Волоконно-оптический сейсмограф.



Волоконно-оптический сейсмометр
Мой сын Эрик Мимс разработал новый сейсмометр в старшей школе. Его система представляла собой маятник из оптоволокна, подвешенный к стальной раме, прикрепленной болтами к бетонной плите под ковром в его спальне. К свободному концу волокна прикреплялся груз, который висел непосредственно над светодиодом, установленным под точечным отверстием. Сейсмические события заставляли конец волокна колебаться взад и вперед поперек отверстия. Фотодетектор на противоположном конце волокна регистрировал изменения интенсивности света, которые усиливались и отправлялись на принтер, который Эрик запрограммировал как самописец. Это простое устройство зафиксировало землетрясения и два подземных ядерных испытания в Неваде, которые принесли Эрику рекордное количество наград на Региональной научно-технической ярмарке Аламо в Сан-Антонио.



Выше представлен общий вид и принципиальная схема модифицированной версии волоконно-оптического сейсмометра Эрика, состоящего из рыболовного груза, лазерного указателя или лазерного диода и фотодиода или миниатюрного солнечного элемента, подключенного к усилителю. Вставьте волокно в открытый конец лазерной указки и закрепите его горячим клеевым пистолетом. Вставьте противоположный конец волокна через центральное отверстие рыболовного груза в виде пули и приклейте его на место, как показано ниже.



Схема детектора построена на плате без пайки, как показано ниже. Лазерный свет, выходящий из утяжеленного конца волокна, регистрируется фотодиодом. Фототок с фотодиода усиливается операционным усилителем TLC271, коэффициент усиления которого определяется сопротивлением R1. Чем выше сопротивление, тем более чувствительна цепь к свету. Красный светодиод загорается, показывая, что фотодиод получает свет.



Для начальных испытаний поместите лазер на стол и подвесьте утяжеленный конец волокна над краем стола. Поместите схему детектора на пол и отрегулируйте волокно так, чтобы оно было подвешено прямо над фотодиодом. Теперь полностью затемните комнату, так как внешний свет будет сбивать систему с толку. При включении лазера должен светиться красный светодиод схемы детектора. Легкое нажатие или даже дуновение на груз заставит волокно колебаться вперед и назад, как маятник. Каждый раз, когда он проходит по фотодиоду, светодиод будет светиться.

Чтобы обнаружить очень тонкие движения, перемещайте печатную плату до тех пор, пока конец волокна не окажется над краем детектора. Или сделайте отверстие в квадрате черной ленты и наклейте ленту на фотодиод.

Если вы планируете обнаруживать землетрясения, установите сейсмометр в темном помещении или чулане, на бетонной плите или в подвале дома. Светодиод можно подключить к цепи проводами достаточной длины, чтобы его можно было установить снаружи корпуса. Лазерная указка быстро разрядит свои миниатюрные батарейки, поэтому удалите их и подключите к указке 3-вольтовый держатель батарей с парой элементов AA или AAA с помощью крошечных зажимов типа «крокодил». Если ваша указка имеет кнопочный переключатель, закройте его скотчем или прищепкой. Или вы можете заменить лазерный диод и выключатель, как показано ниже.





Вы можете подключить регистратор данных к сейсмометру, чтобы обеспечить запись того, что он обнаруживает. На приведенной выше диаграмме показана типичная реакция сейсмометра, когда его вес слегка толкается и ему позволяют раскачиваться до тех пор, пока он снова не станет стабильным. Эти данные регистрировались 4-канальным 16-битным регистратором аналоговых данных Onset Hobo UX120-006M.

Модификация сейсмометра
Подключите пьезоизлучатель или тональный генератор к выходу IC1, чтобы обеспечить звуковой сигнал при обнаружении движения.

Если вы хотите определить линейное направление сейсмического события, замените фотодиод на квадрантный фотодетектор. Отцентрируйте свободный конец волокна на стыке всех четырех квадрантов датчика. Подключите каждый квадрант к своему операционному усилителю, а их выходы к регистратору данных с 4 входами, такому как Hobo. Вы можете сделать свой собственный квадрантный детектор из четырех миниатюрных солнечных элементов, приклеенных к основанию.

Демпфирование сейсмометра
Хотя этот сейсмометр является сверхчувствительным, ему требуется время, чтобы вернуться в нейтральное положение после сейсмического события. Демпфирование маятника снижает его чувствительность, а также сокращает время, необходимое для установления нейтрального положения. Следовательно, это улучшает временное разрешение устройства.

Самый простой способ снизить демпфирование сейсмометра — просто укоротить волокно. Другой способ — поместить на датчик освещенности прозрачный контейнер с плоским дном. Наполните этот контейнер прозрачным растительным маслом и опустите в масло утяжеленный конец волокна. Величина демпфирования определяется глубиной масла.

Волоконно-оптический видеосейсмометр
Mims_Amateur_Scientist_MAKE_48_Fig_5
Самый простой способ определить величину и направление движения маятника оптического волокна во время сейсмического события — это разместить видеокамеру под движущимся концом волокна. Вышеприведенная фотография представляет собой 15-секундную экспозицию колеблющегося маятника из оптоволокна. Было снято видео движущегося конца волокна с помощью камеры Panasonic Lumix в видеорежиме. Видео было воспроизведено на планшете Surface Pro 3, а 15-секундная экспозиция видео была сделана с помощью Sony a6000 (ISO 100 при f7). Когда Эрик увидел это изображение, он предложил использовать веб-камеру, которая записывает видео только при обнаружении движения. Это определенно в моем списке дел.