CC BY
70
УДК 47.35.41
DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-3-291-296
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ АКСЕЛЕРОМЕТР ДЛЯ МОНИТОРИНГА ПРИРОДНЫХ И ТЕХНОГЕННЫХ ОБЪЕКТОВ
Ю. Н. Кульчин1, О. Т. Каменев1, Ю. С. Петров1,
1 2 В. А. Колчинскии1, А. А. Подлесных2
1 Институт автоматики и процессов управления Дальневосточного отделения РАН,
690041, Владивосток, Россия E-mail: okamenev@mail.ru 2Дальневосточный федеральный университет, 690001, Владивосток, Россия
Представлен волоконно-оптический акселерометр на базе интерферометра Маха — Цендера с активной системой стабилизации рабочей точки. Приведены результаты полевых испытаний акселерометра, подтверждающие возможность его применения для мониторинга природных и техногенных объектов.
Ключевые слова: волоконно-оптический интерферометр, сейсмосигнал, акселерометр
Проблема разработки инструментальных средств мониторинга природных и техногенных объектов является весьма актуальной для решения задач геофизики, безопасности жизнедеятельности, рационального природопользования и т.д. При этом значительное внимание уделяется регистрации низкочастотных сейсмосигналов, причем сейсмоускорение считается наиболее информативным параметром [1], так как оно прямо пропорционально силе источника. Кроме того, только сейсмоускорение можно регистрировать напрямую с использованием инерционных датчиков, так как на низких частотах амплитуда колебаний инертной массы прямо пропорциональна амплитуде сейсмоускорения. Требования к пороговой чувствительности современных акселерометров весьма высоки. Так, для регистрации колебаний поверхности объекта амплитудой 100 нм на частоте 0,05 Гц необходимо обеспечить пороговую чувствительность к сейсмоускорению порядка 10-8 м/с2 [2]. Если частота резонанса колебательной системы равна 50 Гц, то амплитуда колебаний инертной массы составит величину порядка 10 м, что соответствует тепловым шумам, возникающим в колебательной системе. Отсюда следует, что при создании акселерометров, предназначенных для регистрации слабых
низкочастотных сейсмосигналов, необходимо обеспечить пороговую чувствительность не 2 —12 хуже 10 м/с , что соответствует смещениям инертной массы на величину порядка 10 м.
Для достижения указанных параметров акселерометра целесообразно применение ин-терферометрических методов измерений. Применение волоконно-оптических интерферометров позволяет обеспечить указанную чувствительность к измерению смещений [3]. Создание волоконно-оптических интерферометрических сейсмоприемников в 80-х годах прошлого столетия затруднялось низким качеством элементной базы, применяемой в волоконной оптике. Поэтому разработки не выходили за стены научных лабораторий. Наметившийся в последние годы повышенный интерес к интерферометрическим волоконно-оптическим датчикам является следствием развития элементной базы оптоэлектроники и волоконной оптики. Но, как и раньше, проблема дрейфа рабочей точки волоконно-оптического интерферометра существенно ограничивает его применение в переносных сейсмоприемниках.
В настоящей статье представлен волоконно-оптический интерферометрический акселерометр на основе интерферометра Маха — Цендера, в котором применяется метод активной стабилизации рабочей точки. Оптическая схема интерферометра Маха — Цендера представляется авторам наиболее удобной для создания измерительных преобразователей, так как она
не требует нанесения отражающих покрытий на торцы волоконных световодов, что необходимо в случае применения схем Майкельсона или Фабри — Перо.
Структурная схема акселерометра представлена на рис. 1, где 1 — ББВ-лазер; 2 — волоконный световод; 3 —У-разветвитель; 4 — фазовый модулятор; 5 — усилитель; 6 — мно-говитковый чувствительный элемент (МЧЭ); 7 — Х-разветвитель; 8 — фотоприемник; 9 — аналого-цифровой преобразователь (АЦП); 10 — персональный компьютер; 11 — цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Излучение ББВ-лазера мощностью 1 мВт разделяется волоконно-оптическим У-разветвителем на два плеча интерферометра Маха — Цендера — опорное и измерительное, образованные одномодовыми волоконными световодами. Интерференция осуществляется выходным Х-разветвителем; на его выходе формируются два оптических сигнала, интенсивность которых изменяется в противофазе. Дифференциальная регистрация этих сигналов обеспечивает автоматическое исключение постоянной составляющей
11 10
4
1 2
6
\ /
-Ь
Рис. 1
Размещенный в измерительном плече интерферометра многовитковый чувствительный элемент, описанный в работе [4], преобразует ускорения корпуса акселерометра в изменение разности фаз оптического излучения в опорном и измерительном плечах интерферометра. Коэффициент преобразования МЧЭ определяется отношением изменения разности фаз фо к сейсмоускорению а0, которое его вызвало [4]:
£ =
Ф0 _ NnV
а
к
(1)
где N — количество витков световода измерительного плеча, п — показатель преломления сердцевины световода измерительного плеча, V — коэффициент, определяемый конструкционными особенностями колебательной системы МЧЭ, X — длина волны излучения лазера, к — резонансная частота, определяемая как
к =■
Ж
к
4к2т
(2)
где kf — коэффициент упругости волоконного световода, т — инерционная масса.
При kf = 16,3 кН/м, N = 10 и т = 0,51 кг резонансная частота к = 90 Гц. При п = 1,5, V = 0,63 и X = 1,55 мкм коэффициент преобразования МЧЭ = 240 рад/(м/с2). Как видно из выражений (1) и (2), увеличение количества витков световода в МЧЭ не приведет к повышению его чувствительности. Но если при этом пропорционально увеличить инерционную массу, то повышение чувствительности становится возможным, причем без изменения резонансной частоты.
Х-разветвитель и фотоприемники с дифференциальным усилителем формируют опто-электронный преобразователь, который преобразует изменение фазы ф0 в выходное напряжение акселерометра 6гвых. Соответствующий коэффициент преобразования £2 = ивых/ф0 определяется положением рабочей точки интерферометра, параметрами фотоприемников и дифференциального усилителя. Если рабочая точка находится на линейном участке передаточной характеристики, то для изготовленного образца акселерометра £2 = 4 В/рад. Общий коэффи-
5
8
9
7
8
циент преобразования £ = S\S2 = 960 В/(м/с ). Изменение S в диапазоне частот от 1 до 50 Гц не превышает 10 В. При уровне собственных шумов 100 мкВ пороговая чувствительность сейсмоприемника составляет величину порядка 10 м/с .
Стабильность работы акселерометра при изменении условий окружающей среды достигается за счет применения метода активной стабилизации рабочей точки интерферометра. Для этого в опорное плечо помещен фазовый модулятор, управляемый персональным компьютером через ЦАП. Этот метод, рассмотренный в работе [5], эффективен в закрытых помещениях. Как показали результаты полевых испытаний волоконно-оптического акселерометра, непосредственное применение этого метода в полевых условиях приводит к необходимости повышения частоты отсечки системы стабилизации до 4 Гц, что неприемлемо для сейсмоприемника, так как эта частота становится нижней границей диапазона регистрируемых частот. Для частичного решения данной проблемы алгоритм работы системы стабилизации был дополнен модулем, обеспечивающим подстройку параметров алгоритма к особенностям регистрируемого сигнала. Также были приняты меры по теплоизоляции корпуса акселерометра. Это позволило уменьшить частоту отсечки до 0,1 Гц (значение, устанавливаемое в закрытых помещениях). В результате диапазон регистрируемых частот акселерометра — 0,1...50 Гц. Система регистрации позволяет фиксировать сигналы до 500 Гц, при этом, однако, следует учитывать нелинейность частотной зависимости коэффициента преобразования в диапазоне выше 50 Гц.
Для проверки эффективности работы волоконно-оптического акселерометра были проведены испытания на одной из сейсмических станций Камчатского филиала Геофизической службы РАН. В ходе эксперимента сравнивались выходные сигналы волоконно-оптического акселерометра и ¿-компонента форсбалансного акселерометра Оига1р-5Т с пороговой чувствительностью 3 10-6 м/с2 и диапазоном частот 0.40 Гц. На рис. 2 показаны сигналы на выходе акселерометра Оига1р-5Т (а) и волоконно-оптического (б), записанные во время землетрясения магнитудой 4,7, произошедшего у берегов Камчатки 2 декабря 2017 г. Частотный диапазон сигнала 2.20 Гц. Длительность сигнала 2 мин. Как видно из рисунка, оба акселе-
—3 2
рометра регистрируют сейсмоускорение порядка 10 м/с . При этом можно отметить, что на сейсмограмме волоконно-оптического акселерометра (см. рис. 2, б) разница между р- и ¿•-волнами выражена более отчетливо. Также можно отметить, что уровень постоянной шумовой составляющей 16,6 Гц у волоконно-оптического акселерометра существенно ниже. По-видимому, шум имеет электромагнитный характер (станция расположена в черте города), а чувствительный элемент волоконно-оптического акселерометра невосприимчив к таким помехам. Шумовой сигнал наводится через пьезокерамический модулятор, который является „слабым" звеном волоконно-оптического акселерометра.
а)
б)
ао-10-4, м/с2
0
-5
а0-10-4, м/с2
1000 2000 3000 4000 5000 г, у.е.
0
1000
3000
4000
5000 г, у.е.
2000 Рис. 2
Следующий эксперимент проводился в 2018 г. в полевых условиях в сейсмически активной зоне на перешейке между двумя действующими камчатскими вулканами Авачинский
0
и Корякский. На рис. 3 показаны сигналы на выходе волоконно-оптического акселерометра (а) и молекулярно-электронного велосиметра СМЕ-6011 (б), чувствительность которого 2000 В/(м/с), частотный диапазон 0,033...50 Гц. На сейсмограммах видны сейсмические события, регистрируемые обоими датчиками. Пример зарегистрированного сейсмосигнала представлен на рис. 4. Уровень регистрируемого акселерометром сейсмоускорения (рис. 4, а)
—3 2
составляет величину порядка 10 м/с , а уровень регистрируемой велосиметром сейсмоско-рости — величину порядка 5• 10-6 м/с. Как видно из рис. 3, количество событий, регистрируемых акселерометром, выше, чем велосиметром.
а) 3 2 а0-10, м/с2
1
0 -1
0 0,5 1,0 1,5 М04, у.е.
б) -6 у-10, м/с
2,5
0
-2,5
а) 2 а0-10, м/с2
0
-2
-4
0 200 400 600 800 1000 1200 t, у.е.
б)
v-10-6, м/с 2,5 0
-2,5
0 200 400 600 800 1000 1200 t, у.е. Рис. 4
Таким образом, результаты испытаний волоконно-оптического акселерометра на основе интерферометра Маха — Цендера демонстрируют возможность применения активной системы стабилизации рабочей точки интерферометра в полевых условиях. Это открывает перспективы практического применения волоконно-оптического интерферометра Маха — Цен-дера в системах мониторинга природных и техногенных объектов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проекты № 16-29-02082 и 16-05-00750).
список литературы
1. Havskov J., Alguacil G. Instrumentation in Earthquake Seismology. Springer Netherlands, 2010. 347 p.
2. Аки К., Ричардс П. Количественная сейсмология: Теория и методы. М.: Мир, 1983.
3. Волоконно-оптические датчики / Под ред. Э. Удда. М.: Техносфера, 2008. 520 с.
4. Kamenev O. T., Kulchin Yu. N., Petrov Yu. S., KhiznyakR. V., Romashko R. V. Fiber-optic seismometer on the basis of Mach-Zehnder interferometer // Sensors and Actuators A. 2016. Vol. 244. P. 133—137.
Рис. 3
------•
5. Jackson D. A., Priest R., Dandridge A., Tveten A. B. Elimination of drift in a single-mode optical fiber interferometer using a piezoelectrically stretched coiled fiber // Appl. Optics. 1980. Vol. 19, N 17. P. 2926—2929.
Сведения об авторах
Юрий Николаевич Кульчин — д-р физ.-мат. наук, академик РАН; Институт автоматики и про-
цессов управления ДВО РАН, лаборатория прецизионных оптических методов измерений; E-mail: director@iacp.dvo.ru Олег Тимурович Каменев — д-р физ.-мат. наук; Институт автоматики и процессов управления
ДВО РАН, лаборатория прецизионных оптических методов измерений; E-mail: okamenev@mail.ru Юрий Сергеевич Петров — канд. техн. наук; Институт автоматики и процессов управления
ДВО РАН, лаборатория прецизионных оптических методов измерений; ст. научный сотрудник; E-mail: oskanip@mail.ru Владислав Андреевич Колчинский — Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН, лабора-
тория прецизионных оптических методов измерений; мл. научный сотрудник; E-mail: vladko.88@mail.ru Александр Александрович Подлесных — аспирант; Дальневосточный федеральный университет, школа
естественных наук; E-mail: alex118usn@gmail.com
Поступила в редакцию 18.10.18 г.
Ссылка для цитирования: Кульчин Ю. Н., Каменев О. Т., Петров Ю. С., Колчинский В. А., Подлесных А. А. Волоконно-оптический интерферометрический акселерометр для мониторинга природных и техногенных объектов // Изв. вузов. Приборостроение. 2019. Т. 62, № 3. С. 291—296.
FIBER-OPTIC INTERFEROMETRIC ACCELEROMETER FOR MONITORING OF NATURAL AND MAN-MADE OBJECTS
Yu. N. Kulchin1, O. T. Kamenev1, Yu. S. Petrov 1, V. A. Kolchinskiy1, A. A. Podlesnyh2
11nstitute of Automation and Control Processes of Far Eastern Branch of the RAS, 690041, Vladivostok, Russia E-mail: okamenev@mail.ru 2Far Eastern Federal University, 690001, Vladivostok, Russia
A fiber-optic accelerometer based on the Mach-Zehnder interferometer with an active working point
stabilization system is developed. Results of field tests of the accelerometer, confirming the possibility of
its use for monitoring of natural and man-made objects, are presented.
Keywords: fiber-optic interferometer, seismic signal, accelerometer
REFERENCES
1. Havskov J., Alguacil G. Instrumentation in Earthquake Seismology, Springer Netherlands, 2010, 347 p.
2. Aki K., Richards P.G. Quantitative Seismology, University Science Book, 1980.
3. Udd E., ed., Fiber Optic Sensors: An Introduction for Engineers and Scientists, NY, John Wiley & Sons, 2011, 512 p. DOI: 10.1002/9781118014103.
4. Kamenev O.T., Kulchin Yu.N., Petrov Yu.S., Khiznyak R.V., Romashko R.V. Sensors and Actuators A, 2016, vol. 244, pp. 133-137.
5. Jackson D.A., Priest R., Dandridge A., Tveten A.B. Applied Optics, 1980, no. 17(19), pp. 2926-2929.
Data on authors
Yuriy N. Kulchin — Dr. Sci., Academician of the RAS; Institute of Automation and Con-
trol Processes, Far Eastern Branch of the RAS, Laboratory of Precision Optical Measurements Techniques; E-mail: director@iacp.dvo.ru Oleg T. Kamenev — Dr. Sci.; Institute of Automation and Control Processes, Far East-
ern Branch of the RAS, Laboratory of Precision Optical Measurements Techniques; E-mail: okamenev@mail.ru Yuriy S. Petrov — PhD; Institute of Automation and Control Processes, Far Eastern
Branch of the RAS, Laboratory of Precision Optical Measurements Techniques; Senior Researcher; E-mail: oskanip@mail.ru
Vladislav A. Kolchinskiy — Institute of Automation and Control Processes, Far Eastern Branch
of the RAS, Laboratory of Precision Optical Measurements Techniques; Junior Researcher; E-mail: vladko.88@mail.ru Aleksander A. Podlesnyh — Post-Graduate Student; Far Eastern Federal University, School of
Natural Sciences; E-mail: alex118usn@gmail.com
For citation: Kulchin Yu. N., Kamenev O. T., Petrov Yu. S., Kolchinskiy V. A., Podlesnyh A. A. Fiber-optic interferometric accelerometer for monitoring of natural and man-made objects. Journal of Instrument Engineering. 2019. Vol. 62, N 3. P. 291—196 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2019-62-3-291-296
