Волоконно-оптический акселерометр

 

Использование: в измерительной технике для измерений параметров ускорений и вибраций от естественных и искусственных источников. Сущность изобретения: на боковые поверхности двух упругих цилиндрических подложек наматываются с натягом две волоконные катушки интерферометра. Располагают между двумя упругими подложками инерционную массу. Согласовывают интерферометр с двухволновым источником когерентного света и двумя фотоприемниками через оптическое спектральное делительное устройство. Подключают выходы фотоприемников к электронному блоку. Электронный блок позволяет настроить работу интерферометра на длину волны, оптимальную с точки зрения чувствительности и динамического диапазона интерферометра. Кроме того, электронный блок устраняет влияние изменений интенсивности источника света. 4 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерений параметров ускорений и вибраций от естественных и искусственных источников.

Известен волоконно-оптический акселерометр [1], содержащий инерционную массу, нагруженную на два волоконных светодиода, один источник света и два фотоприемника, оптически согласованных со световодами. При этом фотоприемники подключены к дифференциальному усилителю. В известном акселерометре изменение интенсивности источника тока компенсируется в дифференциальном усилителе. Недостатком аналога является низкая его чувствительность к ускорению ввиду амплитудного характера регистрации параметров света, зависящие от величины ускорения.

Известен волоконно-оптический акселератор [2], содержащий инерционную массу цилиндрической формы, две упругие цилиндрические подложки, одна из которых контактирует с торцом инерционной массы, две волоконные катушки, намотанные с натягом на боковые поверхности упругих цилиндрических подложек, источник света, два фотоприемника и регистратор [2]. Акселерометр [2] принят за прототип. Недостатком прототипа является его низкая чувствительность.

Техническим результатом, получаемым от внедрения изобретения, является повышение чувствительности акселерометра путем перехода с амплитудного на фазовый характер регистрации параметров света, зависящих от ускорения.

Данный технический результат достигается за счет того, что в известном волоконно-оптическом акселерометре, содержащем инерционную массу 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, источник света, два фотоприемника и регистратор, введены оптическое спектарльно-делительное устройство, два усилителя, два интегратора, два компаратора, два электронных ключа, два блока опорных напряжений, два управляемых масштабирующих устройства, два аналого-цифровых преобразователя и делительное устройство, вторая упругая цилиндрическая подложка контактирует с вторым торцом инерционной массы, источник света выполнен когерентным и двухволновым, волоконные катушки оптически согласованы в двухплечевой интерферометр, в одном из плеч которого установлено фазосдвигающее устройство, а фотоприемники согласованы с интерферометром через оптическое спектарально-делительное устройство, при этом выходы фотоприемников соединены соответственно с входами усилителей, выходы усилителей подключены к входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, интеграторов и электронных ключей, выход каждого интегратора соединен через соответствующий компаратор с входом соответствующего электронного ключа, выходы блоков опорных напряжений подключены к соответствующим входам компараторов, выходы электронных ключей через соответствующие управляемые масштабирующие устройства соединены с регистратором, управляющие входы масштабирующих устройств соединены с выходом делительного устройства, входы которого подключены к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей.

На фиг. 1 представлена конструктивная схема акселерометра; на фиг.2 - оптическая схема; на фиг.3 - функциональная электронная блок-схема; на фиг.4 - временные диаграммы для пояснения существа изобретения.

Волоконно-оптический акселерометр содержит (фиг.1) корпус (не показан), инерционную массу 1 цилиндрической формы и контактирующие с ней по торцам две упругие цилиндрические подложки 2 и 3, на боковые поверхности которых с натягом намотаны две волоконные катушки 4 и 5, собранные в двухплечевой интерферометр (фиг.2), например по схеме Цендера-Маха, в одном из плеч которого установлено фазосдвигающее устройство 6.

Интерферометр оптически согласован с двухволновым источником 7 когерентного света и двумя фотоприемниками 8 и 9 через оптическое спектрально-делительное устройство 10.

Функциональная электронная блок-схема акселерометра (фиг.3) включает в себя два усилителя 11 и 12, два аналого-цифровых преобразователя 13 и 14, два интегратора 15 и 16, два компаратора 17 и 18, два блока опорных напряжений 19 и 20, два электронных ключа 21 и 22, два масштабирующих устройства 23 и 24 и по одному делительному устройству 25 и регистратору 26.

Схема соединений блоков 11 - 26 представлена на фиг.3 и описана выше.

Акселерометр работает следующим образом.

Перед эксплуатацией прибора с помощью фазосодержащего устройства 6 (фиг. 2) настраивает рабочую точку A (фиг.4) на выходных кривых 27 и 28 интерферометра в область, где разность фаз интерферирующих лучей на длинах волн ₁ и ₂ равна /2 .

Данная область характеризуется наибольшей крутизной и линейностью выходных кривых 27 и 28 интерферометра, т.е. наибольшей чувствительностью интерферометра к изменениям оптического пути nl -в волоконных катушках 4 и 5, происходящих под действием ускорения (здесь _n - изменения показателя преломления волокна, а _l - измерение его длины).

Ускорение, действующее на инерционную массу 1 (фиг.1) в направлении, показанном стрелкой, приводит к сжатию одной и растяжению другой упругих цилиндрических подложек 2 и 3. При этом на волоконные катушки 4 и 5 передаются сжимающее и растягивающее усилия, приводящие к изменению оптического пути nl , которое удваивается на выходе интерферометра.

Излучения с длиной волны ₁ и ₂ пространственно разделяется с помощью оптического спектарльно-делительного устройства 10 на выходе фотоприемников 8 и 9.

Электронная блок-схема (фиг.3) позволяет автоматически настраивать интерферометр на ту длину волны, при которой наблюдается оптимальный режим работы интерферометра с точки зрения его чувствительности и динамического диапазона (интерферометр на длине волны ₁ имеет большой рабочий диапазон, но меньшую чувствительность, на длине волны ₂ - напротив более высокую чувствительность и меньший рабочий диапазон, что наглядно видно на фиг.4).

Работа электронного блока осуществляется следующим образом.

После усиления в усилителях 11 и 12 сигналы поступают на интеграторы 15 и 16, после которых направляются на компараторы 17 и 18, в которых сравниваются с опорными значениями напряжений, поступающих с блоков 19 и 20 опорных напряжений. Значения опорных напряжений выбраны равными предельному значению проинтегрированного выходного сигнала интерферометра, при котором наблюдается линейное преобразование ускорения. В длинах волн квазилинейный рабочий диапазон интерферометра равен соответственно ₁/30 .

На фиг.4 предельный входной сигнал (в длинах волн) представлен для длины волны ₁ под позицией 29, а ₂ - под позицией 30.

Тогда выходные сигналы интерферометра можно представить соответственно под позициями 31 и 32, а опорные сигналы в блоках 19 и 20 обозначить как 2i₁ и 2i₂. Пока выходной сигнал интегратора 15 меньше значения i₂ компаратор 17 выдает командный сигнал на электронный ключ 21 пропустить выходной сигнал усилителя 11 на регистратор 26 (через масштабирующее устройство 23). При этом электронный ключ 22 заперт и акселерометр работает на длине волны ₁ . Как только выходной сигнал интегратора 15 превысит в компараторе 17 опорное значение напряжения i₂, электронный ключ 21 закрывается и открывается электронный ключ 22. При этом акселерометр работает уже на длине волны ₂ .

Как только выходной сигнал превысит значение i₂, закрывается и электронный ключ 22 и акселерометр выходит из своего динамического режима работы.

Если выходной сигнал интерферометра после интеграторов меньше i₁, то он всегда работает на длине волны ₂ .

Масштабирующие устройства 23 и 24 настроены таким образом, чтобы регистрация ускорения проводилась в одном масштабе независимо от рабочей длины волны.

Второй функцией электронного блока является компенсация влияния изменений интенсивности когерентного источника 7 света на результаты измерений характеристик ускорения.

Для этого после аналого-цифрового преобразования в блоках 13 и 14 сигналы с усилителей 11 и 12 подаются на делительное устройство 25. В случае постоянной интенсивности света на выходе делительного устройства 25 будет один и тот же выходной сигнал для любого значения входного сигнала акселерометра (в рабочем режиме его работы). Если интенсивность источника света случайно изменится, то на выходе делительного устройства 25 появится командный сигнал на изменение соответствующих масштабов преобразования сигналов в масштабирующих устройствах 23 и 24. При этом на показания регистратора 26 изменение интенсивности света источника 7 не повлияет.

Таким образом в данном акселерометре не только повышается чувствительность за счет использования фазового способа регистрации измерений параметров света к ускорению, но и компенсируются, как в прототипе и аналоге, изменения интенсивности источника света, влияющего на показания акселерометра. При этом влияние изменений внешних неинформативных параметров: температуры, давления, плотности не будет оказывать влияния на показания прибора, поскольку обе волоконные катушки интерферометра находятся при одних и тех же условиях.

Формула изобретения

Волоконно-оптический акселерометр, содержащий инерционную массу 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, источник света, два фотоприемника и регистратор, отличающийся тем, что введены оптическое спектрально-делительное устройство, два усилителя, два интегратора, два компаратора, два электронных ключа, два блока опорных напряжений, два управляемых масштабирующих устройства, два аналого-цифровых преобразователя и делительное устройство, вторая упругая цилиндрическая подложка контактирует с вторым торцом инерционной массы, источник света выполнен когерентным и двухволновым, волоконные катушки оптически согласованы в двухплечевой интерферометр, в одном из плеч которого установлено фазосдвигающее устройство, а фотоприемники согласованы с интерферометром через оптическое спектрально-делительное устройство, при этом выходы фотоприемников соединены соответственно с входами усилителей, выходы усилителей подключены к входам соответствующих аналого-цифровых преобразователей, интеграторов и электронных ключей, выход каждого интегратора соединен через соответствующий компаратор с входом соответствующего электронного ключа, выходы блоков опорных напряжений подключены к соответствующим входам компараторов, выходы электронных ключей через соответствующие управляемые масштабирующие устройства соединены с регистратором, управляющие входы масштабирующих устройств соединены с выходом делительного устройства, входы которого подключены к выходам соответствующих аналого-цифровых преобразователей.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4