Оптический вибропреобразователь Советский патент 1992 года по МПК G01P15/08 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к устройствам для измерения малых виброускорений.

Известен оптический вибропреобразователь, позволяющий измерять виброускорения, в котором для модуляции светового потока используется плоское зеркало с оптическими неоднородностями, расположенное напротив торца световода перпендикулярно к его оси и перемещающееся в той же плоскости.

Используя плоское зеркало в известном вибропреобразователе, нельзя добиться высокой чувствительности, польку при таком движении зеркала модулировать сигнал будут только

оптические неоднородности, следовательно, для повышения чувствительности надо уменьшать размеры этих неоднородностей , .но это возможно лишь до тех пор, пока они не станут меньше диаметра светового пятна.

Наиболее близким тхеническим решением к предлагаемому является оптический вибропреобразователь, со- (дежащий упругий элемент в виде балочки прямоугольного сечения, на свободном конце которой закреплена инерционная масса с плоским зеркалом, четвертьволновой градан излучающий и два приемных световода.

Известный вибропреобразователь имеет следующий недостаток: использование в качестве отражателя

СО

со

оо

ского зеркала не дает возможности получить высокую чувствительность, так как диапазон угловых перемещений зеркала невелик по сравнению с поступательным перемещением конца балки.

Кроме того, для увеличения чувствительности вибропреобразователь применяется дополнительный оптический элемент-четвертьволновый ,гра- дан, что усложняет конструкцию оптического вибропреобразователя.

Цель изобретения - повышение, чувствительности вибропреобразователя.

Поставленная цель достигается тем что в оптическом вибропреобразователе, содержащем рабочий световод, упругий элемент в виде балочки, на свободном конце последней расположена инерционная масса, выполненная в виде сферы диаметром A-5d, на которую напылен отражатель., при этом центр кривизны сферы смещен относительно оси световода в направлении основной оси чувствительности на 0,4-0,6d, а расстояние между торцом световода и отражателем не более 2d, где d - диаметр световедущей сердцевины рабочего световода. Рабочий световод является общим каналом У-раз- ветвителя.

На фиг.1 представлена конструкция вибропреобразователя на фиг. 2 - статическая характеристика вибропре- образователя.

Вибропреобразователь содержит основание 1, пластину 2 и защитный кожух 3. В пластине 2 (например, кремниевой) выполнено П-образное отверстие, при этом образована ба- лочка 1, являющаяся упругим элементом. На свободном конце балочки вдоль ее оси выполнен (например , тралением) паз 5 в котором закреплен (например, клеем) кварцевый стержень 6. На свободном конце кварцевого стержня 6 оплавлением выполнен шарик диаметром -5d, являющийся инерционной массой, где d - диаметр световедущей сердцевины световода 7 Сферический отражательный элемент 8 образуется путем нанесения на шарик отражающего покрытия (например, напылением алюминия). Напротив отражательного элемента 8 в пластине 2 соосно с пазом 5 выполнен паз 9 в

10

IS

20

25

739301

котором закреплен (например, клеем) - рабочий световод 7.

Ширина и профиль пазов 5 и 9 выбираются такими, чтобы в пазе 5 плотно укладывался кварцевый стержень 6, а в пазе 9 - рабочий световод 7. Глубина паза 5 выбирается равной не менее половины диаметра кварцевого стержня 6, а глубина паза 9 равна глубине паза 5 плюс 0,- 0,6d, но не енее половины диаметра кварцевой оболочки рабочего световода 7. Разница в глубине пазов 5 и 9 определяется рабочей точкой.

Характер статической характеристики такого вибропреобразоватеэтя определяется, в основном, функцией распределения энергии в выходящем из световода 7 конусе света.

В вибропреобразователе применен ступенчатый световод с диаметром световедущей сердцевины 50 мкм, кварцевой оболочки 125 мкм и нормальным распределением энергии в выходящем из него конусе света.

Рабочая точка выбирается посередине одного из двух участков АВ или CD статической характеристики, близких к линейной зависимости (фиг.2), Экспериментально установлено оптимальное смещение St, которое составляет 0,-0,6d, где d - диаметр световедущей сердцевины рабочего световода. Если величина Si выходит за указанные границы, то резко растет нелинейность характеристики (при неизменном диапазоне) .

Диаметр шарика для сферического зеркала выбирается из условий наименьшего рассеяния света и максимального угла поворота конуса света при поступательном смещении шарика. , С увеличением диаметра шарика наблхи дается уменьшение чувствительности за счет увеличения радиуса кривизны отражателя, а при уменьшении диамет-, ра шарика наблюдается уменьшение чувствительности, но в йтом случае за счет рассеяния света. Оптимальный диаметр шарика составляет . Точность изготовления пазов обеспечТй- вается технологией травления. Расстояние между торцом рабочего световода 7 и сферическим отражательным элементом 8 выбирается таким, при котором изменение интенсивности улавливаемого рабочим световодом 7

30

35

45

SO

SS

отраженного светового потока от изменения расстояния между торцом рабочего световода 7 и сферическим отражательным элементом 8 максималь- . но. Это расстояние находится в пределах 1,5-2d. Если расстояние между торцом и отражателем не укладывает- ( ся в указанные границы, то чувствительность такого вибропреобразователя будет снижаться.

Для обеспечения возможности перемещения балочки k в основании 1 выполнен паз 10. Рабочий световод 7, обращенный к отражательному элементу 8, является общим каналом У-развет- вителя 11, один канал которого связан с источником излучения, другой - с фотоприемником.

Световой поток, излучаемый источником, передается с помощью У-развет- вителя Н и рабочего световода 7 на Отражательный элемент 8. Отраженный от отражательного элемента 8 световой поток частично улавливается рабочим световодом 7 и через У-развет- витель 11 передается на фотоприемник.

Воздействие виброускорений в направлении, указанном на фиг.1 стрелкой, приводит к перемещению балочки 4 с закрепленной на ней инерционной

10

массой с отражательным элементом Ь, который, в свой очередь, приводит к изменению направления и формы отраженного конуса света, что в конечном итоге, приводит к модуляции интенсивности светового потока, поступающего на фотоприемник, где световой сигнал преобразуется в электрический, пропорциональный перемещению упругого( элемента.

формула изобретения

Оптический вибропреобразователь, содержащий рабочий световод, оптически связанный с передающим и приемным световодами, а также упругий элемент в виде балочки, на свободном конце которой расположена инерционная масса с напыленным на нее отражателем, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности, инерционная масса выполнена в форме

сферы диаметром (-5)d, при этом центр кривизны сферы смещен относительно продольной оси рабочего световода на (0,-0,6)d, а расстояние между торцом рабочего световода и поверхностью отражателя выбрано не

более 2d, где d - диаметр сердцевины рабочего световода.

Использование: измерение малых виброускорений. Вибролреобразователь содержит основание 1, рабочий световод 7 для передачи и приема световой энергии, кварцевый стержень 6, закрепленный на балочке , на конце которой смещается под действием ускорения, модулируя световой сигнал. Максимальная чувствительность вибропреобразователя достигается при следующих геометрических соотношениях: диаметр сферического отражательного элемента (-5)d; смещение сферического отражателя относительно продольной оси рабочего световода (0,- 0,6)d расстояние между торцом сяе- товода и сферическим отражателем - не более 2d, где d - диаметр све- товедущей сердцевины рабочего световода. 2 ил. 8 IS

I

f f f /

в№/

Фиг. 2

«U.