Волоконно-оптический акселерометр

Волоконно-оптический акселерометр относится к измерительной технике и может быть использован для измерений параметров ускорений и вибраций от естественных и искусственных источников. Волоконно-оптический акселерометр содержит герметичный корпус, и перпендикулярно расположенные в нем одномодовый волоконный световод со сформированной на нем перетяжкой и плоский пружинный маятник. Корпус устройства заполнен демпфирующей жидкостью. Техническим результатом является упрощение оптической схемы устройства, отсутствие необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства, обеспечение его устойчивости к температурным изменениям окружающей среды, а также возможности передачи измерительной информации на удаленный терминал непосредственно без дополнительной обработки.

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерений параметров ускорений и вибраций от естественных и искусственных источников.

Известен акселерометр (патент РФ 111302, G01P 15/13). Устройство содержит корпус, маятник, на котором расположены две катушки датчика момента, подвес подвижной части, дифференциальный емкостный датчик положения, неподвижные пластины которого, имеющие гальваническую связь между собой, размещены на корпусе по обеим сторонам подвижной части, а подвижные пластины закреплены (нанесены напылением) на подвижной части на обращенных к неподвижным пластинам сторонах, упругий подвес, служащий для связи подвижной и неподвижной частей, на котором также нанесено токопроводящее напыление, и усилительно-преобразующий блок, входы которого соединены с подвижными пластинами емкостного датчика положения.

Недостатком данного устройства является его подверженность электромагнитным помехам и радиации, низкая устойчивость к агрессивным воздействиям внешней среды, и, как следствие, низкая долговечность, а также относительно высокая стоимость.

Известен также волоконно-оптический акселерометр (патент РФ 2115933, G01P 15/08, 1998.07.20), содержащий корпус, маятник с инерционной массой цилиндрической формы, две упругие цилиндрические подложки, одна из которых контактирует с одним торцом инерционной массы, две волоконные катушки, намотанные с натягом на боковые поверхности упругих цилиндрических подложек, образующие двухлучевой интерферометр, когерентный двухволновой источник света, блок обработки, состоящий из двух фотоприемников, оптического спектрально-делительного устройства, двух усилителей, двух интеграторов, двух компараторов, двух электронных ключей, двух блоков опорных напряжений, двух управляемых масштабирующих устройства, двух аналого-цифровых преобразователей и делительного устройства.

Данное техническое решение по своему функциональному назначению и по своей технической сущности является наиболее близким к заявляемому и принято за прототип.

К недостаткам прототипа следует отнести:

- относительную сложность оптической схемы устройства;

- необходимость настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства;

- низкую устойчивость выходного сигнала к неконтролируемым температурным изменениям окружающей среды;

- необходимость обработки интерференционного сигнала для получения измерительной информации.

Задачей заявляемой полезной модели является разработка нового волоконно-оптического акселерометра.

Техническим результатом является упрощение оптической схемы устройства, отсутствие необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства, обеспечение его устойчивости к температурным изменениям окружающей среды, а также возможности непосредственной без дополнительной обработки передачи измерительной информации на удаленный терминал.

Поставленная задача решается заявляемым акселерометром, состоящего из корпуса, жестко зафиксированного на нем маятника, чувствительного элемента в виде одномодового волоконного световода, содержащего участок с уменьшенным диаметром сердцевины (перетяжки), при этом корпус выполнен герметичным и заполнен средой, демпфирующей собственные колебания маятника, маятник представляет собой плоскую пружину, один конец которой закреплен на корпусе, а другой на волоконном световоде вне перетяжки таким образом, чтобы обеспечить его начальное смещение в продольном направлении.

Заявляемая конструкция акселерометра позволяет достичь заявленного технического результата за счет:

- амплитудной, а не интерферометрической регистрации полезного сигнала;

- чувствительности, сопоставимой с чувствительностью устройств на основе интерферометров;

- отсутствия необходимости использования когерентного источника излучения;

- использования небольшого количества устройств для обработки полученной измерительной информации;

- однократной настройки рабочей точки при создании устройства;

- предлагаемой формы чувствительного элемента в виде одномодового волоконного световода с уменьшенным диаметром сердцевины;

- плоского пружинного маятника с инерционной массой, расположенного перпендикулярно оси волоконного световода и совершающего колебания вдоль нее.

Сущность технического решения поясняется чертежом (фиг.), на котором представлена схема волоконно-оптического акселерометра, где обозначены:

1 - герметичный корпус;

2 - одномодовый волоконный световод;

3 - участок волоконного световода с уменьшенным диаметром;

4 - плоский пружинный маятник;

5 - вязкая жидкость;

6 - источник излучения;

7 - блок обработки.

Волоконно-оптический акселерометр содержит герметичный корпус 1, и перпендикулярно расположенные в нем одномодовый волоконный световод 2 со сформированной на нем перетяжкой 3 и плоский пружинный маятник 4. Корпус устройства 1 заполнен демпфирующей жидкостью 5. Элементы 1-5 в совокупности представляют собой волоконно-оптический акселерометр.

Волоконно-оптический акселерометр работает следующим образом. Устройство устанавливается на объект, в котором нужно измерить параметры вибрационных полей. Один конец волоконного световода 2 подключается к источнику излучения 6, который может быть как когерентным, так и некогерентным, например, светоизлучающий диод, а второй конец - к блоку обработки 7, выполненному в виде, например, фотодетектора и осциллографа. Корпус акселерометра 1 воспринимает сейсмоакустические колебания объекта, на котором он жестко зафиксирован. Вибрационные воздействия передаются чувствительному отрезку 3 волоконного световода за счет колебаний присоединенного к нему маятника 4. Колебания маятника 4 относительно перетяжки 3 на волоконном световоде 2 приводят к ее изгибу, и, как следствие, к модуляции интенсивности направляемого по нему излучения от источника 6. Амплитудно-модулированный оптический сигнал регистрируется фотоприемником и передается на осциллограф.

Использование в качестве чувствительного элемента акселерометра волоконного световода с уменьшенным диаметром сердцевины обеспечивает увеличение его амплитудной чувствительности к радиусу изгиба приблизительно на три порядка по сравнению с остальным световодом. Это связано с тем, что направляемое излучение практически не удерживается такой волоконной структурой, и поэтому, даже малейшее деформационное воздействие приводит к большим потерям направляемой по нему мощности. Участок световода с уменьшенным диаметром выполняется известными способами, например, за счет калиброванного растяжения волоконного световода, разогретого до температуры плавления.

Демпфирующая жидкость 5 выбирается в зависимости от требований чувствительности и регистрируемого частотного диапазона.

Таким образом, заявляемый волоконно-оптический акселерометр объединяет в себе все преимущества амплитудного принципа регистрации физических величин, а именно, простоту оптической схемы устройства, отсутствие необходимости настройки рабочей точки перед эксплуатацией устройства, устойчивость к температурным изменениям окружающей среды, возможность передачи измерительной информации на удаленный терминал непосредственно без дополнительной обработки, а оригинальная конструкция устройства обеспечивает чувствительность, сопоставимую с акселерометрами на основе интерферометрической регистрации.

Волоконно-оптический акселерометр, состоящий из корпуса, жестко зафиксированного на нем маятника, чувствительного элемента в виде одномодового волоконного световода, содержащего участок с уменьшенным диаметром сердцевины, при этом корпус выполнен герметичным и заполнен средой, демпфирующей собственные колебания маятника, маятник представляет собой плоскую пружину, один конец которой закреплен на корпусе, а другой - на волоконном световоде вне участка с уменьшенным диаметром сердцевины таким образом, чтобы обеспечить его начальное смещение в продольном направлении.