Дистанційний датчик поперечних коливань об’єктів

Реферат: Дистанційний датчик поперечних коливань об'єктів містить джерело лазерного випромінювання, зовнішню оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку, спектрометричний прилад і процесор, лінію передачі оптичного сигналу від джерела лазерного випромінювання до спектрометричного приладу. Дисперсійний компонент системи частотно селективного зворотного зв'язку містить елемент з кутовою дисперсією і розширювач пучка лазерного випромінювання, а селектор складається з об'єктива і ретрорефлектора. UA 78411 U (54) ДИСТАНЦІЙНИЙ ДАТЧИК ПОПЕРЕЧНИХ КОЛИВАНЬ ОБ'ЄКТІВ UA 78411 U UA 78411 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до контрольно-вимірювальної техніки і, зокрема до оптичних датчиків, які призначені для дистанційної реєстрації коливань об'єктів вздовж напрямку, перпендикулярного до напрямку спостереження. Такі датчики використовуються здебільшого в засобах сейсмічної розвідки та моніторингу будівель і споруд. Коливання об'єктів збуджуються ударними, вібраційними і вибуховими пристроями, а також мікросейсмами. Розмах коливань може знаходитися в межах від кількох десятих мікрона до кількох міліметрів. Ділянка частотного спектра коливань, що представляє найбільший інтерес, знаходиться в межах від кількох десятих до приблизно ста герц. Оскільки в місцях експлуатації датчиків стан атмосфери, світлових потоків, електромагнітного шуму та інших факторів оточення не контролюється, важливою вимогою є захищеність від впливу ззовні. Дистанційні оптичні датчики поперечних коливань складаються з встановленого на цільовому об'єкті чутливого елемента і вимірювального перетворювача, який встановлюється на місці, з якого ведеться спостереження. Найпростішими датчиками є пристрої відеоспостереження, в яких чутливий елемент являє собою панель із спеціальним малюнком (марку), а вимірювальний перетворювач являє собою відеокамеру з процесором для обробки зображення марки [1, 2]. Точність цих пристроїв визначається кутовою роздільною здатністю відеокамери та віддаленістю об'єкта, а швидкодія - витратами часу на обробку зображення. Такі пристрої використовують у випадках, коли розмах коливань становить кілька міліметрів, а максимальна частота - кілька герц. Виробники геодезичного обладнання пропонують спеціально пристосовані для моніторингу електронні тахеометри та лазерні трекери [3, 4]. Вимірювальним перетворювачем цих пристроїв є куто- та далековимірний засіб, а чутливим елементом - активна марка або ретрорефлектор. Кутовимірна частина засобу являє собою оптико-електронно-механічну систему стеження, яка в автоматичному режимі визначає зміну положення марки (ретрорефлектора) і за допомогою серводвигунів відповідним чином спрямовує зорову трубу (лазерний пучок). Використання лазерного пучка дозволяє підвищити точність та швидкодію, а також зменшити чутливість до стороннього світла та турбулентності атмосфери. В той же час, на функціонування куто- та далековимірного засобу впливають зміни температури та вологості атмосфери. У зв'язку з цим виникає потреба постійного регулювання та регламентного обслуговування кваліфікованим персоналом, що призводить до значних експлуатаційних витрат. Відомим є також датчик на основі допплерівського інтерферометра [5-7]. Даний пристрій безпосередньо реєструє коливання швидкості об'єкта. Характеристики коливань переміщення та прискорення, які є більш інформативними для оцінки напружень в конструкціях споруд, визначаються шляхом розрахунку. Чутливий елемент допплерівського інтерферометра включає дзеркало (або призму) для спрямовування пучків вздовж напрямку коливань об'єкта та щонайменше два ретрорефлектори, причому один з них оснащено віброізоляцією. Вимірювальний перетворювач включає лазер, оптичну систему для розділення лазерного випромінювання на зондувальний та опорний пучки, спрямовування пучків на об'єкт і зведення пучків, що взаємодіяли з об'єктом, на чутливій поверхні фотоприймача, електронний засіб для перетворення зміни частоти зондувального пучка в електричні коливання, обчислювальний засіб (процесор) для розрахунку швидкості руху об'єкта. Допплерівський інтерферометр забезпечує високу швидкодію. Його суттєвим недоліком є чутливість до турбулентного руху атмосфери та крутильних коливань об'єкта. Найближчим по сукупності ознак технічним рішенням (найближчим аналогом) є пристрій для визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкта шляхом перетворення переміщення в зміну центру тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання [8]. Пристрій включає джерело лазерного випромінювання, зовнішню оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку, яка розташована на шляху розповсюдження лазерного випромінювання і має в своєму складі просторово дисперсійний компонент і селектор для перетворення поперечного переміщення об'єкта в зміну частоти максимуму коефіцієнта зворотного зв'язку, спектрометричний прилад для вимірювання частотного спектру випромінювання, лінію передачі оптичного сигналу від джерела лазерного випромінювання до спектрометричного приладу, та процесор для розрахунку зміни центру тяжіння частотного спектра випромінювання і характеристик переміщення. Чутливим елементом даного пристрою є селектор, а решта оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку, лазер, спектрометричний прилад і процесор входять до складу вимірювального перетворювача. Спектрометричний прилад і процесор, які мають чутливість до сторонніх світлових потоків та електромагнітного шуму, розташовуються в спеціальній захищеній зоні. Місце знаходження цієї зони принципового значення не має, оскільки частотний спектр оптичного сигналу при розповсюдженні по лінії передачі не змінюється. Турбулентність атмосфери хоча і спричиняє флуктуації частоти 1 UA 78411 U 5 спектральних компонентів лазерного випромінювання, однак не справляє помітного впливу на коефіцієнти зворотного зв'язку компонентів і, відповідно, на точність вимірювань. Найбільшим недоліком найближчого аналога є залежність похибки вимірювання від віддаленості об'єкта. Похибка у визначенні переміщення зумовлена флуктуаціями центру тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання, причиною яких є конкуренція спектральних компонентів лазерного випромінювання. Зв'язок між похибкою x і величиною флуктуацій центру тяжіння v цт має вигляд x  10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 v цт , k де k означає нахил лінійної ділянки калібрувальної залежності v цт  f ( x ) (див. [8], Фіг. 3). При зростанні віддаленості об'єкта селективні властивості зовнішньої оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку зменшуються, що призводить до зростання величини флуктуацій центру тяжіння v цт . Запобігання зростанню величини флуктуацій v цт шляхом збільшення дифракційної довжини пучка лазерного випромінювання на трасі між просторово дисперсійним компонентом і селектором означає зменшення нахилу калібрувальної залежності k (див. [8], Фіг. 3), що, як видно з виразу (1), також веде до зростання похибки вимірювання x . Задача корисної моделі є створення на основі найближчого аналога добре захищеного від зовнішнього впливу дистанційного датчика поперечних коливань, який забезпечує високу точність вимірювання в широкому діапазоні значень віддаленості цільового об'єкта, а також достатню швидкодію. Захищеність від зовнішнього впливу досягається, як і в найближчому аналозі, за рахунок використання, по-перше, частотного спектра лазерного випромінювання, як носія інформації про поперечне переміщення об'єкта, по-друге, активного лазерного середовища, в якому щільність потужності лазерного випромінювання суттєво перевищує щільність потужності стороннього світла та електромагнітного шуму, і, по-третє, спеціальної захищеної від зовнішнього впливу зони для розташування в ній уразливих компонентів датчика. Висока точність вимірювання в широкому діапазоні значень віддаленості об'єкта досягається шляхом застосування зовнішньої оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку, яка відрізняється від тієї, що застосована в прототипі [8]. розташування в ній уразливих компонентів датчика. Поставлена задача вирішується тим, що частина цієї системи, що входить до складу вимірювального перетворювача, включає елемент з кутовою дисперсією (замість просторово дисперсійного компонента) і розширювач, який збільшує поперечний розмір пучка лазерного випромінювання таким чином, що дифракційна довжина пучка перевищує максимально можливу віддаленість об'єкта. Чутливий елемент (селектор) складається з об'єктива та ретрорефлектора, причому одна складова селектора зв'язана з об'єктом жорстко, а друга складова зв'язана з об'єктом пружно (наприклад, через засіб віброізоляції;. Швидкодія датчика забезпечується шляхом застосування в спектрометричному приладі швидкодіючих засобів реєстрації оптичного сигналу. Це можуть бути спеціальні лінійні матричні фотоприймачі, здатні реєструвати кілька тисяч спектрів за секунду [2], а також позиційно чутливі фотоприймачі, які дозволяють реєструвати зміну центру тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання з частотою кілька десятків кілогерц. Технічний результат від використання корисної моделі полягає в забезпеченні можливості визначення характеристик поперечних коливань об'єктів, що віддалені від місця, з якого ведеться спостереження, на відстань від кількох десятків до кількох сотень метрів, причому залежність точності від віддаленості об'єкту, стану атмосфери, стороннього світла, електромагнітного шуму та інших зовнішніх факторів є мінімальною. Суть корисної моделі пояснюється кресленнями, де показані: на фіг. 1 - схематичне зображення одного з варіантів дистанційного датчика поперечних коливань; на фіг. 2 - лінійна ділянка калібрувальної залежності центру тяжіння частотного спектра випромінювання від поперечного переміщення об'єкта, що коливається, на фіг. 3 - гістограма, що відображає розподіл випадкових відхилень центру тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання від середнього значення. Один з варіантів заявленого дистанційного датчика поперечних коливань об'єктів схематично показано на фіг. 1. Встановленим на об'єкті 1 чутливим елементом є селектор 2, що складається із збиральної лінзи 3 та двогранного ретрорефлектора 4, який розташовано так, що лінія перерізу його відбиваючих поверхонь знаходиться у фокальній площині об'єктива і 2 UA 78411 U 5 10 спрямована перпендикулярно до площини дисперсії елемента з кутовою дисперсією. Одна з цих складових зв'язана з об'єктом жорстко, а друга - через засіб віброізоляції 5. Вимірювальний перетворювач складається з двох частин, з'єднаних між собою лінією передачі оптичного сигналу у вигляді оптичного волокна 6. Перша частина 7 розташована в місці, з якого ведеться спостереження, і включає напівпровідниковий лазер 8 з колімаційною лінзою 9 та частину оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку, до складу якої входять дисперсійна призма 10 і телескопічний розширювач 11. Лінійне збільшення М розширювача 11 встановлено таким, що дифракційна довжина пучка лазерного випромінювання на трасі між розширювачем 11 і збиральною лінзою 3 селектора 2 значно перевищує довжину R самої траси, тобто w2  R ,  де  означає довжину хвилі лазерного випромінювання, а w означає ширину пучка на виході колімаційної лінзи 9. Друга частина 12 вимірювального перетворювача розташована в спеціальній захищеній від зовнішнього впливу зоні і включає спектрометричний прилад, який являє собою дифракційний спектрограф 13, оснащений фотоприймачем 14 матричного або позиційно-чутливого типу, аналого-цифровий перетворювач 15 вихідного сигналу фотоприймача, та процесор, який являє собою персональний комп'ютер 16 з програмою для обробки вихідного сигналу спектрометричного приладу та розрахунку характеристик коливань об'єкта. Спеціальна захищена від зовнішнього впливу зона являє собою замкнений об'єм, який є непроникним для стороннього світла, електромагнітного шуму та інших перешкод. Щільність потужності лазерного випромінювання в активному середовищі 3 4 2 напівпровідникового лазера знаходиться в межах ~10 10 Вт/см , що на кілька порядків перевищує щільність потужності перешкод, зумовлених стороннім світлом або електромагнітним шумом. Завдяки малим розмірам активне середовище напівпровідникового лазера легко захистити від статичного електричного та магнітного поля. Таким чином, датчик забезпечує високий рівень захисту від впливу ззовні. При коливанні об'єкта 1 лінза 3 і ретрорефлектор 4 синхронно переміщуються одне відносно одного в поперечному напрямку, причому характеристики переміщення точно відповідають характеристикам коливального руху об'єкта 1. Таке переміщення компонентів селектора призводить до коливального перестроювання резонансу оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку і, відповідно, спектра лазерної генерації. Оптичний сигнал через оптичне волокно 6 надходить на вхід спектрографа 13. При використанні лінійного матричного фотоприймача типу ПЗЗ результатом обробки оптичного сигналу є спектр лазерної генерації, що змінюється в часі, у вигляді дискретної функції I(t, i ) , де t означає поточний час, i означає оптичну частоту, що припадає на матричний елемент (піксел) з порядковим номером і, а I означає інтенсивність сигналу в довільних одиницях вимірювання. При використанні однокоординатного позиційно чутливого фотоприймача результатом обробки є інтенсивність сигналів IA ( t ) та IB ( t ) у його комірках. Персональний комп'ютер 16 розраховує зміну в часі центру тяжіння частотного спектра випромінювання згідно з виразом   i  I(t,  i ) v ЦТ ( t )  i  v ЦТ ( x  0)  I(t,  i ) 2M2 15 20 25 30 35 40 i 45 або, при використанні позиційно чутливого фотоприймача, I ( t )  IB ( t ) v ЦТ ( t )   A  v ЦТ ( x  0) , I A ( t )  IB ( t ) де  означає коефіцієнт пропорційності, який визначається заздалегідь. Паралельно комп'ютер 16 розраховує зміну в часі поперечного переміщення об'єкта x(t ) , використовуючи калібрувальну залежність центру тяжіння частотного спектра від поперечного переміщення ретрорефлектора 4 відносно лінзи 3 згідно з виразом  цт (t ) , x(t )  k 3 UA 78411 U 5 10 15 20 25 30 35 де k означає нахил на лінійній ділянці калібрувальної залежності. Далі комп'ютер 16 шляхом виконання математичних операцій з функцією x(t ) визначає спектр, розмах, декремент загасання та інші характеристики коливань об'єкта. Як приклад, на фіг. 2 наведено лінійну ділянку калібрувальної залежності центру тяжіння частотного спектра від поперечного переміщення ретрорефлектора 4 відносно лінзи 3. Залежність виміряна для оптичної системи частотно селективного зворотного зв'язку, в якій -5 -1 кутова дисперсія призми 10 дорівнює 2.3·10 рад/см , лінійне збільшення М розширювача 11 дорівнює 3.4, довжина траси R між розширювачем 11 і селектором 2 дорівнює 45 м, фокусна відстань лінзи 3 селектора 2 дорівнює 30 мм. Інші важливі параметри становлять: максимальна потужність лазерного випромінювання - 30 мВт, ширина пучка лазерного випромінювання w в площині дисперсії на виході колімаційної лінзи 9-1.5 мм, довжина хвилі  в максимумі підсилення активного середовища напівпровідникового лазера 8-655 нм, міжмодова різниця -1 частоти - 1.5 см , кількість продовжніх мод в спектрі лазерного випромінювання - від 4 до 6. -1 Нахил k на лінійній ділянці калібрувальної залежності становить 0.26 см /мкм. Гістограма на фіг. 3 відображає розподіл випадкових відхилень центру тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання від середнього значення, спричинених конкуренцією мод. -1 Середнє квадратичне значення відхилення для даного розподілу v цт становить 0.039 см . Згідно виразу (1) похибка у визначенні поперечного переміщення об'єкту в процесі коливань дорівнює 0.15 мкм. При наведених вище параметрах, як це слідує з виразу (2), похибка не зростатиме доки віддаленість об'єкта буде менше, ніж 250 м. Джерела інформації: 1. M.Q.Feng. Recent Advances in Structural Health Monitoring, http://mfeng.calit2.uci.edu/Maria_Feng/Research_activities/SHM_overview/KeynoteChina07.pdf. 2. M. Nayyerloo et al. Seismic structural displacement measurement using a line-scan camera: camera-pattern calibration and experimental validation. Journal of Civil Structural Health Monitoring, 2011, issue 1, p. 113-124, DOI 10.1007/s13349-011-0012-x. 3. Я.М.Костецька. Геодезичні прилади. Частина II. Електронні геодезичні прилади. - Львів: ГЗМН, 2000,-324 с. 4. Leica ТМ30 Technical Data, Leica TDRA6000, Leica Absolute Tracker AT401. (сайт підприємства-виробника http://www.leica-geosystems.com/downloads123/). 5. J.B. Coon et al. Laser geophone. Патент США №4284350. 6. A.J. Berni. Retroreflector apparatus for remote seismic sensing. Патент США №5289434. 7. A.J. Berni. Apparatus for remote seismic sensing of array signals using side-by-side retroreflectors. Патент США №5327216. 8. В.О.Соколов. Спосіб визначення поперечного переміщення віддаленого об'єкту і пристрій для його здійснення. Патент України № 95041. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 40 45 50 55 60 1. Дистанційний датчик поперечних коливань об'єктів, що містить джерело лазерного випромінювання, зовнішню оптичну систему частотно селективного зворотного зв'язку, яка розташована на шляху розповсюдження лазерного випромінювання і має в своєму складі дисперсійний компонент і механічно зв'язаний з об'єктом селектор для перетворення поперечного переміщення об'єкта в зміну частоти максимуму коефіцієнта зворотного зв'язку, спектрометричний прилад і процесор для вимірювання зміни центру тяжіння частотного спектра лазерного випромінювання і розрахунку характеристик поперечного переміщення об'єкта, які розташовано в зоні, захищеній від несприятливого впливу оточуючого середовища, та лінію передачі оптичного сигналу від джерела лазерного випромінювання до спектрометричного приладу, який відрізняється тим, що дисперсійний компонент системи частотно селективного зворотного зв'язку включає елемент з кутовою дисперсією і розширювач пучка лазерного випромінювання, лінійне збільшення якого забезпечує перевищення дифракційної довжини пучка лазерного випромінювання над віддаленістю об'єкта, а селектор складається з об'єктива і ретрорефлектора, причому один з компонентів селектора зв'язано з об'єктом жорстко, а другий з компонентів селектора зв'язано з об'єктом пружно. 2. Дистанційний датчик поперечних коливань об'єктів згідно з п. 1, який відрізняється тим, що джерело лазерного випромінювання являє собою напівпровідниковий лазер в комбінації з колімаційною лінзою, елемент з кутовою дисперсією являє собою дисперсійну призму або дифракційну гратку, розширювач пучка лазерного випромінювання являє собою телескоп, спектрометричний прилад являє собою дифракційний спектрограф, оснащений лінійним матричним фотоприймачем та аналого-цифровим перетворювачем вихідного сигналу 4 UA 78411 U 5 10 фотоприймача в цифрові дані, лінія передачі оптичного сигналу від джерела лазерного випромінювання до спектрометричного приладу являє собою оптичне волокно, селектор складається із збиральної лінзи та двогранного ретрорефлектора, який розташовано так, що лінія перерізу його відбиваючих поверхонь знаходиться у фокальній площині об'єктива і спрямована перпендикулярно до площини дисперсії елемента з кутовою дисперсією, причому один з компонентів селектора оснащено віброізоляцією. 3. Дистанційний датчик поперечних коливань об'єктів згідно з п. 2, який відрізняється тим, що спектрометричний прилад являє собою дифракційний спектрограф, оснащений позиційночутливим фотоприймачем та аналого-цифровим перетворювачем вихідного сигналу в цифрові дані. 5 UA 78411 U Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6