Диссертация (1105240), страница 5
Текст из файла (страница 5)
AC Input - вход для подачи переменногонапряжения. HV1,2 Out - напряжения, подаваемые на электроды двух пластин актюатора. HV1,2 Control - выход делителей напряжения для измеренияподаваемых на электроды актюатора напряжений. В процессе настройки R1- потенциометр, после настройки - постоянный резистор соответствующегономинала.31выходного высокого напряжения фиксируются, потенциометр заменяется напостоянный резистор R1 соответствующего номинала (см. блок-схему 2.4).Таким образом, в цепи питания электродов актюатора не остается размыкающихся контактов, которые могут приводить к дополнительному шумунапряжения.
Разность приложенных напряжений к пластинам актюатора впроцессе измерений не превышала 5%. Угол поворота пластины осциллятора из-за неточности регулировки напряжений не превышал 2 · 10−8 рад приприкладываемом постоянном напряжении UDC ≈ 600 В.Колебания осциллятора регистрируются специально разработанным прецизионным оптическим датчиком на основе интерферометра Майкельсона [63].Одна из сторон пластины осциллятора имеет высокоотражающее многослойное диэлектрическое покрытие и образует диэлектрическое зеркало. Трехмерная схема интерферометрического датчика представлена на рис.
2.1(c,e),схема хода лучей - на рис. 2.1(d). Излучение частотно-стабилизированногогелий-неонового лазера Melles Griot 25-STP-912 с длиной волны λ = 633 нмчерез оптоволокно SM-600 заводится в камеру с установкой, коллимируется в пучок на выходе из световода, разделяется на 50:50 светоделителе и,отражаясь от дополнительных направляющих зеркал, падает почти перпендикулярно на пластину осциллятора.
Отражаясь от пластины, два луча идутобратно также с небольшим отклонением от перпендикуляра к поверхностипластины, интерферируют на светоделителе и регистрируются двумя фотодетекторами. Подобная конструкция позволяет сделать датчик практическинечувствительным к поступательным смещениям осциллятора и одновременно дает выигрыш в два раза по чувствительности к углу поворота осциллятора. Настройка интерферометра двухступенчатая.
Одно из направляющихзеркал сделано подвижным - его наклоном можно управлять механически(первая ступень регулировки - грубая подстройка), его положение и наклонможно подстраивать при помощи трех пьезоподач Thorlabs AE0203D04 (вторая ступень регулировки - плавная подстройка).
Изменением наклона по32движного зеркала осуществляется сведение лучей на светоделителе, параллельным смещением зеркала осуществляется изменение разности длин плечинтерферометра и, следовательно, настройка рабочей точки интерферометра.Сейсмическая изоляция установки обеспечивается следующим образом.Рама осциллятора, электростатический актюатор и оптическая измерительная система помещены на платформу, которая подвешена как двойной маятник.
Каждая из ступеней этого маятника подвешена при помощи трех симметрично расположенных резинок шириной 20 мм, толщиной 4 мм и длиной20 см (нижняя ступень) и 8 см (верхняя ступень). Колебания верхней ступени маятника подавляются магнитным демпфером, основанным на эффектевихревых токов [64]. Демпфер образован кольцом NiFeB (ниодим-железобор) магнитов с аксиально направленным магнитным полем индукции 1.4 Тл,расположенными так, что полюса магнитов чередуются.Для минимизации передачи сейсмических возмущений от основания камеры с установкой непосредственно ко второй ступени через провода, последние были сделаны тонкими, мягкими и на каждом проводе был сделанволнообразный изгиб.
После этой операции самым жестким связующим элементом стал световод. Использованный в установке коммерческий световодбыл модифицирован по следующей технологии: ввод излучения в камеру былвыполнен путем вклеивания световода в специально изготовленный вакуумный фланец, как показано на рисунке 2.5. Часть оболочки, идущей внутрикамеры, была срезана так, что осталось только покрытое пластиковой оболочкой оптоволокно (толщина пластиковой оболочки 125 мкм, ядра - 4 мкм),которое достаточно мягкое. Открытая часть световода была дополнительносвернута в кольцо (не показано на рисунке).
Таким образом передача сейсмических возмущений через световод была значительно ослаблена.33Рис. 2.5: Схема ввода оптического излучения в вакуумную камеру. Лазерноеизлучение заводится в оптоволокно; световод вклеен в вакуумный фланец,как показано на вставке справа; в вакуумной камере часть оболочки световода срезана так, что остается только оптоволокно (красный участок нарисунке слева), свернутое в кольцо (не показано на рисунке).2.1.1. Модификация экспериментальной установки для измерениядинамики распределения зарядовХарактерные времена накопления и релаксации распределения заряда наповерхности находящегося в вакууме образца из плавленого кварца, обладающим очень малой проводимостью, могут достигать нескольких лет [53, 65].Один из способов уменьшить характерное время релаксации и, соответственно, добиться того, чтобы время измерения превосходило или хотя бы совпадало по порядку с характерным временем релаксации - поместить пробнуюмассу в воздушную среду, поскольку поверхностная проводимость плавленого кварца сильно зависит от влажности [42].34В разработанной экспериментальной установке платформы S1, 2 (см.рис.
2.1a), на которых расположены осциллятор, актюатор, и оптический датчик, помещены в вакуумную камеру. Дополнительно предусмотрена возможность проводить измерения в воздушной среде при атмосферном давлениии контролируемой относительной влажности воздуха. При этом в вакуумную камеру напускается воздух и один из фланцев заменяется заглушкой, вкоторую со стороны вакуумной камеры встроен датчик температуры и влажности. Для проведения исследований в вакууме камера предварительно проветривается, заглушка заменяется обратно на фланец.
В условиях вакуумаизмерения проводились при остаточном давлении 10−5 Торр.2.2. Вычисление момента сил, действующих наосциллятор. КалибровкаФотодетекторы PD1 and PD2 (см рис. 2.1c) состоят из фотодиода, подключенного к трансимпедансному усилителю. В предположении, что уголотклонения пластины осциллятора мал, смещения точек на пластине, от которых отражаются лучи, задаются выражением x1,2 ≈ ±L sin θ ≈ ±Lθ, где2L ≈ 20 мм - расстояние между точками, θ - угол поворота пластины осциллятора относительно ее стационарного положения, когда на пластину недействуют внешние силы. Рабочая точка интерферометра выбирается такимобразом, чтобы значения мощности излучения, падающего на фотодетекторы, были равны.
Это достигается прецизионной подстройкой разности длинплеч интерферометра ∆l0 , описанной в разделе 2.1.При вращении пластины осциллятора изменяется разность длин плечинтерферометра ∆l = ∆l0 + 2(x1 − x2 ) = ∆l0 + 4θL. В предположении, чтокоэффициенты преобразования падающей мощности света в выходные напряжения G1,2 для фотодетекторов P D1, 2 равны и оптические потери в обоихплечах равны и не зависят от угла поворота пластины, функции видности35интерферометра νi = (Umax,i − Umin,i )/(Umax,i + Umin,i ), измеренные каждым изфотодетекторов (i = 1, 2; Umin,i , Umax,i - минимальные и максимальные значения выходного напряжения фотодетектора i), также будут равны и выходныенапряжения фотодетекторов могут быть записаны в следующем виде:2π(∆l0 + 4θL)U1,2 = GαP0 /2 1 ± ν cosλ(2.2)где λ - длина волны света, (1 − α) - величина оптических потерь в плечеинтерферометра (α .
1), P0 - мощность излучения на входе интерферометра.Измеренные в ходе эксперимента каждым из фотодетекторов значенияфункций видности отличались не более чем на 1%. Максимальное значениеамплитуды угла отклонения пластины осциллятора не превышало ≈ 10−8 рад.Независимость коэффициентов G1,2 от падающей на фотодетектор мощностибыла проверена экспериментально. Таким образом, сделанные предположения выполняются. Следовательно, при условии, что рабочая точка интерферометра выставлена так, как описано выше, угол отклонения θ можно рассчитать из измеренных значений выходных напряжений фотодетекторов U1,2по формуле:λ U1 − U2.(2.3)8πLν U1 + U2Следует отметить, что выражение для угла поворота пластины осцилθ=лятора не зависит не только от неизвестных коэффициентов G1,2 , но и отсуммарной мощности излучения P0 , что позволяет существенно снизить влияние флуктуаций мощности излучения лазера на точность измерения углаповорота пластины осциллятора.Зная момент инерции осциллятора J и его добротность Q можно вычислить модуль K(f ) механической восприимчивости осциллятора на частотеf:K(f )−1 = 4π 2 J (f 2 − fr2 )2 + f 2 fr2 /Q21/2,(2.4)где fr - резонансная частота осциллятора.
Добротность осциллятора былаизмерена экспериментально путем аппроксимации экспоненциальной зависи36Рис. 2.6: Блок-схема систем измерения и управления экспериментальнойустановкой. 1 - управляемый источник высокого напряжения, 2 - управляемый с ПК цифровой генератор гармонического сигнала, 3 - микрофон длярегистрации акустического фона, 4 - плата АЦП, 5 - управляемый с ПКисточник питания пьезо-подачи для подвижного зеркала оптического датчика. Программа управления установкой, исполняемая на ПК, предоставляетвозможность удаленного управления установкой.мостью затухания свободных колебаний осциллятора, момент инерции былрассчитан численно.Для спектральных плотностей мощности флуктуаций угла поворота пластины осциллятора Sθ (f ) и флуктуаций момента действующих на нее сил2SN (f ) верно соотношение SN (f ) = K(f )−1 Sθ (f ), для амплитуд колебаний пластины осциллятора и момента сил на частоте f верно соотношениеN0 f = K(f )−1 θ0 f .372.3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
