Акселерометр

(1% (И) 3(50 С 01 Р 8 е-ьл лт ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ: :Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(71) Специализированное конструкторское бюро с опытным производством отдела теплофизики АН Узбекской ССР(5 б) 1. Патент США Р 4233847,кл. Е 01 Р 15/08, 1980.2. Авторское свидетельство СССРМ 794548, кл. 6 01 Р 15/09, 1978(54)(57) 1. АКСЕЛЕРОИЕТР, содержащийрасположенные последовательно источник излучения, систему ввода оптического излучения, инерционный ичувствительный элементы, системувывода оптического излучения и блок регистрации сигнала, о т л и ч а ющ и й с я 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 щ и й с я тем, что, с целью расширения температурного е диапазона,на концах волоконных световодов установлены компенсаторы состояния поляризации оптического излучения и введен блок управления, входы которого соединены с выходами компенсаторов,а выход его - с входом " блока регистрации.Изобретение относится к измерительным устройствам, предназначенным для регистрации ускорений, и может служить также в качестве датчика вибраций.В настоящее время применяютсяпьезоэлектрические и механические волоконно-оптические датчики ускоренийперспективные же волоконнооптические акселерометры находятсяв стадии исследования, 1 ОИзвестен пассивный лазерный акселерометр на основе двулучепреломляющего кристалла, который состоит излазера, двулучепреломляющего кристалла, системы зеркал, образующихрезонансную полость, и фотоприемника. К двулучепреломляющему кристаллу прикреплена инерционная масса,которая пропорционально ускорениюдавит на него, изменяя оптический 70путь одной из двух ортогональнополяризованных компонент излучения.В результате этого изменяется частота биений в полости резонатора, измерив которую, можно определить 25величину ускорения 1,11,К недостаткам данного устройстваследует отнести наличие резонатора,что приводит к необходимости точнойустановки его зеркал и флуктуациямчастоты биений при изменениях температуры зеркал ( разъюстировка резонатора), Использование объемного двулучепреломляющего кристалла требует, Iприложения к нему достаточно большойинерционной массы для достижения хц"рощей чувствительности к ускорению,а также. приводит к низкой температурной стабильности устройствавследствие значительных измененийфазы излучения, проходящего черезкристалл, при Флуктуациях температуры.Наиболее близким по техническойсущности к изобретению являетсяакселерометр, содержащий расположенные последовательно источник излучения, систему ввода оптическогоизлучения, инерционный и чувствительный элементы, систему выводаоптического излучения и,блок регистрации сигнала 123.Однако известное устройство имеет низкую термостабильность, связанную с сильной зависимостью сдвига фаз между ортогонально-поляризованными компонентами проходящегочерез чувствительный элемент излучения от температуры, и недостаточно высокую чувствительность акселерометра к величине ускорения.Цель изобретения - увеличение чувствительности и термостабильности устройства.Поставленная цель достигается тем, что в акселерометре, содержащем 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 во" локонных 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 А/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 А/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 9 от относительно векторов сил, приложенных к световодам. Угол Уопт выбирается из условия оптимальной чувствительности состояния поляризации оптического излучения к ускорению датчика в каждом свето- воде, В полом корпусе 10 под давлением Р помещена инерционная масса М, которая при движении датчика с,где 5 - площадь соприкосновения инерционного элемента 11 с верхним и нижним световодами отдельно,- ускорение свободного падения.Таким образом, разность давлений на световоды прн.движении акселерометра с ускореннемРт 10 относительно состояния 0 0 составляетР 1.(а)-Р(о)=- - =-ар ВЧх 20 Р р 1,(а)-Р+(о) =дР р)Так как разность Фаз д между ортогонально-поляризованными компонентами одной моды излучения, про" шедшего через световод, имеет вид ЬВ=К А И (Р 14-Р.а) Е 1 (Ъ) Идра при использовании световода из плавленного кварца (3) преобразуется вЬР -4 РддЯЯЮ 1(,4), ПОМ то изменение степени поляризации света на выходе из верхнего и нижнего световодов при изменении давления инерционной массы имеет вид 40 (+=Ь(а ) 1 р ( )=С 05 ВЬо 054"(О фЬдр)3 дФ= Ъ(ад -1,(о)=созГИро+оИо ( дрц)(. - длина волны используемого излучения,и - показатель преломления материала световода,Р - Фотоупругие константы,Е - модуль упругости световода, о- начальный сдвиг фаэ междудвумяортогонально-полярйэованнымикомпонентами в световодер Ь - рабочая длина световода,изменение давления инерционной 60массы на световоды при ускоренном движении датчика.В каждом канале можно установить начальное состояние оптической поляризации, соответствующееРо(11 Ц в урав 65 ненни (5). В этом случае иэйенениестепени поляризации света, измеренное с помощью Фотодетектирующих приборов 14 и 15, "осле пространственного разделения ортогонально-поляризованных компонент излучения призмами Волластона 13 примет вид д 1, =Ми(4,08 (о 4(,др)дт(,Ми ЬОВ 0 4 ьдР) 16)Блок 1 б суммирует сигнал изменения степени поляризации света иэ верхнего и нижнего световодов. Если в результате суммирования АТ+дТ),=0, то измерительный блок 17 производит измерение ускорения От согласноЬ("дТ=ЙМи ,08 (6 4 ЬдР), (7) т.е. по изменению. величины, дТ(,-аТ определяется ускорение где Ь - диаметр световода,.а - инерционная масса,По знаку разностндТ-дТ измерительный блок 17 определяет такженаправление вектора ускоренияОь . 1 Л-дТ,(0 ф ОсО (9) Дпя расширения температурного диапазона устройства в акселерометре могут быть дополнительно введены пара компенсаторов 12 н блок управления ими 16, изображенный на чертеже вместе с блоком сравнения. 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 о й 4 излучения на выходе световодов таким образом, что д 1,+дТ не будет равно О. Блок управления компенсаторами в этом случае подает на компенсаторы симметричный сигнал, обеспечивающий возврат состояния оптической поляризации в начальноеВажным следствием уравнения (8) явявляется 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 пропорциональному1037182 уменьшению давления ьР, которое,собственно, индуцирует изменение состояния оптической поляризации излучения. Таким образом, появляется возможность использования коротких отрезков световодов, что приводит кзначительным технологическим упрощениям, На практике всегда прощевыбрать два коротких световодов(Ь =10 - 10 м), обладающих эквивалентными характеристиками, Согласно этой 10же формуле, уменьшение диаметра световодас при определенной инерционной массе ведет к увеличению чувствительности устройства. Меньшая температурная чувствительность предлагаемого акселерометра по сравнениюс известным достигается за счет использования в качестве чувствительного элемента волоконных световодов, обладающих на несколько порядков меньшей температурной зависимостью двулучепреломления по сравнению с объемным кристаллом известногоакселерометра. Это связано с тем,что двулучепреломление в световодеобусловлено фотоупругим эффектомпри воздействии на него одноосныхдеформаций, в отличие от объемногокристалла, в котором определяющуюроль играет естественное двулучепреломление, связанное с физическимисвойствами материала кристалла. Специальная конструкция предлагаемогоустройства, позволяющая осуществлятьподстройку начального состояния оптической поляризации в каждом каналепутем подачи соответствующих сигналов обратной связи на компенсаторы12, которые компенсируют температурные изменения состояния оптической поляризации, а также отсутствие 40клея при креплении световодов и исполнение инерционного элемента 10 ивнешнего корпуса 11 из материала стаким же как у световодов коэффициентом термического РасшиРения) 45ведет к уменьшению температурнойчувствительности устройства,ет повысить чувствительность и термостабильность акселерометраУстановка на концах волоконных световодов компенсаторов состояния поляризации оптического излучения и введение блока управления ими расширяет температурный диапазон устройств,ВНИИПИ Заказ 6002/47 Тираж 873 Подписное Филиал ППП "Патент", г.ужгород,ул.Проектная,4 При необходимости увеличения чув" ствительности 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 уменьшить площадь соприкосновения световодов с внешним .корпусом 10 и инерционным элементом 11. При движении предлагаемого акселерометра с произвольным ускорением а=а 1+0 1 оинерционный элемент 11 будет создавать как одноосные деформации световодов вследствие движения датчика с ускорением О вдоль,оси 02, так и деформации, связан"ные с ускорением устройства в .направлении оси ОХ и ОУ . ОХ и ОУ деформации световодов приводят кизменениям состояния оптической поляризации световых пучков на несколько порядков меньшим, чем одноосныедеформации, возникающие при движении акселерометра с 02 ускорением,Кроме того, ОХ и ОУ деформации одинаковым образом изменяют состояние оптической поляризации световых пучков, прошедших через оба световода, что приводит к смещению начального состояния поляризации которое кор" ректируется как и в случае дрейфа температуры компенсаторами 12. Таким образом, акселерометр, измеряющий а составляющую компоненту век- тора ускОрения О , производит измерения с большой точностью даже при наличии О и О составляющих.Точность измерения а составляющей при одновременном наличии О=ф и а =фкомпонент вектора ускорения а определяется эквивалентностью параметров верхнего и нижнего световодов. Если параметры световодов согласованы с точностью 10 , то Вклад аХ и А компонент при измерении О 7. будет составлять с (10 - 10 )Ь При размещении трех отдельных компонент вектора д , появляется возможность создания трехкоординатного акселерометра, измеряющего сразу три компоненты ускорения.Таким образом, выполнение чувствительного элемента в виде двух 1 параллельных волоконных световодов, расположенных перпендикулярно оси чувствительности между стенками корпуса и инерционным элементом и контактирующих с их поверхностями по всей своей длине, а инерционного элемента с полостью, заполненной веществом, плотность которого больше плотности материала световодов, позволя