Устройство функционального преобразования акустического давления в частоту

 

Изобретение относится к устройствам функционального преобразования и может быть использовано в качестве волоконно-оптического датчика акустического давления в гидролокации. Цель изобретения - повышение чувствительности. Устройство выполняет преобразование величины акустического давления в частоту автоколебаний. Световодный тракт состоит из четырех световодов 4 - 6 и 8 и сенсора 7. Первый световод сопряжен с источником светового излучения 1 и сенсором 7. Входы второго 5 и третьего 6 световодов 5, 6, имеющих различную длину, сопряжены с сенсором 7, а их выводы соединены с входом четвертого световода 8, выход которого сопряжен с фотоприемником 2. При воздействии на сенсор 7 акустического давления величины мощности светового излучения, поступающего во второй 5 и третий 6 световоды, изменяются. Это приводит к изменению частоты колебаний в цепи обратной связи через усилитель 3. 4 ил.

СОЮЗ CGBETCHHX

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН

25 А1 (19) (11) (51)5 Н 03 К 9/00

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЦТИЯМ

НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСА

1 (21 ) 4381886/24-21

{22) 04.01.88 (46) 23.01.90. Бюл. И- 3 (71) Московскю» энергетический институт (72) А.А.Борцов, 10.Б.Ильин, В.Н.Константинов и И.Л.Королев (53) 621.317.76(088.8) (56) Григорьянц В.В. Квантовая электроника, 1986, 1»* 12, с.1020.

Красюк Б.K., Корнеев Г.П. Оптические системы связи и световодные датчики. — М.: Наука, 1985, с.109. (54) УСТРОЙСТВО ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ

В ЧАСТОТУ (57) Изобретение относится к устройствам функционального преобразования и может быть использовано .в качестве волоконно-оптического датчика акустического давления в гидролокации.

Цель изобретения — повышение чувствительности. Устройство выполняет преобразование величины акустического давления в частоту автоколебаний.

Световодный тракт .состоит из четырех световодов 4 " 6 и 8 и сенсора 7.Первый световод сопряжен с источником светового излучения 1 и сенсором 7.

Входы второго 5 и третьего 6 световодов, имеющих различную длину, сопряжены с сенсором 7, а их выводы соединены с входом четвертого световода 8, выход которого сопряжен с фотоприемником 2. При воздействии на сенсор 7 акустического давления величины мощности светового излучения, поступающего во второй 5 и третий 6 световоды, изменяются. Это приводит к изменению частоты колебаний в цепи обратной связи через усилитель 3.

1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1538265

Изобретение относится к устройст вам функционального преобразования физических величин и может быть использовано в качестве элемента прецизионного измерителя акустического давления.

Целью изобретения является увеличение чувствительности устройства.

На фиг.l представлена функциональ- 10, ная схема устройства; на фиг.2 " схема сенсора; на фиг.3 — форма пер вой пластины; на фиг.4 — форма вто,рой пластины. ! 15

Устройство содержит источник 1 светового излучения, приемник 2 светового излучения, усилитель 3, первый 4, второй 5 и третий 6 светово-! ды, сенсор 7> четвертый световод 8.

Сенсор 7 содержит держатель 9, первую 10 и вторую 11 пластины, мембра!,ны 12, первую 13 и вторую 14 линзы.

Приемник 2 светового излучения и ис точник 1 светового излучения подклю- 25 чены соответственно к входу и выхо ду усилителя 3, а вход первого све.товода 4 оптически сопряжен с источником 1 светового излучения, вход четвертого световода 8 оптически сопряжен с выходами второго 5 и третьего б световодов, а.его выход — с вхо-. дом приемника 2 светового излучения, сенсор 7 оптически сопряжен по входу с выходом первого световода 4 а по

У

35 выходу — с входами второго 5. и третьего 6 световодов. Первая пластина 10 жестко закреплена в держателе 9 перПендикулярно плоскости расположения осей первого 4, второго 5 и третьего 40 б световодов, вторая пластина жестко связана с мембраной 12, закрепленной в держателе 9, плоскости пластин 10 и 11 параллельны, линза 13 расположена между первым световодом 4 и пер- 45 вой пластиной 10, а вторая линза 14 между второй пластиной 11 и вторым

5 и третьим 6 световодами, оптические оси первого световода 4 и обеих линз

13 и 14 совпадают, причем каждая из пластин 10 и ll имеет участки, выполненные в виде светопроницаемых и светонепроницаемых полос, расположение пластин 10 и 11 таково, что оптическая ocb первого световода 4 про1содит через середину светонепроницае55

МОй центральной полосы первой пластины 10 и светопроницаемой центральной полосы второй пластины 11, ширины центральных полос второй ll и первой пластин находятся в соотношении 2:1.

Устройство работает следующим образом.

Источник 1 светового излучения (например, лазерный диод ) возбуждает первый световод 4, по которому свет поступает в сенсор 7 и затем через первую 10 и вторую 11 пластины во второй 5 и третий 6 световоды, которые имеют различную длину. Свет с выходов световодов 5 и 6 поступает в четвертый световод .8, распространяясь .по которому поступает затем на приемник 2 светового излучения.

Приемник 2 светового излучения преобразует оптический сигнал в электрический, поступающий после, усиления усилителем 3 на вход источника 1 светового излучения и осуществляет модуляцию мощности светового притока, который вновь попадает в первый световод 4. При выполнении условий самовозбуждения в указанной замкнутой системе устанавливается режим генерации радиочастотного синусоидального колебания. При этом мощность светового излучения промодулирована синусоидальным сигналом той же частоты, а на выходе усилителя 3 содержится информация о величине акустического давления, действующего на сенсор 7.

Работа устройства основана на автогенераторном принципе преобразования входного физического воздействия в частоту автоколебаний. Частота одночастотных колебаний устройства зависит от изменения условий возбуждения второго 5 и третьего 6 световодов, которые имеют место при поперечном смещении второй пластины 11

Относительно параллельно закрепленной первой пластины 10 при действии на мембрану, связанную с второй пластиной 11 акустического давления.

Частота одночастотных колебаний, возбуждаемых в замкнутой системе уст- ройства, определяется из условия баланса фаз и амплитуд.

1 Кл (14 ) Кьс4 1КФ44 »1 К Зь» 1, 4 л(с )+ вс )+ +Ôü64+ 4 Ч(0 »=2 п, (»

n = 1,2,. ° ., где К„, К „КФд,К„, - модули и аргументы коэффициентов передачи

35

5 15382 соответственно источника 1 светового излучения, световодного тракта, образованного первым 4, вторым 5, третьим б,четвертым 8 световодами и сенсором 7, а также усилителем 3.

Из (1) получим выражение для частоты колебаний в устройстве f

Ко=(2Т!и+ мктк) /(2 Т (ьс+Т э+Тк Ц, (2) где ы„- собственная частота электрического контура усилите- 20

O ля; .!

n = 0ó I ó2ó î ° ° у

Т,Т вЂ” постоянные времени контура и широкополосной части усилителя; 25

T — эффективное время задержки светового сигнала в световодном тракте, которое определяется как Т,=

=-(вс/с 7при (d =2

Для световодного тракта рассматриваемого устройства функционального преобразования коэффициент передачи

К oc(j

K 6 (.I&)K 1(3 ) Кс f ju) Kz >(j )

"K (j>) " (3) 65 6 величины оптических мощностей световых потоков, которые распространяются во втором 5 и третьем 6 световодах, Р1

r — величина смещения второй пластины Il относительно середины первой пластины 10 при воздействии на мембрану акустического давления;

Lln

Т

С

Т

2 С У

L»L — длины второго 5 и третьего 0 световодов;

С вЂ” скорость света;

Т и Т вЂ” задержки светового сигнала

1 1 во втором 5 и третьем 6 световодах соответственно.

Для йТ с справедливо выражение

ЛТ вс(г) = Ы (r) Т, — p(r) Т, (6) С учетом (5) и (2) выражение для частоты представляется в виде

2ffn + o)sc Тк

of (г)Т + p(t}T +Т +Т„

При выполнении соотношения p = I-of которое выполняется, например, при равном периоде Г полос, нанесенных на пластины 10 u Il (фиг.3,4), записывается следующее выражение:

20п + Ы Т вЂ” — (8) 1(Т. -L,) и/С+Ь,n/Ñ+Ò„+Ò где К,(j ),К ()ю),К (1,у),.К (у) коэффициенты передачи соответственно первого световода 4, сенсора 7, второro световода 5, третьего 6 и четвертого 8 световодов соответственно.

Считая, что акустическое давление 45 воздействует на сенсор 7 и К Ä(ju), К (1ю), K„(j(d), Ky„(ju)) при этом постоянны, величина изменений эффективной задержки светового сигнала дТ /г) определяется как

ATsc (r)=T zo(r) Tас (o); (4) йТ„(r) - — (М„(г, ) / 3f,„„-Т „(о), (5)

ofsin4Ci+ 4 sinQTg. где М =arctg соз 1+ соя

of= -1"

Р

Р.

Р

Р = —, Р,,Р— соответственно о из которого следует, что изменение частоты f, под внешним воздействием тем больше, чем больше разница между длинами второго 5 и третьего 6 световодов и чем больше изменения величины of = of (r), которая характеризует величину возбужцаемой мощности светового излучения во втором световоде 5. Величина о зависит от смещения r второй пластины 11 относительно первой пластины 10 и определяется параметрами конкретного используемого сенсора 7.

При использовании в сенсоре 7 пластин 10 и I!, одна иэ которых saкреплена на мембране 12 и смещается при акустическом ее возбуждении, cosдаваемые относительно смещения пластины 11 в направлении, перпендикулярном плоскости мембраны 12, модулируют по мощности проходящий пучок света, Полагая, что движение пласти1538265 ны 11 обусловлено акустическим колебанием, глубина модуляции оптической мощности во втором световоде 5 определяется иэ соотношения

5 (9) Ц = 2/(f с ыэ Г) э

25 Фо рмула изобретения

1.Устройство Функционального преобразования акустического давления в частоту, содержащее источник светово го излучения, выход которого оптически связан с входом первого световода, приемник светового излучения, электрический выход которого соединен с входом усилителя, а выход усилителя соединен с входом источника оптического излучения, о т л и ч а ю— щ е е с я тем, что, с целью увеличения чувствительности, в устройство введены сенсор и три световода, при- 1б чем выходы второго и третьего световодов оптически сопряжены с входом четвертого световода, выход которого оптически связан с входом четвертого световода, ьыход которого оптически где à — период решетки на пластинах

10 и 11; .у с — акустический импеданс; сакэ — угловая звуковая частота.

При этом Q определяется выражением Q = dP>/dp, где Р„ - мощность ,акустического давления, воздействующего на мембрану, P — величина оптической мощности, поступающая на вход второго световода 5.

Таким образом, для малых смещений пластины 11, т.е. r (Г, возбужденную во втором световоде 5 опти-20 ческую мощность можно определить как

P>=Q P или для o(можно записать, Ро что el = - ——

Рр связан с входом приемника светового излучения, выход первого световода оптически связан с входом сенсора, первый и второй выходы которого оптически сопряжены с входами второго и третьего световодов соответственно, а длина второго и третьего световодов выбрана удовлетворяющей условию где 1. —

J.

С

f длина третьего световода длина второго световода; скорость света; частота преобразования.

2. Устройство по п.1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что сенсор содержит держатель, мембрану, две пластины, две линзы, причем первая пластина жестко закреплена в держателе перпендикулярно плоскости расположения первого, второго и третьего световодов, вторая пластина жестко связана с мембраной, закрепленной в держателе, пластины установлены в параллельных плоскостях, первая линза расположена между выходом первого световода и первой пластиной, вторая линза расположена между второй пластиной и входами второго и третьего световодов, причем, оптические оси первого световода и обеих линз совпадают, и на поверхности первой и второй пластин нанесены светонепроницаемые участки в виде полос, оптическая ось первого световода установлена напротив середин центральной светонепроницаемой полосы первой пластины и центральной светонепроницаемой полосы второй пластины, при" чем ширина центральных полос на первой и второй пластинах выбрана удовлетворяющей соотношению 1:2.

l538265

g 10 П

@big. Я

Составитель В.Степанкин

Техред Л.Олийнык Корректор С.Черни

Редактор Н.Гунько

Заказ 174

Тираж 644

Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., д. 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул. Гагарина, 101