УДК 533.6.071.082.5
ЛАЗЕРНЫЙ ГЕТЕРОДИННЫЙ интерференционный ГРАВИМЕТР
, ,
НефтеКИП»,
г. Москва, Россия
2. Введение
Наиболее распространенными являются относительные гравиметры, в которых силу притяжения Mg пробной массы M уравновешивают силой упругой деформации Ky упругой системы с жесткостью K и измеряют величину деформации y упругой системы [1]. Зная пробную массу и жесткость упругой системы, ускорение земного тяготения g определяют по формуле
. (1)
Упругая система в таком устройстве постоянно находится в нагруженном состоянии. При таком методе необходимо производить начальный отсчет в опорной точке, в которой ускорение земного притяжения известно или считается неизменным, контрольным.
Чаще всего в таких гравиметрах применяют астазированные упругие системы - нелинейные, находящиеся вблизи точки неустойчивого равновесия. Эти гравиметры обладают сравнительно высокой чувствительностью. Однако основным недостатком таких устройств является ограниченный диапазон измерений, обусловленный нелинейностью упругой системы. Другим недостатком метода является "сползание нуль-пункта", т. е. нестабильность условного нуля в показаниях прибора [2]. Это явление обусловлено долговременными несовершенствами упругости материала упругой системы: неупругим последействием, релаксацией, текучестью, усталостью и старением материала, и др. Это приводит к тому, в частности, что при гравитационной геологической разведке приходится чаще возвращаться к исходной опорной точке для коррекции сползания нуль-пункта, что значительно замедляет и усложняет поисковые работы.
Лазерные интерференционные измерители перемещений обладают практически неограниченным диапазоном непрерывного измерения перемещения при сохранении постоянной высокой разрешающей способности [3]. Идея применения лазерного измерителя для измерений деформации упругой системы послужила основой разработки лазерного гравиметра.
3. Оценка принципиальной возможности
Обычная оптическая схема лазерного гетеродинного интерференционного измерителя перемещений обеспечивает чувствительность, при которой одному периоду измерения фазы соответствует перемещение подвижной части интерферометра на величину, равную одной четверти длины волны лазера. Для гелий-неонового лазера длина волны в воздухе при нормальных условиях равна l=0,6328 мкм, поэтому одному периоду измерения фазы соответствует перемещение Dx1=158,5 нм. Дифференциальная оптическая схема удваивает чувствительность интерференционного измерителя перемещений, тогда Dx1=79,25 нм.
Гетеродинный преобразователь обеспечивает измерение в дробной части периода фазы с разрешением до 1/1000. В итоге предел разрешения лазерного гетеродинного интерференционного измерителя перемещений составляет около 0,08 нм. Это значит, что относительный предел разрешения лазерного гравиметра 10-8 может быть достигнут при полной деформации упругого элемента равной 8 мм.
Основными источниками погрешности лазерного гравиметра, как ожидается, могут стать несовершенства упругости материала упругого элемента. Это зависимость модуля упругости от внешних факторов (температуры, магнитного поля и др.), а также нестабильность характеристик упругого и неупругого последействия. Справочные данные по этим характеристикам не имеют достаточной точности и полноты. Кроме того, эти характеристики могут значительно различаться в разных партиях одного и того же материала, а также сильно зависят от режимов термообработки и старения. Поэтому оценка влияния характеристик упругости материала упругого элемента может быть осуществлена только экспериментальным путем.
Поэтому, дополнительной целью данной работы являлось создание прецизионной экспериментальной установки для исследований несовершенств упругости материалов для упругих элементов гравиметров.
Особенностью лазерного гетеродинного интерференционного измерителя перемещений является практически неограниченный динамический диапазон, когда осуществляется непрерывное измерение перемещений (например, для гравиметра в режиме мониторинга), и весьма ограниченный одним периодом фазы статический диапазон изменения (та часть показаний, которая восстанавливается без потерь при выключении-включении прибора). В рассмотренном примере статический диапазон составляет примерно 10 мГал. Для расширения статического диапазона необходимо принимать дополнительные меры. Вот некоторые из них:
· Проведение регулярных или эпизодических циклов полного разгружения-нагружения упругого элемента в каждом сеансе измерений. При этом восстанавливается полное число целых периодов изменения фазы и диапазон измерения расширяется на всю измеряемую величину, т. е. имеется возможность создания полнодиапазонного гравиметра. Недостаток такого варианта в том, что в результатах измерений максимально проявляются кратковременные нестабильности характеристик упругости материала.
· Проведение регулярных или эпизодических циклов частичного разгружения-нагружения упругого элемента до фиксированной известной величины деформации, т. е. до ограничителя. Величина частичного разгружения может составлять доли процента от полной деформации, тогда в той же пропорции уменьшается и диапазон измерений, и влияние кратковременных нестабильностей характеристик упругости.
· Введение дополнительного канала «грубых» измерений деформации, позволяющих расчетным путем восстановить полное число целых периодов изменения фазы. Статический диапазон прибора в этом случае будет определяться диапазоном «грубого» канала.
4. Полнодиапазонный гравиметр
Сущность предлагаемого прибора заключается в том, что при каждом измерении гравитации с помощью пробной массы осуществляют полное нагружение линейной неастазированной упругой системы и лазерным измерителем измеряют величину полной деформации этой упругой системы.
Для достижения заданной точности измерения гравитации выполняют серию циклов, включающих операции, нагружения, выдерживания заданное время в нагруженном состоянии, разгружения и выдерживания заданное время в разгруженном состоянии, регистрируют значения характеристического параметра деформации упругой системы на полочках в нагруженном и разгруженном состояниях, определяют разность значений характеристического параметра деформации в нагруженном и разгруженном состояниях и по величине полученной разности и известным значениям пробной массы и коэффициента жесткости упругой системы определяют значение гравитации.
Это позволяет путем измерения характеристического параметра деформации упругой системы в разгруженном состоянии производить отсчет "нуля" измерительной системы и, тем самым, исключать влияние "сползания нуль-пункта", что значительно повышает точность и достоверность определения гравитации. В гравитационной геологической разведке, в частности, при этом отпадает необходимость возвращаться к исходному опорному пункту маршрута, что может значительно сократить и упростить поисковые работы.
Кроме того, при таком методе определения гравитации упругая система в исходном, нерабочем состоянии находится в разгруженном состоянии, что многократно уменьшает проявления долговременных несовершенств упругости материала, уменьшает процессы текучести, старения и усталости материала и улучшает условия работы упругой системы.
Более того, при таком методе определения гравитации уменьшается или исключаются вовсе влияния на упругую систему общих помех измерениям, одинаковые в разгруженном и в нагруженном состояниях, таких, например, как влияние магнитного поля земли, усталости и нестабильности конструкции прибора и др. Это также может существенно увеличить точность определения гравитации.
Измерения деформации упругой системы лазерным интерферометром осуществляются с использованием кумулятивного счета набега числа интерференционных полос, образующихся при интерференции двух волн света, отразившихся от подвижной и неподвижной частей упругой системы. Это обеспечивает полный диапазон измерений деформации упругой, так как кумулятивный счет набега интерференционных полос может осуществляться практически в неограниченном диапазоне без уменьшения разрешающей способности и точности измерений.
Для таких кумулятивных измерений применяют гетеродинный лазерный интерферометр с одночастотным стабилизированным лазером. При этом смещают оптическую частоту одной из двух волн света, отразившихся от подвижной или неподвижной частей упругой системы, на величину, принадлежащую радиочастотному диапазону; при интерференции этих волн осуществлять фотоэлектрическое преобразование проинтерферировавшего света; измерять средствами радиоэлектроники приращения фазы переменной составляющей полученного фотоэлектрического сигнала на частоте, равной разности оптический частот двух упомянутых волн света и по измеренному приращению фазы и известной длине волны света определять величину деформации упругой системы [5].
Этим обеспечивается не только кумулятивный счет целого числа набега числа интерференционных полос, но и измерение дробной части с высокой точностью, что также ведет к увеличению точности определения гравитации.
5. Структура гравиметра
На рис.1 изображена принципиальная структурная схема лазерного гетеродинного полнодиапазонного гравиметра. На схеме показаны: упругая система в виде упругого параллелограмма 1, имеющего неподвижную часть 1.1, жестко закрепленную на основании прибора, и подвижную часть 1.2, пробная масса (груз) 2, устройство циклического нагружения 3, включающее направляющий механизм 3.1, и приводной узел 3.2, лазер 4 со стабилизированной длиной волны излучения, двухплечий интерферометр 5, включающий поляризационный светодели, призма 5.2 подвижной части интерферометра и отражательные элементы 5.3 на неподвижной ее части, электрооптический частотный модулятор (ЭОЧМ) 6 с генератором 6.1, фотоэлектрический преобразователь оптического сигнала в электрический 7, с усилителем 7.1, фазоцифровой преобразователь с реверсивным счетом набега числа интерференционных полос 8, таймер 9, система синхронизации 10, устройство регистрации данных 11 и персональный компьютер 12. Призма 5.2 подвижной части интерферометра жестко связана с подвижной частью упругой системы, а отража– с ее неподвижной частью.
Рис.1
Гетеродинный интерферометр, упругая система 1, груз 2 и устройство циклического нагружения 3 помещены в термостатированную герметичную камеру. Упругая система выполнена в виде упругого параллелограмма, максимально простой без использования схемной температурной компенсации. Применение точного двухступенчатого термостата и специальной конструкции термостатированной камеры обеспечивает постоянство температуры внутри камеры не хуже 3.10-4 °С. Поправка на оставшиеся малые изменения температуры вводится программным путём с использованием нескольких прецизионных температурных каналов.
6. Фазоцифровой преобразователь с реверсивным счетом периодов
Гетеродинный интерферометр построен на основе электрооптического частотного модулятора (ЭОЧМ) в качестве оптического гетеродина (см. рис.1) [5]. Разработанный фазоцифровой преобразователь (фазометр) позволяет измерять сдвиг фазы между входным сигналом, поступающим от фотоприёмника после усиления, и внутренним опорным напряжением несущей частоты, получаемой от тактового генератора после деления его частоты в 2n раз n-разрядным двоичным счётчиком [4]. При этом обеспечивается измерение фазы в пределах периода с разрешением 1/2n часть периода и реверсивный счёт целых фазовых циклов, если фазовый сдвиг выходит за пределы периода. На рис.2 приведена структурная схема фазометра.
Рис.2.
Фазометр содержит тактовый генератор Г, n-разрядный двоичный счётчик Сч, логические узлы SIN и COS – для формирования цифровых последовательностей, из которых при помощи двух узлов ЦАП (ЦАП1 и ЦАП2) образуются синусоидальное и косинусоидальное напряжения, поступающие на электро-оптический частотный модулятор (ЭОЧМ), который обеспечивает сдвиг частоты одного из интерферирующих лазерных пучков на величину несущей частоты. Электрический сигнал несущей частоты, имеющий место на выходе фотоприёмника ФП, усиливается усилителем-компаратором УК, и по нулевому переходу этого сигнала формирователем Ф1 формируется короткий импульс, поступающий на вход записи регистра Рг1. На информационные входы этого регистра подаются данные разрядов счётчика Сч. Эти данные, зафиксированные в момент нулевого перехода в регистре Рг1, представляют собой измеряемый фазовый сдвиг в пределах периода.
Тактовая частота – это частота тактового генератора Г. Несущая частота – это частота W на выходе старшего разряда n-разрядного двоичного счётчика Сч, которая в 2n раз ниже тактовой, здесь сигнал прямоугольной формы. На выходах ЦАП1 и ЦАП2 – та же несущая частота W, только сигналы синусоидальной формы.
По мере изменения во времени фазового сдвига, он может достичь предельных значений (0 или 360°) и затем превзойти их. Чтобы информация не была потеряна, требуется организовать счёт целых фазовых циклов. Для этого служат формирователи Ф2 и Ф3, элемент «исключающее ИЛИ» XOR, элементы И1 и И2 и реверсивный счётчик РС. Не вникая в тонкости построения этой части схемы, отметим, что на вход сложения (+) реверсивного счётчика РС импульс поступает от формирователя Ф2 в тот момент, когда 2 старших разряда регистра Рг1 переходят из состояния 11 в состояние 00. Если произошёл переход этих разрядов из состояния 00 в состояние 11, то импульс от формирователя Ф3 поступает на вход вычитания (-) реверсивного счётчика. Выходы регистра Рг1 и реверсивного счётчика РС поступают на информационные входы регистра Рг2 соответственно в качестве младших и старших разрядов выходного слова результата измерения фазы. Выходы Рг2 подключаются к персональному компьютеру ПК. Запись данных в Рг2 происходит постоянно с частотой тактового генератора (через элемент &) и прерывается при передаче данных из Рг2 в компьютер.
На этом принципе разработаны несколько вариантов фазометров: одноканальный, одноканальный интегрирующий, двухканальный, двухканальный интегрирующий и дифференциальный интегрирующий. Схемы фазометров реализованы на базе программируемых логических интегральных схем (ПЛИС) на плате шины ISA персонального компьютера.
7. Работа гравиметра
При поступлении на ЭОЧМ управляющего квадратурного электрического сигнала (sin(Wt) и cos(Wt)) на его оптическом выходе образуются две коллинеарные волны света, имеющие ортогональные поляризации и отличающиеся по частоте на величину W. На входе интерферометра установлен поляризационный светодели, разделяющий указанные компоненты света с разными частотами на два раздельных луча. Эти лучи призма 5.2 подвижной части интерферометра направляет в противоположные (по вертикали) стороны на одинаковые отражанеподвижной части. Отраженные ими лучи возвращаются по своему же пути в светоделитель, в котором вновь объединяются и, интерферируя, поступают на фотоэлектрический преобразователь 7, преобразующий оптический сигнал в электрический, имеющий частоту W и фазу, пропорциональную оптической разности хода лучей в интерферометре. Когда призма подвижной части находится строго посредине между отражателями неподвижной части, то оптические длины путей света в плечах интерферометра равны, и фаза соответствующего электрического сигнала принимается за нуль. Смещение призмы подвижной части на величину y в ту или иную сторону приводит к изменению измеряемой фазы сигнала соответствующего знака. При этом фазоцифровой преобразователь регистрирует набег фазы, включающий целое число периодов N и дробную ее часть j в соответствии с формулой
, (2)
где l – длина волны света, j выражена в долях периода.
В исходном состоянии, когда упругая система разгружена, реверсивный счетчик целого числа периодов набега фазы 6 обнуляется. При этом обнуляется долговременная составляющая несовершенства упругости упругой системы Dy=0. С помощью устройства циклического нагружения производится нагружение упругой системы, в результате деформации которой подвижный отражательный элемент перемещается на величину y относительно неподвижного отражательного элемента.
Реверсивный счетчик набега числа интерференционных полос непрерывно регистрирует это число в ходе нагружения. После завершения нагружения из зарегистрированного числа N определяют величину деформации упругой системы
,
после чего искомую величину гравитационного ускорения g определяют по формуле (1)
8. Система циклических нагружений
Система циклических нагружений электрогидравлического типа содержит две части, задающую и исполнительную. Задающая часть расположена вне герметичной камеры, а исполнительная – внутри нее. Обе части имеют одинаковые гидроцилиндры, соединенные гидротрассой. Перемещение поршня задающего гидроцилиндра обеспечивается с помощью шагового двигателя, управляемого от персонального компьютера. Поршень исполнительного гидроцилиндра связан с грузом. Исполнительная часть имеет также шарнирный параллелограмм, геометрически подобный упругому параллелограмму, и обеспечивающий параллельность движения груза и подвижной части упругой системы и уменьшающий тем самым контактные возмущения при наложении груза на упругую систему и снятии его.
Максимальная скорость движения груза – 2 мм/с. Однако при нагружении и разгружении упругой системы целесообразно к моменту выхода на полочку уменьшать скорость движения груза (притормаживать) до величины, меньшей виброскорости установившихся под действием внешних возмущений (микросейсмики) колебаний
V = 2pF. A ,
где F и A - частота и амплитуда установившихся колебаний упругой системы рис.3.
Рис.3
Работа системы циклических нагружений задается программой от персонального компьютера.
Вследствие того, что из-за необратимых составляющих несовершенства упругости материала последействия при нагружении и разгружении упругой системы имеют разные кривые временного хода, при измерениях деформации могут набегать неучтенные смещения результатов определения гравитации. Поэтому целесообразно последовательно выполнять по меньшей мере два цикла, включающих операции, нагружения, выдерживания в нагруженном состоянии, разгружения и выдерживания в разгруженном состоянии; определять разности значений деформации стабилизации материала в нагруженном и разгруженном состояниях как при нагружении упругой системы, так и при ее разгружении; а значение гравитации определять с учетом обеих полученных разностей значений деформации стабилизации материала.
При этом лучшие результаты в определении гравитации могут быть достигнуты, если периодически повторять циклы нагружения и разгружения в течение длительного времени.
В упрощенном варианте гравиметра система циклических нагружений 3 отсутствует, и упругая система находится в нагруженном состоянии постоянно, В момент включения лазерного интерферометра реверсивный счетчик целого числа периодов набега фазы находится в нулевом состоянии. Лазерный интерферометр регистрирует дробную часть фазы и число целых периодов изменений с момента включения прибора фазы.
9. Предварительные результаты
Экспериментальные исследования полнодиапазонного гравиметра проводились с упругими элементами из сплавов Д16Т, В95, БрБ2 и плавленого кварца. Установлено, что основным источником погрешности являются не устраненные и некомпенсированные кратковременные составляющие несовершенств упругости материалов. Лучшие результаты получены с упругим элементом из плавленого кварца. Относительная повторяемость измерений с осреднением за 5 минут составила ±0,3 мГал. Градуировка полного диапазона гравиметра не проводилась. Фрагмент записи результатов измерений полнодиапазонным гравиметром с кварцевым упругим элементом показан на рис.4.
Рис.4
Экспериментальные исследования гравиметра со статическим диапазоном проводились с упругими элементами из сплава 45НХТ и плавленого кварца. Оба упругих элемента показали близкие по точности результаты Относительная повторяемость измерений с осреднением за 5 минут составила ±0,03 мГал. Однако металлический упругий элемент представляется более предпочтительным из-за меньшей температурной чувствительности (±(3¸5) мГал/°С против 180 мГал/°С у кварца, работающего практически на чистый изгиб,) и большей механической прочности и надежности. Сползание нуль-пункта у металлического УЭ через два-три месяца не превышало 0.5 мГал/сутки.
Фрагмент записи результатов измерений гравиметром со статическим диапазоном с упругим элементом из сплава 45НХТ показан на рис.5. Основным источником погрешности, как позволяют предположить исследования, является нежесткость основания лазерного гетеродинного интерферометра и крепления узлов прибора, зависимость их взаминого положения от внешних условий.
Рис.5
10. Выводы
Результаты исследований по разработке гравиметра с лазерным гетеродинным измерителем перемещений позволяют сделать обоснованный вывод о возможности создания такого прибора.
Предварительные исследования макета гравиметра показали, что в понодиапазонном режиме работы его относительная погрешность составила ±0,3 мГал. Установлено, что в этом режиме основной причиной погрешности являются некомпенсированные кратковременные несовершенства упругости материала упругой системы.
Погрешность гравиметра со статическим диапазоном на порядок ниже (±0,03 мГал). В этом случае точность прибора ограничивается его конструктивными особенностями и технологией изготовления.
11. Литература
1. Веселов съёмка. Издательство «Недра», Москва, 1986.
2. , , Орлов лазерных измерителей перемещений при создании высокоточных силоизмерительных приборов. Сб. “Датчики систем измерения, контроля и управления”, Пенза, ППИ,1985,с.67-71.
3. . Анализ работы электрооптического частотного модулятора в качестве оптического гетеродина. Измерительная техника, 1986, № 12, с.33-35.
4. , , Устройство для счёта интерференционных полос. А. с.№1 1988 г.
