Устройство функционального преобразования акустического давления в частоту

СОЮЗ СОВ СОЦИА ЛИС РЕСПУБЛИ СНИХ ЕСНИХ 3 К 9/00 ПИСАНИЕ ИЗОБРЕТ Я 4381886/2404.01.8823,01.9Московск ионального преобра ь использовано .в к птического датчика авления в гидролок честв в с ци ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТНРЫТИПРИ ГКНТ СССР А,А.Борцов, Ю тинов и И.Л.Ко 621,317.76(088.8)(56) Григорьянц В.В. Кванто троника, 1986, М 12, с.1020 Красюк Б,К., Корнеев Г.П кие системы связи и светово чики, - М.: Наука, 1985, с,(54) УСТРОЙСТВО ФУНКЦИОНАЛЬ ОБРАЗОВАНИЯ АКУСТИЧЕСКОГО ДА В ЧАСТОТУ(57) Изобретение относится ствам функц и может быт олоконно-о тического д2Цель изобретения - повввпение чувствительности. Устройство выполняет преобразование величины акустического давления в частоту автоколебаний.3 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 свето- вода 8, выход которого сопряжен с фотоприемником 2. При воздействии на сенсор 7 акустического давления ве" личины мощности светового излучения, поступающего во второй 5 и третий 6 световоды, изменяются. Это приводит к изменению частоты колебаний в цепиобратной связи через усилитель 3.1 з.п, ф-лы, 4 ил.Изобретение относится к устройст вам функционального преобразованияФизических величин и может быть использовано в качестве элемента прецизионного измерителя акустическогодавления,Целью изобретения является увеличение чувствительности устройства.На Фиг.1 представлена функциональная схема устройства; на фиг.2 "схема сенсора; на фиг.3 - форма первой пластины; на фиг.4 - форма вто,рой пластины,15Устройство содержит источник 1 светового излучения, приемник 2 светового излучения, усилитель 3, первый 4, второй 5 и третий 6 световоды, 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 чены соответственно к входу и выходу 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 входом приемника 2 светового излучения, сенсор 7 оптически сопряжен по входу с выходом первого световода 4 а поУ35 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 вой пластиной 1 О, а вторая линза 14 между второй пластиной 11 и вторым 5 и третьим 6 световодами, оптические оси первого световода 4 и обеих линз13 и 14 совпадают, причем каждая из пластин 10 и 11 имеет участки, выполненные в виде светопроницаемыхи светонепроницаемых полос, расположение пластин 10 и 11 таково, что оптическая ось первого световода 4 про 1 содит через середину светонепроницае 55 МОй центральной полосы первой пластины 10 и светопроницаемой центральной полосы второй пластины 11, ширины центральных полос второй 11 и первойпластин находятся в соотношении 2:1,Устройство работает следующим образом.Источник 1 светового излучения(,например, лазерный диод ) возбуждаетпервый световод 4, по которому светпоступает в сенсор 7 и затем черезпервую 10 и вторую 11 пластины вовторой 5 и третий 6 световоды, которые имеют различную длину. Свет свыходов световодов 5 и 6 поступаетв четвертый световод .8, распространяясь .по которому поступает затемна приемник 2 светового излучения.Приемник 2 светового излучения преобразует оптический сигнал в электрический, поступающий после, усиления усилителем 3 на вход источника 1светового излучения и осуществляетмодуляцию мощности светового притока,который вновь попадает в первый световод 4. При выполнении условий самовозбуждения в указанной замкнутойсистеме устанав 1 ивается 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 насенсор 7,Работа устройства основана на автогенераторном принципе преобразования входного физического воздействия в частоту автоколебаний, Частотаодночастотных колебаний устройствазависит от изменения условий возбуждения второго 5 и третьего 6 световодов, которые имеют место при поперечном смещении второй пластины 11Относительно параллельно закрепленной первой пластины 10 при действиина мембрану, связанную с второй пластиной 11 акустического давления.Частота одночастотных колебаний,возбуждаемых в замкнутой системе уст-ройства, определяется из условия баланса фаз и амплитуд . 11 и (3411 ьс(14 11 ФУ(Зф 1 1(3 ф 114 л+ вс (ы)+ рфд(ы)+ 46(ы)=2 п, (1)и = 1 у 2).1 лэ 1 басф 1(ФА э 1(э модули и аргу 9 л э ф 4 м ф фд У менты коэффициентов передачи30 35 5 15382соответственноисточника 1 светового излучения, световодного тракта,образованногопервым 4, вторым 5, третьимб,четвертым 8световодами исенсором 7, атакже усилителем 3.Из (1) получим выражение для частоты колебаний в устройстве Г,: о=(2 п+мкк)/Г( юс+Тэ+Т), (2) где с- собственная частота электрического контура усилитеРля;4п = Оу 1 у 2 уоуТк,т - постоянные времени контураи широкополосной части уси"лителя; 25Т - эффективное время задержки светового сигнала в световодном тракте, котороеопределяется как Т вс== 1 вс/с.при ы =2 ИДля световодного тракта рассматриваемого устройства функционального преобразования коэффициент передачи КбсЦШ) определяется соотношением К (10 д)=К 1(Э) К (3) К.э(3) фК+ (1 и), (3) 65 6величины оптических мощностей световых потоков, которые распространяются во втором 5 и третьем 6 световодах,Р 1 Р 21г - величина смещения второйпластины 11 относительно середины первой пластины 10при воздействии на мембрануакустического давления;Ь 1 пТСТ д = -"С-"Ь Ь - длины второго 5 и третьего 6световодов;С - скорость света;Т и Т - задержки светового сигнала1 1во втором 5 и третьем 6 световодах соответственно.Для отс справедливо выражение ат ас(г) = о( (г) Т, - р(г) Т, (6) С учетом (5) и (2) выражение для час" тоты представляется в виде2 п + ик Тко(г)т + р(г)Т. +Т +Т При выполнении соотношения р =1-Ы, которое выполняется, например, при равном периоде Г полос, нанесенных на пластины 10 и 11 (фиг.3,4), записывается следующее выражение:20 п + Ы Тц евщ йюь еваеаи тю щщщ (8)где К,(1 са),К (ю),К,(1 с,);К Цсо)коэффициенты передачи соответственно первого световода 4, сенсора 7, второго световода 5, третьего 6 и четвертого 8 световодов соответственно.Считая, что акустическое давление 4 б воздействует на сенсор 7 и К (1 и, К Цю), К,Дм), К 4,д(1 со) при этом постоянны, величина изменений эффективной задержки светового сигнала дТ (г) определяется как атьс (г)=Т с(г) Тбс (о) 3 (4)йтс (г) - (вс(ги)/й 31 д с-тьс(о), (5)Изпют 1+ Р зь.паетгде 4 =агсг 8сов, + сово= -1.РР.РР =РР- соответственноо из которого следует, что изменение частоты Е, под внешнии воздействием тем больше, чем больше разница между длинами второго 5 и третьего 6 световодов и чем больше изменения величины Ы= Ы(г), которая характеризует величину возбужцаемой мощности светового излучения во втором свето- воде 5. Величина о зависит от смещения г второй пластины 11 относи" тельно первой пластины 10 и определяется параметрами конкретного используемого сенсора 7.При использовании в сенсоре 7 пластин 10 и 1, одна иэ которых закреплена на мембране 12 и смещается при акустическом ее возбуждении, создаваемые относительно смещения пластины 11 в направлении, перпендикулярном плоскости иембраны 12, модулируют по мощности проходящий пучок света, Полагая, что движение пласти 1538265ны 11 обусловлено акустическим колебанием, глубина модуляции оптической мощности во втором световоде 5 определяется иэ соотношенияЦ у = 2/ (у с ыз 1),где Г - период решетки на пластинах10 и 11;.ус - акустический импеданс; 10сиз - угловая звуковая частота.При этомопределяется выражением 0 = ЙР/с 1 Р где Р - мощность ,акустического давления, воздействующего на мембрану; Р- величина оптической мощности, поступающая на вход второго световода 5.Таким образом, для малых смещений пластины 11, т.е. г ( Г, возбужденную во втором световоде 5 оптиО ческую мощность можно определить как Р 1=Ц Р или для о можно записать,Рачто с= - --Рр25фо рмула изобретения 1.Устройство функционального преобразования акустического давления в частоту, содержащее источник светового излучения, выход которого оптически связан с входом первого свето- вода, 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- АО чем выходы второго и третьего световодов оптически сопряжены с входом четвертого световода, выход которого оптически связан с входом четвертого световода, ьыход которого оптически 45связан 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. ЬО,1 С/Г длина третьего световодадлина второго световода;скорость света;частота преобразования. где 1. 1. С2. 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 1:2,1538265 едактор Н. Гунько С,Черни аз 1 Тираж 644 Подписи ГКНТ СС Государственного комитета по изобретениям и открытиям 113035, Москва, Ж; Раушская наб., д. 4/5 изводственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул. Гагарина, 10 Составител Техред д 3 10 П ФРИ Я