Акселерометр Советский патент 1983 года по МПК G01P15/93 

Изобретение относится к измерительным устройствам, предназначенным для регистрации ускорений, и м жет служить также в качестве датчи ка вибраций. В настоящее время применяются пьезоэлектрические и механические локонно-оптические датчики ускорений, - перспективные же волоконнооптические акселерометры находятся в стадии исследования. Известен пассивный лазерный акс лерометр на основе двулучепреломля щего кристалла, который состоит из лазера, двулучепреломляющего кристалла, системы зеркал, образующих резонансную полость, и фотопрйемни ка. К двулучепреломляющему кристал лу прикреплена инерционная масса, которая пропорционально ускорению давит на него, изменяя оптический путь одной из двух ортогональнополяризованных компонент и.злучения В результате этого изменяется часто та биений в полости резонатора, из мерив которую, можно определить величину ускорения 11. К недостаткам данного устройства следует отнести наличие резонатора что приводит к Необходимости точной установки его зеркал и флуктуациям частоты биений при изменениях температуры зеркал (разъюстиррвка резо натора . Использование объемного дв лучепреломляющего кристалла требует приложения к нему достаточно большо ине зционной массы для достижения ко рошей чувствительности к ускорению, а также, приводит к низкой температурной стабильности устройства вследствие значит ель ных изменений фазы излучения, проходящего через кристалл, при флуктуациях температуры . Наиболее близким по технической сущности к изобретению является акселерометр, содержащий расположенные последовательно источник излучения, систему ввода оптического излучения, инерционннй и чувствительный элементы, систему вывода оптического -излучения и,блок регистрации сигнала t2}. Однако известное устройство имеет низкую термостабильность, связанную с сильной зависимостью сдвига фаз между ортогонально-поляризованными компонентами проходящего через 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 в.ывода оптического излучения и блок регистрации сигнала, чувствительный элемент выполнен в виде двух параллельных волоконных 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 Л/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, фотодетектируюище 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 2и зеркала 3 разделяется на два луча, каждый из которых направляется на соответствуквдие фазосдвигающие пластины Л/4 , которое преобразуют линейно-поляризованный свет источника 1 в свет, поляризованный по кругу. Поляроиды 5 служат для выделения линеййо-поляризованного света, плоскость поляризации которого составляет угол относительно векторов сил, прило хенных к световодам. Угол выбирается из условия оптимальной чувствительности состояния поляризации оптического излучения к ускорению датчика в каждом световоде, В полом корпусе 10 под давлением Р помещена инерционная масса М, которая при движении датчика с ускорением (3i О вдоль оси OZ дейс вует с давлением ) и (ат.)па верхний и нижний световоды соотве ственно Ynqr таг РИаг)-Ро-- --вPUQO-Po-f где S - площадь соприкосновения инерционного элемента 11 с верхни и нижним световодами отдельно, g - ускорение свободного падения. Таким образом, разность давлен на световоды при движении акселерометра с ускорением ОгО относительно состояния От. 0 составляет Пчг)-Р4{о) )-P(o)- г) так как разность фазлр) между ор тогонально-поляризованными компонентами одной моды излучения, про шедшего через световод, имеет вид - V,(p,-p,i), О) а при использовании световода из плавленного кварца (3) преобразуе ся в . и. т6 изменение степени поляризации света на выходе из верхнего и ниж него световодов при изменении дав ления инерционной массы имеет вид ( 1:а(Эо-0,54-( Л -TVv(o),.& В формулах ( 3) и (5 ) приняты следующие обозначения: К - коэффициент, учитывающий геометрию световода , X, - длина волны используемого излучения/п - показатель преломления материала световода} nlT фотоупругие константы/ Е - модуль упругости световода, Ро- начальный сдвиг фаз между ортогонально-поляризованными компонентами в световоде; рабочая длина световода/ fif- изменение давления инерционной массы на световоды при ускорен ном движении датчика. В каждом канале можно установи начальное состояние оптической пол ризации, соответствующееЭо (11|Ь) в yp ( нении (5). В случае изменение степени поляризации света, HSMepeH- ное с помощью фотодетектирующих приборов 14 и 15, осле пространственного разделения ортогонашьно-поляризованных компонент излучения призмами Волластона 13 примет вид (,08 ) .-s-ihUoeHo bup) (t; Блок 16 суммирует сигигш изменения степени поляризации света из верхнего и нижнего световодов. Если в результате суммирования А T;f+AI 0, то измерительный блок 17 производит измерение ускорения QZ согласно OX)efO bup), (7; т.е. по изменению величины. определяется ускорение к . 10 Ь --j-a,«i«(),.(g; 1,06 где d - диаметр световода, . m - инерционная масса. По знаку разностийТ)-лТ из1лерительный блок 17 определяет также направление вектора ускоренияОх . АТф-лт О-QI O . ДТ,О Q (9) Для расширения температурного диапазона устройства в акселерсметре могут быть дополнительно введены пара компенсаторов 12 и блок управления ими 16, изобретенный на чертеже вместе с блоком сравнения. В качестве компенсаторов состояния поляризации оптического излучеиия могут быть, например, Соле-Баине компенсаторы, либо пьезоэлектрические пластины, осуществлянмдие одноосные деформации световодов. При измерении температуры произойдет смещение начального состояния оптической поляризации излучения на выходе световодов таким образом, что . не будет равно 0. Блок управления компенсаторами в этом случае подает на компенсаторы симметричный сигнал, обеспечивгиощий возврат состояния оптической поляризации в начальное. Важным следствием уравнения (8) явявляется тот факт, что чувствительность акселерометра к ускорению не зависит от рабочей длины волоконных световодов. Это происходит изза увеличения -площади соприкосновения инерционной массы со световодом при испол1 3ованин более длинных волокон, что ведет к пропорциональному

1. АКСЕЛЕРОМЕТР, содержащий расположенные последовательно источник излучения, систему ввода оптического излучения, инерционный и чувствительный элементы, систему вывода оспсического излучения и блок регистрации сигнала, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и термостабильности , чувствительный элемент выполнен в виде двух параллельных волоконных световодов, расположенных перпендикулярно оси чувствительности между стенкаьш корпуса и инерционным элементом и контактирующих 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, отличающий.с я тем, что, с целью расширения температурного диапазона,на концах волоконных световодов установлены компенсаторы состояния поляризации оптического излучения и введен блок управления, входы которого соединены с выходами компенсаторовjа выход его - с входом блока регистрации.