Сейсмологічний лазерний комплекс

Реферат: Сейсмологічний лазерний комплекс містить лазерний пристрій вимірювача зміщень та вертикальний сейсмометр, маятник якого встановлено на нульовий рівень, допоміжної апаратури для калібрування та системи збору даних. Для вимірювання зміщення маятника вертикального сейсмометра використано лазерний вимірювач зміщень Keyence LK031+LK2001, а для контролю результатів використано мікрометр часового типу. Після чого отримані значення зміщення у вольтах, цифрують і передають на персональний комп'ютер із спеціальним програмним забезпеченням, яке дозволяє перерахування їх у зміщення, швидкість і прискорення коливань ґрунту в безперервному режимі і збереження їх для подальшого використання в наукових і практичних цілях. UA 122603 U (12) UA 122603 U UA 122603 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до області геофізики, а саме до сейсмологічного реєструючого обладнання, і використовується для проведення збору та аналізу довготривалої сейсмологічної інформації про коливання поверхні Землі. Винахід може використовуватися як сейсмічна станція, з можливістю візуалізації отриманого сигналу (за допомогою підключеного ПК), за допомогою системи цифрування, обробки та збереження даних, яка в свою чергу оснащена пристроєм GPS для прив'язки до глобального часу, та має можливість підключення запропонованого комплексу до глобальної мережі сейсмостанцій. Відомим є подібний пристрій - лазерний сейсмометр G01V1/16, G01B11/16, який запатентовано у Російській Федерації [1]. Лазерний сейсмометр містить пластину та лазер встановлений на ній, між призмою поляризаційного поділу і частково пропускаючим дзеркалом встановленим на її основі. Оптичне випромінювання від лазера частково відбивається, а решта проходить до встановленого позаду дзеркала, і розташованого за ним фотодетектора. Система містить два дзеркала, одне з яких нерухомо встановлене на основі, на рівній відстані від точки поділу в поляризаційній призмі, інше двостороннє дзеркало, встановлене на фотоелемент, підключений до виходу генератора модуляції коливань. Відомим є також подібний пристрій - оптичний сейсмометр (Optical Seismometer, U.S. Provisional Patent Application No. 61/470,462), який запатентовано у Сполучених Штатах Америки [2]. Недоліками відомих аналогів є: - використання складної будови лазерної системи; - необхідність проведення температурної стабілізації двох напрямків (1 - усунення впливу зовнішньої температури на електронні схеми самого лазера, 2 - усунення впливу зовнішньої температури на механічну частину сейсмометра); - складна двопроменева система обчислення; - низька швидкість роботи. В якості прототипу вибрано оптичний сейсмометр (Optical Seismometer, U.S. Provisional Patent Application No. 61/470,462), створений для реєстрації сейсмічних даних, і заснований на оптичній інтерферометри [2]. Пристрій складається з двох рефлекторів. Перший прикріплений до сейсмометра. Другий прикріплений до елементу рами самого сейсмометра. Також до складу пристрою входять оптичні елементи. Конфігурація з двома відбивачами дає можливість сформувати інтерферометр, в якому зміна положення маси визначається за допомогою змін у оптичному шляху світлового променя, який генерується світловим джерелом, і передається на інтерферометр. Недоліками прототипу є: - обмеження швидкості роботи двопроменевого лазерного сейсмометра, через метод розрахунку зміщення променю по матриці, закладеній у процесор. Коли швидкість в коливаннях вхідного сигналу, у формі синуса та косинуса, перевищує швидкість роботи процесора, це викликає збої в роботі і помилки в розрахунках; - необхідність забезпечення температурної стабілізації для усунення впливу зовнішньої температури на електронні схеми лазерного пристрою; - використання при розрахунках зміщення, помилкового значення амплітуди оптичної хвилі, яка відома лише як математичний результат розрахунку квантової моделі розповсюдження променя світла; - відсутність фазових значень передаточної функції. В основу корисної моделі поставлена задача виготовлення реєструючого комплексу для застосування в сейсмології, а саме для довготривалого вимірювання коливань Землі, з використанням в основі комплексу сучасного лазерного пристрою, який забезпечує достовірність і точність отриманих результатів. Комплекс включає програмне забезпечення для обробки та збереження даних, з підключенням до GPS пристрою, який дозволяє зробити прив'язку сейсмічних записів до глобального часу, і модемом для підключення до глобальної мережі сейсмічних станцій. Поставлена задача вирішується тим, що сейсмологічний лазерний комплекс, що містить лазерний пристрій вимірювача зміщень та вертикальний сейсмометр, маятник якого встановлено на нульовий рівень, допоміжної апаратури для калібрування та системи збору даних. Для вимірювання зміщення маятника вертикального сейсмометра використано лазерний вимірювач зміщень Keyence LK031+LK2001, а для контролю результатів використано мікрометр часового типу, після чого отримані значення зміщення у вольтах, цифрують і передають на персональний комп'ютер із спеціальним програмним забезпеченням, яке дозволяє 1 UA 122603 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 перерахування їх у зміщення, швидкість і прискорення коливань ґрунту в безперервному режимі і збереження їх для подальшого використання в наукових і практичних цілях. В конструкції запропонованої корисної моделі за основу взято лазерний пристрій (лазерний вимірювач зміщення), який дозволяє визначати зміщення маятника вертикального сеймометра. Значення зміщення, які отримуються у вольтах, оцифровуються за допомогою станції DAS-05, що дозволяє перераховувати значення зміщення в мікрони. Для проведення тестування винаходу використовується система генерації сигналів (генератор напруги Г6-26 [4] та комплекс зміни амплітуди сигналу). Сигнали, які задаються цим генератором, контролюються зовнішнім осцилографом. Реєстрація зміщення відбувається за допомогою лазерного пристрою визначення зміщень, значення якого одночасно контролюються мікрометром часового типу 14-10 [5]. Отримані значення оцифровуються за допомогою 24-бітного АЦП станції DAS-05. Суть корисної моделі пояснюють креслення. Корисна модель складається з сейсмометра СМЗКВ (1) оснащений лазерним комплексом вимірювання зміщень Кеуеnсе LK031+LK2001 [6], системи для цифрування, обробки та збереження даних (2), GPS пристрою (3), системи генерації сигналів (генератор напруги Г6-26 з комплексом зміни амплітуди сигналу) (4), осцилографа (5), мікрометру часового типу 14-10 (6) (Фіг. 1). Фіг. 1. Принципова схема сейсмологічного лазерного комплексу для збору та аналізу інформації. 1. Сейсмометр з лазерним комплексом вимірювання зміщень; 2. Система для цифрування, обробки та збереження даних; 3. Пристрій GPS; 4. Генератор напруги з комплексом зміни амплітуди сигналу; 5. Осцилограф; 6. Мікрометр. Після встановлення зміщення, яке вимірюється за допомогою мікрометра часового типу (6), проводиться вимірювання значень зміщення у вольтах, які отримуються з вимірювача зміщень LK031 для вертикального сейсмометра СМЗКВ (1), маятник якого початково встановлений на нульовий рівень. Напруга у вольтах, яка вимірюється з лазерного комплексу, оцифровується за допомогою станції DAS-05 (2). Одиниці значень аналого-цифрового перетворювача (АЦП) пропорційні мікронам, значення яких перевіряються за допомогою зовнішнього мікрометра 1410 (6). Давач вимірювання зміщень LK031 з'єднано з контролером LK2001 (1), видає на виході вольти пропорційні мікронам. Принцип роботи лазера LK031 [7]: Прилад із зарядовим зв'язком (ПЗЗ), (Charge-coupled device, CCD) [8] використовує тріангуляційну систему вимірювання зміщення. Звичайні лазерні датчики зміщення використовують ПЧД (позиційно-чутливий детектор) в якості світло-приймального елементу. Лазер серії LK031 використовує ПЗЗ матрицю (прилад із зарядовим зв'язком) як сенсор. Світло, відбите від точки на поверхні, проходить через об'єктив приймача і потрапляє на позиційночутливий детектор. ПЗЗ використовує розподіл кількості світла вхідного променя, для визначення центру світлової плями, і визначає його як позицію точки відбиття на поверхні. Проте розподіл кількості вхідного світла залежить від стану відбиваючої поверхні. Сенсор виявляє пікове значення розподілу кількості світла променя для кожного пікселя і ідентифікує його як кінцеве положення. Таким чином, сенсор дозволяє отримувати стабільні і високоточні вимірювання зміщення, незалежно від розподілу кількості світла від променя. Основні відмінності та переваги запропонованого винаходу від прототипу: - використання лазерного пристрою простої будови з одним активним променем; - необхідність температурної стабілізації лише механічної частини сейсмометра (сейсмометра СМЗКВ), що досягається використанням оболонки для корпусу механічного сейсмометра, і відсутність потреби в температурній стабілізації лазерного вимірювача зміщення; - запропонована модель лазерного сейсмометра видає одиниці вимірювання зміщення одразу в мікронах, пропорційних одиницям АЦП звичайної сейсмостанції, яких достатньо багато у порівнянні з кількістю сейсмічних станцій з лазерним сейсмометром; - запис запропонованого лазерного сейсмометра видає одиниці вимірювання зміщення в мікронах, а не в одиницях вимірювання швидкості. Такий підхід має переваги при розрахунках швидкості та прискорення по зміщенню, оскільки розрахунки зміщення по значенням швидкості мають помилки при використанні методів чисельного інтегрування; 2 UA 122603 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 - використовуваний лазерний пристрій має міжнародний сертифікат, отже він не потребує додаткових метрологічних досліджень для перевірки отриманих з його допомогою значень; - має можливість високоточного цифрування, обробки та збереження отриманої інформації; - дозволяє використання комплексу як окремої сейсмостанції, так і передбачає можливість підключення даного комплексу до глобальної мережі сейсмічних станцій. Лазерний комплекс створено на базі Інституту геофізики ім. С.І. Субботіна НАН України співробітниками відділу сейсмічної небезпеки, і його випробування проводилося на базі інституту, шляхом проведення запису сигналу зміщення та швидкості на протязі чотирьох діб, вертикального сейсмометра СМЗКВ та лазерного датчика вимірювання зміщень LK031, та порівняння цих записів. (Фіг. 2). Фіг. 2. Вертикальні записи сейсмографа СМЗКВ та лазерного датчика вимірювання зміщень LK031. а - запис сигналу на протязі 4 діб; б - лазерний запис з відображенням температурного дрейфу. Нижче приводяться результати сумісного аналізу запису швидкості самого сейсмометра, запису зміщення по лазеру і розрахунок похідної зміщення. (Фіг. 3). Фіг. 3. Сумісний аналіз записів сейсмометра, запису зміщення по лазеру і розрахунок похідної (інтервал запису зменшений до 26 хвилин), а - швидкість; б - зміщення; в - розрахована похідна зміщення. В результаті проведення порівняння записів, виявилось, що відношення розрахованої швидкості, до її реального запису має форму прямої лінії, що може говорити про лінійність характеристик пристрою і достовірність отриманих результатів. (Фіг. 4). Фіг. 4. Відношення розрахованої швидкості до її реального запису, а - реальний запис; б - розрахована швидкість; в - розраховане відношення швидкості до її реального запису. Також до порівняння бралися спектри запису реальної швидкості та розрахованої з запису зміщення. (Фіг. 5). Фіг. 5. Спектри запису швидкостей, а - спектр запису реальної швидкості; б - розрахована швидкість. Проведені практичні імпульсні калібрування, такі як: математично розрахований відгук на сигнал прямокутної форми, розрахунок амплітуди і фази Фур'є перетворення вхідного і вихідного сигналів, розрахунок нулів і полюсів комплексного поліному для амплітуди Фур'є перетворення вхідного і вихідного сигналу. Було зафіксовано записи експериментального відгуку лазерного сейсмометра на вхідний сигнал прямокутної форми (Фіг. 6). Фіг. 6. Сигнал прямокутної форми, який подається на лазерний сейсмометр. Проводилося визначення амплітуди та фази Фур'є перетворення реального сигналу відгуку лазерного сейсмометра (Фіг. 7). Фіг. 7. Амплітуда і фаза Фур'є перетворення реального сигналу лазерного сейсмометра, а - амплітуда Фур'є перетворення відгуку; б - фаза Фур'є перетворення відгуку. Технічним результатом є: 1) можливість проводити спостереження за довготривалими в часі коливаннями поверхні Землі; 2) незалежність лазерного пристрою від зміни зовнішньої температури; 3) використання лазерного пристрою простої будови; 4) висока точність розрахунків швидкості та прискорення по зміщенню; 5) використання комплексу як самостійної сейсмічної станції, так і можливість підключення її до глобальної мережі сейсмічних станцій. 6) економічність; 7) компактність та портативність. Джерела інформації: 1. Опис лазерного сейсмометра (G01V1/16, G01B11/16) http://www.findpatent.ru/patent/232/2329524.html 2. Опис оптичного сейсмометра (Optical Seismometer, U.S. Provisional Patent Application No. 61/470, 462) http://www.qooale.com/patents/US20120247213 3 UA 122603 U 5 10 3. Технічні характеристики магнітоелектричного сейсмоприймача СМЗКВ - www.allpribors.ru/docs/42452-09.pdf 4. Технічні характеристики генератора сигналів спеціальної форми Г6-26-http://ooobvs.ru/g626_generator_siqnalov_specialnoy 5. Технічні характеристики мікрометра часового типу ІЧ – 10-http://zapadpribor.com/ua/ich-10001/ 6. Сайт розробника сертифікованих лазерних датчиків Кеуеnсе - http://www.keyence.com 7. Основні характеристики та принцип роботи лазера серії LK031www.mediasrv.co.za/uploads/media/5859.pdf 8. Опис приладу із зарядовим зв'язком (Charge-couple device) https://uk.wikipedia.org/wiki/Пpилaд_iз_зapядoвим_зв'язкoм ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 15 20 Сейсмологічний лазерний комплекс, що містить лазерний пристрій вимірювача зміщень та вертикальний сейсмометр, маятник якого встановлено на нульовий рівень, допоміжної апаратури для калібрування та системи збору даних, який відрізняється тим, що для вимірювання зміщення маятника вертикального сейсмометра використано лазерний вимірювач зміщень Keyence LK031+LK2001, а для контролю результатів використано мікрометр часового типу, після чого отримані значення зміщення у вольтах, цифрують і передають на персональний комп'ютер із спеціальним програмним забезпеченням, яке дозволяє перерахування їх у зміщення, швидкість і прискорення коливань ґрунту в безперервному режимі і збереження їх для подальшого використання в наукових і практичних цілях. 4 UA 122603 U 5 UA 122603 U 6 UA 122603 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Міністерство економічного розвитку і торгівлі України, вул. М. Грушевського, 12/2, м. Київ, 01008, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 7