Характеристики макета горизонтального сейсмометра с оптическим дифракционным датчиком колебаний

Комоцкий В.А., Суетин Н.В. Характеристики макета горизонтального сейсмометра с оптическим дифракционным датчиком колебаний // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 5. С. 62–71. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-05-62-71

Komotskii V.A., Suetin N.V. Model parameters of a horizontal seismometer with an optical diffraction vibration sensor [in Russian] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 5. P. 62–71. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-05-62-71

V. A. Komotskii and N. V. Suetin, "Model parameters of a horizontal seismometer with an optical diffraction vibration sensor," Journal of Optical Technology. 89(5), 291-297 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000291

Предмет исследования. Макет горизонтального сейсмометра, в состав которого входят физический маятник и оптический дифракционный датчик угловых колебаний, который включает лазер, блок из двух рельефных фазовых дифракционных решеток, диафрагму, выделяющую излучение первого порядка дифракции после блока дифракционных решеток, и фотодетектор. Физический маятник включает диск, закрепленный на оси вращения, возвратные пружины и дополнительный грузик на краю диска. Блок дифракционных решеток размещен на диске. Сигнал с выхода фотодетектора пропорционален малым линейным отклонениям дополнительного грузика под действием сил инерции при горизонтальных колебаниях основания сейсмометра. Параметры макета. Диаметр диска 250 мм, масса 2 кг, период свободных колебаний маятника 3 с. Масса дополнительного грузика 0,1 кг. Мощность лазера 5 мВт. Две рельефные фазовые дифракционные решетки с глубиной канавок 0,32 мкм и периодом 0,1 мм расположены на противоположных гранях стеклянного блока дифракционных решеток толщиной 13 мм. Штрихи первой дифракционной решетки параллельны штрихам второй дифракционной решетки. На выходе включены: фотодиод ФД-24к, резистор нагрузки, усилитель и фильтр с полосой пропускания 1800 Гц. Результаты испытаний. Макет оптического дифракционного сейсмометра и контрольный сейсмометр СМ-3 установлены на одной платформе. В первой группе экспериментов осуществлялись периодические колебания платформы с периодом 0,475 с. Зависимости сигналов с выходов сейсмометров двух типов были подобными, но при этом наблюдался фазовый сдвиг 90° сигнала с выхода исследуемого макета относительно сигнала с выхода СМ-3, поскольку сигнал с выхода датчика оптического дифракционного сейсмометра пропорционален угловому смещению физического маятника, а сигнал с выхода катушки датчика СМ-3 пропорционален скорости движения маятника. При проведении второй группы экспериментов применялось слабое медленное линейное воздействие на платформу с сейсмометрами. При этом сигнал с выхода СМ-3 не превышал уровня шумов, а сигнал с выхода макета оптического сейсмометра превышал уровень шумов в три раза. Показано, что при медленных возмущениях чувствительность макета сейсмометра существенно превышает чувствительность сейсмометра СМ-3. Практическая значимость. Выходной сигнал оптического дифракционного датчика колебаний пропорционален угловому перемещению маятника, а не скорости его движения, поэтому чувствительность макета сейсмометра не снижается в области низких частот колебаний. На основе данной схемы принципиально возможно сконструировать сейсмометр с отрицательной обратной связью для исследования слабых низкочастотных колебаний поверхности Земли.