Устройство уменьшения погрешности чувствительности по давлению и температуре у высокоточных оптических измерительных преобразователей перемещения

Иллюстрации

Показать все

Использование: для оптического измерения перемещения. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют генерацию данных от оптического измерительного устройства, относящихся к относительному перемещению исследуемого параметра между двумя или несколькими отражающими поверхностями оптического измерительного устройства; предотвращение изменений в данных, в результате изменений в оптическом измерительном устройстве из-за: i) температуры или ii) давления, путем компенсации изменений в оптическом измерительном устройстве. Компенсация включает в себя корректировку, по меньшей мере, одного источника света, генерирующего электромагнитный луч, по меньшей мере, частично, принятого оптическим измерительным устройством в ответ на корректирующие данные, относящиеся к устройству управления оптическим измерительным устройством в оптическом измерительном устройстве. Компенсация включает в себя использование оптического измерительного устройства и настройку оптического измерительного устройства таким образом, чтобы разность между первым переменным зазором и вторым переменным зазором в основном равнялась нулю при работе устройства в номинальных условиях. Технический результат: обеспечение возможности повышения чувствительность датчика к перемещению. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 12 ил.

Реферат

1. Область техники, к которой относится изобретение

Данное изобретение относится к способам и устройствам оптического измерения перемещения.

2. Предпосылки создания изобретения

Измерительные преобразователи перемещения, такие как акустические датчики и датчики давления, хорошо известны. В основе многих измерительных преобразователей перемещения лежит электрическая емкость, полное электрическое сопротивление или напряженность магнитного поля. Использование данных измерительных преобразователей перемещения на основе электрических и магнитных свойств ограничивается: низкой чувствительностью, необходимостью смещения высоких потенциалов, плохой электрической изоляцией, факторами окружающей среды и нелинейностью характеристик. Эти ограничения требуют наличия сверхкритической связи между конструкцией преобразователя и механической конструкцией датчика, что ведет к ограничению характеристики и функционального габарита измерительного преобразователя перемещения. Оптические измерительные преобразователи перемещения, такие как измерительные преобразователи перемещения с эталоном, нечувствительны к электрическим и магнитным полям и могут частично снять ограничения, свойственные измерительным преобразователям перемещения на основе электрических и магнитных полей.

КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к устройству и способу оценки исследуемого параметра, использующее величину интенсивности луча, по меньшей мере, одного электромагнитного луча, проходящего, по меньшей мере, через часть оптического измерительного устройства.

Один из вариантов осуществления настоящего изобретения включает в себя устройство оценки исследуемого параметра, содержащее оптический измерительный преобразователь перемещения, включающий: оптическое измерительное устройство, способное принимать, по меньшей мере, один электромагнитный луч, оптическое измерительное устройство, содержащее: первую отражающую поверхность; вторую отражающую поверхность; третью отражающую поверхность, неподвижно закрепленную относительно второй отражающей поверхности; четвертую отражающую поверхность, неподвижно закрепленную относительно первой отражающей поверхности; первый переменный зазор между первой отражающей поверхностью и второй отражающей поверхностью; второй переменный зазор между третьей отражающей поверхностью и четвертой отражающей поверхностью; и, по меньшей мере, одну детекторную матрицу, способную принимать, по меньшей мере, часть одного электромагнитного луча.

Каждое относительное перемещение между первой отражающей поверхностью и второй отражающей поверхностью и относительное перемещение между третьей отражающей поверхностью и четвертой отражающей поверхностью может служить признаком исследуемого параметра. Оптическое измерительное устройство включает в себя средний элемент, содержащий вторую отражающую поверхность и третью отражающую поверхность. Средний элемент содержит чувствительную массу. Чувствительная масса может быть непрозрачной. Оптическое измерительное устройство включает в себя внешний элемент, содержащий первую отражающую поверхность и четвертую отражающую поверхность. Внешний элемент может содержать чувствительную массу. Оптическое измерительное устройство может быть настроено таким образом, чтобы разность между первым переменным зазором и вторым переменным зазором в основном сводилась к нулю при работе устройства в номинальных условиях. Номинальные условия включают в себя, по меньшей мере, одно из следующих условий: i) гравитационный ориентир; ii) нулевое усилие; iii) нулевое ускорение; iv) нулевое давление. По меньшей мере, один электромагнитный луч может включать в себя несколько электромагнитных лучей. Устройство способно направлять первый электромагнитный луч в первый переменный зазор, а второй электромагнитный луч во второй переменный зазор.

Другой вариант осуществления, в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя устройство оценки исследуемого параметра, содержащее: оптический измерительный преобразователь перемещения, включающий в себя: по меньшей мере, один источник света, способный формировать, по меньшей мере, один начальный электромагнитный луч; оптическое измерительное устройство, способное принимать, по меньшей мере, один электромагнитный луч, содержащий, по меньшей мере, часть начального электромагнитного луча; по меньшей мере, один детектор, способный принимать, по меньшей мере, часть одного электромагнитного луча, принятого оптическим измерительным устройством и предоставлять данные, касающиеся исследуемого параметра; устройство управления источником света с обратной связью, содержащее оптический компонент в оптическом измерительном устройстве, устройство управления источником света с обратной связью, способное компенсировать изменения температуры в оптическом измерительном устройстве путем корректировки, по меньшей мере, одного источника света.

Устройство может включать в себя корпус, закрывающий оптическое измерительное устройство и оптический компонент. Корпус может быть герметизирован. Корпус может сохранять внутри вакуум. Оптический компонент включает в себя: светоделитель, способный разделять, по меньшей мере, один начальный электромагнитный луч, по меньшей мере, на один первый электромагнитный луч и, по меньшей мере, один второй электромагнитный луч; устройство управления оптическим измерительным устройством, способное принимать, по меньшей мере, один второй электромагнитный луч. Устройство включает в себя: по меньшей мере, один детектор, оптически связанный с оптическим компонентом, способный принимать часть, по меньшей мере, одного второго электромагнитного луча; управляющую электронику, функционально связанную, по меньшей мере, с одним детектором и, по меньшей мере, одним источника света и способную осуществлять управление с обратной связью, по меньшей мере, одним источником света, используя данные, по меньшей мере, от одного детектора.

Другой вариант осуществления, в соответствии с настоящим изобретением, включает в себя способ оценки исследуемого параметра в буровой скважине, пересекающей формацию. Способ включает в себя: спуск оптического измерительного устройства в буровую скважину; генерацию данных от оптического измерительного устройства, относящихся к относительному перемещению исследуемого параметра между двумя или несколькими отражающими поверхностями оптического измерительного устройства; предотвращение изменений в данных, в результате изменений в оптическом измерительном устройстве из-за: i) температуры или ii) давления, путем компенсации изменений в оптическом измерительном устройстве. Компенсация включает в себя корректировку, по меньшей мере, одного источника света, генерирующего электромагнитный луч, по меньшей мере, частично, принятого оптическим измерительным устройством в ответ на корректирующие данные, относящиеся к управлению оптическим измерительным устройством. Компенсация предусматривает использование оптического измерительного преобразователя перемещения, содержащего: первую отражающую поверхность; вторую отражающую поверхность; третью отражающую поверхность, неподвижно закрепленную относительно второй отражающей поверхности; четвертую отражающую поверхность, неподвижно закрепленную относительно первой отражающей поверхности; первый переменный зазор между первой отражающей поверхностью и второй отражающей поверхностью; второй переменный зазор между третьей отражающей поверхностью и четвертой отражающей поверхностью; и настройку оптического измерительного устройства таким образом, чтобы разность между первым переменным зазором и вторым переменным зазором в основном сводилась к нулю при работе устройства в номинальных условиях.

Примеры некоторых признаков изобретения, таким образом, обобщены достаточно широко в целях их лучшего понимания в нижеследующем подробном описании и оценки усовершенствования существующей техники. Существуют дополнительные признаки изобретения, описанные ниже, которые составляют предмет формулы изобретения, прилагаемой к настоящему документу.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Для лучшего понимания настоящего изобретения сделаны ссылки на следующее подробное описание варианта осуществления, которое следует рассматривать совместно с прилагаемыми чертежами, на которых одинаковые позиции, как правило, обозначены одинаковыми цифрами.

На РИС. 1 представлено оптическое измерительное устройство, соединенное с каротажным кабелем, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На РИС. 2 представлено графическое изображение отраженного и переданного света в интерферометре Фабри-Перо, в соответствии с настоящим изобретением.

На РИС. 3 представлено графическое изображение оптических откликов в диапазоне падающих углов света в интерферометре Фабри-Перо, в соответствии с настоящим изобретением.

На РИС. 4 представлено схематическое изображение оптического измерительного устройства, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На РИС. 5 представлено схематическое изображение расходящегося луча света, полученного в другом оптическом измерительном устройстве, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На РИС. 6 представлено схематическое изображение интерферометра и детекторной матрицы оптического измерительного устройства, в соответствии с одним из вариантов осуществления настоящего изобретения.

На РИС. 7А и 7В представлены другие примеры оптического измерительного преобразователя перемещения с источником света с синхронизированной длиной волны.

На РИС. 8 представлен другой пример оптического измерительного преобразователя перемещения с источником света с синхронизированной длиной волны.

На РИС. 9А и 9В представлен примерный гравиметр с оптическим измерительным устройством с двумя резонаторами Фабри-Перо, в соответствии с настоящим изобретением.

На РИС. 10 представлена блок схема способа оценки исследуемого параметра в буровой скважине, пересекающей формацию, в соответствии с настоящим изобретением.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение относится к устройствам и способам оценки исследуемого параметра оптическим измерительным устройством, использующим методы предотвращения изменений в данных, генерируемых в оптическом измерительном устройство, в результате изменений температуры или давления в оптическом измерительном устройстве. Эти способы представляют собой компенсацию изменений в оптическом измерительном устройстве.

Варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя оптическое измерительное устройство с двойным резонатором. В традиционных гравиметрах длина резонатора может колебаться в зависимости от температуры, образуя член смещения, который вычисляется при расчетах. При использовании общего элемента, удерживающего отражающие поверхности каждого соответствующего резонатора на противоположных сторонах, данные измерений от двух устройств могут быть соотнесены друг с другом таким образом, что влияние изменений температуры на один резонатор отменяет влияние изменений температуры на другой резонатор. Резонаторы двухрезонаторного гравиметра проектируются равной длины, если усилие на чувствительную массу равно нулю. Таким образом, разница в длинах резонатора, может использоваться в качестве соответствующего члена смещения, который, по существу, может быть сведен к нулю. Элемент может использоваться в качестве чувствительной массы. Некоторые варианты осуществления используют отражение только обоих резонаторов. В этом случае, зеркала, прикрепленные к пружинному механизму чувствительной массы, могут быть зеркалами с высоким значением коэффициента отражения, позволяя увеличить габариты чувствительной массы. Это может повысить чувствительность датчика к перемещению чувствительной массы за счет увеличения добротности обеих резонаторов.

Варианты осуществления настоящего изобретения включают в себя содержание элемента управления источником света (например, контроль эталоном) в тех же окружающих условиях, что и условия оптического измерительного устройства, используемого для замера данных, связанных с исследуемым параметром (например, эталонный датчик). Оптические измерительные преобразователи перемещения используют источник света, который находится на достаточным расстоянии от датчика и подвержен воздействию различного давления и колебаниям температуры. В результате, колебания длины волны, вызванные факторами окружающей среды, взаимно независимы от параметров датчика и выступают в качестве источника шума. Благодаря лазерному источнику света в физических размерах эталона, колебания в основном обусловливаются изменениями в показателе преломления материала между зеркалами эталона и изменениями длины резонатора. Эти изменения могут проявляться в резонаторе измерительного преобразователя перемещения. Критические компоненты кожуха лазерной системы с компонентами измерительного преобразователя перемещения, эталон синхронизации лазерного луча и резонатор датчика находятся в одной и той же среде, так что изменения в показателе преломления и габаритах эталона синхронизации лазерного луча взаимосвязаны с теми же изменениями в резонаторе датчика. В этой конфигурации температурные коэффициенты эталонного лазерного луча сравнимы с температурными коэффициентами датчика, позволяя компенсировать температурную чувствительность датчика.

Настоящее изобретение восприимчиво к различным вариантам осуществления. На чертежах показаны, а в документе подробно описаны конкретные варианты осуществления настоящего изобретения с пониманием того, что данное описание должно рассматриваться как иллюстративное и не предназначенное для ограничения объема данного изобретения.

На РИС. 1 схематически представлен один вариант осуществления настоящего изобретения, где подземный пласт 10 пробурен скважиной 12. Устройство или инструмент 100 подвешен в скважине 12 за нижнюю часть носителя, такого как каротажный кабель 14. Инструмент 100 может включать в себя процессор. Каротажный кабель 14 перекинут через шкив 18, закрепленный на буровой вышке 20. Разматывание и наматывание каротажного кабеля осуществляется механической лебедкой, перевозимой, например, на грузовике 22. Панель управления 24 соединена с инструментом 100 каротажным кабелем 14 и обычными средствами управления передачей электроэнергии, передачей данных / сигналов управления, а также обеспечивающих контроль над работой компонентов в устройстве 100. Использование гибкого носителя для спуска инструмента 100 является лишь примером. Инструмент 100 может спускаться и жестким носителем. В некоторых вариантах осуществления буровая скважина 12 может использоваться для извлечения углеводородов. В других вариантах осуществления буровая скважина 12 может использоваться для геотермальных исследований, добычи воды, угля, строительства туннелей или для других применений.

В вариантах осуществления устройство 100 способно собирать данные об усилии или ускорении. Устройство также способно: (i) активно или пассивно собирать данные о различных характеристиках пласта, (ii) предоставлять данные об ориентации инструмента и направлении движения, (iii) предоставлять данные о характеристиках пластового флюида и/или (iv) давать оценку условиям в продуктивном пласте (например, пластовое давление, давление в стволе скважины, температура и т.д.). Примерные образцы устройства могут включать в себя резистивные датчики (для определения удельного сопротивления пласта, диэлектрической постоянной и наличия или отсутствия углеводородов), акустические датчики (для определения акустической проницаемости пласта и границы пласта в формации), радиоизотопные датчики (для определения плотности пласта, радиоизотопной проницаемости и некоторых свойств горных пород), зонды ядерно-магнитного каротажа (для определения пористости и других петрофизических характеристик пласта) и гравиметры/гравитационные градиентометры (для оценки плотности пласта). Другие примерные устройства могут представлять собой гироскопы, магнитометры, акселерометры и датчики, осуществляющие отбор проб пластового флюида и определяющие физические и химические свойства пластового флюида.

Устройство 100 опускается до места расположения средств связи или в место вблизи исследуемого параметра. В некоторых вариантах осуществления устройство 100 опускается в буровую скважину 12. Исследуемый параметр может представлять собой, но не ограничиваясь: (i) давление, (ii) усилие и (iii) ускорение. В зависимости от принципа работы устройства 100, устройство 100 способно работать под поверхностью и условиях скважины. Температура окружающей среды в буровой скважине может превышать 120 градусов по Цельсию (248 градусов по Фаренгейту). В других вариантах осуществления устройство 100 может использоваться на поверхности 160.

Устройство 100 включает в себя оптический измерительный преобразователь перемещения в соответствии с вариантами осуществления настоящего изобретения. Оптические измерительные преобразователи перемещения работают за счет обнаружения света, отраженного оптическим элементом, который меняет свою отражающую способность в результате смещения (например, изменения в положении в течение времени) элемента в ответ на сигнал возбуждения, обусловленный окружающими условиями, такими как перепад давлений, звук, вибрация, и т.д. Обнаруженный свет может быть преобразован в электрический сигнал. Этот сигнал представляет собой функцию отражательной способности оптического элемента, и, следовательно, функцию сигнала возбуждения. Оптический измерительный преобразователь перемещения может включать в себя оптический интерферометр.

Доказано, что оптические интерферометры обладают высоким разрешением при использовании их в качестве детекторов перемещения в физических устройствах зондирования, таких как акустические датчики, датчики давления и акселерометры. Одним примером оптического интерферометра является интерферометр Фабри-Перо, который также известен как эталон. Эталон включает в себя оптический резонатор, разделяющий световую энергию входного светового сигнала на отраженный сигнал и переданный сигнал. Соотношение световой энергии в отраженных и переданных сигналах зависит от длины оптического резонатора, представляющего собой расстояние между его двумя, по существу, параллельными и частично отражающими поверхностями и его рабочей длины волны х, (то есть, длина волны х, света, на которой работает интерферометр).

В эталоне свет подвергается модуляции очень малыми изменениями длины волны резонатора и эти изменения обнаруживаются стандартными способами оптического обнаружения, проявляя себя в широком динамическом диапазоне. Использование светового луча для считывания данных сильно отличается от стандартных подходов, которые используют заряженные частицы, включая электростатические, емкостные, пьезоэлектрические, или пьезорезистивные способы. Все эти технологии требуют наличия сверхкритической связи между конструкцией преобразователя и механической конструкцией датчика. Это накладывает ограничения на датчик, которые отрицательно влияют на характеристику, особенно при уменьшении размера. Измерительный преобразователь перемещения на основе эталона с высоким динамическим диапазоном и высокой чувствительностью обладает значительными преимуществами в области физического контроля, включая уменьшение размеров оптического интерферометра и отсутствие отрицательного воздействия на поляризационно-интерференционный измерительный преобразователь. Эта независимость между эталоном и поляризационно-интерференционным измерительным преобразователем помогает устранить перекрестные связи в конструкции измерительного преобразователя и конструкции датчика.

Эталон может быть сконфигурирован таким образом, чтобы одна поверхность эталона, функционально соединенная с поверхностью подвижного элемента, или расположенная на нем, была чувствительна к сигналу возбуждения усилия или ускорения. При смещении элемента в ответ на сигнал возбуждения, длина резонатора изменяется и, следовательно, меняется соотношение световой энергии в отраженных и переданных сигналах. В результате, электрический выходной сигнал, образованный одним из отраженных и переданных сигналов, является функцией сигнала возбуждения, падающего на эталон.

Основной принцип функционирования предполагает создание оптического канала, длина которого изменяется при воздействии внешнего сигнала возбуждения, такого как давление или ускорение. В целом эталон может использоваться при проектировании данных типов измерительных преобразователей. Данный тип интерферометра может иметь два параллельных диэлектрических зеркала, образующих полый резонатор. Свет, падающий на резонатор, частично передается в соответствии с формулой:

,

F (добротность) определяется отражающей способностью двух зеркал,

,

где R0 представляет собой отражающую способность зеркал. При этом предполагается, что величины отражающей способности двух зеркал равны. Выражение представляет собой фазу с длиной волны при ее распространении в прямом и обратном направлениях в резонаторе длиной d, коэффициентом отражения n и углом падения θ.

Типичный отклик представлен на Рис. 2, где переданная волна 210 отражается как отраженная волна 220. Скорость изменения оптического сигнала может составлять несколько процентов на один нанометр смещения. Оптический сигнал может расщепляться до уровня 100 частей на миллиард (част/млрд.) и ниже, что приравнивается к способности измерительного преобразователя обнаруживать фемтометровый масштаб изменений в смещении одного зеркала относительно другого зеркала. Тем не менее, чувствительность измерительного преобразователя может оставаться очень низкой на протяжении большей части типичных рабочих точек, что видно на кривых 210 и 220. Чувствительность измерительного преобразователя пропорциональна абсолютному значению наклона кривых 210 и 220. Следует отметить, что наклон и чувствительность могут быть очень низкими, если зазор d находится в интервале примерно от 60,2 микрометра до 60,4 микрометра, а наклон может быть выше, если зазор находится в интервале примерно от 60,4 микрометра и 60,6 микрометра.

Датчик с высоким разрешением требует, чтобы длина оптического резонатора допускала изменение при разных длинах волн. Одним из способов поддержания чувствительности в широком диапазоне длин резонатора является использование нескольких световых лучей, когда каждый луч имеет различный отклик на изменения длины резонатора. Несколько световых лучей могут создавать различные отклики, имеющие различные длины волн, различные углы падения или их комбинацию.

На Рис. 3 представлена диаграмма кривых, представляющих несколько световых лучей с примерным набором различных углов падения. В этом примере, углы падения лежат в интервале от 1,00 градуса для кривой 310 и до 7,00 градусов для кривой 320. Данный интервал углов является только иллюстративным, но могут быть использованы другие интервалы углов, что очевидно специалисту в отрасли техники, к которой относится данное изобретение. Из анализа этих кривых следует, что чувствительностью к определенной длине резонатора обладает более чем один луч. Данные лучи получают с использованием методов, известных специалистам в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, в том числе, но не ограничиваясь: (i), направлением нескольких световых лучей в направлении одинарной линзы, способной работать в режиме деления и (ii) направлением нескольких световых лучей в сторону элементарной линзы многопучковой системы, соответствующей каждому из нескольких световых лучей.

На Рис. 4 представлена схема одного варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением. Коллимированный и/или поляризованный когерентный световой луч 410 разделяется светоделителем 415 для генерации опорного сигнала 420. Цилиндрическая конденсорная линза 430 рассеивает луч 410 на расходящиеся пучки 480 в дальней зоне. Входное отклоняемое зеркало 440 устанавливает средний угол падения через эталон 445. В некоторых вариантах осуществления средний угол находится в интервале примерно от 0 градусов до примерно градусов, где:

; (3)

= ширина луча;

; а

= отражательной способности поверхностей эталона

Любому специалисту в отрасли техники, к которой относится данное изобретение понятно, что средний угол может находиться в интервале примерно от 0° до угла такой величины, который приводит к ослаблению интенсивности светового луча до такой степени, что он прекращает интерферировать. Световые лучи 480, каждый со своим углом падения, могут частично передаваться через эталон 445 и быть коллимированы до попадания на детекторную матрицу 460 коллиматорной линзой 450. Число углов падения световых лучей меняется в зависимости от добротности эталона 445. Добротность представляет собой параметр, характеризующий оптический резонатор и зависит от отражательной способности зеркальных поверхностей эталона 445 и определяется здесь уравнением (2). Как правило, более высокая отражательная способность является результатом более высокой степени добротности и большего числа углов падения световых лучей, которые могут потребоваться в эталоне 445. Детекторная матрица 460 включает в себя два или более светочувствительных детектора, например фотодиоды. В данном варианте осуществления, детекторная матрица 460 включает в себя девять (9) детекторов с размером пятна каждого детектора примерно в 10 микрометров, а их пространственное разнесение составляет примерно 575 микрометров. Расположение детекторов в детекторной матрице 460 может быть линейным. Детекторная матрица 460 может включать в себя, по меньшей мере, по одному детектору на каждый световой луч 480. Детекторная матрица 460 способна генерировать электрические сигналы в ответ на принятую энергию световых лучей 480. Коллиматорная линза 450 представляет собой матрицу из нескольких линз. Конденсорная линза 470 способная фокусировать световой луч 410 на опорном детекторе 490. Световой луч 410 может иметь любую длину волны (т.е. быть инфракрасным, видимым, ультрафиолетовым и т.д.) пока соответствующие линзы, детекторы и эталон настроены и/или способны на соответствующую ответную реакцию при использованной длине волны. В некоторых вариантах осуществления, второй световой луч (не показан) с другой длиной волны светового луча 410 может быть использован наряду со световым лучом 410.

На РИС. 5 и 6 представлена схема другого варианта осуществления в соответствии с настоящим изобретением. На нем когерентный луч света 410 проходит через коллиматорную линзу 505 и поляризатор 508 в линзу 530, которая преобразует входящий луч 410 в лучи 580. Линза 530 способна вызывать расхождение или схождение входящего луча 410. Лучи 580 падают на эталон 445, где часть каждого из лучей 547, передается на решетку из линз 450. Линза 530 показана в виде пары вогнутых цилиндрических линз, но только в качестве примера и только иллюстративно, поскольку линза 530 может представлять собой одинарную вогнутую линзу, одинарную выпуклую линзу или пару выпуклых линз. Лучи 580 могут быть расходящимися или сходящимися. Решетка из линз 450 фокусирует лучи на детекторной матрице 460. В некоторых вариантах осуществления одинарная линза (не показана) может использоваться в дополнение или вместо решетки из линз 450. В некоторых вариантах осуществления оптическая решетка (не показана) может использоваться в дополнение или вместо линзы 530. Детекторная матрица 460 способна генерировать электрические сигналы в ответ на принятую энергию световых лучей 580. Хотя опорный луч здесь не показан, но он может быть использован для увеличения чувствительности в некоторых вариантах применения. Опорный луч может использоваться для нейтрализации шума, вызванного изменениями в интенсивности входного светового луча 410. Использование опорного луча определяется специалистами в отрасли техники, к которой относится данное изобретение.

В других вариантах осуществления когерентный световой луч от волоконно-оптического источника может рассеиваться естественным путем, формируя расходящиеся лучи, которые проходят через эталон к специальной линзе, включающей, например, внеосевые зоны Френеля, способные передавать энергию падающего светового луча от каждой кольцеобразной зоны и направлять ее в отдельный детектор или детекторную матрицу. Детекторная матрица может включать в себя, по меньшей мере, два детектора (образуя линейную матрицу) чувствительных к электромагнитной энергии и генерирующих электрические сигналы в ответ на принятую энергию световых лучей. В некоторых примерах матрица представляет собой двумерную матрицу, включающую в себя полупроводниковый приемник света (ПЗС-матрица), по типу используемых в цифровых камерах.

На РИС. 7А и 7В представлены другие примеры оптического измерительного преобразователя перемещения с источником света с синхронизированной длиной волны. Оптическое измерительное устройство 700 (Рис. 7А) включает в себя источник света 702, длина волны которого, контролируется оптическим компонентом управления. Например, устройство 700 может использовать устройство управления источником света с обратной связью, синхронизируя источник света с длиной волны эталона высокой добротности, управляемого сигналом датчика температуры. На Рис. 7А показан модуль источника света. На Рис. 7В показан сенсорный модуль. Оптический измерительный преобразователь перемещения включает в себя источник света и датчик в виде отдельных модулей, соединенных оптоволоконным кабелем, сохраняющим поляризацию и передающим свет в сенсорный модуль. Каждый модуль содержит интерферометр, такой как эталон. Эталон в модуле источника света (Рис. 7А) используется для синхронизации длины волны лазерного диода со своей длиной волны и подачи на датчик (Рис. 7В) света с постоянной длиной волны. Эталон реагирует на воздействие внешних усилий перемещением одного или обоих своих зеркал.

Со ссылкой на Рис. 7А, модуль 700 источника света содержит в свободном пространстве ряд оптических компонентов, включающих в себя лазерный диод 702, изолятор и устройство управления источником света с обратной связью. Устройство управления источником света с обратной связью включает в себя оптический компонент управления (синхронизирующий эталон 720), один или несколько детекторов (фотодиод 710'), оптически связанных с оптическим компонентом управления, и управляющую электронику (модуль 712 управления лазером), функционально соединенных, по меньшей мере, с одним детектором и лазерным диодом 702. Модуль 700 источника света также включает в себя термоэлектрический охладитель ("ТЭО") 716, регулирующий температуру лазерного диода 702.

Модуль 700 источника света настроен так, что выходной электромагнитный луч ("свет") поступает в оптоволоконный кабель, который, в свою очередь, соединен со светоделителем. Светоделитель способен передавать часть (например, 90 процентов) света на сенсорный модуль 701, а другую часть (10 процентов) на синхронизирующий эталон 720. Свет, внутри термически контролируемой среды 708, распространяется в свободном пространстве в/из/через синхронизирующий эталон 720. Синхронизирующий эталон 720 герметичен и слегка наклонен, сводя к минимуму проблемы, возникающие в связи с паразитным и нежелательным отражением.

Специалистам в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, очевидно, что синхронизирующий эталон может быть заменен на газонаполненный элемент, содержащий газ со структурой полос поглощения, находящихся в пределах длины волны, требуемой датчику. В этом случае лазер синхронизируется с длиной волны полосы поглощения. Газ, который обычно используется для длин волн примерно в 1550 нм, представляет собой метан. В этом случае лазер синхронизируется с одной из вращательных структур полос поглощения молекулы метана. Специалисты в отрасли техники, к которой относится данное изобретение, могут выбирать различные газы для разных длин волн. Тем не менее, использование газонаполненного элемента не компенсирует тепловое воздействие и воздействие коэффициента отражения внутри эталонного датчика.

На Рис. 7В представлен оптический измерительный преобразователь перемещения 701, который может быть реализован в соответствии с различными вариантами осуществления, описанными в данном документе, или использовать различные комбинации элементов и их компонентов. Свет от лазера поступает через оптоволоконный кабель, а затем распространяется в свободном пространстве внутри датчика, содержащего среду с контролируемой температурой.

Как показано на Рис. 7В, оптический измерительный преобразователь перемещения 701 включает в себя оптику 703 датчика, детекторы 707 и оптическое измерительное устройство (эталонный датчик 705). Эталонный датчик (или измерительный эталон) 705 способен оценивать исследуемый параметр. Оптика датчика 703 делит луч на опорный луч и луч, подаваемый в резонатор эталона 705. Оптика способна посылать опорный луч на фотодиод, образуя опорную интенсивность.

На рисунке луч проходит в резонатор с фокальной точки, удаленной от резонатора. Одинаково хорошо он мог быть направлен в резонатор с фокальной точки, находящейся в центре резонатора. После выхода луча из резонатора его восемь частей собираются и фокусируются на матрице датчиков, например, фотодиодах 707. Отклик от фотодиодов 707 принимается вместе с опорным сигналом электронным блоком 709, который может включать в себя один или несколько процессоров. Там он обрабатывается, получая на выходе значение оптической фазы каждого луча, как описано выше.

Эталон в лазере и эталон в резонаторе может находиться в отдельных герметичных корпусах и настраиваться на отдельные температуры. Оптоволоконный кабель между двумя модулями может занимать значительное расстояние, отделяющее модули.

Возвращаясь к Рис. 7A, во время работы модуль 712 управления лазером синхронизирует длину волны источника света 702 с длиной волны эталона высокой добротности, управляемого сигналом датчика температуры. Коэффициент отражения меняется из-за атмосферных изменений, а также от температуры и состава газа. Температура контролируется, ограничивая тепловые изменения в габаритных размерах.

Фотодиоды 710, 710', быстро реагирующие на принятый световой луч, передают сигналы с информацией, указывающей на соответствующий световой луч, принятый модулем 712 управления лазером. Таким образом, фотодиоды 710, 710′ совместно с модулем 712 управления лазером измеряют количество отраженного (R) и переданного (T) света. Разность (R - Т) используется для синхронизации длины волны лазерного диода в сторону интерференционной полосы эталона. Например, длина волны может составлять около 1550 нм.

Синхронизация происходит путем обнаружения света, отражающегося и проходящего через эталон. Переданный свет описывается формулой:

(4)

где I0 представляет собой интенсивность переданного света; F представляет собой коэффициент добротности резонатора; а δ – оптическую фазу света в резонаторе. Оптическая фаза равна:

(5)

где vFSR,L представляет собой свободный спектральный диапазон резонатора; c представляет соб