Устройство функционального преобразования акустического давления в частоту Советский патент 1990 года по МПК H03K9/00 

Фиг.1

Изобретение относится к устройствам функционального преобразования физических величин и может быть использовано в качестве элемента пре- цизионного измерителя акустического давления.

Целью изобретения является увеличение чувствительности устройства.

На фиг„1 представлена функциональ пая схема устройства; на фиг,2 - схема сенсора; на фиг.З - форма первой пластины; на фиг.4 - форма второй пластины.

Устройство 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, мембраны 12, первую 13 и вторую 14 линзы. Приемник 2 светового излучения и источник 1 светового излучения подклю- чены соответственно к входу и выходу усилителя 3, а вход первого световода 4 оптически сопряжен с источником 1 светового излучения, вход четвертого световода 8 оптически со- пряжен с выходами второго 5 и третьего 6 световодов, а его выход - с входом приемника 2 светового излучения, сенсор 7 оптически сопряжен по входу с выходом первого световода 4, а по выходу - с входами второго 5 и третьего 6 световодов о Первая пластина 10 Жестко закреплена в держателе 9 перпендикулярно плоскости расположения осей первого 4, второго 5 и третьего 6 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 10, а вторая линза 14 между второй пластиной 11 и вторым 5 и третьим 6 световодами, оптически оси первого световода 4 и обеих линз 13 и 14 совпадают, причем каждая из пластин 10 и 11 имеет участки, выполненные в виде светопроницаемых и светонепроницаемых полос, расположение пластин 10 и 11 таково, что оптическая ось первого световода 4 про

содит через середину светонепроницаемой центральной полосы первой пласти- Ны 10 и светопроницаемой центральной полосы второй пластины 11, ширины

0

5

0 5 0 ,. Q 5 Q

5

центральных полос второй 11 и первой пластин находятся в соотношении 2:1.

Устройство работает следующим образом

Источник 1 светового излучения (например, лазерный диод } возбуждает первый световод 4, по которому свет поступает в сенсор 7 и затем через первую 10 и вторую 11 пластины во второй 5 и третий 6 световоды, которые имеют различную длину. Свет с выходов световодов 5 и 6 поступает в четвертый световод 8, распространяясь по которому поступает затем на приемник 2 светового излучения. Приемник 2 светового излучения преобразует оптический сигнал в электрический, поступающий после- усиления усилителем 3 на вход источника 1 светового излучения и осуществляет модуляцию мощности светового притока, который вновь попадает в первый световод 4. При выполнении условий самовозбуждения в указанной замкнутой системе устанавливается режим генерации радиочастотного синусоидального колебанияо При этом мощность светового излучения промодулирована синусоидальным сигналом той же частоты, а на выходе усилителя 3 содержится информация о величине акустического давления, действующего на сенсор 7„

Работа устройства основана на автогенераторном принципе преобразования входного физического воздействия в частоту автоколебаний. Частота одночастотных колебаний устройства зависит от изменения условий возбуждения второго 5 и третьего 6 световодов, которые имеют место при поперечном смещении второй пластины I1 относительно параллельно закрепленной первой пластины 10 при действии на мембрану, связанную с второй пластиной 11 акустического давления.

Частота одночастотных колебаний, возбуждаемых в замкнутой системе устройства, определяется из условия баланса фаз и амплитуд i

1кА (jw)l I KBC(jto)IIK(jw)llK/(jw)

Vrt(u)+ VBC ( V,A(U)) + (w)2fn, (1)

tl ,/Ј,

1I

где КЛ,К6С, KfA.K,,, - модули и аргуVA 5с V V менты коэффициентов передачи

соответственно источника 1 свтового излучения, световод- ного тракта, образованного первым 4, вторым 5, третьим 6,четвертым 8 световодами и сенсором 7, а также усилителем 3.

Из (I) получим выражение для частоты колебаний в устройстве f.

f0 (2 n+wklV) (T где ы.

с+Тэ-КГк),

(2)

собственная частота электрического контура усилите--2о

ля:

п

Т Т

1к -з

Т„сO, 1 ,/,0 . . ; , постоянные времени контура и широкополосной части усилителя;

эффективное время задержки светового сигнала в све товодном тракте, которое определяется как Т et w-2Ff0. Для световодного тракта рассматриваемого устройства функционального преобразования коэффициент передачи KBC(JUJ) определяется соотношением

К (зЫ)-К,(зо) -Кс fjw)-Ka.3(Jw)« 60 ),(3)

где K1(jw),Kt(jw),K2.3(jcj),-K(jw) коэффициенты передачи соответственно первого световода 4, сенсора 7, второго световода 5, третьего 6 и четвертого 8 световодов соответственно Считая, что акустическое давление воздействует на сенсор 7 и K1(ju)), K4(ju), KA(jw), K$A(jw) при этом постоянны, величина изменений эффективной задержки светового сигнала дТВ((г) определяется

как

ЛТ6с(г)Твс(г)-Твс(о);

(4)

(г) - УвсСг /чПу -ТвсЫ, (5)

t c(sinwTi + AsinWTa Vle-arct8 ,55

A

FA. PC

PI p p

p r1 r J

Й

соответственно

10

Т. 15

L,,L,

--2о Т

-

величины оптических мощностей световых потоков, которые распространяются во втором 5 и третьем 6 световодах,

Р, + Рг;

величина смещения второй пластины Il относительно середины первой пластины IО при воздействии на мембрану акустического давления; Lin

L2n. С

длины второго 5 и третьего 6 световодов; скорость света; задержки светового сигнала во втором 5 и третьем 6 световодах соответственно. Для ДТ6С справедливо выражение

ЛТвс(г) о«г)Т7 - )Т4. (6)

С учетом (5) и (2) выражение для частоты представляется в виде

f „ m 0 о/(г)Т + /j(t)Ta+TJ+TK l 30 При выполнении соотношения , которое выполняется, например, при равном периоде Г полос, нанесенных на пластины 10 и 11 (фиг.3,4), записывается следующее выражение:

и

Л

V

25

- 2Јп + УЈТь

(8)

dt(L2-L,) п/С+Ь,п/С+Тк-Иэ

из которого следует, что изменение частоты fe под внешним воздействием тем больше, чем больше разница между длинами второго 5 и третьего 6 световодов и чем больше изменения величины (Л о(г), которая характеризует величину возбуждаемой мощности светового излучения во втором световоде 5 „ Величина ei зависит от смещения г второй пластины 11 относительно первой пластины 10 и определяется параметрами конкретного используемого сенсора 7.

При использовании в сенсоре 7 пластин 10 и П, одна из которых закреплена на мембране 12 и смещается при акустическом ее возбуждении, создаваемые относительно смещения пластины 11 в направлении, перпендикулярном плоскости мембраны 12, моду- , лируют по мощности проходящий пучок света. Полагая, что движение пластиы 11 обусловлено акустическим колеанием, глубина модуляции оптической ощности во втором световоде 5 опеделяется из соотношения,

Q 2/(ссо3Г), (9)

де Г - период решетки на пластинах

10 и 11;

fc - акустический импеданс; Q u3- угловая звуковая частота. При этом Q определяется выраженим Q ,, где Р - мощность акустического давления, воздействущего на мембрану; Рt - величина оп }5 тической мощности, поступающая на вход второго световода 50

Таким образом, для малых смещений пластины 11, т.е. г Г, возбужденную во втором световоде 5 ческую мощность можно определить как , или для d можно записать,

/ Q Р«р

что о Л--

о

25 Формула изобретения

1,Устройство функционального преобразования акустического давления в частоту, содержащее источник свето- 30 вого излучения, выход которого оптически связан с входом первого световода, приемник светового излучения, электрический выход которого соединен с входом усилителя, а выход усилите- ,,. ля соединен с входом источника оптического излучения, отличающееся тем, что, с целью увеличения чувствительности, в устройство введены сенсор н три световода, при- 40 чем выходы второго и третьего световодов оптически сопряжены с входом четвертого световода, выход которого оптически связан с входом четвертого световода, выход которого оптически 45

связан с входом приемника светового злучения, 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 уело вию.

LZ - L, О, 1 C/f

где L2 -длина третьего световода.;

L1 -длина второго световода;

С -скорость света;

f -частота преобразования.

2. Устройство nonol, отличающееся 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 «Збекх 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, причем ширина центральных полос на первой и второй пластинах выбрана удовлетворяющей соотношению 1;2.

Изобретение относится к устройствам функционального преобразования и может быть использовано в качестве волоконно-оптического датчика акустического давления в гидролокации. Цель изобретения - повышение чувствительности. Устройство выполняет преобразование величины акустического давления в частоту автоколебаний. 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 5, 6, имеющих различную длину, сопряжены с сенсором 7, а их выводы соединены с входом четвертого световода 8, выход которого сопряжен с фотоприемником 2. При воздействии на сенсор 7 акустического давления величины мощности светового излучения, поступающего во второй 5 и третий 6 световоды, изменяются. Это приводит к изменению частоты колебаний в цепи обратной связи через усилитель 3. 4 ил.

OfcaJ

Редактор Н.Гунько

Составитель В.Степанкин

Техред Л.Олийнык Корректор С,Черни

Заказ 174

Тираж 644

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж-35; Раушская наб., д. 4/5

ФиеЛ

Подписное