Устройство для измерения деформации

 

Устройство для измерения деформации содержит катушку, соединенную с одной опорой, и якорь, соединенный с другой опорой, помещенные в телескопический защитный кожух. Через защитный кожух выходят концы измерительной обмотки, соединенные с регистратором. Обмотка катушки выполнена с зазором между витками одномодовым световодом, на поверхность которого нанесен слой магнитострикционного материала. Концы обмотки при помощи световодов сочленены соответственно с дополнительно введенными двухлучевой светоделительной призмой и оптической плоскопараллельной пластиной, соединенных между собой опорным одномодовым световодом. Причем вход двухлучевой светоделительной призмы связан с генератором оптического излучения. Между оптической плоскопараллельной пластиной и регистратором установлен фотоприемник. Технический результат - повышение достоверности измерений в условиях воздействия электромагнитных полей. 2 ил.

Предлагаемое устройство относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения линейных деформаций грунта при производстве ядерных или модельных взрывов, т.е. в условиях одновременного воздействия сейсмовзрывных волн и электромагнитного импульса.

В настоящее время для определения деформаций грунтового массива используют приборные скважины, пробуренные в толще грунтового массива, в которые помещают приборы. При этом в скважины могут устанавливаться емкостные, тензометрические, индуктивные датчики, описанные, например в патентах, указанных в "Справке об исследовании заявляемого объекта изобретения по патентной и научно-технической литературе".

Известен измеритель деформации грунта по патенту США №3618139 кл.73-88.5. Этот измеритель состоит из датчика, выполненного в виде двух катушек, помещаемых в исследуемый грунт, генератора, усилителей, схемы регулировки амплитуд, демодулятора и фильтра.

Принцип работы прибора заключается в регистрации изменений амплитуды наведенной ЭДС в одной из катушек в результате их взаимного перемещения друг относительно друга при деформациях грунта. Этот прибор имеет повышенную чувствительность к помехам ввиду использования аммплитудной модуляции, что снижает точность измерений, особенно при низких уровнях полезного сигнала.

Известно устройство для измерения деформации грунта, описанное в изобретении по авт. св. №1840327, кл. G 01 В 7/24, 1977, в котором применена фазовая модуляция, что обеспечивает большую помехозащищенность по сравнению с амплитудной модуляцией. Это устройство состоит из двух катушек возбуждения, удаленных на 2÷3 диаметра друг от друга, резонансного контура, жестко связанного с одной из катушек, генератора переменного тока, систем регулирования амплитуды и фазы, формирователей импульсов, фазового детектора и фильтра, выход которого подключен к регистрирующему устройству.

Принцип работы устройства заключается в преобразовании опорного синусоидального колебания в фазомодулированное и сравнении опорного и модулированного колебаний.

Это устройство содержит большое количество электронных элементов и проводные сигнальные кабели, что при измерениях в условиях одновременного сейсмического воздействия и электромагнитного импульса, например в условиях производства ядерного или модельного взрыва, снижает достоверность измерений из-за наводок ЭДС в электронных элементах и кабельных линиях связи от воздействия внешних электромагнитных полей, сопровождающих ядерный взрыв.

В качестве прототипа предлагаемого устройства рассматривается индуктивный деформометр, предназначенный для измерения деформации грунта при производстве взрывов.

Этот деформометр состоит из катушки индуктивности, соединенной с одной спорой, и якоря, соединенного с другой опорой, помещенных в телескопической защитный кожух.

На наружной поверхности катушки уложена многослойная обмотка из провода. Концы обмотки выведены через сальниковое уплотнение и при помощи сигнального кабеля соединены с регистрирующим прибором, находящимся в сооружении, расположенном на безопасном расстоянии от эпицентра взрыва.

Принцип действия этого деформометра состоит в том, что при измении расстояния между опорами, якорь входит в катушку, изменяя ее индуктивность, что и регистрируется на шлейфовом осциллографе. Недостатком этого деформометра, как и других известных устройств подобного применения, является снижение достоверности информации о деформации грунта за счет наводок ЭДС в сигнальных кабельных линиях при комплексном воздействии сейсмических колебаний и электромагнитного импульса, например при производстве ядерного взрыва.

Целью предлагаемого изобретения является повышение достоверности измерений в условиях воздействия электромагнитных полей. Поставленная цель достигается тем, что в известном измерителе деформации грунта, содержащем катушку, соединенную с одной опорой, и якорь, соединенный с другой опорой, помещенные в телескопический защитный кожух, через который выходят концы измерительной обмотки, соединяющиеся с регистратором, обмотка катушки выполнена с зазором между витками одномодовым световодом с нанесенным на его поверхность слоем магнитострикционного материала, а концы обмотки при помощи одномодового световода сочленены соответственно с дополнительно введенными двухлучевой светоделительной призмой и оптической плоскопараллельной пластиной, которые соединены между собой опорным одномодовым световодом, причем вход двухлучевой светоделительной призмы связан с генератором оптического излучения, а между оптической пластиной и регистратором установлен фотоприемник.

Из изложенного видно, что отличительными признаками заявляемого технического решения, по сравнению с известными и прототипом, являются следующие:

- обмотка катушки выполнена с зазором между витками одномодовым световодом с нанесенным на его поверхность слоем магнитострикционного материала;

- концы обмотки сочленены одномодовым световодом соответственно с дополнительно введенными двухлучевой светоделительной призмой и оптической плоскопараллельной пластиной;

- светоделительная призма и оптическая пластина соединены между собой опорным одномодовым световодом;

- вход двухлучевой светоделительной призмы связан с генератором оптического излучения;

- между оптической пластиной и регистратором установлен фотоприемник.

Перечисленные отличительные признаки характеризуют соответствие заявляемого технического решения критерию "НОВИЗНА" и, благодаря совокупности этих признаков в их конструктивно-функциональной взаимосвязи, обеспечивается достижение положительного эффекта - повышение достоверности измерений в условиях воздействия электромагнитного поля. Заявителю неизвестны технические решения, в которых имеется совокупность всех признаков, отличающих заявляемое решение, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "существенные отличия".

На фиг.1 приведена функциональная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 изображен график зависимости сигнального фототока на выходе фотоприемника от разности фаз между сигнальной и опорной волнами оптического излучения, где по оси Х отложена разность фаз, а по оси У отложена величина сигнального фототока с выхода фотоприемника.

Устройство содержит датчик 1, генератор оптического излучения 2, двухлучевую светоделительную призму 3, оптическую плоскопараллельную пластину 4, фотоприемник 5, регистратор 6. Элементы 2, 3, 4, 5, 6 помещены в экран 7,выполненный из стали.

Датчик включает катушку, каркас 8 которой выполнен из диэлектрического материала. Обмотка 9 катушки выполнена с зазором между витками одномодовым (одножильным) световодом, на поверхность которого нанесен слой магнитострикционного материала, например никеля. Якорь 10 выполнен в виде цилиндрического постоянного магнита, находящегося в центральном отверстии катушки и укрепленного на стержне 11. Катушка и якорь помещены в телескопический защитный кожух 12,выполненный из стали, являющийся одновременно экраном от внешних магнитных полей. Датчик снабжен пружиной 13 для сохранения заданной базы при установке его в грунт. Катушка и якорь со стержнем соединены с опорами 14. В качестве генератора оптического излучения могут быть использованы, например газовые лазеры типа ЛГ-38 или ЛГ-65, вырабатывающие оптические излучения длиной волны λ=0,63 мкм.

В качестве фотоприемника могут быть использованы фотоэлектронные умножители, например ФЭУ-84, ФЭУ-79 или фотометры типа ЛФО или ФН.

Регистратором может служить осциллограф С8-13 или С8-14. В качестве линий связи используются одномодовые световоды 15, которые соединяют соответственно один вывод обмотки катушки с двухлучевой светоделительной призмой, а второй конец обмотки с оптической плоскопараллельной пластиной. Светоделительная призма 3 и оптическая плоскопараллельная пластина 4 связаны между собой опорным одномодовым световодом 16.

Вход двухлучевой светоделительной призмы связан с генератором оптического излучения 2,а фотоприемник 5 установлен между оптической плоскопараллельной пластиной 4 и регистратором 6.

В основу работы устройства положена фазовая модуляция оптического излучения, вызываемая изменением линейных размеров магнитострикционного материала, нанесенного на поверхность одномодового световода, при воздействии магнитным полем. При перемещении постоянного магнита внутри катушки его магнитное поле пересекает витки обмотки и воздействует при этом на слой магнитострикционного материала, нанесенного на поверхность световода. В магнитострикционном слое возникают упругие колебания, воздействующие на световод. В результате этого воздействия происходит изменение оптической длины пути, распространяющегося по сигнальному световоду излучения, т.е. изменяется длина световода и его показатель преломления. Это изменение, в свою очередь, приводит к разность фаз между сигнальной и опорной волнами оптического излучения, что и регистрируется обычными методами.

Перед измерениями устанавливают датчик 1 в грунте, например в скважине или в шпуре и включают генератор оптического излучения 2, луч от которого проходит на вход двухлучевой светоделительной призмы 3, в которой расщепляется на два пучка. Один пучок вводится в сигнальный 15, а второй пучок в опорный 16 световоды. С выходов сигнального и опорного световодов лучи поступают на плоскопараллельную оптическую пластину 4, с которой результирующий поток излучения идет на фотоприемник 5, сигнал с выхода которого поступает на регистратор 6.

В описанном случае между сигнальной и опорной волнами излучения будет существовать постоянная разность фаз, обусловленная различной длиной сигнального и опорного световодов.

При прохождении волны сжатия грунт деформируется, расстояние между операми 14 меняется, а якорь 10, представляющий постоянный магнит, входит в осевой канал каркаса 6 катушки, при этом магнитное поле якоря воздействует на слой магнитострикционного материала, нанесенного на поверхность обмотки 9 и вызывает изменение его линейных размеров, что приводит к изменению длины и показателя преломления материала сигнального световода, а это обуславливает разность фаз между волнами оптического излучения, распространяющегося в сигнальном и опорном световодах, т.е. вызывает фазовую модуляцию оптического излучения. Эта разность фаз определяется из зависимости:

где Δψ - разность фаз между сигнальной и опорной волнами излучения;

λ - длина волны оптического излучения;

n - показатель преломления материала световода;

L - длина световода;

P_a - амплитуда упругих колебаний магнитострикционного материала;

π - постоянная, равная 3,14.

Из зависимости (1) видно, что разность фаз зависит от длины световода L и показателя преломления n.

Сигнал в виде фототока, поступающий от фотоприемника на регистратор, будет пропорционален разности фаз и для ФЭУ определится из зависимости:

где J_сигн - сигнал в виде фототока на выходе ФЭУ;

P₁ - поток излучения, распространяющегося по сигнальному световоду;

P₂ - поток излучения, распространяющегося по опорному световоду;

β - световая эффективность ФЭУ;

S_фк - чувствительность фотокатода;

G - усиление ФЭУ;

Δψ - разность фаз между сигнальной и опорной волнами излучения;

ω_s - частота упругих колебаний, возникающих в магнитострикционном материале;

t - время распространения упругих колебаний;

ψ_o - постоянная разность фаз.

Сигнал, записанный осцилдографом, сравнивают с калибровочным графиком и определяют величину деформации.

Преимущество предлагаемого устройства по сравнению с прототипом в том, что оно обеспечивает более достоверные измерения деформации грунта при производстве взрывов в условиях воздействия электромагнитных полей. Это достигается за счет того, что обмотка катушки выполнена одномодовым световодом, на поверхность которого нанесен слой магнитострикционного материала, а концы обмотки при помощи световодов сочленены с дополнительно введенными двухлучевой светоделительной призмой и оптической плоскопараллельной пластиной, соединенных между собой опорным одномодовым световодом.

В организации - заявителе был создан макет предлагаемого устройства. Испытания подтвердили его работоспособность и достижение положительного эффекта. При испытаниях были измерены деформации от 0,1 мм до 5 мм. При этом в качестве регистратора использовался осциллограф типа С8-14, фотоприемник-ФЭУ-84, ОКГ-ЛГ-65.

Формула изобретения

Устройство для измерения деформации, содержащее две опоры, катушку с обмотками, скрепленную с одной из опор, и якорь, скрепленный с другой опорой, катушка и якорь помещены в телескопическом защитном кожухе, через который выведены концы измерительной обмотки, и регистратор, отличающееся тем, что, с целью повышения достоверности измерений, обмотка катушки выполнена из одномодового световода, намотанного с зазором между витками, на поверхность световода нанесен слой магнитострикционного материала, устройство снабжено последовательно установленными и оптически связанными излучателем, двухлучевой светоделительной призмой, опорным одномеровым световодом, плоскопараллельной пластиной и фотоприемником, выводы обмотки оптически связаны соответственно со светоделительной призмой и плоскопараллельной пластиной, регистратор подключен к выходу фотоприемника.

РИСУНКИ