лазера и низкой чувствительностью для малых измерительных баз.

Наиболее близким к предлагаемому решению по технической сущности и достигаемому эффекту является лазерный стрейн-сейсмограф, 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 [2] 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 состава газовой среды активных элементов.

Цель изобретения повышение точности измерения за счет устранения нестабильности от воздействия вышеуказанных факторов.

Цель достигается тем, что в устройстве для измерения перемещений, содержащем измерительный блок с двумя лазерными системами, включающими активные среды и резонаторы, систему зеркал и фотоприемник, измерительный блок снабжен корпусом, выполненным в виде вложенных один в другой двух цилиндров, связанных друг с другом посредством пружинного элемента, причем зазор между поверхностями цилиндров заполнен антифрикционным веществом, при этом резонатор одной лазерной системы установлен на торцовых поверхностях меньшего цилиндра, резонатор другой лазерной системы на торцовых поверхностях большего цилиндра, а активная среда размещена внутри меньшего цилиндра и является общей для обеих лазерных систем.

Проведенный заявителем поиск по научно-техническим и патентным источникам информации и выбранный из перечня аналогов прототип позволил 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 заявляемого и известных технических 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".

На чертеже представлена схема устройства для измерения перемещений.

Измерительный блок устройства содержит корпус, выполненный в виде вложенных один в другой двух цилиндров 1 и 2, соединенных пружинным элементом 3. Резонаторы лазерных систем образованы зеркалами 4-7. Внутри меньшего цилиндра 2 расположена активная среда 8. Излучения лазеров с помощью поворотного зеркала 9 и расщепителя 10 совмещаются на фотоприемнике 11. Зазор между боковыми поверхностями цилиндров 1 и 2 заполнен антифрикционным веществом 12.

Устройство работает следующим образом.

Деформации корпуса, направленные вдоль оси цилиндров 1 и 2, приводят к изменению длины пружинящего элемента 3 и, следовательно, к смещению цилиндра 1 относительно цилиндра 2. Это приводит к изменению расстояния между зеркалами 6 и 7, вызывая перестройку частоты одного из лазеров. Частота другого лазера остается неизменной, так как его резонатор, образованный зеркалами 4, 5, не изменяется. Таким образом, значение частоты биений _б, получаемых на фотоприемнике 11, изменяется в соответствии с деформацией корпуса.

Положительный эффект в предлагаемом решении достигается за счет использования высокой степени идентичности лазеров, входящих в устройство для измерения перемещений.

Усиливающие среды лазеров объединены в общем активном элементе, что приводит к одинаковой зависимости частот лазеров от уровня накачки, магнитного поля и изменения состава усиливающей среды (что имеет место, например, в газовых лазерах). Два цилиндра, определяющие длину резонаторов лазеров, находятся в непосредственном тепловом контакте благодаря тому, что соприкасаются боковыми поверхностями. Это приводит к уменьшению разности температур цилиндров и, как следствие, к снижению теплового дрейфа разности частот лазеров. Антифрикционная смазка между цилиндрами обеспечивает их независимое смещение при деформации корпуса, а также повышает теплопроводность, что снижает температурную нестабильность выходного сигнала. В то же время сохраняется высокая чувствительность устройства к деформациям корпуса, направленным вдоль его оси, присущая прототипу.

Проверка предложенного решения проводилась путем расчета температурных перепадов при изменении уровня накачки и температуры окружающей среды для двух случаев: раздельно расположенных резонаторов, как в прототипе, и предложенной конфигурации вложенных пустотелых цилиндров. Было установлено, что уменьшение толщины стенок цилиндров приводит к снижению температурной зависимости разностной частоты лазеров. Для толщины стенок цилиндров, равной 2 мм, получено снижение температурного сдвига сигнала более чем в 60 раз по сравнению с прототипом.

Формула изобретения

Устройство для измерения перемещений, содержащее измерительный блок, включающий две лазерные системы с активной средой и резонаторами, систему зеркал и фотоприемник, отличающееся тем, что оно снабжено корпусом, выполненным в виде вложенных один в другой двух цилиндров, связанных друг с другом посредством пружинного элемента, зазор между поверхностями цилиндров заполнен антифрикционным веществом, резонатор одной лазерной системы установлен на торцевых поверхностях меньшего цилиндра, резонатор другой лазерной системы на торцевых поверхностях большего цилиндра, а активная среда размещена внутри меньшего цилиндра и является общей для обеих лазерных систем.

РИСУНКИ

Рисунок 1