Характеристики макета горизонтального сейсмометра с оптическим дифракционным датчиком колебаний

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.

Subject of study. This study investigates the model of a horizontal seismometer composed of a physical pendulum and an optical diffraction sensor for angular vibrations that comprises a laser, an assembly of two relief phase diffraction gratings (DGs), a diaphragm isolating the radiation of the first diffraction order after the diffraction grating assembly, and a photodetector. The physical pendulum comprises a disk mounted on the rotation axis, pullback springs, and an additional weight on the disk edge. The assembly of DGs was positioned on the disk. The signal from the photodetector output was proportional to the small linear displacements of the additional weight owing to the inertial forces under horizontal vibrations of the seismometer base. Model parameters. The diameter and mass of the disk are 250 mm and 2 kg, respectively. The free swing period of the pendulum is 3 s. The mass of the additional weight is 0.1 kg. The laser power is 5 mW. Two relief phase DGs with a groove depth of 0.32 µm and a period of 0.1 mm are positioned on the opposite facets of a glass block of DGs with a thickness of 13 mm. The grooves of the first DG are parallel to the grooves of the second DG. An FD-24k photodiode, a load resistor, an amplifier, and a filter with a bandwidth of 1800 Hz are connected to the output. Test results. The model of the optical diffraction seismometer and SM-3 reference seismometer were mounted on a single platform. Periodic oscillations of the platform with a period of 0.475 s were applied in the first series of experiments. The dependence of the signals from the outputs of seismometers of both types were similar; however, a 90° phase shift of the output signal from the investigated model with respect to the SM-3 output signal was present. This is because the output signal of the sensor in the optical diffraction seismometer is proportional to the angular displacement of the physical pendulum, whereas the signal from the coil of the SM-3 sensor is proportional to the speed of pendulum movement. A slow weak linear force was applied to the platform with seismometers in the second experiment series. In this case, the SM-3 output signal did not exceed the noise level, whereas the output signal of the optical seismometer model was triple the noise level. The sensitivity of the seismometer model significantly exceeds the sensitivity of the SM-3 seismometer under slow perturbations. Practical significance. The output signal from the optical diffraction vibration sensor is proportional to the angular displacement of the pendulum instead of the speed of its movement. Thus, the sensitivity of the seismometer model does not decrease in the range of low frequency vibrations. A seismometer with negative feedback for investigation of weak low-frequency vibrations of the Earth’s surface can be designed based on this scheme.