Акселерометр

 

1. АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий расположенные последовательно источник излучения, систему ввода оптического излучения, инерционный и чувствительный элементы, систему вывода оспсического излучения и блок регистрации сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и термостабильности , чувствительный элемент выполнен в виде двух параллельных волоконных световодов, расположенных перпендикулярно оси чувствительности между стенкаьш корпуса и инерционным элементом и контактирующих с их Поверхностями по всей своей длине, а инерционный элемент выполнен с полостью, заполненной веществом плотность которого больше чем плотность материала световодов. 2. Акселерометр по п. 1, отличающий .с я тем, что, с целью расширения температурного диапазона,на концах волоконных световодов установлены компенсаторы состояния поляризации оптического излучения и введен блок управления, входы которого соединены с выходами компенсаторовjа выход его - с входом блока регистрации.

СОЮЗ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН (19) (1И

3(50 6 01 Р 8

Ф" т

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ::

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3390259/18-10 (22) 02.02.82 (46} 23.08.83. Бюл. Р 31 (72) С.Н.Антонов, В.Б.Борцов, И.К.Карабаев, Г.Е.Креймерман, И.И.Кузнецов, N.ß.Nåø, В.В.Проклов и Г.А.Юдин (71) Специализированное конструкторское бюро с опытным производством отдела теплофизики AH Узбекской ССР (53) 531.7б8 (088.8) (5б) 1. Патент США Р 4233847, xa. G 01 P 15/08, 1980.

2. Авторское свидетельство СССР

М 794548, кл. G 01 Р 15/09, 1978 ,(прототип) . (54}(57) 1. АКСЕЛЕРОИЕТР, содержащий расположенные последовательно источник излучения, систему ввода оптического излучения, инерционный и чувствительный элементы, систему вывода оптического излучения и блок регистрации сигнала, о т л и ч а юшийся тем, что, с целью повышения чувствительности и термостабильности, чувствительный элемент выполнен в виде двух параллельных волоконных световодов, расположенных перпендикулярно оси чувствительности между стенками корпуса и инерционным элементом и контак -. тирующих с их поверхностями по всей своей длине, а инерционный элемент выполнен с полостью, заполненной веществом плотность которого больше чем плотность материала световодов.

2. Акселерометр по п. 1, о т л и ч а ю шийся тем, что, с целью расширения температурного диапазона,на концах волоконных световодов установлены компенсаторы состояния поляризации оптического из лучения и введен блок управления, входы которого соединены с выходами компенсаторов,а выход его — с входом блока регистрации.

1037182

Цель изобретения — увеличение чувствительности и термостабильности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в акселерометре, содержаИзобретение относится к измерительным устройствам, предназначенным для регистрации ускорений, и может служить также в качестве датчика вибраций.

В настоящее время применяются пьезоэлектрические и механические волоконно-оптические датчики ускорений,.перспективные же волоконнооптические акселерометры находятся в стадии исследования. о

Известен пассивный лазерный аксе лерометр на основе двулучепреломляющего кристалла, который состоит из лазера, двулучепреломляющего кристалла, системы зеркал, образующих резонансную полость, и фотоприемника. К двулучепреломляющему кристаллу прикреплена инерционная масса, которая пропорционально ускорению давит на него, изменяя оптический 2Q путь одной из двух ортогональнополяризованных компонент излучения.

В результате этого изменяется частота биений в полости резонатора, измерив которую, можно определить 25 величину ускорения $ 1).

К недостаткам данного устройства следует отнести наличие резонатора, что приводит к необходимости точной установки его зеркал и флуктуациям частоты биений при изменениях температуры зеркал (разъюстировка резонатора). Использование объемного двулучепреломляющего кристалла требует, I приложения к нему достаточно большой инерционной массы для достижения хо" ! рощей чувствительности к ускорению, а также. приводит к низкой температурной стабильности устройства вследствие значительных изменений фазы излучения, проходящего через кристалл, при флуктуациях температуры.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является акселерометр, содержащий располо- 45 женные последовательно источник излучения, систему ввода оптического излучения, инерционный и чувствительный элементы, систему вывода оптического излучения и,блок регистрации сигнала 7.2).

Однако известное устройство имеет низкую термостабильность, связанную с сильной зависимостью сдвига фаз между ортогонально-поляри- 55 зованными компонентами проходящего через чувствительный элемент излучения от температуры, и недостаточно высокую чувствительность акселерометра к величине ускорения. щем последовательно расположенные источник оптического излучения, систему ввода оптического излучения,. инерционный и чувствительный элементы,. систему вывода оптического излучения и блок регистрации сигйала, чувствительный элемент выполнен в виде двух параллельных волоконных световодов, расположенных перпендикулярно оси чувствительности между стенками корпуса и инерционным элементом и контактирующих с их поверхностями по своей всей длине, а инерционный элемент выполнен с полостью, заполненной .веществом, плотность которого больше чем плотность материала световодов.

При этом на концах волокнистых световодов установлены компенсаторы состояния поляризации оптического излучения и введен блок управления, входы которого соединены с выходами компенсаторов, а выход его — с входом блока регистрации.

На чертеже показан вариант предлагаемого волоконно-оптического поляризационно-чувствительного датчика ускорений-акселерометра.

Устройство содержит источник 1 линейно-поляризационного света, полупрозрачную пластину 2, зеркало 3, две фазосдвигающие пластины ./4

4, поляроиды 5, короткофокусные линзы б и 7 для эффективного ввода и вывода излучения, верхний 8 и нижний 9 волоконные световоды, внешний корпус 10, инерционный элемент 11, компенсаторы состояния поляризации оптического излучения 12, призмы

Волластона 13, фотодетектирующие приборы 14 и 15, которые регистрируют степень поляризации излучения, прошедшего через световоды, блок сравнения и управления компенсаторами

16, блок регистрации 17.

Предлагаемый датчик ускорения работает следующим образом.

Излучение источника 1 света с помощью светоделительной пластины 2. и зеркала 3 разделяется на два луча, каждый из которых направляется на соответствующие фазосдвигающие пластины Л/4, которые преобразуют линейно-поляризованный свет источника 1 в свет, поляризованный по ,кругу. Поляроиды .5 служат для выделения линеййо-поляризованного света, плоскость поляризации которого составляет угол акопу относительно векторов сил, приложенных к световодам.

Угол 7о„т выбирается из условия оптимальной чувствительности состояния поляризации оптического излучения к ускорению датчика в каждом световоде. В полом корпусе 10 под давлением Р помещена инерционная масса

М, которая при движении датчика с 1037182

ИЩ ear

Р (ор.) =Ро .Р (а) =Ро+ — 9 . + ъ=о

15

25 и (p

Ж y ЬР

Ы,„-ьт„ о - о эо при

50 ускорением d 0 вдоль оси OZ действует с давлением Р4(а ) и @(а)на верхний и нижний световоды соответственно.где 5 - площадь соприкосновения инерционного элемента 11 с верхним и нижним световодами отдельно, g - ускорение свободного падения.

Таким образом, разность давлений на световоды прн.движении акселерометра с ускореннемРт О относительно состояния Oz 0 составляет

p>(ad-p (o) =- — =- ь Р

)1К1т

1Р

p<(az)-Р ь(о) =ap (1) Так как разность фаз Ь между ортогонально-поляризованными компонентами одной моды излучения, прошедшего через световод, имеет вид а при использовании световода из плавленного кварца (3) преобразуется в

ЬР -4 РАА, =gal+ Ю (4), ПОМ то изменение степени поляризации света на выходе из верхнего и нижнего световодов при изменении давления инерционной массы имеет вид 40

Ф

ЬТ+=Тр, (a ) ТР„„)=со5 (Р -О54- (0-44 ьРД

ЬС4 -ТР (а,) ТР,(О)=СОЗЕИро+0 4 (О 1,ЬР)) (ß 45

В Формулах (3) и (5) приняты следующие обозначения:

К - коэффициент, учитывающий геометрию световода, )1. - длина волны используемого излучения, n - показатель преломления материала световода, 0 9 — фотоупругие константы, Š— модуль упругости световода, Ро - начальный сдвиг фаэ междУ двУмЯ ортогонально-полярйзованными компонентами в световодер

1 — рабочая длина световода, изменение давления инерционной 60 массы на световоды при ускоренном движении датчика.

В каждом канале можно установить начальное состояние оптической поляризации, соответствующеефо(11 Ц в урав .65 ненни (5). В этом случае иэйенение степени поляризации света, измерен ное с помощью Фотодетектирующих приборов 14 и 15, "осле пространственного разделения ортогонально-поляризованных компонент излучения призмами Волластона 13 примет вид

ЬТ =51в(408 о 41,ьР) ь Т =- )4в Ь08 <о "1 ьР) (6)

Блок 1б суммирует сигнал изменения степени поляризации света иэ верхнего и нижнего световодов. Если в результате суммирования 4, T +dQ=0, то измерительный блок 17 производит измерение ускорения Oz согласно

ЬИ -ЬТ =Йз1и (4,08 (6 4ьР), (7) т.е. по изменению .величины, ЬТ4,-ЬТ4 определяется ускорение где d - диаметр световода, . m - инерционная масса.

По знаку разностньТ -ЬТ измерительный блок 17 определяет также направление вектора ускорения0ь .

ЬТ ЬТ4

В качестве компенсаторов состояния поляризации оптического излучения могут быть, например, Соле-Баине компенсаторы, либо пьезоэлектрические пластины, осуществляющие одноосные деформации световодов. При измерении температуры произойдет смещение начального состояния оптической поляризации Q 47 4 излучения на выходе световодов таким образом, что ь ),+дТ не будет равно О. Блок управления компенсаторами в этом случае подает на компенсаторы симметричный сигнал, обеспечивающий возврат состояния оптической поляризации в начальное °

Важным следствием уравнения (8) asявляется тот факт, что чувствительность акселерометра к ускорению не зависит от рабочей длины волоконных световодов. Это происходит иэза увеличения -площади соприкосновения инерционной массы со световодом при использовании более длинных воло.. кон, что ведет к пропорциональному

1037182

ВНИИПИ Заказ 6002/47

Тираж 873 Подписное

Филиал ППП "Патент", r.Óæãoðîä,óë.Ïðîåêòíàÿ,4 уменьшению давления hP, которое, собственно, индуцирует изменение состояния оптической поляризации излучения. Таким образом, появляется возможность использования коротких отрезков световодов, что приводит к значительным технологическим упрощениям. На практике всегда проще выбрать два коротких световодов (4 =10 — 10 м), обладающих эквивалентными характеристиками. Согласно этой 10 же формуле, уменьшение диаметра световодас! при определенной инерционной массе ведет к увеличению чувствительности устройства. Меньшая температурная чувствительность предла- 15 гаемого акселерометра по сравнению с известным достигается за счет использования в качестве чувствительного элемента волоконных световодов, обладающих на несколько порядков меньшей температурной зависимостью двулучепреломления по сравнению с объемным кристаллом известного акселерометра. Это связано с тем, что двулучепреломление в световоде обусловлено фотоупругим эффектом при воздействии на него одноосных деформаций, в отличие от объемного кристалла, в котором определяющую роль играет естественное двулучепреломление, связанное с физическими свойствами материала кристалла. Специальная конструкция предлагаемого устройства, позволяющая осуществлять подстройку начального состояния оптической поляризации в каждом канале путем подачи соответствующих сигналов обратной связи на компенсаторы

12, которые компенсируют температурные изменения состояния оптической поляризации, а также отсутствие 40 клея при креплении световодов и исполнение инерционного элемента 10 и внешнего корпуса 11 из материала (c таким же как у световодов коэффициентом термического расширения) 45 ведет к уменьшению температурной чувствительности устройства.

При необходимости увеличения чувствительности акселерометра к ускорению (с сохранением размеров устройства) в инерционной массе можно выполнить полость и заполнить ее .веществом с большим удельным весом, увеличив, таким образом,.величину инерционного элемента 11, либо умень-55 шить площадь соприкосновения световодов с внешним .корпусом 10 и инерционным элементом 11.

При движении предлагаемого акселерометра с произвольным ускорением о=а„1+о о кинерционный элемент 11 будет создавать как одноосные деформации световодов вследствие движения датчика с ускорением 0< вдоль. оси OZ так и деформации, связанные с ускорением устройства в направлении оси ОХ и OY . ОХ и ОУ деформации световодов приводят к изменениям состояния оптической поляризации световых пучков на несколько порядков меньшим, чем одноосные деформации, возникающие при движении акселерометра с 0Z ускорением.

Кроме того, ОХ и OY деформации одинаковым образом изменяют состояние оптической поляризации световых пучков, прошедших через оба световода, что приводит к смещению начального состояния поляризации которое корректируется как и в случае дрейфа температуры компенсаторами 12. Таким образом, акселерометр, измеряющий д составляющую компоненту век тора ускорения О, производит измерения с большой точностью даже при наличии 0 и 0 составляющих.Точность измерения ag составляющей при одновременном наличии Oq= gI и д --/g I компонент вектора ускорения 0 определяется эквивалентностью параметров верхнего и нижнего световодов.

Если параметры световодов согласованы с точностью 10, то вклад ag и А компонент при измерении Q будет составлять с (104- 10 )g(; При размещении трех отдельных компонент вектора С1, появляется возможность создания трехкоординатного акселерометра, измеряющего сразу три компоненты ускорения.

Таким образом, выполнение чувствительного элемента в виде двух1 параллельных волоконных световодов, расположенных перпендикулярно оси чувствительности между стенками корпуса и инерционным элементом и контактирующих с их поверхностями bio всей своей длине, а инерционного элемента с полостью, заполненной веществом, плотность которого больше плотности материала световодов, позволяет повысить чувствительность и термостабильность акселерометра °

Установка на концах волоконных световодов компенсаторов состояния поляризации оптического излучения и введение блока управления ими расширяет температурный диапазон устройств.